基于GIS的布局優(yōu)化與分析——以宿遷市主城區(qū)小學(xué)為例

胡蘇，劉傳林，張士磊，池建

（1.宿遷市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

1 引言

隨著我國城市化進程的加快，城市空間布局不斷變化，城市公共服務(wù)設(shè)施的配置問題日益突出。在教育領(lǐng)域就存在學(xué)校布局與學(xué)區(qū)分配等問題。要解決這樣的問題，需要根據(jù)城市道路網(wǎng)、居民空間分布等狀況的變化來調(diào)整與之配套的教育資源，使其充分體現(xiàn)自身的利用價值，又能減少和避免資源浪費以及其他相關(guān)問題。百年大計，教育為本，而教育的基地則是學(xué)校，校址選定后學(xué)校將長期運營。因此，合理的學(xué)校規(guī)劃選址與布局調(diào)整對于教育的均衡發(fā)展、資源的公平分配，降低城市交通擁堵、減少資源浪費，降低居民的經(jīng)濟、精神壓力，乃至提高城市宜居性、構(gòu)建和諧城市都具有重要的現(xiàn)實意義。

在包含學(xué)校等資源的城市公共服務(wù)設(shè)施配置具體研究上，國外學(xué)者關(guān)注的重點在城市公共服務(wù)設(shè)施配置的影響因素分析、配置模式總結(jié)、設(shè)施可達性研究和公共服務(wù)設(shè)施配置評價研究等方面，學(xué)者們理論結(jié)合實踐，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)對公共服務(wù)設(shè)施布局進行了大量的研究。國內(nèi)學(xué)者從九十年代末開始關(guān)注公共服務(wù)設(shè)施配置研究，各學(xué)科研究的熱點集中于公共服務(wù)設(shè)施的規(guī)劃、布局、配置體系和標(biāo)準(zhǔn)、評價以及城鄉(xiāng)公共服務(wù)設(shè)施均等化配置研究等方面，并逐漸形成具有中國特色的城市公共服務(wù)設(shè)施配置理論體系。然而，國內(nèi)城市公共服務(wù)設(shè)施的配置研究大多關(guān)注發(fā)達地區(qū)、大城市的配置，實證研究的地區(qū)和數(shù)量有限，研究側(cè)重于定性評價，定量的分析評價模型不足，也尚未形成較為系統(tǒng)與成熟的理論與研究框架，研究的深度和廣度均有待于進一步提升。此外，由于城市的發(fā)展與公共服務(wù)資源的需求為動態(tài)過程，因此需要以長遠的眼光看待公共服務(wù)設(shè)施配置分析與優(yōu)化問題，而以往的研究基本為靜態(tài)分析模型，缺乏時間序列的動態(tài)規(guī)劃配置研究。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

宿遷于1996年正式建立地級市，位置介于北緯 33°8～34°25′，東經(jīng) 117°56′～119°10′之間，屬于隴海經(jīng)濟帶、沿海經(jīng)濟帶、沿江經(jīng)濟帶的交叉輻射區(qū)。近年來，宿遷城市建設(shè)步伐加快，城市范圍擴張加速，城市的面貌也發(fā)生較大的變化，城市交通與人口的變化也無疑對小學(xué)學(xué)校的布局調(diào)整提出了新的挑戰(zhàn)。

2.2 數(shù)據(jù)源

①人口數(shù)據(jù)

從統(tǒng)計年鑒獲取宿遷市第六次人口普查相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合實地走訪調(diào)查，獲得人口分布現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，另外根據(jù)在建小區(qū)和規(guī)劃建設(shè)小區(qū)預(yù)測未來人口分布情況，制作城區(qū)三個不同時期的人口密度分布數(shù)據(jù)（如圖1所示），圖1中a代表現(xiàn)狀，b代表短期5年左右，c代表長期10年左右。

圖1 宿遷主城區(qū)人口密度分布圖

②城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

綜合谷歌地圖、交通旅游圖等圖件，開展地圖數(shù)字化工作，統(tǒng)一地圖投影為WGS 1984 UTM Zone 50N。使用Geodatabase數(shù)據(jù)模型建立相應(yīng)的地理數(shù)據(jù)庫，主要包括：交通路網(wǎng)、高壓電線路、居民區(qū)、城市地質(zhì)與城市用地情況等相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)。根據(jù)調(diào)查整理的數(shù)據(jù)，豐富完善空間數(shù)據(jù)庫的屬性數(shù)據(jù)。

③現(xiàn)有小學(xué)信息

通過實地調(diào)查，歸納整理出宿遷市主城區(qū)（一環(huán)內(nèi)）現(xiàn)有小學(xué)數(shù)量、位置、占地面積、各年級學(xué)生數(shù)量等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 研究方法

小學(xué)作為公共服務(wù)設(shè)施，在其布局規(guī)劃中應(yīng)以教育公平為基礎(chǔ)，按效用最大化原則進行空間配置，確保資源的充分利用。其效用評價應(yīng)考慮多方面的因素，包含：城市的性質(zhì)和區(qū)位、交通條件、人口狀況、經(jīng)濟狀況、環(huán)境狀況、聚類效應(yīng)、相關(guān)關(guān)系等方面。這些因素都涉及地理空間位置并關(guān)聯(lián)諸多屬性信息，而GIS以其特有的空間分析與表達能力為研究提供了尋求空間解決策略的方法。因此，本研究基于GIS相關(guān)技術(shù)和平臺，首先將數(shù)據(jù)分層、分類，建立與研究對象相對應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)字化等數(shù)據(jù)處理技術(shù)與方法完善該數(shù)據(jù)庫；然后，利用GIS的空間分析功能，綜合現(xiàn)有小學(xué)的位置、城市交通路網(wǎng)和人口密度等信息分析其服務(wù)覆蓋范圍和服務(wù)水平。此外，研究還使用層次分析法構(gòu)建了小學(xué)用地適宜性評價指標(biāo)體系，開展了小學(xué)建設(shè)用地適宜性分析研究；最后進行了新建小學(xué)的規(guī)劃選址研究，提出小學(xué)優(yōu)化規(guī)劃方案，給出合理建議。

3 小學(xué)現(xiàn)狀分析

從現(xiàn)有小學(xué)的空間位置分布圖（如圖2所示）上可以明顯看出：宿遷主城區(qū)小學(xué)空間分布呈現(xiàn)中心密集而四周稀疏的特征，小學(xué)現(xiàn)狀布點不合理。城市東南、東北區(qū)域沒有小學(xué)，西北區(qū)域僅一所，中心區(qū)域密集到宿遷師范附小和市實驗小學(xué)僅一路之隔的距離。此外，宿豫實驗小學(xué)和特殊學(xué)校也是鄰接的空間關(guān)系。

圖2 宿遷主城區(qū)小學(xué)現(xiàn)狀分布圖

從現(xiàn)有小學(xué)的學(xué)校統(tǒng)計信息表（見表1）中可以看出，宿遷主城區(qū)12所小學(xué)之間對比差異較大，均衡性差。依據(jù)《城市普通中小學(xué)校舍建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（2002）來衡量，宿遷城區(qū)小學(xué)存在諸多不符合標(biāo)準(zhǔn)的地方，突出表現(xiàn)：①以小學(xué)班級規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)為每班45人計算，12所小學(xué)僅3所達到要求，合格比約為25%。②以生均占地面積為不低于18m標(biāo)準(zhǔn)衡量，12所小學(xué)中達標(biāo)的有5所，合格比約為42%。③老城區(qū)部分優(yōu)質(zhì)小學(xué)處于超飽和運行狀態(tài)，隨之帶來交通堵塞等一系列社會問題。其中以市實驗小學(xué)最為突出，其規(guī)模遠遠高于其他小學(xué)，達到了100個班級且班均人數(shù)超過60人。

宿遷主城區(qū)現(xiàn)有小學(xué)統(tǒng)計表 表1

從現(xiàn)有小學(xué)的服務(wù)范圍來看，還存在小學(xué)學(xué)校的服務(wù)半徑過大的問題。小學(xué)服務(wù)的對象群體具有出行半徑有限、出行方式以步行為主的特點，對于設(shè)施可達性的敏感度更高。根據(jù)《中小學(xué)校建筑設(shè)計規(guī)范》規(guī)定小學(xué)服務(wù)半徑不宜大于500m，即以學(xué)校為圓心，以500m為半徑畫圓估算學(xué)校的服務(wù)范圍。但在城市中不能簡單地以直線距離來衡量，還要考慮道路的約束。本研究分別使用500m、1000m、2000m三種距離，基于城市道路網(wǎng)絡(luò)來分析其服務(wù)范圍見圖3所示，信息統(tǒng)計表如表2所示。從圖表中可以看出，宿遷城區(qū)小學(xué)數(shù)量不足，各學(xué)校的服務(wù)半徑過大。其中，現(xiàn)有小學(xué)500m服務(wù)半徑所形成的服務(wù)區(qū)域僅占整個城區(qū)的8.57%，即使將服務(wù)半徑擴展到2000m，也僅能覆蓋整個城區(qū)的75.33%。從其服務(wù)人口數(shù)量和比例來看，目前500m服務(wù)半徑區(qū)域也僅能占總城區(qū)人口的11.93%，未來5年和10年其服務(wù)人口比將有所上升，但也僅有12.68%和13.52%。其不僅是空間位置分布不合理的問題，而更重要的是數(shù)量過少的問題，與此同時根據(jù)估算的人口數(shù)據(jù)得出：未來5年和10年其服務(wù)人口數(shù)量的絕對值比例將會上升54%和54.5%，人口數(shù)量的增加既意味著需求的增加，也更加凸顯出宿遷城區(qū)小學(xué)學(xué)校資源的匱乏。

圖3 基于道路網(wǎng)宿遷城區(qū)小學(xué)現(xiàn)狀服務(wù)范圍示意圖

宿遷主城區(qū)現(xiàn)有小學(xué)服務(wù)范圍信息表 表2

宿遷市主城區(qū)小學(xué)的配置與位置分布和宿遷城市的歷史發(fā)展以及人口分布有極大關(guān)系，但目前看來，其存在城區(qū)小學(xué)數(shù)量少、空間布局不合理、學(xué)校服務(wù)半徑過大、學(xué)校條件設(shè)施不符合建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)以及學(xué)校之間對比差異較大等問題。在當(dāng)前城市發(fā)展以及城市格局變化的背景下，已不合時宜且不能滿足城市居民的需求。此外，隨著時間的推移，城區(qū)人口數(shù)量不斷增加，上述問題將進一步擴大。

4 小學(xué)用地適宜性分析

規(guī)劃選址需要先開展用地適宜性分析，即選擇較為適宜建設(shè)的地點。綜合考慮現(xiàn)有數(shù)據(jù)與實際情況，在進行小學(xué)建設(shè)用地適宜性分析時使用的指標(biāo)主要有：當(dāng)前城市用地性質(zhì)、交通可達性、人口密度、地質(zhì)災(zāi)害性、高壓線路以及近鄰小學(xué)的影響等因素。使用Yaahp軟件采用AHP分析法確定各個影響因素的權(quán)重，判斷矩陣及權(quán)重，如表3所示，該判斷矩陣一致性0.08，小于0.1，具有滿意一致性，符合使用要求。

AHP分析判斷矩陣及權(quán)重表 表3

為了便于用地適宜性得分的量化計算，將6個影響因素按照其性質(zhì)賦予適宜性得分分值，分值的范圍設(shè)置為1分～9分，具體設(shè)置如下。

①城市用地性質(zhì)因素

根據(jù)城市用地性質(zhì)對其賦予不同的分值，如圖4所示，其中：教育科研用地為9分，倉儲用地和公共綠地為8分，生態(tài)綠地為7分，風(fēng)景旅游用地和文化娛樂用地得6分，工業(yè)用地、行政用地和體育用地得5分，居住用地得4分，商業(yè)用地和市政設(shè)施用地得3分，對外交通用地和生產(chǎn)防護綠地得2分，文物古跡得1分。

②交通可達性因素

將城市交通道路分成3個等級（主干道、次干道和一般道路），并對所有的道路進行100m、200m、300m、400m、500m距離的緩沖區(qū)分析。主干道100m緩沖范圍得9分，200m得8分，300m得7分，400m得6分，500m得5分。次干道緩沖范圍100m得8分，200m得7分，300m得6分，400m得5分，500m得4分。一般道路100m緩沖范圍得7分，200m得6分，300m得5分，400m得4分，500m得3分。將得分累加后歸一化到1～9范圍，得到交通可達性因素得分圖，如圖4所示。

圖4 小學(xué)用地適宜性單因素得分示意圖

③人口密度因素

對人口密度數(shù)據(jù)做歸一化處理，按照其大小歸一化到1～9范圍內(nèi)，并分別賦予9～1分。人口密度因素得分圖，如圖4所示。

④地質(zhì)災(zāi)害因素

將地震斷裂帶線性數(shù)據(jù)進行多環(huán)緩沖區(qū)分析，緩沖距離分別為：20m、40m、80m、160m、320m、640m、128m0、2560m、5120m等9個級別，分別賦予1～9分。地質(zhì)災(zāi)害因素得分圖，如圖4所示。

⑤高壓線路的影響因素

將高壓線線性數(shù)據(jù)進行多環(huán)緩沖區(qū)分析，緩沖距離分別為：20m、40m、80m、160m、320m、640m、128m0、2560m、5120m等9個級別，分別賦予1～9分。高壓線路的影響因素得分圖如圖4所示。

⑥近鄰小學(xué)的影響因素

將現(xiàn)有小學(xué)點數(shù)據(jù)進行多環(huán)緩沖區(qū)分析，緩沖距離分別為：100 m、200 m、400 m、700 m、1100 m、1600 m、2200 m、2900 m、3700 m等9個級別，分別賦予1～9分。近鄰小學(xué)的影響因素得分圖如圖4所示。

將上述單因素得分按照各自的影響權(quán)重做疊加分析，得到最終的小學(xué)用地適宜性總得分分布圖，如圖5所示，圖中顏色越深的地方越適宜新建小學(xué)。從現(xiàn)狀看，大部分學(xué)校的位置不合理，一方面原因是模型考慮地質(zhì)安全性的系數(shù)過高，達到了0.4777，而老市區(qū)學(xué)校多、人口密的地方地震斷裂帶又比較密集，另外一方面影響因素中有鄰近小學(xué)的影響，即離現(xiàn)有小學(xué)越近的地方越不適宜建立小學(xué)，所以現(xiàn)有小學(xué)的位置在該項得分最低。

圖5 小學(xué)用地適宜性總得分示意圖

5 空間布局優(yōu)化分析與建議

5.1 優(yōu)化分析

當(dāng)前城鄉(xiāng)公共服務(wù)設(shè)施布局均等、均衡化是我國城鄉(xiāng)規(guī)劃的熱點與重點問題，因此小學(xué)學(xué)校的空間布局優(yōu)化也應(yīng)重點考慮其布局的均衡性。國務(wù)院印發(fā)的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》中也明確指出要優(yōu)化教育布局結(jié)構(gòu)，推進義務(wù)教育均衡發(fā)展，所以在進行城區(qū)小學(xué)用地布局優(yōu)化時，始終要堅持結(jié)合人口、交通等條件對小學(xué)教育用地均衡分布，以方便學(xué)齡人口就近入學(xué)。根據(jù)現(xiàn)狀分析，目前宿遷主城區(qū)小學(xué)布局最大的問題就是學(xué)校的數(shù)量不足，因此為了達到其數(shù)量與布局均衡化，必須選址新建小學(xué)。

根據(jù)小學(xué)用地適宜性分析的結(jié)果，結(jié)合地塊的實際面積以及能否改建為學(xué)校等實地情況，選擇了20處可以用于新建小學(xué)的備選地點，然后借助于GIS空間分析的位置，分配功能來進行規(guī)劃選址分析。在選址分析上，宜采用P—中值模型，因此問題的類型設(shè)置為最小化加權(quán)阻抗（即P中位數(shù)問題），阻抗設(shè)置為距離，單位為m，新建學(xué)校數(shù)量分別選擇1～8所，其分析結(jié)果如圖6所示。圖6中三角型點符號為現(xiàn)有小學(xué)，在分析中全部保留，空方框點符號為備選但未選中的點，方框含五角星點符號為備選且選中的點。從圖6中可以看出，為了達到均衡布局，新增學(xué)校數(shù)量為1～5個時，新建學(xué)校分布位置均較為合理。當(dāng)新增學(xué)校數(shù)量為6～8個時，第6個選點位于城區(qū)的左下角，而此處附近為大量的工業(yè)用地，雖有人口分布但卻非重要的需求點，第7個選點的選擇靠近第一個選擇點，可以作為分擔(dān)第一個選擇點的需求負擔(dān)而備選，第8個選點則離第3個選擇點較近，而此處的人口密度也不是很大。

圖6 新建小學(xué)校址選址（1～8所）GIS分析結(jié)果示意圖

因此，研究認為新建5所小學(xué)較為適宜。在保留原有12所小學(xué)并新加5所后，對其進行服務(wù)范圍和服務(wù)人口分析，結(jié)果和詳細信息分別如圖7和表4所示。

圖7 基于道路網(wǎng)宿遷城區(qū)小學(xué)規(guī)劃后服務(wù)范圍示意圖

宿遷主城區(qū)規(guī)劃后小學(xué)服務(wù)范圍信息表 表4

從圖表中可以看出，若新增圖示位置上的5所小學(xué)，其整體空間位置分布的均衡性將得到極大改善。結(jié)合表2的現(xiàn)狀分析可以看出學(xué)校500 m、1000 m、2000 m服務(wù)區(qū)域的面積和面積占比將增加56%、57%和22%，服務(wù)總?cè)丝跀?shù)將增加50%、43%和10%，服務(wù)總?cè)丝跀?shù)占比則可以提升48%、43%和10%。其中2000 m服務(wù)區(qū)面積可以達到全城區(qū)92%，服務(wù)人口占比達到97%，圖7中2000 m服務(wù)區(qū)未覆蓋的區(qū)域主要集中于左下和右下偏西位置，該兩處位置分別為宿城區(qū)和宿豫區(qū)的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，用地性質(zhì)主要為工業(yè)用地，雖有一定數(shù)量的人口分布，但暫無新建小學(xué)的需求。未來5年和10年內(nèi)城區(qū)小學(xué)500 m、1000 m、2000 m服務(wù)區(qū)域的人口數(shù)將增加43%、44%、44%以及120%、107%、106%，服務(wù)人口占比將趨于穩(wěn)定于18%、59%和95%左右。

5.2 優(yōu)化建議

從現(xiàn)狀分析中可以看出，由于城區(qū)小學(xué)數(shù)量較少，導(dǎo)致部分小學(xué)規(guī)模過大，也引發(fā)了其各項指標(biāo)與規(guī)劃設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相距甚遠，隨著時間的推移，該問題還將進一步擴大，因此，建議選址新建小學(xué)。

經(jīng)綜合分析，當(dāng)前選址新建小學(xué)數(shù)量為5所為宜，位置如圖6所示。根據(jù)選址位置以及人口需求分配等的結(jié)果，統(tǒng)計新建小學(xué)信息表，如表5所示。詳細信息如表5所示。表5中4號點位置由于其附近正在拆遷故現(xiàn)狀人口較少，此外其位于大學(xué)以及景區(qū)附近，故未來需求人口并不多，但其地理位置又十分重要，因此需要建立小學(xué)學(xué)校但班級數(shù)量可酌情減少，且可在5年或10年后建立，其他4所學(xué)校則需立即規(guī)劃建設(shè)。

宿遷主城區(qū)新建小學(xué)信息表 表5

在新建上述5所小學(xué)之后，城區(qū)小學(xué)教育公共資源均衡性將得以改善，但據(jù)分析結(jié)果仍有需要進一步優(yōu)化的地方，重點凸顯在小學(xué)學(xué)校500 m服務(wù)區(qū)域覆蓋率不高、城市路網(wǎng)的完善等問題上。但城市的各項建設(shè)是需要逐步實現(xiàn)的，目前首要解決的問題是需要根據(jù)綜合分析的結(jié)果新建相關(guān)小學(xué)，建議規(guī)模見表5所示。

6 結(jié)語

我國城市化進程不斷加快，小學(xué)教育等公共服務(wù)資源的不均衡狀況將長期存在，而其在空間上的合理配置也將涉及城市居民、政府部門和其他各利益團體，設(shè)施配置的公平性、合理性和高效性常常牽連多方博弈，十分復(fù)雜。多年的實踐以及本研究的結(jié)果表明，GIS技術(shù)的引入給城市規(guī)劃帶來了諸多優(yōu)勢，突出體現(xiàn)在其便于建立綜合模型，結(jié)合多種因素展開定量分析與優(yōu)化規(guī)劃分析，為解決城市公共服務(wù)設(shè)施布局與規(guī)劃問題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但城市畢竟是一個復(fù)雜的綜合體且處于不斷的更新變化中，因此動態(tài)地分析、優(yōu)化規(guī)劃仍是今后的研究主題。此外，數(shù)據(jù)的維度、精確性以及準(zhǔn)確性都將影響分析與優(yōu)化的結(jié)果，若后續(xù)研究將人口數(shù)據(jù)進一步精確到每棟樓房，也會使得研究結(jié)果更具說服力。