1、基于 GIS 的 城市中心区 教育设施 布局规划研究 以渝中区小学校点布局专项规划为例 余凤鸣，周杜辉 摘要： 随着 城市化进程的加快 ，我国 大 城市得到了 迅速发展，由此带来的城市中心区教育设施布局问题也显得 尤为突出。 本文 结合 GIS 技术 ，以重庆市渝中区 小学 布局 专项规划 为 典型案例 ， 在 GIS 核密度分析 、缓冲区分析、泰森多边形分析等几种 技术的 支持下 ，以 严谨的数据和科学的计算方法， 深入探讨了教育设施布局规划 中 小学服务 区 划分方法 及 小学人数推算 ，使 规划编制成果更具科学性和可操作性。 关键词： GIS 服务区划分 学生人数预测 渝中区 随着我国
2、城市化进程 的加快 ， 大城市 得到了快速发展，由此带来的城市中心 教育设施 现状布局 的种种问题 显得尤为突出。我国多数 城市的 学校 布局基本上形成于 20 世纪 70 年代，在此之后，城市空间框架向外扩张，居住空间 格局 随之发生 巨大变化 ， 交通 枢纽变化日新月异， 城区人口 大幅度增长，但是 城市 中心区用地紧张 等诸多原因， 小学 的格局 基本没有发生变化 ，由此 带来了 教育资源不均衡 等社会问题， 并受到 政府 相关 部门和社会越来越多的关注1,2。 2015 年 重庆市城 乡 规划全覆盖 工作会议 中 明确 要求要 把教育设施作为 重点 工作 内容 ，提出针对 城 市中心
3、区 的特点要进一步深化 研究 ，提高成果的科学性及可 实施 性。 1 GIS 技术 在 城市 规划中的应用 随着 GIS（ 地理信息系统）技术的不断发展， GIS 技术 正在逐步 融入 规划行业，并渗透到 城市规划 各个方面和各个研究课题 。 GIS 技术 在规划工作中 主要 应用于空间分析与决策、数据 统计、空间信息可视化、遥感影像、规划管理信息服务、 图形制作表达 、定量分析 研究 、规划信息化等方面 。 较之以 传统 Autocad 为 主要技术手段的编制成果， GIS 解决了空间 图形与属性数据无法互动、 指标 数据统计工作量大、 根据属性 数据对空间 数据分类 等难题 3,4,5。
4、目前， GIS 在 国 外 的规划实践中已得以很好的利用 6,7， 但 GIS 技术 在我国 城市规划中的应用 尚不普遍， 目前 我国 GIS 在 城市规划中的应用大多停留在查询及简单统计分析的初级层面，而 在 模拟预测、多方案评估等方面还没有得到 广泛 地发挥，应用到教育设施规划中更为零星。如何更好地 发挥 GIS 在城市规划 领域的作用，尤其是在解决教育设施规划中 服务范围 的划分及学生人数 推算 方面 成为十分值得 探讨的问题 8,9。 2 研究区 概况 及 技术 方法 2.1 研究区域概况 研究区域 为 重庆市 渝中区 全区 ， 渝中区是 重庆市的中 心 城区，处 于 长江和 嘉陵江交
5、汇处，两江环抱、形似半岛 ， 为重庆市经济、文化及商贸流通中心 。 全区 共有 11 个 街道组成，水陆域面积 23.71 平方公里 ， 为了 得到更准确 的研究结果，用地区域中去掉 河流水域 用地 ，处理之后 ，研究区域总面积 18.54 平方公里 。 截止 至 2015 年 ， 全区共有 小学 32 所 ， 共 751个 班， 在校 小学生约 3 万人， 占 全区常住人口的 4.6%。 2.2 数据来源及 技术 方法 研究 基础数据 提取自重庆 渝中区 控规 ，使用地理信息系统软件 Arcgis10.2 进行模拟计算 ，从 控规 中提取用地边界 、 路网 ， 利用 GIS 软件 特有的 空
6、间数据和属性数据管理 技术 ，将相关的空间数据和属性数进行处理，建立数据库，方便后续计算 分析 。 同时根据 渝中区小学资料，采集小学分布数据，利用 ArcMap 平台生成点文件 。 研究过程主要 分为数据准备、 数据处理和 数据分析 3 个步骤 。 3 渝中区中小学 专项规划 实例 研究 3.1 空间分布特征 按照 重庆市 城乡 公共服务设施标准（ 2014） ， 设置小学最大搜索半径为 1000 米 ，对渝中区小学分布图点进行密度分析，得到各个小学点对周边 邻域 的影响范围 ， 将小学密度图与 用地规划图 进行叠加分析，得到未被小学 影响的范围 （如图 1 所示）。 图 1 渝中区 现状小
7、学密度分布图 （ 作 者自绘） 从图 1 可以看 出 ，用地边界线以内 浅灰色 地块 即未被覆盖的 居住区 范围 ， 渝中区的小学主要集中在东 部和 中 部片区， 校点数量 分别 占全区总数的 42.6%和 38.2%；西部地区校点相对欠缺， 大部分 地块未被 覆盖， 校点数量 仅 占全区总数的 19.2%， 说明 现状 小学的空间布局并不均衡 。究其原因， 导致 这种现象是因为 渝中区 东部地区 是 重庆市的老城区、 母 城区，是城市文明发源地，人口密度集中，建筑密度大， 从而 影响 了 全区小学布局的空间密度。 根据以上分析结果及 渝中区目前发展态势来看， 东部地区 作为 老城区， 土地资
8、源紧张，未来城市发展空间受限 ， 而 西部地区却是渝中区经济发展的另一个增长极， 为有效 的解决教育设施空间分布不均衡的问题， 规划 采取 了 以下措施 进行 了改进 ： 一是合并 对于周边无可扩征用地的学校 ，同时 又 与 附近学校的施教区重合的学校，整合教育资源； 二是 置换渝中区内适于发展为教育用地的土地进行使用功能、权属的转换 ；三是 结合 中西部 周边的人口密度、现有学校 、 公共绿地等条件适当 增设 新的小学 。得到调整后 的中小学校点布局如下所示（ 图2） ： 图 2 渝中区 规划小学密度分布图 （ 作者自绘） 3.2 服务区 的 初步划分 3.2.1 基于缓冲区 的小学服务区划
9、分 由 缓冲区 建立服 务范围 的方法一直在 城市 规划中较为广泛的应用，缓冲区是围绕地理要素一定宽度的区域，这个宽度称为缓冲距离 10。本文中以 规划 小学 校 点目标 为中心生成缓冲区进行拟合， 根据重庆市城乡公共服务设施规划标准（ 2014），学校 的服务半径为 5001000 米 ， 基于 此 服务半径来划分服务区范围，可以得出一定服务半径下学校的覆盖 区 （ 图 3），从图中可以看出 基于 最小 500 米 服务半径 的缓冲区模拟图内一些居民单元并没有划分到学校的教育服务区内 ， 存在一定的服务盲区， 基于 1000 米 的缓冲区模拟图也存在 少数 边缘 居民单元没有被覆盖的情况 。
10、既 然 缓冲区分析存在 一定的局限性， 可 利用 Voronoi 图的特点，对于一定区域内的用地利用 Voronoi 图 来进行基础教育服务区 的初步 划分 ， 能更好 地 实现 服务范围的全覆盖，同时也能打破传统的人工判读以及以行政区划所界定的服务范围的划分（图 4） 。 图 3 基于 500 米服务范围 的 小学缓冲区模拟图 （ 作者自绘） 图 4 基于 1000 米服务范围 的 小学缓冲区模拟图 （ 作者自绘） 3.2.2 基于 泰森多边形小学服务区的 初步 划分 泰森 多边形，又称 Voronoi 图 或 Dirichlet 图 ， 是平面的一个划分， a、 b、 c、 d、 e为多边
11、形的 顶点，其控制点集 P P1， P2， ， Pn中任意两点都不 共 位，且任意四点不共圆。任意的一个泰森多边形中，任意一个内点到该多边形的控制点 Pi 的距离都小于该点 到其 他 任何控制点 Pj的距离；任意边到 共 边多边形控制点的距离相等 11,12。如图所示，结合 渝中区 居民点布局，利用 Voronoi 图将 渝中区 的用地进行划分，初步划分学校的服务片区。 具体 步骤 如下： （ 1） 以 规划 每个学校 中心点 为出发点生成 Voronoi 图； （ 2） 将生成的 Voronoi 图层数据与所在区域的居民单元图层进行叠加 分析 ，得到每个Voronoi 图中所对应的居民单元组
12、合，这样就可以找出居民单元所对应的最邻近的学校点，如图 5 所示； 图 5 以 泰森多边形初步划分的小学服务区 （ 作者自绘） （ 3） 计算每个居民单元同所对应最邻近学校的距离。 按照以上步骤 ，将每个 居民 单元地块的中心点提取出来，理想状态下假设每个居民地块的生源 在空间上 均匀分布，生源都从 该 地块的中心出发， 按照 重庆市城乡 公共服务设施标准（ 2014） 设定 服务距离，计算得到每个居民单元 同 所对应最邻近学校的距离 （ 图 6） 。 图 6 邻近距离分析 属性 表 节选 将 计算 结果与泰森多 边形 划分的 服务区叠合分析， 当 某一居住小区 或 居住地块同时属于两个或多个
13、服务区时，地块将被分割，此时，结合人工判读，对居住用地所属的小学属性进行 适当 调整，将每个居住小区整体划归为同一小学服务区。 修正服务区范围时 应遵循以下原则： 划片范围内居住人口、学生规模、学校规模相匹配； 充分尊重自然地形；避免跨越交通干道；支撑重大功能性项目； 尽量遵循 居民实际出行行为 。按照上述原则 修正后得到以下服务区 （ 图 7） 。 图 7 小学服务区 （ 作者自绘） 4 学生人数 推算 在 以往 规划中，研究人口规模有现状趋势外推、人口出生率 推导和 分析各年龄阶段人口构成等几种方法，然后再根据千人指标合理估算各学龄段学生人口数量 。这几种预测方法 都能相对科学的预测千人学
14、生数， 但 基于现状趋势外推 预测法略显粗略 ， 各年龄段 人口构成的预测方法是在现状条件 的 基础上的推导， 基于人口出生率 推倒的 预测方法 的推导条件是假定的，理想化 程度 偏高 。预测 方法选 择的恰当与否，直接关系到 预测 效果的好坏和 预测工作 的成败 。 为此 ，本文研究了以控 规 居住建筑量 来 推算人口规模的方法 ，以 控 规 中规划 居住建筑量 能 容纳的最大人口进行推算， 人口 规模预测工作量巨大，靠 传统 人 工 计算耗时耗力，成本大 ，而 GIS 技术 提供了 较好的 分析统计 平台。技术路线如下 ： 式中 ， S 表示 各 小学入学人数， 为 千人指标 ， 根据重庆
15、市城乡公共服务设施规划标准（ 2014），取值为 0.48， , 表示 居住 地块 的地块面积， 表示 地块容积率， 表示 人均居住面积。 和 的 数值 在控规中已有规定，可以直接获得。 根据重庆市城乡总体规划（ 2007-2020 年）（ 2011 年修订）规划到 2020 年，重庆市主城区人均住房建筑面积达到 35的小康水平。 由于研究区域 是城市中心区，同时也是老城区，各 片区 、各街道 及各 社区 的情况都不同，因此根据实际情况，人均 居住 标准也存在着 细微 差异， 按照 前期现状调查及各街道社区提供的基础资料， 分类制定 各街道、社区 的 居住标准， 现状居住 建筑按照各街道提供的
16、标准计算，新建居住建筑按照人均 35 标准计算 ， 安置房 项目按照人均 25 进行推算 ，结合 GIS 属性 数据表和自定义查询功能查询出分类地块进行单独计算统计 ，将得到的 总人口与现状人口和未来迁入人口 进行验证 ， 得到每个 小学服务区的学生人数，如图所示： 居住建筑总量 居住人口总量 生均指标 千人指标 入学人口总量 人均居住标准 现状人口 +迁入人口 验证 图 8 小学人数空间 分布图 （ 作者自绘） 5 结 语 城市 基础教育资源配置关系到 整个国家 的发展，关系到国家民族的下一代成长。学校 布局 结构的调整、 教育资源 的 合理利用 是 各级 政府保证 人民整体素质、 实现 社
17、会公平 、 构建和谐社会的重要内容。 本 研究 以小学为例，以 ArcGIS 技术 为 支撑 ， 针对 单纯 按照 传统行政边界 和 街区 划分服务区 以及 利用 缓冲区划分 服务区 的局限性，结合泰森多边形 初步划分了小学服务区， 并在此基础上 结合 人工判读 明确了 研究区域 每所小学的服务范围 ，根据 建筑规模推算小学 入学 人数 ， 用科学的计算方法及 翔实 的数据为规划提供了依据 。 本研究中 暂未考虑 同一居住小区由多所小学提供 服务的 特殊情况， 有待进一步深化研究。 参考文献 1 陈 慧，周 源我国大城市老城区中小学布局规划研究 以广州市越秀区中小学教育布局规划为例J工程建设与
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