基于GIS的布局优化与分析——以宿迁市主城区小学为例

胡苏，刘传林，张士磊，池建

（1.宿迁市城市规划设计研究院有限公司，江苏 宿迁 223800；2.宿迁学院，江苏 宿迁 223800）

1 引言

随着我国城市化进程的加快，城市空间布局不断变化，城市公共服务设施的配置问题日益突出。在教育领域就存在学校布局与学区分配等问题。要解决这样的问题，需要根据城市道路网、居民空间分布等状况的变化来调整与之配套的教育资源，使其充分体现自身的利用价值，又能减少和避免资源浪费以及其他相关问题。百年大计，教育为本，而教育的基地则是学校，校址选定后学校将长期运营。因此，合理的学校规划选址与布局调整对于教育的均衡发展、资源的公平分配，降低城市交通拥堵、减少资源浪费，降低居民的经济、精神压力，乃至提高城市宜居性、构建和谐城市都具有重要的现实意义。

在包含学校等资源的城市公共服务设施配置具体研究上，国外学者关注的重点在城市公共服务设施配置的影响因素分析、配置模式总结、设施可达性研究和公共服务设施配置评价研究等方面，学者们理论结合实践，基于地理信息系统（GIS）技术对公共服务设施布局进行了大量的研究。国内学者从九十年代末开始关注公共服务设施配置研究，各学科研究的热点集中于公共服务设施的规划、布局、配置体系和标准、评价以及城乡公共服务设施均等化配置研究等方面，并逐渐形成具有中国特色的城市公共服务设施配置理论体系。然而，国内城市公共服务设施的配置研究大多关注发达地区、大城市的配置，实证研究的地区和数量有限，研究侧重于定性评价，定量的分析评价模型不足，也尚未形成较为系统与成熟的理论与研究框架，研究的深度和广度均有待于进一步提升。此外，由于城市的发展与公共服务资源的需求为动态过程，因此需要以长远的眼光看待公共服务设施配置分析与优化问题，而以往的研究基本为静态分析模型，缺乏时间序列的动态规划配置研究。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

宿迁于1996年正式建立地级市，位置介于北纬 33°8～34°25′，东经 117°56′～119°10′之间，属于陇海经济带、沿海经济带、沿江经济带的交叉辐射区。近年来，宿迁城市建设步伐加快，城市范围扩张加速，城市的面貌也发生较大的变化，城市交通与人口的变化也无疑对小学学校的布局调整提出了新的挑战。

2.2 数据源

①人口数据

从统计年鉴获取宿迁市第六次人口普查相关数据，结合实地走访调查，获得人口分布现状数据，另外根据在建小区和规划建设小区预测未来人口分布情况，制作城区三个不同时期的人口密度分布数据（如图1所示），图1中a代表现状，b代表短期5年左右，c代表长期10年左右。

图1 宿迁主城区人口密度分布图

②城市基础地理信息数据

综合谷歌地图、交通旅游图等图件，开展地图数字化工作，统一地图投影为WGS 1984 UTM Zone 50N。使用Geodatabase数据模型建立相应的地理数据库，主要包括：交通路网、高压电线路、居民区、城市地质与城市用地情况等相关地理空间数据。根据调查整理的数据，丰富完善空间数据库的属性数据。

③现有小学信息

通过实地调查，归纳整理出宿迁市主城区（一环内）现有小学数量、位置、占地面积、各年级学生数量等相关数据。

2.3 研究方法

小学作为公共服务设施，在其布局规划中应以教育公平为基础，按效用最大化原则进行空间配置，确保资源的充分利用。其效用评价应考虑多方面的因素，包含：城市的性质和区位、交通条件、人口状况、经济状况、环境状况、聚类效应、相关关系等方面。这些因素都涉及地理空间位置并关联诸多属性信息，而GIS以其特有的空间分析与表达能力为研究提供了寻求空间解决策略的方法。因此，本研究基于GIS相关技术和平台，首先将数据分层、分类，建立与研究对象相对应的空间数据库，并通过数字化等数据处理技术与方法完善该数据库；然后，利用GIS的空间分析功能，综合现有小学的位置、城市交通路网和人口密度等信息分析其服务覆盖范围和服务水平。此外，研究还使用层次分析法构建了小学用地适宜性评价指标体系，开展了小学建设用地适宜性分析研究；最后进行了新建小学的规划选址研究，提出小学优化规划方案，给出合理建议。

3 小学现状分析

从现有小学的空间位置分布图（如图2所示）上可以明显看出：宿迁主城区小学空间分布呈现中心密集而四周稀疏的特征，小学现状布点不合理。城市东南、东北区域没有小学，西北区域仅一所，中心区域密集到宿迁师范附小和市实验小学仅一路之隔的距离。此外，宿豫实验小学和特殊学校也是邻接的空间关系。

图2 宿迁主城区小学现状分布图

从现有小学的学校统计信息表（见表1）中可以看出，宿迁主城区12所小学之间对比差异较大，均衡性差。依据《城市普通中小学校舍建设标准》（2002）来衡量，宿迁城区小学存在诸多不符合标准的地方，突出表现：①以小学班级规模标准为每班45人计算，12所小学仅3所达到要求，合格比约为25%。②以生均占地面积为不低于18m标准衡量，12所小学中达标的有5所，合格比约为42%。③老城区部分优质小学处于超饱和运行状态，随之带来交通堵塞等一系列社会问题。其中以市实验小学最为突出，其规模远远高于其他小学，达到了100个班级且班均人数超过60人。

宿迁主城区现有小学统计表 表1

从现有小学的服务范围来看，还存在小学学校的服务半径过大的问题。小学服务的对象群体具有出行半径有限、出行方式以步行为主的特点，对于设施可达性的敏感度更高。根据《中小学校建筑设计规范》规定小学服务半径不宜大于500m，即以学校为圆心，以500m为半径画圆估算学校的服务范围。但在城市中不能简单地以直线距离来衡量，还要考虑道路的约束。本研究分别使用500m、1000m、2000m三种距离，基于城市道路网络来分析其服务范围见图3所示，信息统计表如表2所示。从图表中可以看出，宿迁城区小学数量不足，各学校的服务半径过大。其中，现有小学500m服务半径所形成的服务区域仅占整个城区的8.57%，即使将服务半径扩展到2000m，也仅能覆盖整个城区的75.33%。从其服务人口数量和比例来看，目前500m服务半径区域也仅能占总城区人口的11.93%，未来5年和10年其服务人口比将有所上升，但也仅有12.68%和13.52%。其不仅是空间位置分布不合理的问题，而更重要的是数量过少的问题，与此同时根据估算的人口数据得出：未来5年和10年其服务人口数量的绝对值比例将会上升54%和54.5%，人口数量的增加既意味着需求的增加，也更加凸显出宿迁城区小学学校资源的匮乏。

图3 基于道路网宿迁城区小学现状服务范围示意图

宿迁主城区现有小学服务范围信息表 表2

宿迁市主城区小学的配置与位置分布和宿迁城市的历史发展以及人口分布有极大关系，但目前看来，其存在城区小学数量少、空间布局不合理、学校服务半径过大、学校条件设施不符合建设标准以及学校之间对比差异较大等问题。在当前城市发展以及城市格局变化的背景下，已不合时宜且不能满足城市居民的需求。此外，随着时间的推移，城区人口数量不断增加，上述问题将进一步扩大。

4 小学用地适宜性分析

规划选址需要先开展用地适宜性分析，即选择较为适宜建设的地点。综合考虑现有数据与实际情况，在进行小学建设用地适宜性分析时使用的指标主要有：当前城市用地性质、交通可达性、人口密度、地质灾害性、高压线路以及近邻小学的影响等因素。使用Yaahp软件采用AHP分析法确定各个影响因素的权重，判断矩阵及权重，如表3所示，该判断矩阵一致性0.08，小于0.1，具有满意一致性，符合使用要求。

AHP分析判断矩阵及权重表 表3

为了便于用地适宜性得分的量化计算，将6个影响因素按照其性质赋予适宜性得分分值，分值的范围设置为1分～9分，具体设置如下。

①城市用地性质因素

根据城市用地性质对其赋予不同的分值，如图4所示，其中：教育科研用地为9分，仓储用地和公共绿地为8分，生态绿地为7分，风景旅游用地和文化娱乐用地得6分，工业用地、行政用地和体育用地得5分，居住用地得4分，商业用地和市政设施用地得3分，对外交通用地和生产防护绿地得2分，文物古迹得1分。

②交通可达性因素

将城市交通道路分成3个等级（主干道、次干道和一般道路），并对所有的道路进行100m、200m、300m、400m、500m距离的缓冲区分析。主干道100m缓冲范围得9分，200m得8分，300m得7分，400m得6分，500m得5分。次干道缓冲范围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缓冲范围得7分，200m得6分，300m得5分，400m得4分，500m得3分。将得分累加后归一化到1～9范围，得到交通可达性因素得分图，如图4所示。

图4 小学用地适宜性单因素得分示意图

③人口密度因素

对人口密度数据做归一化处理，按照其大小归一化到1～9范围内，并分别赋予9～1分。人口密度因素得分图，如图4所示。

④地质灾害因素

将地震断裂带线性数据进行多环缓冲区分析，缓冲距离分别为：20m、40m、80m、160m、320m、640m、128m0、2560m、5120m等9个级别，分别赋予1～9分。地质灾害因素得分图，如图4所示。

⑤高压线路的影响因素

将高压线线性数据进行多环缓冲区分析，缓冲距离分别为：20m、40m、80m、160m、320m、640m、128m0、2560m、5120m等9个级别，分别赋予1～9分。高压线路的影响因素得分图如图4所示。

⑥近邻小学的影响因素

将现有小学点数据进行多环缓冲区分析，缓冲距离分别为：100 m、200 m、400 m、700 m、1100 m、1600 m、2200 m、2900 m、3700 m等9个级别，分别赋予1～9分。近邻小学的影响因素得分图如图4所示。

将上述单因素得分按照各自的影响权重做叠加分析，得到最终的小学用地适宜性总得分分布图，如图5所示，图中颜色越深的地方越适宜新建小学。从现状看，大部分学校的位置不合理，一方面原因是模型考虑地质安全性的系数过高，达到了0.4777，而老市区学校多、人口密的地方地震断裂带又比较密集，另外一方面影响因素中有邻近小学的影响，即离现有小学越近的地方越不适宜建立小学，所以现有小学的位置在该项得分最低。

图5 小学用地适宜性总得分示意图

5 空间布局优化分析与建议

5.1 优化分析

当前城乡公共服务设施布局均等、均衡化是我国城乡规划的热点与重点问题，因此小学学校的空间布局优化也应重点考虑其布局的均衡性。国务院印发的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》中也明确指出要优化教育布局结构，推进义务教育均衡发展，所以在进行城区小学用地布局优化时，始终要坚持结合人口、交通等条件对小学教育用地均衡分布，以方便学龄人口就近入学。根据现状分析，目前宿迁主城区小学布局最大的问题就是学校的数量不足，因此为了达到其数量与布局均衡化，必须选址新建小学。

根据小学用地适宜性分析的结果，结合地块的实际面积以及能否改建为学校等实地情况，选择了20处可以用于新建小学的备选地点，然后借助于GIS空间分析的位置，分配功能来进行规划选址分析。在选址分析上，宜采用P—中值模型，因此问题的类型设置为最小化加权阻抗（即P中位数问题），阻抗设置为距离，单位为m，新建学校数量分别选择1～8所，其分析结果如图6所示。图6中三角型点符号为现有小学，在分析中全部保留，空方框点符号为备选但未选中的点，方框含五角星点符号为备选且选中的点。从图6中可以看出，为了达到均衡布局，新增学校数量为1～5个时，新建学校分布位置均较为合理。当新增学校数量为6～8个时，第6个选点位于城区的左下角，而此处附近为大量的工业用地，虽有人口分布但却非重要的需求点，第7个选点的选择靠近第一个选择点，可以作为分担第一个选择点的需求负担而备选，第8个选点则离第3个选择点较近，而此处的人口密度也不是很大。

图6 新建小学校址选址（1～8所）GIS分析结果示意图

因此，研究认为新建5所小学较为适宜。在保留原有12所小学并新加5所后，对其进行服务范围和服务人口分析，结果和详细信息分别如图7和表4所示。

图7 基于道路网宿迁城区小学规划后服务范围示意图

宿迁主城区规划后小学服务范围信息表 表4

从图表中可以看出，若新增图示位置上的5所小学，其整体空间位置分布的均衡性将得到极大改善。结合表2的现状分析可以看出学校500 m、1000 m、2000 m服务区域的面积和面积占比将增加56%、57%和22%，服务总人口数将增加50%、43%和10%，服务总人口数占比则可以提升48%、43%和10%。其中2000 m服务区面积可以达到全城区92%，服务人口占比达到97%，图7中2000 m服务区未覆盖的区域主要集中于左下和右下偏西位置，该两处位置分别为宿城区和宿豫区的经济开发区，用地性质主要为工业用地，虽有一定数量的人口分布，但暂无新建小学的需求。未来5年和10年内城区小学500 m、1000 m、2000 m服务区域的人口数将增加43%、44%、44%以及120%、107%、106%，服务人口占比将趋于稳定于18%、59%和95%左右。

5.2 优化建议

从现状分析中可以看出，由于城区小学数量较少，导致部分小学规模过大，也引发了其各项指标与规划设计规范标准相距甚远，随着时间的推移，该问题还将进一步扩大，因此，建议选址新建小学。

经综合分析，当前选址新建小学数量为5所为宜，位置如图6所示。根据选址位置以及人口需求分配等的结果，统计新建小学信息表，如表5所示。详细信息如表5所示。表5中4号点位置由于其附近正在拆迁故现状人口较少，此外其位于大学以及景区附近，故未来需求人口并不多，但其地理位置又十分重要，因此需要建立小学学校但班级数量可酌情减少，且可在5年或10年后建立，其他4所学校则需立即规划建设。

宿迁主城区新建小学信息表 表5

在新建上述5所小学之后，城区小学教育公共资源均衡性将得以改善，但据分析结果仍有需要进一步优化的地方，重点凸显在小学学校500 m服务区域覆盖率不高、城市路网的完善等问题上。但城市的各项建设是需要逐步实现的，目前首要解决的问题是需要根据综合分析的结果新建相关小学，建议规模见表5所示。

6 结语

我国城市化进程不断加快，小学教育等公共服务资源的不均衡状况将长期存在，而其在空间上的合理配置也将涉及城市居民、政府部门和其他各利益团体，设施配置的公平性、合理性和高效性常常牵连多方博弈，十分复杂。多年的实践以及本研究的结果表明，GIS技术的引入给城市规划带来了诸多优势，突出体现在其便于建立综合模型，结合多种因素展开定量分析与优化规划分析，为解决城市公共服务设施布局与规划问题奠定了技术基础。但城市毕竟是一个复杂的综合体且处于不断的更新变化中，因此动态地分析、优化规划仍是今后的研究主题。此外，数据的维度、精确性以及准确性都将影响分析与优化的结果，若后续研究将人口数据进一步精确到每栋楼房，也会使得研究结果更具说服力。