基于GIS空间分析优化小学教育设施资源配置探索

孙建华

(杭州市规划和自然资源调查监测中心，浙江 杭州 310012)

1 引 言

优先发展教育，不断深化教育供给侧结构性改革，消除基础教育领域的短板和薄弱环节，是城市规划工作的一项重要内容。《杭州市城市规划公共服务设施基本配套规划(修订)》中指出基础教育设施应按其服务范围均匀布置、就近入学。逐步形成更加公平、更高质量、更为多样的现代基础教育服务体系，加快实现教育现代化。

在此背景下，以地理国情数据为基础并结合交通数据、人口数据，构建教育资源供给综合分析模型，识别当前学区划分下亟待改善区域，揭示当前教育资源供给与空间配置存在的问题，并以“办好家门口的每一所学校为目标”，对未来中小学学区规划进行优化选址，旨在为政府规划研究和编制工作提供科学参考，推进市域优质基础教育资源共建共享，优化资源配置，扩大优质教育供给，提高教育公共服务均等化水平与能力。以杭州市西湖区为例，本文将阐述基于GIS空间分析优化小学教育设施的方法。在研究过程中所采用的数据源主要有：2018年学区划分图、2017年街道图、2016年社区图、2018年分区规划和控规数据、2017年12月人口数据、2017年地理国情数据、2017年地理空间框架道路面和中心线数据。

2 小学现状分析

2.1 小学教育设施总体情况的空间分析

主要分析指标是单个学生在西湖区内占有空间面积、街道(乡镇)占全区面积比例和占有教育资源的比例。现将该行政区现有49所小学空间分布，街道(乡镇)行政区域面，结合各学校可就学规模进行空间分析(图1)，现状教育设施分布呈现以下几个特点：①数量偏少，供需矛盾突出。小学生人均用地面积为 15.6 m2，远低于《杭州市城市规划公共服务设施基本配套规定(修订)》规定的最低面积(19.15 m2)。②空间分布不均，教育资源分布过于集中。主要集中在翠苑街道、古荡街道中部和文新街道北部地区，其中这3个街道的面积占全区5%，但学校数量占全区30%。

图1 西湖区小学教育设施现状分布

2.2 空间可达性分析

基于交通路网数据及政府规范下的学区规划，一是根据路网计算各居住小区到其对应学校路径距离按每分钟40步、步距 0.4 m折算的步行时间，按5个可达时间段制作分布图，红色线为 5 min内可达，绿色线 30 min以上可达(如图2所示)。二是制作各学校的 500 m覆盖范围，粉红图斑为可达覆盖范围，绿色图斑为 500 m可达未覆盖图斑(如图3所示)。分析表明，中部地区街道小学 500 m服务小区多，但整体就学可达性弱，规划有待优化。79%的小区(农居)斑块位于国家规定的 500 m小学服务范围外。

图2 基于学区的各小区到对口小学的步行可达时间 图3 基于规范学区的小学500 m覆盖范围

从2.1和2.2的空间分析结果中可以看出，除了翠苑街道、古荡街道中部和文新街道的小学教学资源配置达到规定的要求，其余区域各项指标均未达到要求，并呈现以下不利特征：①街道(乡镇)区域面积较小的为该区的中心城区，离中心城区越远，人均教育资源越低；②离中心城区越远的区域，步行到达学校的距离越远；③大部分住宅小区离学校超过 500 m距离。

3 利用GIS技术进行学区优化

要消除学校资源配置上的不利特征，利用GIS空间分析能力，综合考虑学校区位、教师资源配置情况(学校综合优势度)以及考虑教育设施的最大容纳量与实际需求入学人数的关系，本文引入“最短路径入学”和“均衡师生比”的学区优化方法(如图4所示)。

图4 学区优化方法

“均衡师生比”就是将潜在的不均衡性应当通过合理的学区划分得到补偿以达到各学校师资水平的平衡发展。在优化方法中，优先将较好的教育资源按照空间关系配置给邻近的小区，当学校的最大学生数达到上限时，将未被分配学校的小区按照空间位置可达距离的优先级划定给其他学校。研究中考虑将较好的学校分配给距离最近的小区，当学校的最大学生数达到上限时便不在为这所学校分配对应的小区，当所有学校都已经达到最大学生容纳量时，对于此时仍未被分配学校的小区考虑就近就学。为了实现上述过程，并设计算法流程如下：

step1：置小学小区表中的选择列为0；小学表中的现有学生数为0，是否达到最大学生数为0；小区表中的选择列为0；建立新的小学小区表；

step2：按关联得分的降序排列小学小区表；

step3：判断小学表“是否达到最大学生数”列中是否包含标记为0的列，如果有则找出小学小区表中第一个选择列不为1的列，得到小学编号和小区编号，标记该行的选择项为1。反之转step7；

step4：在小学表中找到step3中小学编号对应的行，在小区表中找到step3中小区编号对应的行，若小学表目标行的“是否达到最大学生数”列的值为1或小区表目标行的“选择”列的值为1则转step3，否则转step5，并小区小学表的对应行加入新的小区小学表；

step5：置小区表目标行的“选择”列的值为1，置小学表“现有学生人数”的值等于当前值与小区表目标行“小区儿童数”列的值的和；

step6：判断小学表目标行“现有学生人数”是否超过“最大学生人数”，若超过则标记该行的“是否达到最大学生数”列为1。转step3；

step7：若小区表中存在“选择”列为0的行则转step8，否则算法结束；

step8：选择小区表中第一个“选择”列标记为0的行，得到该行中的小区编号，在小学小区表中找到该编号且距离最近的行，加入新的小区小学表，标记小区表的“选择”列为1，转step7。

区小学小区表(示例) 表1

区小学表(示例) 表2

区小区表(示例) 表3

经过学区空间重新配置后，共有437个小区图斑(占比44.5%)发生学区变动(如图5所示)。

图5 优化后小区学区变动情况

通过学区覆盖范围的优化，得出优化后的学区覆盖范围图斑(如图7)。

一是从教育资源配置上看均衡性得到了很好的改善(如图6和图7所示)，位于国家标准规定的小学服务范围内的小区增加了24个，占比由16.99%增长至19.43%。

图6 现状学区 图7 优化后学区

二是小区可达学校的平均路径较大缩短(如图8和图9所示)，在 500 m服务范围内服务学龄人数从 5 810人提升到 6 350人，上学平均距离由 1.72 km缩短至 1.36 km，减少了21%；上学的最远距离由 11.17 km缩短至 7.62 km，减少了31%。

图8 优化前小区可达性 图9 优化后小区可达性

4 新建学校的选址分析

通过以上过程实现学区的合理划分，并识别出优化学区后可达性仍不能被改善的区域，将其称为优化盲区，基于地理空间位置和人口结构均等化思路，结合粒子群算法及K-means算法，满足适龄人口入学需求并消除可达性盲区，优化得到新建小学选址建议，结果建议新增6所学校，并给出建议的新建顺序(如图10所示)。对比教育部门的学校规划数据从图中可以看出，建议的1号小学、2号小学、4号小学与规划基本一致，表明优化结果对学校资源配置具有均衡作用。

图10 新增小学选址

5 小 结

本文基于GIS空间分析所阐述的研究结果表明，现状分析结果总体上反映了目前教育资源配置上存在的问题，但就学区优化方面还存在盲区，根据学校教育设施类型、小区可达性和人口差异化需求，从数量、质量、服务能力和可达性等多维度测算教育设施供给的均等化程度得出的综合分析结果，对学区优化和学校优化选址具有一定的参考价值。