互聯網地圖教育設施可達性評價方法

            2022-06-22 版權聲明 舉報文章

            互聯網地圖教育設施可達性評價方法

            摘要:教育設施是城市公共服務設施的重要組成部分,可達性是衡量教育設施空間布局是否合理的重要手段。研究基于互聯網地圖,在多源數據的支持下,利用路線規劃算法、時空網絡分析和空間密度分析等方法,構建了教育設施可達性評價模型,并以重慶渝中區為例,量化評價了區域內32所小學的空間可達性,繪制了真實路徑下的小學服務區域覆蓋圖,以此提出優化建議,以期為教育設施規劃提供科學的分析方法和技術支撐。

            關鍵詞:互聯網地圖;教育設施;小學;可達性;重慶渝中區

            隨著城鎮化高速的推進和城市規模的快速擴大,大規模的城鄉人口流動和聚集成為城市發展的重要標志,公共服務設施作為城市服務的重要載體,其服務供給、布局分布、規模質量是否滿足城市居民差異化的需求對城市發展質量起著重要作用。而教育設施作為城市公共服務設施的重要組成部分,在城鎮化進程中除了能夠提供基礎教育服務功能外,還往往扮演著促進城市土地開發、引導人口合理分布、鏈接其他空間和社會資源合理分布的重要角色。城市建成區開發建設較為成熟,用地趨于飽和,但仍然源源不斷地吸引著大量人口的聚集,教育設施面臨著供給不足和空間分布不均衡的問題,城市的高質量發展和公平性服務受到挑戰,而可達性評價是分析、解決該問題的重要手段和科學依據。教育設施可達性是指城市居民獲取教育服務或到達教育設施的便利程度[1],一般重點關注其空間可達性,研究居民與設施之間的空間分布關系及空間匹配程度[2],包括距離、路徑、時間等指標,忽略個人喜好、經濟收入、階層差異等非空間因素。空間可達性研究目前有服務半徑法[3]、最短距離法[4]、平均距離法[5]、累積機會法[6-8]、引力模型發[9-11]、兩步移動搜索法[12-14]等方法,多運用GIS作為分析平臺和工具。楊欽宇等基于引力可達性構建了公共服務設施公平性評價模型[9];岑君毅等通過兩步移動搜索法分析了廣州市中小學設施可達性[12];韓增林等利用城市空間網絡分析方法分析了大連沙口河區基礎教育設施的空間可達性,并提出布局優化方案[15];蔡愛玲等基于兩步移動搜索法提出了迫切度優化的分析模型,分析了深證坪山區教育設施可達性,提出了城市新區教育設施布局的優化方案和原則[13]。這些可達性評價方法多為理論架構推演,簡化了空間的復雜性,忽略了空間的三維特征——時間不同。具體而言,這些評價方法簡化了城市路網,忽略了不同交通方式帶來的可達性差異;無法準確反應空間三維特征,山地城市中直線距離很短的兩點,可能由于地形高差的影響導致實際路程消耗很長的時間;未考慮城市交通的潮汐特征,忽略了不同時間段空間可達性的差異。隨著移動互聯網和ICT技術的發展,越來越多的新數據、新技術被應用到城市問題分析與研究中,互聯網地圖作為最為常見的電子導航服務供應商,提供了大量城市路網、實時路況、路徑規劃等交通服務,具有數據全、覆蓋廣、更新快、實時性等重要特征[16],為城市研究提供了全新的手段和方法,為可達性分析方法革新提供了可能。本研究選擇互聯網地圖作為教育設施可達性分析的主要方法,其優勢在于真實城市路網的模擬、多類型交通方式的融合、精細出行時間的刻畫,基于此做出的可達性評價更為準確和科學。

            1研究范圍和數據來源

            1.1研究范圍

            本研究選擇重慶市渝中區作為研究范圍。渝中區位于重慶主城的中心,作為重慶市政治、經濟、文化以及商貿流通中心,是重慶的母城,轄區總面積23.24平方千米,下轄七星崗、解放碑、兩路口、上清寺、菜園壩、南紀門、朝天門、大溪溝、大坪、化龍橋、石油路11個街道,2019年末常住人口66.20萬人。隨著城市的快速發展與擴張,渝中區是重慶城鎮化率最高的城區,相對高差227米,山地地形特征明顯,面臨著土地開發強高、人口密度大、基礎設施老化、城市品質下降等挑戰,對其宏觀規劃與調整能力提出了挑戰,其中,教育設施的公平性和均等性是新時代中國社會特別是已建成區亟待解決和優化的難題。

            1.2數據來源

            本研究的基礎數據由渝中區行政區劃數據、學校數據、居住小區數據和交通路網數據四種類型組成。行政區劃數據由互聯網公開數據源獲取,并在GIS中矢量化生成行政區劃面要素;學校數據在渝中區教育局官方網站上查詢獲取,本研究主要關注義務教育階段的小學教育設施;居住小區數據通過鏈家網獲取,包括了小區名稱、位置、價格等數據;交通路網數據包括城市路網、交通距離、交通時間等,均通過調用互聯網地圖API計算得到。從獲取的數據可以發現,截止2020年底,渝中區共計開設小學32所,751個班,在校小學生約3萬人;渝中區共有居住小區353個,主要分布在東部和中部區域(圖1)。雖然渝中區憑借區位經濟、發展歷史等優勢,小學數量和質量居全市前列,但其教育設施仍然存在著空間分布不均衡、學校用地面積不足、城市建設與教育用地矛盾日益突出等問題。其中,渝中區東部和中部片區小學教育設施分布較密集,西部區域分布較稀疏,保障全區常住人口子女就讀存在一定壓力,渝中區無拓展空間,建設用地緊張,現狀中小學用地與控規要求存在一定差距,教育設施未匹配城市建設規模,造成入學矛盾較大。

            2研究方法和模型構建

            2.1互聯網地圖算法

            互聯網地圖算法是通過python編寫程序調用地圖開放API接口,提供起止點坐標,通過路線規劃算法,計算得到在指定時間或當下時刻,不同交通方式的出行路徑和消耗時間等信息。互聯網地圖路線規劃算法其本質是基于交通網絡分析的數學算法,其優勢在于擁有高度精細化的城市路網模型,同時疊加了道路類型、實時路況、交通方式、交通設施、城市地形等各類機會成本因素,能夠得到最接近真實情況的出行路徑和時間,而非僅考慮二維空間的直線距離,也無需額外考慮傳統可達性評估模型中的摩擦系數、阻力系數等不確定因子。該算法符合人們出行的一般規律,也為可達性評估提供了科學、準確的判斷依據。本研究采用高德地圖作為計算平臺,高德地圖是國內領先的互聯網地圖服務商,也是優秀的人地關系大數據平臺,擁有大量的用戶群體、廣泛的城市覆蓋、精細的交通數據。高德地圖在其開放平臺提供了大量的交通算法支持,包括路線規劃、位置搜索、地理定位、坐標轉換、交通態勢等,本研究主要使用其路線規劃算法。針對步行路線規劃,該算法可提供100公里以內的步行通勤方案,并綜合考慮了人行橫道、過街天橋、地下通道、廣場等步行獨有交通設施,而并非簡單基于車行交通路網。

            2.2可達性評價模型

            利用上述獲取的多源數據,本研究基于互聯網地圖算法構建小學教育設施的可達性評價模型(圖2),具體步驟如下:第一步,通過互聯網地圖API,在任意普通上學日早晨7:30,遍歷計算從渝中區353個小區通過步行方式抵達32所小學的路線和時間,得到353×32條路線規劃數據L,共計11296條結果。任意路線規劃數據可以表達如下:式中,   表示從居住小區i通過交通方式k抵達小學j的路線規劃數據,其中包含常數時間T、距離S以及矢量路徑R三種數據。064第二步,參照《重慶市城鄉公共服務設施規劃標準》(DB50/T543-2014)將小學服務半徑設定為1000米,然后以任意小學j作為中心、居住小區i為空間點、抵達小學距離作為數值,利用ArcGIS中的克里金法建立空間距離插值圖,并從插值圖中篩選距離小于1000米的范圍構建小學j的標準服務區域。按上述方法,得到渝中區32所小學的服務區域,并將其拼接融合得到渝中區整體小學服務區域。第三步,小學按照其服務區域與該范圍內的居住小區組成服務供需組合,以居住小區抵達該小學的時間作為可達性評價指標,若一個小區存在與多個小學的對應關系,則取最小值。由于居住小區空間分布存在不連續性,故將渝中區按照100×100米的尺度進行空間網格化,以同一網格內居住小區平均距離與時間為可達性評價指標,以此避免原始數據評價帶來的偏差。

            3可達性評價

            3.1計算結果

            通過互聯網地圖計算得到11296條從353個居住小區至32所小學教育設施的步行路線數據。從研究范圍來看,最短步行線路為1米;最長步行線路為12429米,需耗時166分鐘,即從位于渝中區西部的攬江雅苑小區至東部的東水門小學;平均步行線路長度4035米,平均耗時54分鐘;其中有1051條步行線路長度小于1000米,占比9.30%。其中,研究范圍353個居住小區至各自最近的小學平均步行距離為532米,平均耗時7分鐘,整體上渝中區小學教育設施覆蓋達到較好水平,平均上看實現了1000米服務范圍覆蓋;有308個居住小區在步行1000米范圍內至少有一所小學,占比87.25%;有45個居住小區在步行1000米范圍內沒有小學,占比12.75%,該45個居住小區中,距離最近的小學步行距離最長的為2531米,耗時34分鐘,即從位于渝中區西部的攬江雅苑小區至中部的石油路小學。按照1000米步行半徑的標準,篩選每個居住小區步行距離小于等于1000米的小學(圖3)。從結果可以發現,整體上每個居住小區在該步行半徑內擁有小學覆蓋的平均數為3.4所;從數據分布情況來看,居住小區以擁有1至3所小學覆蓋為主,擁有1所小學的居住小區共有61個,2所的有89個,3所的有45個,合計195個,占比63.31%;擁有4至8所小學覆蓋的居住小區共有105個居住小區,占比34.09%;擁有9至11所小學覆蓋的居住區均小于10個,合計共有8個,占比2.60%。其中,渝中區擁有小學覆蓋最多的居住小區是位于北部的金桂園和東部的民安園,均有11所小學覆蓋。同樣按照1000米步行半徑的標準,對每個小學篩選步行距離小于等于1000米的居住小區作為服務覆蓋對象(表1)。從整體上看,小學覆蓋居住小區數量差異較大,在32所小學中,每所小學平均覆蓋33個居住小區;其中,鄒容小學覆蓋居住小區最多,達64個,平均步行路線距離為586米,平均耗時8分鐘;中華路小學黃沙溪分部覆蓋居住小區最少,僅3個,平均步行路線距離為691米,平均耗時9分鐘。從空間分布上看,渝中區東部和中部的小學覆蓋小區較多,例如中山小學、巴蜀小學等;西部小學覆蓋小區較少,例如重慶天地人和小學、紅巖小學;同時受地形條件影響較大,位于渝中區中部山地的小學整體覆蓋小區較少,例如鵝嶺小學。

            3.2可達性評價

            利用ArcGIS的克里金法空間插值法,以小學為中心,以每個居住小區抵達各自小學的最小路線距離為數值,建立渝中區全域的居住小區至小學步行距離分布圖,按照500米、1000米、1500米、2000米、2500米劃分可達性評估等級,分別對應優秀、良好、一般、較差、差五類等級,得到渝中區小學可達性評估圖(圖4)。小學教育設施空間可達性優秀的區域,即步行距離500米以內的區域主要分布在渝中區的東部片區和中部片區東側,呈連片聚集特征;西部片區化龍橋街道和大坪街道部分區域可達性也為優秀,呈組團式分布特征;這些區域教育設施的數量、規模、資源都較為充足,且分布較為集中,步行路網發達完善,能夠充分滿足甚至超過居民的需求量。可達性良好的區域主要分布在中部片區和西部片區,在東部片區解放碑街道、南紀門街道的濱江區域零星分散;這些區域多為教育設施集中區之間的過渡地帶或邊緣地帶,雖在核心區域,但仍能通過完善的步行網絡享受便捷的教育服務。可達性一般、較差和差的區域均分布在渝中區的西部片區,主要分布在李子壩、黃沙溪、歇臺子和平頂山區域;這部分區域居民無法獲得充足的小學教育資源,造成居民到小學的可達性偏低的原因包括山地地形影響交通路網、小學教育設施布點有缺失、人口結構變化等因素。總體而言,渝中區小學教育設施的空間可達性整體較好,有308個居住小區在步行1000米范圍內至少有一所小學,占比87.25%;步行距離在1000米以內的范圍覆蓋了絕大部分區域,占全域面積的89.30%;東部片區和中部片區教育資源有較多富裕,有接近40%的居住小區能同時享受4所及以上小學的覆蓋;該區域應在已有的資源優勢情況下,鞏固優化教育設施布局與規模,完善學區的劃分,保證教育服務能力提升。與此同時,渝中區小學教育設施仍然存在可達性區域空間差異的問題,在渝中區的西部片區的山體、濱江、橋隧互通等區域,由于山地陡坎較多、居住小區較為分散、步行網絡不夠完善、歷史發展落后等原因,導致仍有部分市民無法享受良好的小學教育服務;該區域需要相關部門重點關注、統籌建設,合理增加小學教育設施空間布點,擴大現有小學的規模條件,完善區域步行交通網絡,以保障教育設施的公平性。

            4核心問題與規劃響應

            4.1核心問題

            通過空間可達性評價,結合渝中區綜合現狀,可以發現其小學教育設施存在校點空間分布不合理、學校用地面積不足、建設時序安排不合理、城市建設與教育用地矛盾日益突出等問題。在城市發展過程中,部分辦學規模小、質量差、效益低的學校撤并后,學生上放學路程變遠、時間增加,就近入學得不到保障;現狀東、中部地區校點相對集中,校點數量占全區總數的42.6%和38.2%;西部地區校點相對欠缺,校點數量占全區總數的19.2%,保障該地區常住人口子女就讀存在一定壓力。同時,渝中區無拓展空間,建設用地緊張,現狀中小學用地與控規要求存在一定差距;尤其是東部半島區域,部分校點面積較小,生均校舍面積達不到標準,并且運動場、實驗室、器材室、圖書室、閱覽室等功能場地較少,尚未達到標準化校園建設要求。校點撤除比較容易,但新建校園的建設相對困難,存在撤校快、建校慢的情況,使部分校園常年在外過渡,辦學條件差,影響了學校的辦學與發展。已編規劃在實施過程中根據建設要求,局部用地發生變化,帶來了居住量及人口的增加,但在建設過程中,教育設施未匹配城市建設規模,造成入學矛盾較大。

            4.2規劃響應

            在方便學生就近入學的前提下,因地制宜。首先規劃應對學校的潛在服務人數進行預測,即了解未來的學位需求,然后參照可達性評估結果,適當采取撤、聯、并、建等方法,對現有小學布局逐步進行調整,布局不合理且無發展潛力的學校逐步取消。整體上采用“居住建筑總量-居住人口總量-入學人口總量-學校規模預測-小學布局調整-服務區域劃分”的技術路線,預測小學入學數量,確定學校規模及服務范圍,為保障校點空間落地,結合區內實際情況梳理近中遠期實施計劃,指導校點建設。調整后保留的學校,規劃預留好其發展空間,并努力提高薄弱學校的辦學質量。首先,按照建筑類型可以將居住建筑規模分為現狀居住用地住宅量、在建擬建項目住宅量、現狀綠地內住宅量、現狀單位家屬區住宅量,其中現狀居住用地包括凈居住用地、商住用地和住商用地(住宅規模分別乘以0.9、0.4、0.6的系數),測算研究范圍內居住建筑規模共計約2446萬平方米。然后,通過人居居住建筑標注測算居住總人口,現狀居住建筑按所在街道現狀人均標準計算,數值分布于25~40平方米/人,新建、擬建項目按40平方米/人計算,安置房項目按25平方米/人計算,測算研究范圍內總人口規模約70萬人,其中東部片區19萬人,中部片區人口24萬人,西部片區人口27萬人。按照重慶都市功能核心區千人指標小學48生/千人,小學用地不低于16平方米/生,辦學規模宜為24~36班,不超過48班,可以計算得到渝中區小學生數量控制在3.4萬人左右,較現狀增加4千人,小學用地面積需達到32.6公頃才能滿足上述學位需求。根據學位預測和空間可達性評價的整體需求,規劃仍保持32所小學數量不變,但對小學進行撤、聯、并、建等規劃,其中東部12所、中部10所、西部10所。東部片區規劃12所小學,撤銷精一民族小學新民街校點、民生路小學、解放西路小學,鼓樓學校(初中)改辦為小學,改擴建精一民族小學本部、中華路小學;中部片區規劃10所小學,將30中辦為兩路口地區小學,撤銷兩路口小學、肖家溝小學、中華路小學黃沙溪校點,新建復旦小學、菜園壩小學,改擴建人和街小學;西部片區規劃10所小學,新建六店子小學、馬家堡小學二區,改擴建大坪小學、馬家堡小學、紅巖小學、天地人和小學。然后根據可達性評價劃分的服務區域,綜合考慮居住人口、學生規模、學校規模三者之間的匹配關系,充分尊重自然地形,避免跨越交通干道,劃定每個小學教育設施的服務范圍(圖5),解決西部片區可達性一般、較差和差區域的服務覆蓋問題。

            結語

            對于小學教育設施,可達性既是其規劃布局的重要依據,也表征了市民使用教育設施的時間成本,更是城市公平性的重要評價指標。本文以重慶市渝中區作為研究對象,借助互聯網地圖和GIS平臺,在多種數據源的支持下,利用路線規劃算法、時空網絡分析和空間密度分析等方法,構建了教育設施可達性評價模型,量化分析了渝中區32所小學步行可達性,繪制了真實路徑下的服務半徑覆蓋圖。研究結果表明,渝中區小學教育設施的空間可達性整體較好,但在西部片區仍然存在部分小學服務范圍無法覆蓋的區域。研究總結了渝中區小學教育設施存在校點空間分布不合理、學校用地面積不足、建設時序安排不合理、城市建設與教育用地矛盾日益突出等核心問題;提出了“居住建筑總量-居住人口總量-入學人口總量-學校規模預測-小學布局調整-服務區域劃分”的技術路線,對渝中區未來一段時間的學位需求量進行了預測,從而推導出小學的需求量和規模量,再依據可達性評價結果,綜合考慮現實情況,對小學進行空間調整,通過撤、聯、并、建等策略,實現渝中區小學教育設施的均等覆蓋。

            作者:朱濤 高淑敏 何奧 單位:中國城市規劃設計研究院西部分院 中國城市規劃設計研究院 中國城市規劃設計研究院西部分院

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