基于基础教育设施的可达性分析评价方法

摘要

本发明公开了基于基础教育设施的可达性分析评价方法，该方法结合网络分析、O‑D成本矩阵分析、Voronoi模型分析和地理探测分析，基于地理探测器模型测度基础教育设施可达性影响指标的因子值，得到各指标对基础教育设施可达性的影响力值和因子解释力值，从而明确影响基础教育设施的可达性的因素，以沈阳为例，分析出学区腹地范围和设施居中性是最主要的影响因素，并根据居学距离、路况条件、人口密度等角度优化城市基础教育设施的空间布局关系和教育资源配置，为基础教育设施的空间布局优化提供方向。

说明书

技术领域

本发明属地理信息科学技术领域，具体涉及基于基础教育设施的可达性分析评价方法。

背景技术

基础教育设施的空间可达性是评价其公平布局与否的重要指标，对于基础教育设施的均衡化发展具有重要的现实意义。教育设施具有使用频率高、不可替代性、周期性的特点，对人民居住生活和日常通勤影响较大。

目前，关于城市教育设施空间布局研究多从城区尺度或街道尺度展开，而关于教育设施可达性的影响因素研究较少。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供基于基础教育设施的可达性分析评价方法，能够确定重要的影响因子，提高基础教育设施可达性分析的准确性和可操作性，为基础教育分布和调配提供合理的引导措施。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供的技术方案：基于基础教育设施的可达性分析评价方法，其包括以下步骤，(1)获取数据：矢量化研究区的现状图和地图导航数据，分别得到路网数据和兴趣点POI数据；(2)进行网络分析：以所述路网数据作为线要素、以道路交叉点为节点、以基础教育设施为端点、以家长接送孩子的平均行车时间为障碍进行网络分析建立网络数据集，获得基础教育设施可达性值；(3)进行O-D成本矩阵分析：在所述网络数据集的基础上进行O-D成本矩阵分析，获得家长接送孩子的平均行车时间；(4)进行Voronoi模型分析：以基础教育设施为采样点进行Voronoi模型分析，获得基础教育设施学区腹地范围的空间分布；(5)进行地理探测分析：通过K-means 聚类分析得到影响指标的阈值，并基于地理探测器模型测度基础教育设施可达性影响指标的因子值，得到各指标对基础教育设施可达性的影响力值和因子解释力值。

优选的，步骤(5)中，所述影响指标包括人口密度、路网密度、设施居中性、学区腹地范围、公交站密度、交通拥堵率中的一种或几种。

优选的，所述基础教育设施包括幼儿园、小学、中学、高中的一种或几种。

优选的，步骤(5)中，所述网络数据集包括最近邻指数、Kernel密度、标准椭圆、距离分布、距离值中的一种或几种。

优选的，步骤(5)中，所述标准椭圆包括平均中心、转角θ、主轴标准差比值、辅轴标准差比值中的一种或几种。

优选的，所述路网数据包括高速公路数据、城市快速路数据、国道数据、市区道路数据、人行道数据和地铁数据，所述POI数据包括经度、纬度、地址、名称和类别。

优选的，将与根据城市居住区规划设计规范，确定需要进行布局优化的影响指标。

本发明的有益效果如下：

本申请从教育设施与居住空间的相互关系视角，运用网路分析法和Voronoi模型，分析出学区腹地范围和设施居中性是最主要的影响因素，并根据居学距离、路况条件、人口密度等角度优化城市基础教育设施的空间布局关系和教育资源配置，为基础教育设施的空间布局优化提供方向。

附图说明

图1为沈阳市中心城区教育设施核密度空间分布，其中a图为幼儿园，b图为小学，c图为中学；

图2为沈阳市中心城区教育设施与居住小区分布平均中心与椭圆，其中a图为幼儿园，b图为小学，c图为中学；

图3为沈阳市中心城区教育设施与居住小区的最短距离；

图4为沈阳市中心城区教育设施服务范围，其中a图为幼儿园，b图为小学，c图为中学；

图5为沈阳市中心城区教育设施可达性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的研究方法如下：

网络分析：网络分析是通过将与网络有关的实际问题抽象化、模型化，用网络元素的拓扑关系来考察网络元素的空间属性，对网络结构及其资源配置等进行优化的一种空间分析方法。一个基本的网络包括线要素、端点、节点、障碍等，线要素构成整个网络的骨架，在本研究中代表道路；端点是指城市的教育设施；节点是网络中线要素的汇聚点，指道路交叉点；障碍是指从端点通过一条线时所花费的时间或费用等，本研究中代表家长接送孩子的平均行车时间。在建立交通网络数据集基础上采用O-D成本矩阵分析模块，计算居民点到幼儿园、中小学之间的最优路径与最近设施等。

Voronoi模型分析：泰森多边形主要应用于计算几何，原理是一种由点内插生成面的方法。根据某一个有限的采样点图层生成基于每个采样点的面区域，在这区域内的任意一点到采样点的距离最近，那么该区域内唯一的采样点决定其他未知点的最佳值，可运用于就近入学距离的分析，该方法也成为最近邻点法，运用于邻域分析。

其几何定义为：设平面上的一个离散点集P＝{P

Ti＝{x:d(x,Pi)

本研究充分利用泰森多边形的最邻近点分析方法，以教育设施作为采样点按距离最近划分该校点的服务区范围，以保证学区内学龄儿童就近入学。

本研究的沈阳市中心城区现状图和路网数据(包括高速公路、城市快速路、国道、市区道路、人行道、地铁等)，是根据2015年沈阳市中心城区现状图进行GIS矢量化得到；沈阳市兴趣点(POI)矢量数据，来自2015年百度地图导航数据。近年来，随着地理大数据的发展，基于POI数据的城市空间分析增多，POI是数据供应商通过实地调查采集的，包含经纬度、地址、名称、类别等信息。POI作为地图服务中一种代表真实地理事物的点状数据，能够揭示不同类型活动或服务目的地的位置分布，在公共设施布局、服务区位选择研究中具有重要作用。此外，根据《城市居住区规划设计规范》GB 50180-93(2016年版)中按每户3.2人计算，人口总数由各居住小区户数乘以3.2得到。

实施例1：

最近邻指数(NNI)常被用于分析空间点要素的分布模式，通过计算，幼儿园、小学、中学的空间分布NNI指数分别为0.45、0.73和0.58，均通过0.01的显著性水平检验，表明这三类教育设施空间分布属于空间集聚模式。为更好地展示三类教育设施的空间分布特征，基于区域栅格精度100m×100m，设置1000m搜索半径进行Kernel密度分析，将其分成5类(图1)。从核密度分布图来看，幼儿园、小学与中学密度高值区均在核心区集聚分布，在核心区以外分布相对稀疏，而且密度值由中心向外围层级递减。幼儿园整体分布呈现集中连片布局特征；小学核心区呈现多核结构，核心区外围零星分布的特征；中学整体呈现组团型布局，核心与外围分布差异不大。幼儿园Kernel密度最高值为23.66，小学密度最高值为5.68，而中学密度最高值4.67，表明幼儿园密度分布空间差异最大，其他依次为小学和初中。另外，可以进一步说明幼儿园教育资源主要过于集中在核心区，而中学分布则相对均衡。

通过计算标准椭圆来评价幼儿园、中小学教育设施与居住地匹配度。从平均中心来看：幼儿园、小学与中学分别与居住区平均中心相差376.08m、273.19m和935.61m，表明小学分布平均中心与居住小区平均中心相差最少，平均中心匹配度最高。从转角θ来看：居住小区与幼儿园、小学和中学三类基础教育设施的空间分布均呈东北-西南格局，居住小区地理集中度转角为21.74°，幼儿园、小学、中学的地理集中度转角分别为24.73°、34.56°和26.95°，幼儿园转角θ与居住小区契合度最高；而从主轴方向来看，居住小区主半轴标准差为9.23Km，幼儿园、小学、中学主半轴标准差分别为10.58Km、 10.26Km和11.01Km，表明中学在主要方向上分布更加分散。从辅轴方向来看，居住小区辅半轴6.99Km，幼儿园、小学、中学辅半轴标准差分别为7.92Km、8.07Km和7.40Km，表明中学离散程度最小。从主辅轴标准差比值来看，居住小区值为1.32，幼儿园、小学、中学分别为1.34，1.27，1.49，表明幼儿园与居住小区的方向性较为一致。综上所述，根据平均中心、转角θ和主辅轴标准差比值进行判断，可以得出幼儿园与居住小区空间匹配性最高，小学次之，中学与居住小区空间匹配性最低。

运用GIS中的近邻分析，计算沈阳中心城区每个居住小区附近的教育设施距离分布，以反映教育设施与居住小区的相对集聚度。通过研究发现，沈阳中心城区内幼儿园、中小学与居住小区最近距离分布均符合对数曲线规律，表明居住小区与教育设施距离较近的占比较大。居住小区到最近幼儿园、小学和中学的中位数分别为206.88m、509.81m、614.07m，平均值分别为252.22m、696.55m和782.11m，均符合《城市居住区规划设计规范(2016年版)》(GB50180-93)中教育设施服务半径规定：托儿所或幼儿园服务半径不宜大于300m，小学服务半径不宜大于500m，中学服务半径不宜大于1000m，表明沈阳市教育设施布局总体达到规范要求。分别以300、500和1000m作为阈值，对居住小区与幼儿园、小学、中学最短距离进行分析，从幼儿园服务半径分析，沈阳市中心城区内居民点到各幼儿园的最短距离在300m以内的百分比占70.65％，表明大部分幼儿园布局较为合理，但仍有29.35％的居住小区到达幼儿园超出规划确定的最近距离。居住小区到小学的最短距离在500m以内的占49.21％，表明50.79％的学校实际服务范围大于规划的服务半径；居民点在1000m内符合就近入学，服务半径范围内的占75.64％。总体来看，沈阳市中心城区大部分基础教育设施符合“就近入学”的布局要求，但小学布局超出规范要求的比例较高，比幼儿园、初中就近入学程度低。

实施例2

教育设施布局的重点是使小学生能更方便安全地到达，学校服务区范围划分对学龄儿童就近上学非常重要。利用Voronoi图基于出行距离最短原则进行沈阳市中心城区教育设施学区划分，以满足每个居民点学龄儿童就近入学要求。运用领域分析中的CreateThiessen Polygons工具，分别基于幼儿园、小学和中学点图层，建立小学泰森多边形分析图，然后使用Starting Editor里的Cut Polygons Tool根据中心城区的区域范围裁切需要的幼儿园、小学、中学学区泰森多边形，最终划分出的泰森多边形服务区内每个居民点到小学校点的距离最短，并按照学区腹地范围面积大小分成5类(图4)。从教育设施腹地范围面积大小空间分布来看，呈现出由中心向外围依次递增的空间格局，也进一步说明中心区域教育资源分布集中，而外围地区教育资源分布则相对分散。

建立沈阳市中心城区道路交通网络，以车行时间作为成本，进行基于最小阻抗的可达性评价。以每个教育设施的学区腹地范围为空间统计单元，建立OD成本矩阵，计算每个空间单元内居住区到最近教育设施的平均时间，平均时间越小说明该空间单元内的教育设施可达性越高。沈阳市中心城区教育设施可达性在地理空间上呈现为高值聚集区，教育资源集中在城市核心区，如沈河区、和平区；低值区域主要是沈北新区的东北部分、浑南区的东南区域以及于洪区的西北部分，呈现分散布局特征，教育资源可达性总体呈现由中心向四周递减的特征。可达性较低(行车时间大于5min)的幼儿园分布较为分散，主要分布于核心区外围，包括沈北新区的金童幼儿园和浑南区的福娃幼儿园、新里程幼儿园等，以及于洪区的绿波幼儿园等。可达性较低(行车时间大于10min)的小学主要集中在中心城区北部，包括沈北新区的新屯中心小学、沈阳大学虎石台附属第二实验小学等。可达性较低(行车时间大于8min)的中学包括于洪区的沈阳市新北方高中、沈阳市第四十五中学等，从幼儿园可达性时间来看，整个中心城区幼儿园平均时间为1.1min，小学平均时间为2.6min，中学平均时间为2.8min。整体来看，沈阳市中心城区教育设施可达性总体较好，幼儿园和中学符合就近入学(车行时间10min以内)，仅有少数小学超出10min车行时间范围以外。

实施例3

教育设施可达性关系到社会的教育公平，分析其影响因素对教育资源的优化配置具有重要的指导意义。教育设施可达性受诸多因素影响，本研究参考钟业喜

将选取的6个影响因子值运用spss软件中的K-means聚类分析法分为5级，以此为阈值进行探测分析，并表示在图上(图5)，将上述因子值和教育设施可达性值导入地理探测器模型，得出各因子对教育设施可达性的影响力值(即q统计量；q统计量越大表明因子对城镇中心性的影响力越强，反之，则越弱)及因子解释力值(即p值；p值越大表示因子对城镇中心性的解释力越小，反之，则越大)(表1)。

表1教育设施可达性影响因素地理探测结果

对幼儿园可达性影响较大的因子为设施居中性(0.2103)和学区腹地范围(0.1850)，其他因素，如人口密度(0.0755)、道路拥堵率(0.0696)、公交站点密度(0.0420)、路网密度(0.0353)均对幼儿园可达性影响微弱。主要原因在于学龄儿童一般就近入学，居住地普遍与幼儿园距离较近，设施居中性和学区腹地范围是决定上学距离的两个重要因素，而人口集聚度因素如人口密度，以及路况条件因素如道路拥堵率、公交站点密度和路网密度均对教育设施可达性影响不大。

对小学可达性影响较大的因子为学区腹地范围(0.3736)和设施居中性(0.2842)，其他四个因子对小学可达性影响均较弱。由此可知，学区腹地范围和设施居中性均是对幼儿园和小学影响最大的因子，但存在差异：对幼儿园可达性影响最大的因子是设施居中性，其次是学区范围；而对小学可达性影响最大的是学区范围，其次是设施居中性。原因在于幼儿园腹地范围均较小，对可达性影响差异不大，而设施与区域中心的偏移距离则是更重要的因素；小学学区腹地范围差别较大，对小学的可达性影响最大，设施居中性则居于次要地位；对中学可达性影响较大的因子依次为学区腹地范围(0.2483)、设施居中性(0.2386)、路网密度(0.2198)、人口密度(0.2037)、道路拥堵率(0.1834)、公交站点密度(0.1491)。由此可知，学区腹地范围和设施居中性依然是对中学可达性影响排名前两位的因子，此外其他四个影响因子对中学的影响比幼儿园和小学显著提升。原因在于中学服务范围较大，除了距离因素之外，路况条件如路网密度、道路拥堵率和公交站点密度也对中学可达性产生较大影响；此外，人口密度也会通过影响中学规模，进而对中学可达性产生一定影响。

教育设施布局优化的重点是使学生更方便安全地到达。基于研究结果，本研究认为应从居学距离、路况条件、人口密度等方面实现基础教育设施的布局优化。首先，应以学龄儿童上学距离最短为原则划分教育设施学区腹地范围，此外，还要考虑学区内学龄儿童与学校规模的供需比；其次，教育设施服务范围内应改善路况条件，包括配置路网密度和公交站点密度；最后，应在腹地范围内基于人口密度进行设施点布局优化调整。教育发展需要因地制宜，根据实际情况合理布置校点，不断提高学校的服务覆盖区范围。

根据研究结果，沈阳市中心城区基础教育设施可达性总体呈现由中心向四周递减的特征，设施居中性和学区腹地范围是影响基础教育设施可达性最主要的因素。因此，未来沈阳市居住与教育设施布局优化应重点通过更新规划、基础设施配套完善等引导教育设施向边缘组团合理集聚，适度控制城市核心区以内教育设施和居住用地规模以实现居住与就学平衡。优化建议有以下几个方面：第一，根据就学人口分布特征，合理调整教育资源空间布局。加大对城市发展新区如浑南区、苏家屯区及沈北新区等的投入力度，形成与城市空间结构、人口集聚、学龄儿童分布和产业发展相协调的教育资源空间分布格局。第二，推动优质教育资源的布局调整，通过联办、合作办学以及举办分校等形式，促进中心区优质教育资源向郊区及偏远地区扩散，扩大优质教育资源的辐射面，推动优质教育资源的公平配置和均等化发展。第三，根据“就近入学”原则，划定学区将教育设施服务半径控制在通学距离阈值内，减少浪费性通勤成本，缩短占用道路交通资源的时间。构建发达的公共交通体系和公共交通发展政策来缓解交通拥堵，减轻上下学流集中形成的“早晚”高峰，进而缓解交通拥堵。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。