GIS空間分析在學(xué)區(qū)劃分中的應(yīng)用

董琳琳，栗敏光

（1.林同棪國(guó)際工程咨詢（中國(guó)）有限公司，重慶 401121； 2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

GIS空間分析在學(xué)區(qū)劃分中的應(yīng)用

董琳琳1?，栗敏光2

（1.林同棪國(guó)際工程咨詢（中國(guó)）有限公司，重慶 401121； 2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

學(xué)區(qū)劃分的科學(xué)性與合理性始終是我國(guó)教育領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)課題。不考慮區(qū)域?qū)W生數(shù)量與學(xué)校學(xué)生容量，僅從學(xué)校與學(xué)區(qū)的空間關(guān)系出發(fā)，基于GIS空間分析技術(shù)原理，分別設(shè)計(jì)了面向單校劃片和多校劃片兩種方式的學(xué)區(qū)劃分方法流程，并利用模擬數(shù)據(jù)基于FME軟件平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)。

學(xué)區(qū)；學(xué)區(qū)劃分；GIS；空間分析

1 引 言

我國(guó)在1986年通過(guò)的《中華人民共和國(guó)義務(wù)教育法》和1992年頒布的《中華人民共和國(guó)義務(wù)教育法實(shí)施細(xì)則》中即已明確了義務(wù)教育階段適齡兒童、少年就近入學(xué)的原則。由于區(qū)域、學(xué)校之間教育資源的差異，就近入學(xué)政策在現(xiàn)實(shí)中遭遇諸多挑戰(zhàn)，其中矛盾的焦點(diǎn)落在學(xué)區(qū)的劃分上［1］。為了落實(shí)義務(wù)教育免試就近入學(xué)的要求，教育部在2014年印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步做好小學(xué)升入初中免試就近入學(xué)工作的實(shí)施意見(jiàn)》中又規(guī)定了單校劃片與多校劃片兩種方式相結(jié)合的學(xué)區(qū)劃分辦法。然而時(shí)至近日，網(wǎng)絡(luò)、報(bào)刊等媒體仍不時(shí)出現(xiàn)學(xué)生和家長(zhǎng)對(duì)現(xiàn)行學(xué)區(qū)劃分方案提出質(zhì)疑甚至提起訴訟的新聞報(bào)道［2～4］。由此可見(jiàn)，學(xué)區(qū)劃分的科學(xué)性與合理性始終是我國(guó)教育領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)課題，研究學(xué)區(qū)劃分如何最大限度地體現(xiàn)就近原則具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

綜合國(guó)家法律法規(guī)文件精神和各地教育部門(mén)實(shí)踐情況，可以將學(xué)區(qū)劃分所要體現(xiàn)的就近原則具體分解為三點(diǎn)基本要求:一是學(xué)區(qū)以道路為界線，以街區(qū)為單元；二是學(xué)區(qū)與對(duì)應(yīng)學(xué)校的空間距離最近或較近；三是學(xué)區(qū)學(xué)生數(shù)量與對(duì)應(yīng)學(xué)校學(xué)生容量相匹配。前兩點(diǎn)涉及道路、街區(qū)、學(xué)校、學(xué)區(qū)等空間要素的空間位置、空間分布、空間形態(tài)及空間關(guān)系問(wèn)題，正是GIS空間分析的研究對(duì)象和優(yōu)勢(shì)所在。基于GIS空間分析技術(shù)原理進(jìn)行學(xué)校布局規(guī)劃、學(xué)區(qū)劃分、教育資源配置已成為一個(gè)重要的研究方向［5～8］。

本文不考慮區(qū)域?qū)W生數(shù)量與學(xué)校學(xué)生容量，僅從學(xué)校與學(xué)區(qū)空間關(guān)系方面的要求出發(fā)，基于疊加分析、鄰域分析等GIS空間分析技術(shù)原理，分別設(shè)計(jì)了面向單校劃片和多校劃片兩種方式的學(xué)區(qū)劃分方法流程，利用模擬數(shù)據(jù)基于FME軟件平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)，以期為相關(guān)部門(mén)學(xué)區(qū)劃分方案的制訂提供參考。

2 方法流程設(shè)計(jì)

學(xué)區(qū)劃分的對(duì)象是學(xué)校所在的整個(gè)行政區(qū)域，劃分的依據(jù)是分布于行政區(qū)域中的各個(gè)學(xué)校，劃分的結(jié)果是與一個(gè)或多個(gè)學(xué)校相對(duì)應(yīng)的各個(gè)學(xué)區(qū)。顯然，劃分所成的學(xué)區(qū)范圍和形狀受到學(xué)校位置分布的直接影響。不過(guò)卻并非僅僅由學(xué)校一個(gè)因素所決定，而是需要首先滿足以道路為界線、以街區(qū)為單元的前提條件。因此實(shí)施學(xué)區(qū)劃分的第一步應(yīng)利用其間的道路網(wǎng)線將整個(gè)行政區(qū)域切分為各個(gè)街區(qū)，形成后續(xù)組建學(xué)區(qū)的基本單元。這一步借助GIS空間疊加分析技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)。街區(qū)形成后，學(xué)區(qū)劃分從另一個(gè)角度也可理解為每個(gè)街區(qū)配置一個(gè)或多個(gè)相對(duì)應(yīng)的學(xué)校，被賦予相同學(xué)校的街區(qū)自然聚合為同一學(xué)區(qū)。

對(duì)于單校劃片方式，學(xué)區(qū)劃分的本質(zhì)任務(wù)是根據(jù)其間各個(gè)學(xué)校的位置分布將一個(gè)完整的行政區(qū)域劃分為與學(xué)校數(shù)量相同且連續(xù)覆蓋的若干片區(qū)，且需要滿足每個(gè)學(xué)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)到對(duì)應(yīng)學(xué)校的距離比其到其他學(xué)校的距離更近的要求，亦即劃定每個(gè)學(xué)校的最佳服務(wù)范圍，這在計(jì)算幾何理論中屬于典型的Voronoi圖問(wèn)題［9］，可以借助GIS空間鄰域分析技術(shù)中的Voronoi圖構(gòu)建功能加以實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于單校劃片方式，實(shí)施學(xué)區(qū)劃分的第二步即以學(xué)校為中心點(diǎn)生成與學(xué)校數(shù)量相同的布滿整個(gè)行政區(qū)域的學(xué)區(qū)Voronoi多邊形。形成的每個(gè)學(xué)區(qū)Voronoi多邊形僅代表對(duì)應(yīng)學(xué)校中心點(diǎn)的勢(shì)力范圍，絕大多數(shù)情況下與以道路線為邊界的街區(qū)（或街區(qū)群組）的覆蓋范圍并不一致。也就是說(shuō)，存在一個(gè)整體的街區(qū)單元被分解并劃入多個(gè)不同學(xué)區(qū)Voronoi多邊形中的情形。因此，對(duì)于單校劃片方式，實(shí)施學(xué)區(qū)劃分接下來(lái)的第三步還需將被分解并劃入多個(gè)不同學(xué)區(qū)Voronoi多邊形中的同一街區(qū)的各個(gè)部分加以融合。融合方式可以借鑒柵格化編碼方式中的面積占優(yōu)法［10］，將其中所占面積最大部分的學(xué)區(qū)代碼賦予整體街區(qū)單元，亦即將街區(qū)單元整體劃入其中所占面積最大部分的學(xué)區(qū)代碼對(duì)應(yīng)的學(xué)區(qū)。

? 收稿日期:2016—02—16

作者簡(jiǎn)介:董琳琳（1984—），女，碩士，工程師，主要從事城市道路設(shè)計(jì)工作。

基金項(xiàng)目：2014年度國(guó)家測(cè)繪地理信息局基礎(chǔ)測(cè)繪科技項(xiàng)目“面向地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的信息化測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)升級(jí)改造”。

對(duì)于多校劃片方式，學(xué)區(qū)劃分的本質(zhì)任務(wù)可以理解成為每個(gè)街區(qū)搜索與之距離最近的前幾個(gè)學(xué)校，借助GIS空間鄰域分析技術(shù)中的鄰近距離計(jì)算功能即可實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于多校劃片方式，在形成街區(qū)的基礎(chǔ)上只需以每個(gè)街區(qū)為基準(zhǔn)要素，以整個(gè)行政區(qū)域跨度為最大搜索距離，計(jì)算到每個(gè)學(xué)校的空間距離，進(jìn)而按照距離從小到大排序，提取出指定數(shù)量的候選學(xué)校。

單校劃片和多校劃片兩種方式的學(xué)區(qū)劃分方法流程分別如圖1、圖2所示。

圖1　單校劃片學(xué)區(qū)劃分方法流程圖

圖2　多校劃片學(xué)區(qū)劃分方法流程圖

3 模擬試驗(yàn)

3.1 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)平臺(tái)

模擬數(shù)據(jù)包括行政區(qū)域數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和學(xué)校數(shù)據(jù)。其中，行政區(qū)劃數(shù)據(jù)為面狀要素，道路數(shù)據(jù)為線狀要素，學(xué)校數(shù)據(jù)為點(diǎn)狀要素。

試驗(yàn)平臺(tái)采用加拿大Safe Software公司的 FME （Feature Manipulation Engine）軟件。該軟件平臺(tái)擁有豐富多樣且功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，提供了一套完整的GIS空間分析與空間操作方案，具有工作流定制簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可視化、后臺(tái)運(yùn)行自動(dòng)化、工作空間和模板可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 形成街區(qū)

利用Intersector函數(shù)對(duì)道路線與行政區(qū)域面實(shí)施相交操作，達(dá)到道路線與行政區(qū)域邊界從交點(diǎn)處間斷的目的。進(jìn)而利用AreaBuilder函數(shù)基于每一組首尾相接閉合的線段構(gòu)建多邊形面，亦即街區(qū)。

3.3 生成Voronoi圖

利用VoronoiDiagrammer函數(shù)基于學(xué)校點(diǎn)生成與學(xué)校點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的初始Voronoi多邊形。進(jìn)而利用Clipper函數(shù)以行政區(qū)域面為基準(zhǔn)對(duì)初始Voronoi多邊形實(shí)施裁切，生成與行政區(qū)域面范圍一致的Voronoi多邊形。行政區(qū)域Voronoi多邊形與學(xué)校、街區(qū)疊加圖如圖3所示。

圖3　行政區(qū)域Voronoi多邊形與學(xué)校、街區(qū)疊加圖

3.4 生成單校學(xué)區(qū)

利用Clipper函數(shù)以行政區(qū)域Voronoi多邊形為“剪刀”對(duì)街區(qū)面實(shí)施裁切，將各街區(qū)面劃入與學(xué)校點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的各Voronoi多邊形中。最后利用Dissolver函數(shù)將被切分到多個(gè)Voronoi多邊形中的街區(qū)面各個(gè)部分加以融合，恢復(fù)完整街區(qū)單元的同時(shí)賦予面積最大部分對(duì)應(yīng)的學(xué)區(qū)編碼，從而形成最終的單校學(xué)區(qū)。單校學(xué)區(qū)分區(qū)設(shè)色并與學(xué)校、行政區(qū)域Voronoi多邊形疊加圖（學(xué)區(qū)色彩根據(jù)其對(duì)應(yīng)學(xué)校設(shè)置）如圖4所示。

圖4　單校學(xué)區(qū)分區(qū)設(shè)色并與學(xué)校、行政區(qū)域Voronoi多邊形疊加圖

3.5 生成多校學(xué)區(qū)

利用NeighborFinder函數(shù)在行政區(qū)域內(nèi)為每個(gè)街區(qū)獲取鄰域?qū)W校列表及距離。進(jìn)而利用ListSorter函數(shù)根據(jù)距離大小為鄰域?qū)W校列表元素排序。在此基礎(chǔ)上即可根據(jù)需要靈活截取學(xué)校序列中的若干位次作為候選，從而將每個(gè)街區(qū)劃入多校學(xué)區(qū)。多校學(xué)區(qū)分區(qū)設(shè)色并與學(xué)校疊加圖（以3校劃片所成學(xué)區(qū)為例，學(xué)區(qū)色彩根據(jù)其候選學(xué)校序列中的第1位次學(xué)校設(shè)置）如圖5所示。多校學(xué)區(qū)分級(jí)設(shè)色并與學(xué)校疊加圖（以A校學(xué)區(qū)為例，學(xué)區(qū)色彩根據(jù)A校在其候選學(xué)校序列中的位次設(shè)置）如圖6所示。

圖5　多校學(xué)區(qū)分區(qū)設(shè)色并與學(xué)校疊加圖

圖6　多校學(xué)區(qū)分級(jí)設(shè)色并與學(xué)校疊加圖

4 結(jié) 語(yǔ)

分析模擬試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):Voronoi圖分析與鄰近距離分析兩種方法雖然分別面向單校劃片和多校劃片兩種方式，出發(fā)點(diǎn)不同，然而前者的學(xué)區(qū)劃分結(jié)果與后者的首位學(xué)區(qū)劃分結(jié)果卻是完全一致的。從另一個(gè)角度也說(shuō)明鄰近距離分析方法具有更廣泛的適用性。Voronoi圖分析與鄰近距離分析均基于以鄰域分析為核心的GIS空間分析技術(shù)原理，殊途同歸，相互印證，體現(xiàn)了學(xué)區(qū)劃分的就近原則，保證了學(xué)區(qū)劃分的科學(xué)性與合理性。

兩點(diǎn)需要補(bǔ)充說(shuō)明:其一，與街區(qū)相近的另一個(gè)概念是社區(qū)。一個(gè)社區(qū)可能分布于多個(gè)街區(qū)，多個(gè)社區(qū)也可能位于一個(gè)街區(qū)。若以社區(qū)為單元進(jìn)行學(xué)區(qū)劃分，則只需依據(jù)行政區(qū)劃資料在街區(qū)的基礎(chǔ)上加以聚合或拆分即可。兩者只是定義單元的標(biāo)準(zhǔn)不同，劃分學(xué)區(qū)的方法完全同理。其二，本文所采用的Voronoi圖分析與鄰近距離分析兩種方法均基于面到點(diǎn)的歐式距離。若基于點(diǎn)到點(diǎn)的曼哈頓距離，則須首先獲取每個(gè)街區(qū)（或社區(qū)）和學(xué)校的出入口位置資料，進(jìn)而采用網(wǎng)絡(luò)路徑分析的方法。

正如開(kāi)篇所述，本文學(xué)區(qū)劃分方法單純從空間角度出發(fā)，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要滿足一些理想化的前提，因此綜合考慮數(shù)量等方面因素，結(jié)合其他領(lǐng)域理論與技術(shù)共同設(shè)計(jì)更加全面、實(shí)用的學(xué)區(qū)劃分方法將成為下一步研究課題。

［1］廖德凱.學(xué)區(qū)劃分應(yīng)提升社會(huì)參與度［N］.中國(guó)教育報(bào)，2015-05-07（002）.

［2］李騰.北京西城教改：“牛校”給誰(shuí)［N］.中國(guó)新聞周刊，2015-05-29.

［3］李劭強(qiáng).“就近入學(xué)索賠一元”背后的訴求表達(dá)［N］.天津政法報(bào)，2015-11-23（006）.

［4］許朝軍.“就近入學(xué)”訴訟拷問(wèn)教育資源配置［N］.江蘇教育報(bào)，2015-12-16（002）.

［5］Hite S J.School Mapping and GIS in Education Microplanning ［C］.Directions in Educational Planning：A Symposium to Honour the Work of Francoise Caillods，Paris，F(xiàn)rance，2008.

［6］薛姣.基于加權(quán)Voronoi圖的小學(xué)優(yōu)化配置模型［D］.石家莊：河北師范大學(xué)，2013.

［7］周子懿.學(xué)區(qū)劃分背景下的小學(xué)布點(diǎn)規(guī)劃評(píng)價(jià)與優(yōu)化研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2015.

［8］佟耕，李鵬飛，劉治國(guó)等.GIS技術(shù)支持下的沈陽(yáng)市中小學(xué)布局規(guī)劃研究［J］.規(guī)劃師，2014，30（S1）：68～74.

［9］周明德.計(jì)算幾何——算法分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［10］鄔倫，劉瑜，張晶等.地理信息系統(tǒng)——原理、方法和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

Application of GIS Spatial Analysis in School District Zoning

Dong Linlin1，Li Minguang2
（1.TYLI Engineering Consulting（China）Co.，Ltd，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Institute of Surveying and Mapping，NASG，Chongqing 400015，China）

The scientificity and rationality of school district zoning has always been a hot topic in our country’s education field.Taking spatial relationship of schools and districts into account whereas leaving numbers of aged children and pupil capacities of schools out of account，two different approaches based on GIS spatial analysis are proposed respectively for single school matched district zoning and multiple schools matched district zoning.Experiments with simulated data were conducted based on FME platform.

school district；school district zoning；GIS；spatial analysis

1672-8262（2016）02-19-04中圖分類號(hào)：P208.2

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