包头市文化教育功能空间分布特征分析

包头市文化教育功能空间分布特征分析
刘大鹏;高燕;王悦
【摘要】以包头市文化教育功能空间分布特征为研究对象,以包头市区2016年学前教育、小学教育、中学教育、高职教育、高等教育机构点为节点,基于交通网络数据,采用可达性方法与GIS空间分析方法,对5种类型文化教育服务功能进行空间特征制图,并分析当前文化教育服务功能状态下文化教育点与农村居民点之间的关系.结果表明,5种文化教育点最近邻空间分布集聚程度由强到弱排序依次为学前教育＞小学教育＞高等教育＞中学教育＞职业教育;5种类型教育机构点可达性由强到弱排序为学前教育＞小学教育＞中学教育＞高职教育＞高等教育.5种类型文化教育服务功能空间分布特征表现为面积大小由高等级的功能区向低等级的功能区逐渐递减,并由昆都仑区、青山区、东河区城中心向周围呈现递减的趋势;结合各功能区所服务的农村居民点数量关系可知,5种类型文化教育服务功能由强到弱排序为学前教育＞小学教育＞中学教育＞高职教育＞高等教育.最后,根据文化教育功能空间分布特征,从新增教育点、道路网优化等方面提出优化方案.%In this work,the distribution characteristic of the culture education institution is chosen as a study object,the pre-school education,primary education,secondary education,vocational education and higher education are selected as nodes,based on the data of traffic network in Baotou City,and the spatial distribution characteristic of culture education function is
analyzed.Meanwhile,the methods of accessibility and GIS technology are used for mapping the spatial distribution characteristics of five types of culture education function.And then,the spatial distribution feature of culture education function is analyzed systematically,as well as the
relations betweennumber of rural residential points and the culture education function.The results show that nearest neighbor spatial agglomeration degree of five kinds of education institution from strong to weak are ordered that pre-school education＞primary school education ＞higher education＞middle school education＞vocational education.5 kinds education institutions from strong to weak are ordered that pre-school education＞primary school education＞middle school education ＞vocational education ＞ higher education.The spatial distribution characteristic of these 5 types of cultural education service function are that the area is gradually diminishing from the higher level to lower level,and it has a downward trend from the center of Kundulun district,Qingshan district and Donghe district to the surrounding
area.Based on the quantitative relationship of the number of rural residents,the five types of cultural education service function from strong to weak are ordered that pre-school education ＞ elementary school education ＞ middle school education ＞ vocational education ＞ higher education.Finally,some advises are proposed from the perspective of education point adding,traffic network optimizing and so on.
【期刊名称】《西北师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(053)006
【总页数】8页(P123-130)
【关键词】包头市;文化教育;功能;空间分布特征;可达性
【作者】刘大鹏;高燕;王悦
【作者单位】内蒙古科技大学建筑学院,内蒙古包头014010;包头市规划局,内蒙古
包头014010;内蒙古科技大学建筑学院,内蒙古包头014010
【正文语种】中文
【中图分类】G639.2
随着社会、经济的发展，国家及公众对文化教育的重视程度空前增加.根据《中华
人民共和国教育法》所规定的教育阶段，我国文化教育大致可分为学前教育、小学教育、中学教育(初中和高中)、高职教育(职业技术教育、成人教育)、高等教育．在小孩18岁以前，大部分农村家庭将接受文化教育的便捷程度视为最重要的因素之一．根据享受教育服务的便捷程度，家长会为孩子选择不同的出行方式，或举家搬迁至学校附近，这一社会现象是学区房价高、空心村以及农村人口老龄化加重的原因之一[1-3]．对区域文化教育功能的空间可达性及其服务功能进行研究，
有助于探明区域文化教育服务的合理性，可为合理规划区域文化教育空间分布提供依据，为公众接受文化教育时的出行方式选择提供参考．
文化教育服务是区域社会、经济发展的基础性社会资源，是人类在土地利用过程中，通过构建不同级别文化教育机构所形成的区域性社会基础资源，其功能的强弱对区域社会、经济发展，以及公众社会活动具有巨大影响[4]．文化教育服务功能由区
域各级别文化教育点构成，具有相对独立性和完整性，通过不同层次的交通网络，构成区域教育服务网络，服务于周围一定可达范围内的城镇村居民．文化教育点是文化教育服务功能实现的载体，是区域文化功能为人类提供文化教育的重要依托．文化功能的强弱，取决于其所处的地理位置和交通网络的发达程度.文化教育
点布局合理，交通可达性强，则对周围居民的服务便捷，有助于实现文化教育的区
域公平，实现教育资源的“帕累托最优”；文化教育点分布不合理，可达性差，则会导致教育资源浪费，居民接受文化教育服务便捷程度差，引起教育不公平现象[1,5]．因此，通过交通可达性衡量文化教育点对周围居民点的服务能力，是探明
该区域文化教育服务合理性的重要途径．
可达性测度最早由Hansen提出[6]，是表征关键节点空间服务能力的重要方法，
在各研究领域,如城市规划、选址等方面得到广泛应用[7-9].Ni等[10]将可达性应用于医疗机构的空间制图中；陶卓霖等[11]将可达性制图应用于北京市养老设施空间服务制图中．可达性测度方法为文化教育功能空间分异及其服务强度分析提供了有效途径．区域文化教育服务功能的空间分布特征不仅是学校即教育点的空间布局及其数量组合关系，而且对受教育者的出行方式、居住选址等行为的选择具有重要影响，在实际工作中可科学指导文化教育点合理布局，提高其空间服务能力[12]．目前，对文化教育功能的研究，多以县域范围内不同阶段文化人口占总人口的比例进行粗略统计，如甄霖等[13]、王枫等[14]的研究．Yu等[15]基于中国农村居民点进行了乡村文化空间分布制图，其结果以点空间分布的形式呈现空间分布特征．从以上分析可知，已有文化教育服务功能研究多以诠释性和描述性论证居多，缺乏空间分异分析，对于文化教育服务功能服务强度的研究更是很少．
文中以内蒙古自治区包头市区2016年学前教育、小学教育、中学教育、高职教育、高等教育点为节点，结合区域各等级交通网络空间分布，基于可达性测度方法和GIS空间分析法，对包头市文化教育服务空间分异特征进行制图，以不同可达性时间段进行文化教育功能分区，并赋予其不同的功能值，集成4种类型文化教育功能，进行总功能空间制图.通过统计分析不同等级功能区内的城镇村建设用地面积
表征文化教育功能的服务强度，以期揭示包头市文化教育功能空间分异特征，以及对该地区的农村居民点的服务能力．
包头市地理位置介于109°15′～110°26′E和40°15′～42°48′N之间，北接蒙古国，
南濒北方第一大河黄河，东临近土默川平原，西邻为河套平原，中部高海拔区域为阴山山脉，全市总面积27 768 km2．包头市作为国家“一五”时期发展起来的工业城市，是内蒙古最大的工业城市，更是我国西北地区最为重要的工业基地，钢铁、冶金、机械制造和军工等重大工业在此繁荣昌盛，是呼包银榆经济区和呼包鄂榆城市群的核心组成部分[17]．西部大开发战略实施以来，包头市国民经济发展迅速，城市规模和城市人口数量不断增加，城市建设用地面积从2000年的123.23 km2增加到2014年的221.59 km2，城市人口从2000年的137.16万人增加到2014年的279.92万人[21].包头市下辖9个旗县区，其中市区包括昆都仑区、青山区、东河区和九原区．文中选取昆都仑区、青山区、东河区、九原区4个区域作为研
究对象，此区域是包头市经济最发达、人口最密集、交通网络最发达的地区，对该区域文化教育服务功能空间分布特征进行分析，有助于提高该区域的文化教育服务功能(图1)．
2.1 数据来源与处理
研究区内文化教育信息来源于包头市教育局所提供的各级学校名录，以及百度地图等网络地图能查询到的学校位置等信息，时间截止2016年3月，共收集学校点845个．根据教育人群的不同对教育机构进行分类，学前教育点559个，小学
129个，中学100个，高职教育点36个，高等教育点21个．其中，学前教育点是指为3～6岁幼儿提供文化教育的场所；小学是指为7～12岁儿童提供文化教育的场所；中学是指为13～18岁的青少年提供文化教育的场所，由于我国大部分中学均设有初中部和高中部，两者在地理位置上难以区分，因此，将初中教育和高中教育归并为中学教育；高职教育是指专门进行职业技术教育的场所，如包头职业技术学校；高等教育是指普通高等文化教育学校，如内蒙古科技大学等．通过百度地图查询到的经纬度信息，将文化教育点的空间位置进行标定，形成文化教育点空间分布图(图1)．交通网络数据、农村居民点数据均由包头市规划局提供，其中交通
网络数据包括铁路、高速公路、国道、省道、县道、一般道路6个等级，农村居
民点数共925个．借助ArcGIS 10.1软件，将所有数据统一转投影到兰伯特等面
积方位投影．
2.2 研究方法
① 利用平均最近邻指数算法分析各类文化教育点的空间分布格局；② 结合交通网络数据对各文化教育点的时间可达性进行计算，即计算各区域到达最近的文化教育点需要花费的最短时间；③ 对可达性空间分布结果进行分级，获得文化教育功能
分区分布图，并对各级别功能区进行面积关系统计分析；④ 通过统计分析不同功
能区内的农村居民点数及其分布规律，分析文化功能的服务强度分布特征．
2.2.1 点格局分析法平均最近邻指数是对区域教育机构点集聚程度的反映，通过计算最近邻指数(Nearest neighbor index， NNI， INN)对研究区内教育机构点与
随机分布距离的偏离程度进行评价，具体是计算最近邻点的平均距离与随机分布模式中所预测的平均距离之间的比值．计算公式为[16]155
其中，INN为平均最近邻指数；min(dij)为随机文化教育点与该点最近邻文化教育点之间的最小距离；N为文化教育点的总数；A为研究区总面积．
2.2.2 可达性测度文化教育点时间可达性以区域范围内任一点到最近文化教育点花费的时间来测算．其距离可通过“累积耗费距离算法”测度，即利用栅格数据易计算的特点，借助最短路径法计算逐个栅格单元到目标栅格单元的最短加权距离[17]1162：
其中，Ci为第i个像元的耗费值；Ci+1为沿运动方向上的第(i+1)个像元的耗费值；n为像元总数；Di为行政单元第i个栅格的文化教育可达性；上分式表示通过与代价表面垂直或平行的方向进行代价距离的计算；下分式表示通过代价表面的对角线方向进行代价距离的计算．
时间成本是指通过单位距离内不同地表类型需要花费的时间，根据2010年中国不
同等级的铁路里程和速度标准，以及《中华人民共和国公路工程技术标准(JTGB 01—2003)》，将不同等级的道路赋予可达性时间成本，分别为铁路0.036 s·m-1，高速公路0.030 s·m-1，国道0.045 s·m-1，省道0.060 s·m-1，县道或主干道
0.090 s·m-1，乡道或一般道路0.120 s·m-1，其他空间速度赋值0.600 s·m-
1[18-20]．
2.2.3 文化教育服务功能测度由于文化教育场所为社会基础性服务设施，为了方便不同年龄段的人群接受教育，在一定范围内需设立不同类型的教育场所，由此为公众受教育带来的便捷程度，称之为服务功能．受文化教育场所、交通网络等基础性设施的完备程度影响，城市内部文化教育服务功能往往高于周围农村地区，且城市内部文化教育功能差异较小，因此不对城区服务功能进行测度.受交通和距离文化
教育点的便捷程度影响，农村地区的文化教育水平往往低于城区，对农村居民点的文化教育便捷程度进行分析，可反映区域文化教育功能强弱．文中通过测算不同时间可达性范围农村居民点之间的数量关系，评价不同可达性时间内的文化教育服务功能的强弱．
3.1 文化教育点格局
根据(1)式，对文化教育点空间分布的平均最近邻距离指数进行计算(表1)．一般认为：0.50,0.80,0.12,1.50为INN指数评价点集聚、集聚-随机、随机、随机-离散、离散分布的分界点[12]，由此可知，学前教育机构INN值为0.370，呈现强集聚
分布特征；小学教育机构INN值为0.553，呈现集聚-随机分布特征；中学INN
值为0.618，呈现集聚-随机分布特征；高职教育机构INN值为0.740，呈现集聚-随机分布特征；高等教育机构INN值为0.570，呈现集聚-随机分布特征．4种类
型教育机构的Z得分均小于-2.58，P值均为0.000，说明在拒绝零假设的情况下，5种类型教育场所空间分布模式为随机过程的概率极小，即均为集聚分布的空间模式，其分布模式在99%的置信度水平上不是随机造成的[12]．5种类型的教育点格
局空间分布特征集聚程度由大到小排序依次为学前教育>小学教育>高等教育>中学教育>职业教育．文化教育机构主要集中在昆都区、青山区、东河区城中心，该区域为包头市政治经济文化中心，社会、经济较其他区域发达，文化教育场所多且集聚，而城区周边郊区及九原区文化教育场所少且相对分散，从而使得文化教育点空间分布主要呈现集聚模式．
3.2 时间可达性空间分布特征
5种类型教育场所的可达性时间测算结果如图2(a)所示，可知5种类型的教育机构点最大可达性时间大小排序依次为高等教育点(92.682 min)、高职教育点(87.432 min)、中学教育点(82.330 min)、小学教育点(80.251 min)、学前教育点(70.561 min)．平均可达性时间大小排序依次为高等教育点(24.165 min)、高职教育点(20.602 min)、中学教育点(17.486 min)、小学教育点(16.162 min)、学前教育点(14.025 min)．标准差大小排序依次为高等教育点(14.700 min)、高职教育点(13.847 min)、中学教育点(13.258 min)、小学教育点(12.702 min)、学前教育点(11.088 min)．从5种类型教育机构的最大值、均值、标准差可知，5种类型教育机构的可达性由强到弱排序为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育．文化教育空间分布有围绕城中心逐渐向周围递减的趋势，5种类型的可达性时间最小区域主要集中在青山区、昆都仑区、东河区，高值区域主要分布在九原区及其外围边界处．
3.3 文化教育服务功能空间分布特征分析
为了探索5种类型文化教育服务功能空间分布特征，以10 min为断点，对5种文化教育时间可达性进行分级.由于可达性时间存在差异，其分级结果亦存在等级数量上的差异，其中，学前教育被分为8个等级，小学教育、中学教育、高职教育被分为9个等级，高等教育被分为10个等级，从1开始升序依次对相应等级进行赋值(图2(b))．通过分区统计，分别统计5种类型文化教育功能不同功能区面积及
其所服务农村居民点数，以及相应的频率分布和累计频率分布，以分析不同功能区之间的服务强弱关系．
总体上看，高等级的文化教育服务功能主要集中分布在昆都仑、青山、东河3个区，距离城区越远，文化教育功能越小．各功能区面积及所服务的农村居民点数
量统计结果列于表2，由于包头市区居民点主要集中在相对平坦的区域，山区居民点少，甚至无居民点，因此，在时间可达性较大的功能区内出现无居民点的情况．同种文化教育点不同功能区之间对比分析可知,文化教育时间可达性越长，功
能区面积越少，农村居民点数越少．不同教育类型，相同功能区之间对比分析可知，时间可达性在10 min内的面积大小排序依次为学前教育(857.70 km2)>小学教育(753.38 km2)>中学教育(665.23 km2)>高职教育(441.44 km2)>高等教育(303.57 km2)，其所服务的居民点数量大小排序与面积大小排序相同，分别为学
前教育(599个)>小学教育(509个)>中学教育(450个)>高职教育(263个)>高等教育(169个)．从高时间可达性文化教育功能区面积及其所服务的居民点数可初步判定，包头市区文化教育功能大小依次为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育．
通过统计分析，各功能区面积关系及农村居民点数量关系如图3-4所示．由5种
文化教育类型的功能区面积关系可知，可达性时间为小于20 min时，5种类型面积百分比大小排序依次为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育；当可达性时间大于20 min时，5种文化教育类型的面积百分比关系呈现逆向排序．考虑到公众上学的时间距离和心理接受的距离，以30 min为节点，对累积百分比进行分析，从相同类型不同功能区的面积累计百分比曲线可以看出(图3)，研究区内学前教育服务在10 min以内可达的功能区面积占全区面积的44.438%，
20 min以内可达占75.888%，30 min以内可达占90.836%，大于30 min可达
占9.164%；小学教育服务在10 min以内可达的功能区面积占全区面积的
39.033%，20 min以内可达占70.085%，30 min以内可达占86.318%，大于
30 min可达占13.682%；中学教育服务在10 min以内可达的功能区面积占全区面积的34.466%，20 min以内可达占65.842%，30 min以内可达占84.109%，大于30 min可达占15.891%；高职教育在10 min以内可达的功能区面积占全区面积的22.871%，20 min以内可达占56.734%，30 min以内可达占79.347%，大于30 min可达占20.653%；高等教育在10 min以内可达的功能区面积占全区面积的15.728%，20 min以内可达占43.446%，30 min以内可达占71.533%，大于30 min可达占28.467%．由此说明，服务功能区面积累积速率大小排序依
次为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育．
由图4可知，5种类型不同功能区所服务的农村居民点数量百分比在大小排序上与功能区面积百分比趋势一致．由于部分功能区不存在农村居民点，因此相同类型不同功能区农村居民点数量分布关系差异较大.从相同类型不同功能区所服务农村居
民点百分比累积曲线可以看出(图4)，学前教育服务在10 min以内可达的农村居
民点数量占全区数量的64.756%，20 min以内可达占94.486%，30 min以内可达占99.459%，大于30 min可达占0.541%；小学教育服务在10 min以内可达的农村居民点数量占全区数量的55.027%，20 min以内可达占86.162%，30 min以内可达占96.649%，大于30 min可达占3.351%；中学教育服务在10 min以内可达农村居民点数量占全区数量的48.649%，20 min以内可达占
80.756%，30 min以内可达占94.486%，大于30 min可达占5.514%；高职教
育在10 min以内可达的农村居民数量占全区数量28.432%，20 min以内可达占73.189%，30min以内可达占91.351%，大于30 min可达占8.649%；高等教
育在10 min以内可达的农村居民点数量占全区数量的18.270%，20 min以内可达占57.189%，30 min以内可达占85.621%，大于30 min可达占
14.379%．由以上分析可知，同种类型不同功能区所服务的农村居民点数量累积
速率大小排序依次为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育．
由以上分析可知，可达性时间越小，文化教育服务功能越强，但由于文化教育点的数量及空间分布存在较大差异，使得高等级文化功能区面积差异较大，从而对所服务的农村居民点数量产生极大影响；学前教育、小学教育、中学教育的文化教育点较多，使得高等级的文化教育服务区面积较大，从而引起高等级功能区所服务的农村居民点数量占比较大，而高职及高等教育的文化教育点分布集中且数量较小，使得高等级的服务功能区面积较小，从而引起高等级服务区所服务的农村居民点占比较小．
包头市区不同类型的文化教育服务呈现不同的空间分异特征，其所服务的农村居民点数量差异较大，服务功能的强弱为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育．说明包头市学前教育基础设施分布合理状况最优；学前教育主要承担小于6岁的适龄儿童文化教育服务，以营利为目的的学前教育在选择地址时，主要考虑社会、经济发达、人口集中的城镇区域，研究区为包头市社会、经济最发达，人口最多的区域，学前教育点在此大量聚集，从而使得学前教育功能最高，布局相对合理性最高．《中华人民共和国义务教育法》规定，适龄儿童必须参加小学和中学的9年义务教育，这一政策使得小学教育和中学教育基础设施增多，服务功能增强.
但从两者的服务功能空间分布上看，九原区西部地区的小学和中学教育服务功能较弱，说明该区域存在基础设施布局不合理的现象，同时，也意味着该地区存在着小学和中学的适龄学生上学难的问题．高职、高等教育往往实行寄宿制，且由于高职、高等教育办学条件要求较高，因此，大多集聚在市中心，从而使得城市周围郊区区域文化教育服务较低.包头市是我国中西部地区大型的钢铁生产基地，在市区内创
办了多所与钢铁产业有关的职业技术学校，这是高职文化教育功能较高的主要原因．文中对包头市2016年学前教育、小学教育、中学教育、高职教育、高等教育5种类型的文化教育点空间格局进行分析，以包头市交通网络数据为基础，对不同类型
的文化教育空间可达性及其服务功能进行制图和分析，结论如下：
1)5种文化教育点最近邻空间分布结果表明，研究区文化教育点格局空间分布特征集聚程度由大到小排序依次为学前教育>小学教育>高等教育>中学教育>职业教育．2)5种类型的教育机构点中，可达性由强到弱排序为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育．
3)以10 min为断点进行文化教育功能区划定，并对各区域文化特征面积进行分析可知，5种类型文化教育服务功能空间分布特征表现为，面积大小由高等级的功能区向低等级的功能区逐渐递减，并由昆都仑区、青山区、东河区城中心向周围呈现递减的趋势.结合各功能区所服务的农村居民点数量关系可知，5种类型文化教育
服务功能由强到弱排序为学前教育>小学教育>中学教育>高职教育>高等教育．研究区内可达性时间大于30 min的文化教育功能区面积差异较大，学前教育面积占9.164%，小学教育服务面积占13.682%，中学教育服务面积占15.891%，高职
教育服务面积占20.653%，高等教育服务面积占28.467%；从各功能区服务的农村居民点数量关系可知：研究区内可达性时间大于30 min的农村居民点的数量占比差异较大，学前教育占0.541%，小学教育占3.351%，中学教育占5.514%，
高职教育占8.649%，高等教育占14.379%．
结合文化教育服务空间分布特征以及所服务的农村居民点数量关系分析结果可对包头市文化教育机构点进行空间落地优化调控．各类型的教育中，由于年龄越小，越需要家庭照顾，教育服务便捷程度越低，社会问题则越严重．因此，在文化教育服务功能的优化过程中，应加强对学前教育、小学教育、中学教育的服务功能优化．① 对于城区，各类教育机构点均较完善，要想在此基础上使得文化教育功能
得到较好的发挥，则应优化路网结构，增强文化教育点的可达性，从而提高对周围居民点的服务能力[21]．② 对于可达性时间大于30 min的区域，且居民点较为集聚的区域，可适当在其周围新建文化教育点，并辅以优化路网结构，尤其是针对九。