Mô hình hóa sử dụng đất đai ứng dụng hàm logistic

Bài viết Mô hình hóa sử dụng đất đai ứng dụng hàm logistic trình bày các tiếp cận lý thuyết về sử dụng đất đai và triển vọng mô hình hóa; Ứng dụng mô hình logistic trong mô hình hóa biến động sử dụng đất đai.

Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 MƠ HÌNH HĨA SỬ DỤNG ĐẤT ĐAI ỨNG DỤNG HÀM LOGISTIC Nguyễn Hữu Cƣờng, Nguyễn Hoàng Phƣợng Ly Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh, 236B Lê Văn Sỹ, phường 1, quận Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh Email: nhcuong@hcmunre.edu.vn TĨM TẮT Các cơng trình nghiên cứu biến động sử dụng cơng bố thành hai hướng chính: (i) Các mơ hình mơ xây dựng dựa tiếp cận phương pháp tế bào tự động; (ii) Các mô hình sử dụng ảnh viễn thám Phương pháp khơng thành cơng giải thích hành vi người dẫn đến biến động sử dụng đất Phương pháp phân tích thống kê với hàm logistic cho phép nghiên cứu mối quan hệ biến động sử dụng đất yếu tố tác động, cho phép đánh giá biến động cấu sử dụng đất cách chặt chẽ tồn diện Từ khóa: Biến động sử dụng đất đai, mơ hình hóa, đất nơng nghiệp, hàm logistic GIỚI THIỆU Do nhu cầu công tác lập quy hoạch sử dụng đất đai ngày địi hỏi có độ tin cậy cao cần thiết phải dựa vào sở khoa học để định, thay dựa vào kinh nghiệm túy nhà quy hoạch Do vậy, cần có thêm nhiều công cụ hỗ trợ song song với phương pháp sử dụng Trong đó, mơ hình hóa biến động sử dụng đất đai ngơn ngữ tốn học đóng vai trị quan trọng Hiện nay, cơng trình nghiên cứu biến động sử dụng đất giới nói chung Việt Nam nói riêng thường cơng bố thành hai hướng (i) Các mơ hình mô xây dựng dựa tiếp cận phương pháp tế bào tự động (Cellular Automata) Tế bào tự động mơ hình tốn học, hành vi hệ thống tạo tập hợp quy tắc xác định xác suất để xác định trạng thái rời rạc tế bào dựa trạng thái tế bào lân cận Tuy nhiên, mơ hình giả định cảnh quan đơn giản với tương tác yếu tố không đồng khác quy hoạch, trung tâm việc làm, yếu tố mơi trường Mơ hình chưa phân tích phản ứng người sử dụng đất với thay đổi chế độ sách (ii) Các mơ hình sử dụng ảnh viễn thám Phương pháp khơng thành cơng giải thích hành vi người dẫn đến biến động sử dụng đất Verburg and Veldkamp (2001) cho rằng, phương pháp nghiên cứu khơng đủ để đáp ứng cho phân tích biến động sử dụng đất Thay vào đó, cần chuỗi phương pháp liên kết tích hợp chặt chẽ theo không gian thời gian Theo Muller and Munroe (2007), ngồi việc sử dụng mơ hình trường hợp nghiên cứu để kiểm chứng thay đổi sử dụng đất phân tích thống kê công cụ mạnh khả kiểm định giả thuyết, xếp hạng yếu tố, kiểm tra tính nghiêm ngặt giả thuyết Tuy nhiên trình xử lý địi hỏi kết hợp liệu khơng gian, thời gian cấp độ phân tích trở ngại thách thức để đạt kết tốt Sự tích hợp phương pháp phân tích thống kê, phân tích khơng gian mơ hình hóa khơng gian giải pháp nghiên cứu mối quan hệ biến động sử dụng đất yếu tố tác động, cho phép đánh giá biến động cấu sử dụng đất cách chặt chẽ tồn diện Qua đó, giám sát hiệu biến động sử dụng đất theo không gian thời gian, 301 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 xác định xác nguyên nhân đặc biệt lượng hóa ảnh hưởng yếu tố đến cấu biến động sử dụng đất CÁC TIẾP CẬN LÝ THUYẾT VỀ SỬ DỤNG ĐẤT ĐAI VÀ TRIỂN VỌNG MƠ HÌNH HÓA Trong nghiên cứu sử dụng đất đai, học giả dựa cách tiếp cận lý thuyết khác Nhóm lý thuyết kinh tế vùng thị truyền thống nhóm lý thuyết xã hội học truyền thống chiếm ưu nghiên cứu Với cách tiếp cận kinh tế truyền thống, trọng tâm đặt lên định kinh tế hợp lý, hay nói cách khác - tối đa hóa lợi ích Vào đầu kỷ 19, Von Thunen (1826) lý giải vị trí đất nơng nghiệp phụ thuộc vào khoảng cách đến trung tâm giá đất Theo ông, cường độ nông nghiệp giảm dần tăng khoảng cách đến trung tâm Cách giải thích tảng cho lý giải việc sử dụng đất đai mối quan hệ với điều kiện tự nhiên - xã hội Mơ hình Von Thunen dựa điều kiện đồng ban đầu tất vị trí nên có hình dạng vịng trịn đồng tâm - trung tâm thị trường Sau mơ hình điều chỉnh, đưa vào khác biệt suất đất đai, giá cả, giao thông vận tải, chi phí nhiều trung tâm, làm cho phân tích trở nên phức tạp dựa chi phí vận chuyển Các nghiên cứu khác phát triển tảng mơ hình Von Thunen phạm vi đa dạng Trong sử dụng đất đai đô thị, Alonso (1964) lý giải cấu trúc đô thị dựa khái niệm chức thầu thuê (bid-rent function) cho đối tượng sử dụng đất Tuy nhiên, lý thuyết Alonso lý giải cấu trúc đô thị dựa giả định đơn cực (một trung tâm nhất) Do khơng phân tích lý giải mối quan hệ cho phát triển đô thị đại Với nghiên cứu đại, Paul Krugman (1979) cho đối tượng sử dụng đất có xu hướng xác định vị trí sản xuất nơi trung tâm đơng đúc dân cư vốn, tận dụng lợi nhờ quy mơ Tuy nhiên, tập trung hóa vốn lao động khả Sự hạn chế tập trung hóa chi phí vận chuyển Chi phí vận chuyển tới người tiêu dùng cao hãng tập trung hóa khu vực định quốc gia Do đó, định lựa chọn địa điểm sản xuất hãng phụ thuộc vào tương quan việc tận dụng lợi quy mô việc tiết kiệm chi phí vận chuyển Giảm chi phí vận chuyển dẫn tới q trình tập trung hóa thị hóa Cách tiếp cận xã hội học truyền thống nhấn mạnh tầm quan trọng ảnh hưởng xã hội, nhận thức yếu tố cảm xúc việc lựa chọn khơng gian Theo cách tiếp cận sinh thái “các thành phố biểu bên q trình cạnh tranh khơng gian thích nghi nhóm xã hội tương ứng với đấu tranh sinh thái thích ứng mơi trường tìm thấy thiên nhiên” (Cooke 1983) Các trạng thái cân khơng gian thời điểm hình thành từ đấu tranh cho sống cộng đồng khác nhau, nơi mạnh chiếm vị trí tốt nhất, phần yếu chiếm khơng gian cịn lại Khơng gian ln thay đổi đối tượng chuyển từ cộng đồng sang cộng đồng khác Mơ hình vùng đồng tâm (Burgess, 1925) mô tả cách tiếp cận này: trung tâm vùng thương mại, dịch vụ; vùng dành cho dân cư nghèo, vùng cho công nhân, vùng dân cư cao cấp vùng dành cho phát triển đô thị vệ tinh Cũng theo cách tiếp cận xã hội học, trường phái Berkeley (Melvin Webber, Donald Foley Stuart Chapin) giải thích “cấu trúc không gian phản ánh cấu trúc xã hội chuẩn mực xã hội làm phát sinh thay đổi dạng không gian” Lý thuyết cấu trúc đô thị Foley xây dựng dựa khuôn khổ trật tự Talcott Parsons “đời sống xã hội có cấu trúc bao gồm hệ thống: xã hội, văn hóa, nhân cách hệ thống vật lý (Foley 1964, Cooke 1983) Các hệ thống có mối 302 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 quan hệ đặc biệt với mà trọng tâm dựa chuẩn mực xã hội Các chuẩn mực trừu tượng biểu qua cấu trúc không gian Webber, người đưa khái niệm “cộng đồng mà không cần gần”, có đóng góp giải thích không gian cộng đồng dân cư (đơ thị) mà cịn phạm vi rộng lớn Sự phát triển công nghệ thông tin “giải phóng cấu khơng gian từ khó khăn địa điểm tác dụng mơ hình liên kết địa phương báo hiệu xuất phát triển không gian vô sắc” Phương pháp tiếp cận cấu trúc thể chế lên phản ứng với cách tiếp cận tâm dựa vào hành vi người để giải thích hình thành, vận động không gian đô thị Trường phái lý giải việc hành vi định lựa chọn không gian phải dựa sức mạnh ràng buộc Do đó, “phân tích mơ hình khơng gian phải dựa vào kinh tế trị có liên quan” (Johnston, 1982) Cách tiếp cận tập trung vào phương thức sản xuất ảnh hưởng đến cấu trúc khơng gian mà Nhà nước đóng vai trị quan trọng việc giải xung đột q trình tích lũy vốn Castells (1977) cho có quyền tự chủ tương đối ba cấp độ (nền kinh tế, Nhà nước hệ tư tưởng) mối quan hệ chúng ảnh hưởng đến cấu trúc không gian đô thị Các biểu không gian kinh tế bao gồm: (a) không gian sản xuất - cơng nghiệp văn phịng, (b) không gian tiêu thụ - dịch vụ nhà phúc lợi xã hội (c) không gian trao đổi - giao thông vận tải mạng lưới thông tin liên lạc Nhà nước cung cấp dịch vụ cho tập thể thơng qua hệ thống kế hoạch kiểm sốt chúng cấu trúc khơng gian thị Lý thuyết vị thế, chất lượng lựa chọn khác (Phê, 2000) “cố gắng giải khác biệt cách tiếp cận thị trường phi thị trường, cách đưa hệ thống lập luận linh hoạt Nó dựa sở xã hội việc phân bố vị trí dân cư, coi có khả đưa cách giải thích phù hợp hơn” Theo đó, thay đổi cấu trúc không gian đô thị, đặc biệt khu dân cư, xem “một chuyển dịch đồng thời dọc theo hai chiều, chiều chứa đựng biến động lịch sử, chiều thể đặc tính tương đối bền vững mơi trường vật chất Đó vị nơi chất lượng nhà ở” Cách tiếp cận đưa mơ hình khu dân cư thị vành đai đồng tâm - hay nhiều cực vị Các vành đai tạo lựa chọn vị mong muốn chất lượng nhà phù hợp Cách lý giải đầu nghĩ dựa vào cách tiếp cận kinh tế truyền thống - dựa vào điểm trung tâm phân tích thấy rõ khác biệt Sự khơng tương đồng khác “vị trí trung tâm” - đại lượng xem bất biến “vị trung tâm” - yếu tố tạo nên trung tâm Do đó, có thay đổi xã hội trung tâm dịch chuyển kết cấu trúc không gian biến đổi Mỗi lý thuyết, theo cách tiếp cận mình, có giá trị giải thích kèm theo thiếu sót Theo đó, lý thuyết làm sáng tỏ khía cạnh việc phân tích mối quan hệ phức tạp yếu tố ảnh hưởng kết không gian Sự khác bắt nguồn từ cách tiếp cận (kinh tế - xã hội, thể chế,…) mà cịn quy mơ khơng gian, thời gian, tính đặc thù cho vùng miền Ở cấp độ cao, lý thuyết giải thích mang tính trừu tượng để mơ tả chế hình thành, thay đổi (mơ hình hóa) thách thức Do đó, triển vọng lựa chọn cách tiếp cận/lý thuyết để mơ hình hóa cần phải dựa yếu tố: a) khả giải thích cách tồn diện thay đổi sử dụng đất yếu tố theo cấp độ khơng gian thời gian, b) tính khả thi xây dựng mơ hình Các cách tiếp cận kinh tế học xã hội học giải thích cấu trúc khơng gian dựa luận điểm mang tính bác bỏ lẫn Mặc dù cách tiếp cận kinh tế truyền thống mang tính cổ điển với giả thiết hành vi người hoàn hảo, đối lập với cách tiếp cận lại, hành vi cá nhân, hay rộng tầng lớp, khác khơng thể phủ nhận đóng góp phương pháp luận hai Vẫn biết rằng, việc đòi hỏi tồn lý thuyết hồn hảo viển vơng việc 303 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 lựa chọn lý thuyết mang tính khả thi cao điều không làm Lý thuyết vị thế, chất lượng lựa chọn khác với lập luận tiến linh hoạt, mặt, bổ sung cho cách tiếp cận kinh tế truyền thống với việc thay khái niệm vị trí trung tâm yếu tố tạo vị thế, mặt khác, dựa sở xã hội để giải thích cấu trúc khơng gian Trong lý thuyết ngồi tham số chất lượng bao gồm các yếu tố vật lý đo đếm việc lượng hóa yếu tố vị thế, định nghĩa “là hình thức đo mong muốn mặt xã hội gắn với nhà địa điểm xác định”, điều đáng quan tâm Với cách tính tốn nay, việc lượng hóa tham số vị thực “thơng qua việc ước tính biến đại diện, trình xếp thứ tự cách ước tính giá suy thuộc tính liên quan tới vị thế, thơng qua nhiều kỹ thuật hồi quy khác nhau” ỨNG DỤNG MƠ HÌNH LOGISTIC TRONG MƠ HÌNH HĨA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐAI Trong nghiên cứu, biến động sử dụng đất nghĩa thay loại hình sử dụng loại hình sử dụng đất khác Các nghiên cứu thay đổi sử dụng đất thường xoay quanh câu hỏi trọng tâm mối quan hệ sử dụng đất yếu tố làm thay đổi sử dụng đất Thay đổi sử dụng đất bị tác động nhiều nhân tố có nguồn gốc khác nhau: yếu tố tự nhiên, phạm vi địa lý, thời gian cường độ Các yếu tố ảnh hưởng tới biến động sử dụng đất phân chia thành hai loại: - Nhân tố tác động môi trường tự nhiên khí hậu, thủy văn, thổ nhưỡng - Nhân tố tác động người dân số, công nghệ, hệ thống trị kinh tế, văn hóa tơn giáo, yếu tố dân tộc Như vậy, thấy thay đổi sử dụng đất kết hoạt động kinh tế - xã hội điều kiện tự nhiên trình khai thác, sử dụng người Để thấy rõ mối quan hệ tương hỗ thay đổi sử dụng đất yếu tố ảnh hưởng, sử dụng phương pháp truyền thống, sử dụng phân tích tương quan hàm hồi quy, nhờ phương pháp này, hệ thống phức tạp với nhiều mối quan hệ qua lại, kết hợp với phụ thuộc vào cấp độ khó mơ tả cách tổng qt lượng hố Trong phương pháp phân tích, mơ hình hóa khơng gian hồi quy logistic thường áp dụng Hồi quy logistic phương pháp áp dụng cho trường hợp biến phụ thuộc (Y) có kết nhị phân Trong hồi quy logistic, biến độc lập X sử dụng để xây dựng phương trình tốn học dự báo khả mà biến Y có xác suất Ln [ ] = B0 + B1X1 + B2X2 + + BiXi Trong đó: P (Y = 0) = P0: Xác suất xảy kiện P (Y = 1) = 1- P0: Xác xuất không xảy kiện Trong nghiên cứu biến động sử dụng đất, “sự kiện” tương ứng với “có biến đổi sử dụng đất” “không biến đổi sử dụng đất” Các biến độc lập Xi yếu tố tự nhiên, kinh tế - xã hội ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất (địa hình, địa chất, khoảng cách đến đường, giá đất,…) Trong hồi quy logistic sử dụng phương pháp xác suất cực đại (maximum likelihood) để ước tính tham số phương trình hồi quy nhằm cho giá trị tối đa hóa khả biến quan 304 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 sát Độ phù hợp mô hình xác định thơng qua R- squared (kí hiệu R2) có giá trị khoảng từ đến Quy trình ứng dụng mơ hình Logistic tích hợp với GIS để mơ hình hóa biến động sử dụng đất đai thể theo sơ đồ Bản đồ biến động sử dụng đất đai Biến độc lập Biến phụ thuộc Lấy mẫu GIS Phân tích hồi quy logistic Bản đồ tiềm chuyển đổi Nhu cầu sử dụng đất Bản đồ dự báo biến động Hình Ứng dụng mơ hình Logistic mơ hình hóa biến động sử dụng đất đai Để sử dụng hàm hồi quy, việc trước tiên phải tạo số liệu phù hợp Tất đồ số liệu chuyển sang cấp ô lưới, tức ô chứa đủ thông tin: loại sử dụng đất, mật độ dân số, độ cao, độ dốc, khả tiếp cận,… Biến phụ thuộc phân tích loại sử dụng đất khác Do biến phụ thuộc biểu thị số (có) số (khơng có) lưới KẾT LUẬN Để thấy rõ mối quan hệ tương hỗ thay đổi sử dụng đất yếu tố ảnh hưởng sử dụng phân tích tương quan hàm hồi quy logistic Nhờ phương pháp này, hệ thống phức tạp với nhiều mối quan hệ qua lại, kết hợp với phụ thuộc vào cấp độ khó mơ tả cách tổng qt lượng hố TÀI LIỆU THAM KHẢO Veldkamp, Lambin (2001) - Editorial predicting land-use change, Agriculture, Ecosystems and Environment, 1-6 305 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Azadi, H Ho, P Hasfiati (2011) - Agricultural land conversion drivers: A comparison between less developed, developing and developed countries, Land Degradation & Development, 22 (6), 596-604 Castella, Jean-Christophe, Pheng Kam Suan, Dinh Quang Dang, Verburg Peter H, Thai Hoanh Chu (2007) - Combining top-down and bottom-up modelling approaches of land use/cover change to support public policies: Application to sustainable management of natural resources in northern Vietnam, Land Use Policy, 24 (3), 531-545 E F Lambin, H J Geist, E Lepers (2003) - Dynamics of Land-Use and Land- cover change in tropical regions, Annual Review of Environment and Resources, 28(1), 205-241 P H Verburg, A Veldkamp (2001) - The role of spatially explicit models in land-use change research: a case study for cropping patterns in China, Agriculture Ecosystems and Environment, 85, 177-190 MODELLING LAND USE CHANGE USING LOGISTIC REGRESSION Nguyen Huu Cuong, Nguyen Hoang Phuong Ly Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment, 236B Le Van Sy, Ward 1, Tan Binh district, Ho Chi Minh city Email: nhcuong@hcmunre.edu.vn ABSTRACT Studies about land use change are published in two main directions: (i) Simulation models are based on the approach of cellular automation methods; (ii) Models using remote sensing images This method fails to explain human behavior that affects land use change Statistical analysis method with logistic function allows to study the relationship between land use change and impact factors, which allows to assess change of land use structure in total Keywords: Land use change, modelling, agricultural land, logistic regression 306 ... ỨNG DỤNG MƠ HÌNH LOGISTIC TRONG MƠ HÌNH HĨA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐAI Trong nghiên cứu, biến động sử dụng đất nghĩa thay loại hình sử dụng loại hình sử dụng đất khác Các nghiên cứu thay đổi sử. .. động sử dụng đất đai Biến độc lập Biến phụ thuộc Lấy mẫu GIS Phân tích hồi quy logistic Bản đồ tiềm chuyển đổi Nhu cầu sử dụng đất Bản đồ dự báo biến động Hình Ứng dụng mơ hình Logistic mơ hình hóa. .. động sử dụng đất, “sự kiện” tương ứng với “có biến đổi sử dụng đất? ?? “không biến đổi sử dụng đất? ?? Các biến độc lập Xi yếu tố tự nhiên, kinh tế - xã hội ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất (địa hình,