3.1.2 Khái quát chung về mô hình biến động sử dụng đất Mô hình biến động sử dụng đất Land Change Modeler – là công cụ mà việc phân tích biến động sử dụng đất và mô hình hóa có thể được k
Trang 1CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NEURON NETWORK TRONG CÔNG TÁC SỬ DỤNG ĐẤT TẠI HUYỆN THÁI THỤY-THÁI BÌNH
3.1 Khái quát chung
3.1.1 Khái niệm chung về mô hình Neuron Network
Mạng nơ ron nhân tạo trong tính toán khả năng chuyển đổi sử dụng đất
Trong mô hình LCM, mô hình chuyển đổi sử Similarity-Weighted Instance-Based Machine Learning (SimWeight), Logistic Regression hoặc một Multi-Layer Perceptron (MLP) neural network
Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Nerual Networks – ANNs) được xây dựng từ những năm 1940 Với việc ứng dụng thuật toán lan truyền ngược (back propagation algorithm) năm 1988, ANN đã trở nên quen thuộc và được sử dụng nhiều trong ngành tài nguyên tài nguyên môi trường, đặc biệt là dự báo sử dụng đất
3.1.2 Khái quát chung về mô hình biến động sử dụng đất
Mô hình biến động sử dụng đất (Land Change Modeler) – là công cụ mà việc phân tích biến động sử dụng đất và mô hình hóa có thể được kết hợp với yếu tố sinh địa lý với sự phát thải hiệu ứng nhà kính, Mô dun mô hình hóa biến động được dựa vào ma trận chuỗi Markov và các bản đồ khả năng chuyển đổi mà được tính toán từ hồi quy logic hoặc mạng thần kinh nhân tạo Mục đích bài toán mô hình hóa trong phần này nhằm xác định mức độ khả năng chuyển đổi sử dụng đất trên mỗi đơn vị các điều kiện tự nhiên theo không gian và thời gian Bên cạnh đó, mô hình Land change modeler còn được sử dụng để dự báo sử dụng đất năm 2021 Từ đó đánh giá vai trò kết quả dự báo đối với quy hoạch sử dụng theo mục tiêu phát triển bền vững
3.2 Dữ liệu các biến dùng trong mô hình dự báo xử dụng đất
Dữ liệu trong mô hình cần được chuẩn hóa theo định dạng dữ liệu của phần mềm IDRISI Dữ liệu được tổng hợp theo bảng 3.1 sau:
Bảng 3 1 Bảng định dạng dữ liệu
3 Hiện trạng sử dụng đất 2005
4 Hiện trạng sử dụng đất 2013
Trang 2Bản đồ sdđ
1989
Bản đồ sdđ 2001
Bản đồ sdđ 2005
Bản đồ sdđ 2013
7 Lớp dữ liệu xói lở, bồi tụ 1989 – 2001 Số thực 3052,2272
3.3 Kết hợp mô hình Neuron network và Marko_CA dự báo sử dụng đất
Có nhiều cô cụ mô hình hóa sử dụng đất khác nhau như Cellular Automata (CA) Markov, Markov chain, GEOMOD, Mô hình LCM (Land Change Modeler) tích hơp CA-Marrkov và mạng nơ ron nhân tạo (neural network) nhằm dự báo sử dụng đất trong tương lai Hình 3.1 sau đây mô tả quy trình mô hình hóa dự báo sử dụng đất năm 2021 huyện Thái Thụy, Thái Bình
Trang 3Bản đồ biến động
1989-2001
Bản đồ biến động
2001-2005
Bản đồ biến động
2005-2013
Likelihood 1989-2001 Likelihood 2001-2005 Điều kiện tự nhiêu (địa mạo, thổ nhưỡng, khoảng cách tới đường bờ, biến động đường bờ) Likelihood 2005-2013
Xác suất chuyển đổi đối tượng năm
1989-2001
Xác suất chuyển đổi đối tượng năm
2001-2005
Xác suất chuyển đổi đối tượng năm
2005-2013
CA Markov
Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2013Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2009
Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2021
Đánh giá độ chính xác
mô hình
Mạng neuron network
Hình 3 1 Quy trình mô hình hóa sử dụng đất
Trang 4Quy trình mô hình hóa được thực hiện với các mục tiêu:1) đánh giá quan hệ giữa khả năng chuyển đổi sử dụng đất với điều kiện tự nhiên (trình bày trong mục 3.2.1); 2) Đánh giá độ chính xác của mô hình khi dự báo sử dụng đất năm 2009 và 2013 (trình bày trong mục 3.2.2); 3) Ứng dụng mô hình đã được kiểm chứng trong mục 3.2.3 để dự báo
sử dụng đất năm 2021 (mục 3.2.3)
3.3.1 Đánh giá khả năng chuyển đổi sử dụng đất trong mối quan hệ với điều kiện
tự nhiên huyện Thái Thụy, Thái Bình
Khả năng chuyển đổi có giá trị từ 0 đến 1 Giá trị càng cao thì xác suất chuyển đổi càng lớn Trong đó, giá trị 0 là không có xác suất chuyển đổi, giá trị 1 là chắc chắn chuyển đổi Kết quả đầu ra của mạng thần kinh nhân tạo là xác suất chuyển đổi của từng cặp biến động sử dụng đất Trên mỗi cặp biến động sử dụng đất, xác suất chuyển đổi của chúng có sự phân bố theo yếu tố tự nhiên, cụ thể là thổ nhưỡng, địa mạo, khoảng cách tới đường bờ, xói mòn và bồi tụ Mối quan hệ đó được phân tích thể như sau:
1 Biến động đất lúa và hoa màu
Trong giai đoạn 1989 – 2001, biến động đất lúa và hoa màu theo ba hướng: đất lúa
và hoa màu chuyển thành đất dân cư; lúa và hoa màu chuyển thành đất nuôi trồng thủy sản; đất trồng cói chuyển đổi thành đất lúa và hoa màu Trong đó, khả năng chuyển đổi đất lúa và hoa màu thành đất nuôi trồng thủy sản nhỏ không đáng kể (giá trị chuyển đổi
<0.016)
Đất lúa và hoa màu chuyển thành đất dân cư
Đất lúa và hoa màu chuyển thành dân cư có khả năng chuyển đổi ở hai giai đoạn 1989- 2001 và 2001-2005
Trang 5
Sơ đồ quan hệ giữa khả năng chuyển đổi đất lúa và hoa màu thành đất dân cư với yếu tố địa mạo và thổ nhưỡng
Hình trên chỉ ra rằng, ở giai đoạn 1989 – 2001, đất lúa và hoa màu chuyển đổi thành đất dân cư có thể xảy ra trên hầu hết các loại đất ngoại trừ trên đất mặn nhiều và đất phù sa được bồi hàng năm Trên hai loại đất này, khả năng chuyển đổi từ đất lúa và hoa màu thành đất dân cư gần như không xảy ra (xác suất chuyển đổi có giá trị từ 0 – 0.002) Trên khu vực đất cát và cồn cát, xác suất chuyển đổi này lớn nhất (0.788 – 0.956)
Sự chuyển đổi này diễn ra ở các cồn cát cổ phía trong đê và chủ yếu là đất dân cư được chuyển đổi từ đất trồng hoa màu Trong khi đó, theo sự phân bố của yếu tố địa mạo, ngoại trừ ở khu vực bề mặt tích tụ bãi triều tuổi hiện đại Q23, đất lúa và hoa màu thích hợp chuyển thành đất dân cư trên hầu hết các yếu tố địa mạo Trong đó, tại khu vực Bề mặt tích tụ bar cát biển tuổi hiện đại Q2, xác suất chuyển đổi đó lớn nhất (0.788 – 0.956)
Sang đến giai đoạn 2001 – 2005, quan hệ khả năng chuyển đổi đất lúa và hòa màu thành dân cư với các đơn vị tự nhiên không có sự khác biệt nhiều so với giai đọan 1989 –
2001 (hình 3.3) Tuy nhiên lại có sự khác biệt rất lớn về diện tích phân bố xác suất chuyển đổi của đối tượng này được cụ thể trên hình 3.3
Trang 6Xác suất chuyển đổi đất trồng cói
thành đất trồng lúa và hoa màu giai đoạn 1989 - 2001
Đường bờ 1965 khoảng c ác h tới đường bờ
0 - 0 002 0.0021 - 0.106 0.1061 - 0.302 0.3021 - 0.619 0.6191 - 0.788 0.7881 - 0.956
0 2 4 6 8
Thổ nhưỡng
1: 0 - 0.002
6: 0.788 - 0.956
a)
b) 4.6a
4.6b
4.6c
Sơ đồ quan hệ giữa khả năng chuyển đổi đất lúa và hoa màu thành đất dân cư với yếu tố địa mạo và thổ nhưỡng
Chuyển đổi đất trồng cói thành đất trồng lúa và hoa màu:
Sơ đồ quan hệ giữa khả năng chuyển đổi đất trồng cói thành đất lúa và hoa màu với yếu tố
tự nhiên.
Đường bờ 1965 Khoảng cách tới đường bờ
0 - 0.002 0.003 - 0.106 0.107 - 0.302 0.303 - 0.619
Xác suất chuyển đổi đât lúa và hoa màu thành đất dân cư
giai đoạn 2001 - 2005
Cc Mi Mn Ph Phb S 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Thổ nhưỡng
ĐM1 ĐM2 ĐM3 ĐM4 ĐM5 ĐM6 ĐM7 ĐM8 0
0.5 1 1.52 2.53 3.54 4.5
Địa mạo
Trang 7Giai đoạn 1989 – 2001 là giai đoạn những năm đầu của thời kỳ đổi mới, theo truyền thống canh tác của địa phương, đất trồng cói chuyển đổi thành đất lúa và hoa màu Hình 3.4a chỉ cho ta thấy trên khu vực gần bờ với khoảng cách cách bờ từ 0 – 1600m, xác suất chuyển đổi đất trồng cói thành đất lúa và hoa màu là rất lớn Trong khi đó hình 3.4b,c cho thấy rằng sự chuyển đổi này có xác suất xảy ra lớn nhất tại khu vực đất mặn ít
và bề mặt tích tụ hỗn hợp sông, biển – đầm lầy tuổi hiện đại Q23 với xác suất từ (0,788 – 0,956) Các khu vực phân bố của các yếu tố địa mạo và thổ nhưỡng khác, xác suất chuyển đổi đất trồng cói thành đất lúa và hoa màu rất nhỏ (<0,302)
2 Biến động đất rừng ngập mặn
Rừng ngập mặn có xác suất chuyển đổi khá đa dạng thành đất nuôi trồng thủy sản, thành đất trống và thành mặt nước Đồng thời, đất trống, đât nuôi trồng thủy sản và mặt nước cũng có xác suất phát triển thành rừng ngặp mặn Tuy nhiên, sự chuyển đổi mặt nước, đất trống thành rừng ngập mặn và rừng ngập mặn bị mất thành đất trống với xác suất xảy ra là rất nhỏ (<0,007) Xác suất chuyển đổi còn lại của đất rừng ngập mặn có mức độ lớn hay nhỏ tùy theo sự phân bố của địa mạo, khoảng cách tới đường bờ, xói mòn, bồi tụ và thổ nhưỡng
Tóm lại, biến động sử dụng đất có quan hệ chặt chẽ với các yếu tố tự nhiên Mối quan hệ đó được tổng kết theo bảng sau:
Bảng 3 2 Bảng tổng hợp mối quan hệ giữa khả năng biến động sử dụng đất
với các yếu tố tự nhiên
chuyển đổi
Thổ
Biến động đườn
g bờ
Khoảng cách tới đường bờ
Đất lúa và hoa màu - đất dân cư Cc, Ph, S ĐM3, ĐM5, ĐM 8
Đất trồng cói - đất lúa và hoa
Đất nuôi trồng thủy sản - đất
Đất trống - đất nuôi trồng thủy
Mặt nước và sông suối - đất
Đất rừng ngập mặn - đất nuôi
Trang 8Bảng trên chỉ ra rằng sự chuyển đổi các đối tượng có quan hệ đa dạng với các điều kiện tự nhiên Tuy nhiên, sự biến động đó nằm trong ngưỡng sinh thái nhất định Trên khu vực đất phù sa được bồi hàng năm, khu vực trong đê (cách đường bờ lớn hơn 800m – ĐB1), bãi bồi sông tuổi hiện đại Q2 và bề mặt tích tụ hỗn hợp sông, biển – đầm lầy tuổi hiện đại Q23 là không có khả năng biến động bất kỳ loại hình nào
3.3.2 Kiểm chứng độ chính xác của mô hình
Mô hình LCM được thực hiện theo quy trình hình 3.1 trên Dự báo sử dụng đất năm 2009 và 2013 được kiểm chứng bằng cách so sánh với sử dụng đất 2009 và 2013 chiết tách từ ảnh vệ tinh có kiểm chứng thực địa Để chứng minh cho mục tiêu của đề tài, hai sản phẩm chính của mô hình là: Khả năng chuyển đổi của các đối tượng và bản đồ dự báo sử dụng đất thời điểm tương lai Khả năng chuyển đổi sử dụng đất luận giải sự phụ thuộc của biến đổi sử dụng đất với các điều kiện tự nhiên Xác suất chuyển đổi sử dụng đất trong các mô hình LCM đều được chạy với mạng nơron nhân tạo, vòng lặp 10.000,
độ chính xác với các cặp chuyển đổi đa phần lớn hơn 70% Bản đồ dự báo sử dụng đất trong mô hình LCM được kiểm chứng với ba mô đun như VALIDATE, ROC và CROSSTAB Trong luận án sử dụng Crosstab để đánh giá sản phẩm của mô hình Kết quả kiểm chứng Crosstab bao gồm hệ số kappa tổng thể và độ chính xác của từng đối tượng sử dụng đất cụ thể
3.4 Dự báo xu hướng biến động sử dụng đất năm 2021
3.4.1 Xây dựng bản đồ dự báo sử dụng đất 2021
Kết quả kiểm chứng mô hình LCM mục 3.2.3 đạt yêu cầu về độ chính xác Do vậy, mô hình được ứng dụng trong dự báo sử dụng đất năm 2021 Bản đồ sau đây là kết quả sự báo sử dụng đất năm 2021 cho hai huyện Thái Thụy, Thái Bình
Trang 9Dự báo sử dụng đất huyện Thái Thụy, Thái Bình năm 2021
Trang 103.4.2 So sánh thay đổi sử dụng đất năm 2013 với dự báo năm 2021
Hình 3.6 và bảng 3.3 sau đây chỉ ra sự thay đổi diện tích sử dụng đất huyện Thái Thụy, Thái Bình năm 2021 so với 2013 chỉ tập trung vào việc mở rộng đất dân cư, đất nuôi trồng thủy sản và đất rừng ngập mặn Bên cạnh đó, diện tích một số loại hình sử dụng đất giảm như lúa và hoa màu, đất ruộng muối và đất trống Xét theo sự phân bố không gian của các đối tượng trên hình 3.19 thấy rằng: dự báo biến động sử dụng đất chỉ tập trung ở khu vực ven biển ngoại trừ sự mở rộng của đất dân cư Số liệu thống kê chỉ ra rằng dự báo năm 2021 các đối tượng chuyển đổi với diện tích không lớn, chỉ từ 17.4 ha đến 154ha
Bảng 3 3 Bảng thống kê diện tích thay đổi sử dụng đất năm 2013 so với 2021
huyện Thái Thụy, Thái Bình
Năm 2021
(ha)
Năm
2013(ha)
Đất dân cư
Đât lúa
và hoa màu
Nước
và sông ngòi
Đất nuôi trồng thủy sản
Đất trốn g
Đất rừng ngập mặn
Đất làm muối
Đất khu công nghiệp Đất dân cư
52753
Đât lúa và
161741
Nước và
Đất nuôi
trồng thủy
22229
Đất rừng
14426
Đất ruộng
Đất khu
công
Trang 11Dự báo biến động sử dụng đất huyện Thái Thụy, Thái Bình 2021 so với năm 2013 được thể hiện cụ thể theo hình 3.6 và bảng 3.3 Nhìn vào phân bố không gian trên bản đồ thì các đối tượng được dự báo thay đổi rải rác trên huyện từ ngoài bờ, trong đê, ven sông
và cả khu nội đồng Bảng 3.3 cho thấy rằng dự báo đến năm 2021 tất cả các đối tượng đề thay đổi theo hai hướng: 1) suy giảm diện tích các đối tượng đất lúa và hoa màu; đất rừng ngập mặn và đất ruộng muối Sự suy giảm diện tích lúa và hoa màu; đất ruộng muối là sự chuyển đổi phụ thuộc vào nhu cầu đất ở và đáp ứng kế hoạch tăng trưởng kinh tế 2) sự
mở rộng diện tích các đối tượng bao gồm đât dân cư, đất nuôi trồng thủy sản, đất trống, đất rừng ngập mặn và đất khu công nghiệp Sự mở rộng đất ở là để đáp ứng xu hướng gia tăng dân số Mở rộng đất nuôi trồng thủy sản nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường và tăng trưởng kinh tế Đất trống được mở rộng là quy luật bồi tụ tự nhiên với những khu vực cửa sông Diện tích khu công nghiệp mở rộng được phân bố ở khu nhiệt điện Thái Bình
Trang 12Biến động sử dụng đất 2013_2021 huyện Thái Thụy, Thái Bình