Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tích hợp markok CA và GIS để dự báo biến động sử dụng đất tại tỉnh phú thọ

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI NGUYỄN KHÁNH TỒN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍCH HỢP MARKOV-CA VÀ GIS ĐỂ DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH PHÚ THỌ LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Hà Nội, 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI NGUYỄN KHÁNH TỒN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍCH HỢP MARKOV-CA VÀ GIS ĐỂ DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH PHÚ THỌ LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Chuyên ngành: Quản lý đất đai Mã số: 8850103 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN AN THỊNH Hà Nội, 2018 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán hướng dẫn chính: PGS.TS Nguyễn An Thịnh Cán chấm phản biện 1: TS Nguyễn Thị Khuy Cán chấm phản biện 2: TS Nguyễn Tiến Cường Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 16 tháng năm 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Luận văn LỜI CẢM ƠN Được trí trường Đại học Tài ngun Mơi trường Hà Nội, Khoa Quản lý đất đai, tiến hành làm luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tích hợp Markok- CA GIS để dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ” Trong q trình học tập hồn thành luận văn ngồi cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ thầy cô giáo, gia đình bạn bè Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm Khoa Quản lý đất đai trường Đại học Tài nguyên Mơi trường Hà Nội tồn thể thầy giáo dạy dỗ, quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập rèn luyện trường thời gian qua Đặc biệt để hồn thành luận văn tốt nghiệp này, tơi nhận quan tâm giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn An Thịnh Thầy tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Khánh Toàn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC THÔNG TIN LUẬN VĂN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở lý luận sử dụng đất 1.1.1 Sử dụng đất 1.1.2 Cơ sở khoa học biến động sử dụng đất lớp phủ 1.1.3 Sử dụng đất, biến động sử dụng đất giới Việt Nam 12 1.2 Mơ hình hóa Markov-CA dự báo biến động sử dụng đất 20 1.2.1 Khái niệm mơ hình, mơ hình hóa mơ hình hóa khơng gian 20 1.2.2 Mơ hình hóa biến động sử dụng đất 21 1.2.3 Khái niệm ứng dụng chuỗi Markov 22 1.2.4 Mạng tự động (Cellular Automata CA) 24 1.3 Tổng quan cơng trình nghiên cứu .26 1.3.1 Trên giới .26 1.3.2 Tại Việt Nam 31 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .34 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu .34 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu .34 2.2 Nội dung nghiên cứu 34 2.3 Phương pháp nghiên cứu 34 2.3.1 Phương pháp phân tích tổng quan tài liệu 34 2.3.2 Phương pháp khảo sát thực địa 35 2.3.4 Phương pháp phân tích, mơ hình hóa khơng gian Markov CA 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 41 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sử dụng đất tỉnh Phú Thọ .41 3.1.1 Nguồn lực tự nhiên tài nguyên thiên nhiên 41 3.1.2 Nguồn lực kinh tế - xã hội 50 3.1.3 Đánh giá điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội 57 3.2 Đánh giá trạng sử dụng đất giai đoạn 2005 – 2015 sở tư liệu ảnh viễn thám 60 3.2.1 Xây dựng đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015 60 3.2.2 Đánh giá trạng sử dụng đất giai đoạn 2005 - 2015 65 3.3 Dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 - 2025 72 3.3.1 Quy trình nghiên cứu .72 3.3.2 Phân cấp thích hợp 74 3.3.3 Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov .85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .96 TÀI LIỆU THAM KHẢO .98 PHỤ LỤC .Error! Bookmark not defined 3.3.4 Mơ hình hóa biến động sử dụng đất lớp phủ mặt đất dựa vào toán CA_Markov Với ưu điểm đưa yếu tố không gian vào tốn thống kê Markov, mơ hình CA_Markov cho phép dự báo biến đổi sử dụng đất khoảng thời gian xác định * Dự báo biến động sử dụng đất, lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2015 Dựa nguồn tư liệu đầu vào đồ trạng sử dụng đất năm 2005 năm 2010, mơ hình CA_markov cho phép dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2015 Trên Idrisi, chọn Modeling / Environmental-Simulation Models / CA_MARKOV để khởi động module Markov_CA Hình 3.32 Mơ hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất dựa vào CA_Markov Basic land cover image: nhập liệu đồ lớp phủ TCT Markov trasition areas file: ma trận chuyển dịch lớp đối tượng Transition suitability image collection: tập ảnh phân cấp thích hợp Output land cover projection: tệp liệu đầu (bản đồ lớp phủ tương lai) Với việc sử dụng đồ phân cấp thích hợp làm ngưỡng giới hạn biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ, kết mơ hình hóa thể hình sau: Hình 3.33 Kết mơ hình hóa biến đổi sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2015 Mục đích công đoạn dựa kết mô hình hóa biến đổi đất tỉnh Phú Thọ đến 2015 để đánh giá mức độ xác q trình mơ hình hóa cho giai đoạn Sử dụng chức kiểm chứng (Validate) phần mềm Idrisi: GIS Analysis / Change – Time Series / Validate, so sánh kết mơ hình hóa sử dụng đất đến năm 2015 đồ lớp phủ bề mặt năm 2015: Hình 3.34 Kiểm chứng kết mơ hình hóa đồ lớp phủ năm 2015 Kết thể hình 3.35 sau: Hình 3.35 Kết kiểm chứng kết mơ hình hóa đồ lớp phủ năm 2015 Hình cho thấy kết mơ hình hóa đạt tỷ lệ xác cao (70%) so với đồ trạng năm 2015 Kết cho phép đề tài mơ hình hóa biến đổi đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 2025 * Dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 Ứng dụng mơ hình phân tích chuỗi Markov kết hợp với thuật tốn Mạng tự động để dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu tới năm 2020 2025 cho kết cụ thể sau: Hình 3.36 Kết dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2020 Hình 3.37 Kết dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2025 Bảng 3.10 Diện tích loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015, 2020, 2025 (đơn vị: ha) R ừn gR ừn g R ừn g Câ y M ặt nư Đấ t x Đấ t trố N ă 17 22 N ă 17 07 N ă 3 17 87 N ă 7 18 37 So sán t h N 20 20 ă 05 05 - 8 - 18 1 53 14 35 6 4 4 4 4 8 34 37 Hình 3.38 Biểu đồ thể diện tích loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015, 2020, 2025 Dựa vào kết dự báo đến năm 2025 ta thấy biến động loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ tương lai sau: so với năm 2005, diện tích rừng thưa tăng 13097,43 ha, diện tích rừng kín rừng trung bình giảm 8173,15 5882,38 Diện tích loại bụi tăng 5382,71 , diện tích mặt nước giảm 6378,6 Diện tích đất xây dựng tăng mạnh 39318,04 Diện tích đất trống giảm 37336,04 Nhận xét khả ứng dụng mơ hình phân tích chuỗi Markov Mạng tự động dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất: Căn kết dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất hai thời điểm xác định, rút số nhận xét thuận lợi khó khăn việc áp dụng mơ hình phân tích chuỗi Markov Mạng tự động sau: - Thuận lợi: + Mơ hình hóa khơng gian nói chung thuật tốn phân tích chuỗi Markov Mạng tự động nói riêng phương pháp định lượng có tính logic chặt chẽ, đảm bảo kết mơ hình hóa đạt độ xác cao + Kết mơ hình hóa cung cấp thơng tin hữu ích xu hướng biến đổi loại hình lớp phủ mặt đất cho địa phương Trên sở hoạch định sách phù hợp thời gian tới + Mơ hình hóa dự báo biến động sử dụng đất dựa việc tích hợp chuỗi Markov với Cellular Automata GIS tận dụng ưu điểm khắc phục hạn chế mơ hình riêng lẻ Mơ hình hóa tính tốn định lượng cho thấy diễn biến biến động sử dụng đất không gian tương lai cách logic chặt chẽ - Khó khăn hạn chế mơ hình + Mức độ chi tiết liệu khơng gian đầu vào mơ hình có vai trò quan trọng Trong điều kiện sở hạ tầng không gian (Spatial Data Infrastructure) Việt Nam nhiều hạn chế, việc tìm kiếm, thu thập liệu không gian đủ mức độ chi tiết cơng việc khó khăn, ảnh hưởng lớn tới kết mơ hình hóa + Mơ hình hóa khơng gian dựa vào phân tích chuỗi Markov Mạng tự động q trình khép kín, gần không chịu tác động nhân tố bên ngồi hệ thống Trong đó, biến đổi lớp phủ mặt đất trạng sử dụng đất đối tượng phụ thuộc nhiều vào tác động yếu tố bên ngồi, đặc biệt yếu tố thể chế, sách Do vậy, việc khơng thể tích hợp yếu tố vào mơ hình hạn chế lớn mơ hình + Mức độ chi tiết lớp phủ mặt đất (số lượng đơn vị lớp phủ) ảnh hưởng tới kết q trình mơ hình hóa Nếu số lượng đơn vị lớp phủ mặt đất nhiều (trên 10 đơn vị) làm cho kết mơ hình hóa thiếu độ tin cậy KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc ứng dụng GIS kết hợp với chuỗi Markov nghiên cứu trạng sử dụng đất địa bàn tỉnh Phú Thọ giai đoạn 2005 - 2015 dự báo xu hướng biến động sử dụng đất đến năm 2025 Mơ hình hóa khơng gian đối tượng địa lý (cả tự nhiên nhân văn) mạnh công nghệ viễn thám GIS Bằng phần mềm Idrisi, kiểm chứng so sánh kết mơ hình hóa đến năm 2015 ảnh phân loại năm 2015 cho thấy kết mơ hình hóa đạt tỷ lệ xác cao (gần 70%) Kết cho phép mơ hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 2025 Nhược điểm thuật tốn Markov nội suy tuyến tính để dự báo thay đổi trạng thái pixel theo bước thời gian khác mà chưa xác định ngưỡng đánh giá (các yếu tố tự nhiên, sách phát triển yếu tố kinh tế - xã hội) Trong nghiên cứu biến đổi lớp phủ mặt đất, Idrisi Selva 17 phần mềm tích hợp viễn thám GIS cho phép xử lý tư liệu viễn thám (phân loại, hiệu chỉnh phổ, ) hợp phần GIS (thành lập, biên tập đồ, ), hợp phần mơ hình hóa khơng gian, kết hợp với phân tích chuỗi Markov để đưa ngưỡng xác định phương pháp đánh giá đa tiêu nhằm gia tăng độ xác kết mơ hình hóa Tuy nhiên, nhược điểm Idrisi tính tốn mơ hình số lượng đơn vị lớp phủ mặt đất nhiều (trên 10 đơn vị) làm cho kết mơ hình hóa thiếu độ tin cậy yêu cầu liệu không gian đầu vào mơ hình phải đảm bảo chi tiết xác KIẾN NGHỊ Với khả dự báo phát triển loại hình sử dụng đất với trợ giúp hệ thông tin địa lý, kết dự báo dựa vào phân tích chuỗi Markov mạng tự động cho phép dự báo biến động khu vực tương lai dựa sở kết đánh giá biến động qua thời kỳ.Tuy nhiên, trình triển khai thực khóa luận, với kết khó khăn gặp phải, tác giả xin có số kiến nghị sau: - Cần xây dựng sở liệu đủ mạnh có chế chia sẻ cách phù hợp để bên liên quan tiếp cận sử dụng cách hiệu - Cần có đủ thời gian điều kiện liên quan để tích hợp yếu tố thể chế, sách vào mơ hình để mơ hình có ý nghĩa thực tiễn cao - Cần có nghiên cứu sâu việc ứng dụng mô hình vào cơng tác quản lý sử dụng đất tỉnh Phú Thọ hướng tới phát triển bền vững Việc tích hợp mơ hình chuỗi Markov Cellular Automata cho phép luận văn đưa dự báo sử dụng đất có độ tin cậy cao, nhiên khơng gian hóa số biến sách phát triển kinh tế - xã hội có liên quan đến sử dụng đất khu vực đưa thêm biến đầu vào mơ hình kết dự báo xác TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt Bộ Tài nguyên Môi trường, (2017), Quyết định số 2311/QĐBTNMT, ngày 28 tháng năm 2017, Quyết định phê duyệt cơng bố kết thống kê diện tích đất đai năm 2016 Bùi Huy Hiền, Nguyễn Quang Bộ Bùi Quang Xuân (2001) Kết nghiên cứu cải tạo, sử dụng bảo vệ đất dốc sản xuất nông lâm nghiệp, Trong sách: Khoa học Công nghệ Bảo vệ sử dụng bền vững đất dốc, NXB Nông nghiệp Cục thống kê tỉnh Phú Thọ, ( 2017) Niên giám thống kê tỉnh Phú Thọ năm 2016 Đào Châu Thu Lê Quốc Doanh (2012) Đất dốc vùng đồi núi Việt Nam - Tiềm thách thức, Trong sách: Quản lý bền vững đất nông nghiệp - Hạn chế thối hóa phòng chống sa mạc hóa, NXB Nơng nghiệp Đào Châu Thu Nguyễn Khang (1998) Đánh giá đất, NXB Nông nghiệp Đinh Thị Bảo Hoa (2007), Nghiên cứu sử dụng hợp lý đất vùng ven huyện Thanh Trì, Hà Nội với hỗ trợ công nghệ viễn thám hệ thong tin địa lý Đoàn Đức Lâm Phạm Anh Tuấn, (2010) Ứng dụng GIS thành lập đồ biến động trạng sử dụng đất huyện Sông Mã, tỉnh Sơn La (giai đoạn 1995-2005) Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS tồn quốc 2010 Thành phố Hồ Chí Minh: Nhà xuất Nơng Nghiệp Hà Đình Tuấn Lê Quốc Doanh (2007) Nghiên cứu áp dụng biện pháp che phủ đất phục vụ phát triển bền vững nông nghiệp vùng cao, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam Hoàng Xuân Thành (2006), Thành lập đồ thảm thực vật sở phân tích, xử lý ảnh viễn thám khu vực Tủa Chùa – Lai Châu 10 Nguyễn Kim Lợi, (2005) Ứng dụng chuổi Markov GIS việc đánh giá diễn biến sử dụng đất Trong Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS tồn quốc 2011 Thành phố Hồ Chí Minh: Nhà xuất Nông Nghiệp 11 Nguyễn Thế Đặng, Đào Châu Thu Đặng Văn Minh (2003) Đất đồi núi Việt Nam, NXB Nơng nghiệp 12 Phạm Huy Hồng, (2013), Ứng dụng mơ hình Markov – Cellular Automata dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Kiến Thuỳ, thành phố Hải Phòng Đại học Quốc Gia Hà Nội 13 Thủ tướng Chính Phủ, (2017), Quyết định số 272/QĐ-TTg ngày 27 tháng 02 năm 2007 V/v phê duyệt kết kiểm kê đất đai năm 2005 14 Trần Đức Viên Phạm Chí Thành (1996) Nơng nghiệp đất dốc - Thách thức tiềm năng, NXB Nông nghiệp 15 Trần Văn Chính, Đỗ Ngun Hải, Cao Việt Hà, Hồng Văn Mùa, Nguyễn Hữu Thành Nguyễn Xuân Thành (2006) Giáo trình Thổ nhưỡng học, NXB Nơng nghiệp 16 UBND tỉnh Phú Thọ, (2012), Báo cáo thuyết minh tổng hợp quy hoạch sử dụng đất đến năm 2020 kế hoạch sử dụng đất năm kỳ đầu (2011 2015) tỉnh Phú Thọ Tài liệu Tiếng Anh 17 A.A Markov (1906), "Rasprostranenie zakona bol'shih chisel na velichiny, zavisyaschie drug ot druga" Izvestiya Fiziko-matematicheskogo obschestva pri Kazanskom universitete 18 Ellis, E (2010) Land use and land cover change, retrived April 2013 100 19 FAO (1999) Land use classification for Agri - Enviromental statistics/indicators, Rome, Itatly 20 FAO (2007) Fao statistics, Food and Agriculture Organization of the United Nation, Rome, Italy 21 Meyer, W.B and Turner, B.L (1994) Changes in land use and land cover: A Global Perspective, Cambridge University Press, Cambridge 22 Muller, D and Munroe, D (2007) Issues in spatially explicit statistical land use/cover change (LUCC) models: Examples from western Honduras and the Central Highlands of Vietnam, Land use Policy, 24: 521530 23 Turner, B.L and Lambin, E (2001) The causes of land-use and land-cover change: moving beyond the myths, Global Environmental Change, 11: 261–269 24 World Bank (2012) Agriculture & Rural Development, retrieved 25 October 2012, from http://data.worldbank.org ... tài: Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tích hợp Markov – CA GIS để dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ Thông tin luận văn: - Tổng quan tài liệu xây dựng sở lý luận ứng dụng mô hình Markov - CA dự. .. 1.1.1 Sử dụng đất 1.1.2 Cơ sở khoa học biến động sử dụng đất lớp phủ 1.1.3 Sử dụng đất, biến động sử dụng đất giới Việt Nam 12 1.2 Mơ hình hóa Markov -CA dự báo biến động sử dụng. .. TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI NGUYỄN KHÁNH TỒN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍCH HỢP MARKOV -CA VÀ GIS ĐỂ DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH PHÚ THỌ LUẬN VĂN