Dự báo biến động sử dụng đất với sự hỗ trợ của GIS và viễn thám

Quá trình đô thị hóa ở Việt Nam đang diễn ra nhanh chóng, cùng với đó là sự biến động sử dụng đất mạnh mẽ. Dự báo được xu hướng phát triển của các loại hình sử dụng đất giúp các nhà hoạch định chính sách có những quyết định đúng đắn trong quy hoạch và phát triển đô thị. Mục tiêu của bài báo là nhằm dự báo và phân tích xu hướng phát triển sử dụng đất dựa trên ảnh vệ tinh Landsat 5 và 8 các năm 2006, 2010, 2016, ảnh Sentinel năm 2018 và công nghệ GIS. Khu vực thực nghiệm được chọn là huyện Gio Linh - tỉnh Quảng Trị.

106 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 61, Issue (2020) 106 - 115 Predicting land use change base on GIS and remote sensing Nga Thu Thi Nguyen *, Hanh Thi Tong Institute Technical Special Engineer, Military Technical Academy, 236 Hoang Quoc Viet Road, Ha Noi, mta.edu.vn ARTICLE INFO Article history: Received 15th Feb 2020 Accepted 16th Mar 2020 Available online 29th Apr 2020 Keywords: DEM, GIS, Idrisi, LCM, Remote sensing ABSTRACT The process of urbanization in Vietnam is developing rapidly, corresponding to the rapid changes in land use Forecasting land use development assists policymakers in making accurate decisions in urban planning and development The objective of this paper is to forecast and analyze land use development trends based on Landsat images in 2006, 2010, and 2016 with the help of remote sensing and GIS, a case study at Gio Linh district, Quang Tri province The analysis results show that the rapid urbanization in Gio Linh district has led to a rapid decrease in the forest area from 28.14% compared to the total area, in 2016 to 13.5%, in 2026 to 2.67% and 2036 to 0.33% The forecast processing was done on the neural network built-in module in the Selva version of IDRISI The accuracy achieved is 80.5% _ *Corresponding author E-mail: thungatdbd@gmail.com DOI: 10.46326/JMES.2020.61(2).12 Copyright © 2020 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 61, Kỳ (2020) 106 - 115 107 Dự báo biến động sử dụng đất với hỗ trợ GIS viễn thám Nguyễn Thị Thu Nga *, Tống Thị Hạnh Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO Quá trình: Nhận 15/01/2019 Chấp nhận 20/03/2020 Đăng online 29/04/2020 Từ khóa: DEM, GIS, Idrisi, LCM, Viễn thám TĨM TẮT Q trình thị hóa Việt Nam diễn nhanh chóng, với biến động sử dụng đất mạnh mẽ Dự báo xu hướng phát triển loại hình sử dụng đất giúp nhà hoạch định sách có định đắn quy hoạch phát triển đô thị Mục tiêu báo nhằm dự báo phân tích xu hướng phát triển sử dụng đất dựa ảnh vệ tinh Landsat năm 2006, 2010, 2016, ảnh Sentinel năm 2018 công nghệ GIS Khu vực thực nghiệm chọn huyện Gio Linh - tỉnh Quảng Trị Kết phân tích cho thấy, tốc độ thị hóa diễn nhanh chóng huyện Gio Linh, làm giảm nhanh diện tích rừng chiếm 28,14%, so với tổng diện tích đến năm 2016 13,5%, năm 2026 2,67% năm 2036 cịn 0,33% Q trình dự báo thực dựa mơ đun tích hợp mạng nơron lan truyền ngược công cụ Land Change Model IDRISI Độ xác đạt 80,5% © 2020 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Đa� t đai là nguo� n tà i nguyên thiên nhiên thie� t ye� u cho sự to� n tạ i và phá t trie� n củ a loà i người Đa� t đai là tư liệ u sả n xua� t đặ c biệ t, giới hạ n ve� diệ n tı́ch, hı̀nh the� , mức độ sả n xua� t lạ i phụ thuộ c và o sự đa� u tư, khai thá c sử dụ ng củ a người Bie� n độ ng sử dụ ng đa� t da� n đe� n sự thay đo� i củ a thả m thực vậ t, bie� n đo� i cá c đặ c tı́nh lý hó a củ a đa� t, cá c hệ tho� ng thủ y văn và tà i nguyên độ ng, thực vậ t Bie� n độ ng sử dụ ng đa� t cũ ng là mộ t những nguyên nhân quan trọ ng da� n đe� n bie� n đo� i _ *Tác giả liên hệ E - mail: thungatdbd@gmail.com DOI: 10.46326/JMES.2020.61(2).12 khı́ hậ u và ma� t cân ba� ng sinh thá i ở quy mô toà n ca� u Nghiên cứu, đá nh giá nguyên nhân, độ ng lực cũ ng ả nh hưởng củ a bie� n độ ng sử dụ ng đa� t trở thà nh mộ t va� n đe� quan trọ ng, có tı́nh ca� p thie� t đo� i với mọ i quo� c gia (Nguye� n Thị Thu Hie� n, 2015) Sự phát triển hệ thống thông tin địa lý (GIS), ảnh viễn thám, UAV, GNSS,… mở nhiều hướng ứng dụng nhiều ngành khoa học quản lý Trong phục vụ xây dựng mơ hình quản lý trạng bề mặt phức tap khu vực khai thác mỏ, công nghệ UAV ứng dụng (Nguyễn Viết Nghĩa, 2020) Trong công tác nghiên cứu biến động đất đai, công nghệ hỗ trợ đắc lực cho quản lý sở liệu, phân tích liệu để lựa chọn giải pháp quản lý, sử dụng bền vững có hiệu tài nguyên đất đai 108 Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 IDRISI phần mềm tổng hợp viễn thám GIS, giao diện với phần mềm khác Khả phân tích xử lý thơng tin IDRISI phong phú với nhiều chức khác Trong nghiên cứu này, kỹ thuật mạng nơron lan truyền ngược công cụ Land Change Model (LCM) tích hợp IDRISI sử dụng phần mềm ERDAS để thành lập đồ trạng sử dụng đất từ ảnh vệ tinh Landsat nhằm nghiên cứu dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2026, 2036 Hình Ảnh Landsat TM ngày 05/4/2006 khu vực huyện Gio Linh Dữ liệu phương pháp nghiên cứu Dữ liệ u vie� n thá m sử dụ ng nghiên cứu là ả nh vệ tinh Landsat chụp ngày 05/04/2006 11/2/2010 ảnh Landsat chụ p ngà y 12/2/2016 khu vực huyệ n Gio Linh, tı̉nh Quả ng Trị (Hình 1, 2, 3) A� nh Landsat với độ phân giả i không gian 30 m ở cá c kênh đa pho� là nguo� n tư liệ u phong phú và quý giá phụ c vụ nghiên cứu tà i nguyên thiên nhiên, giá m sá t môi trường (Ramamohana Rao and Suneetha, 2012; Sundara Kumar et al., 2012) Hình Ảnh Landsat TM ngày 11/02/2010 khu vực huyện Gio Linh Hình Ảnh Landsat ngày 12/02/2016 khu vực huyện Gio Linh Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 109 Hình Mơ hình DEM khu vực nghiên cứu Hình Dữ liệu dân cư khu vực nghiên cứu A� nh Landsat sau thu thậ p được tie� n xử lý nha� m hiệ u chı̉nh cá c sai so� ve� pho� và sai so� hı̀nh họ c, sau đó tı́nh giá trị phả n xạ pho� be� mặ t Phả n xạ pho� be� mặ t ở kênh đỏ và cậ n ho� ng ngoạ i được sử dụ ng đe� tı́nh chı̉ so� thực vậ t NDVI Sau xá c định chı̉ so� thực vậ t NDVI, giá trị mậ t độ che phủ được xá c định theo công thức sau: 𝑃𝑃𝑣𝑣 = � 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 � 100(%) (1) 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 − 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Trong nghiên cứu cũ ng sử dụ ng mô hı̀nh so� độ cao (DEM) xây dựng từ bả n đo� địa hı̀nh tı̉ lệ 1:50.000 yếu tố tác động đến xu hướng biến động sử dụng đất Từ DEM nội suy đồ 110 Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 độ dốc, yếu tố đầu vào quan trọng trình nội suy (Hình 4) Các yếu tố đầu vào khác số hóa từ đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 bao gồm: dân cư (Hình 5), giao thơng (được tách giao thơng chính, giao thơng phụ trọng số tác động lên kết đầu khác nhau) (Hình 6) Mạng nơron nhân tạo mơ tốn học mạng nơron sinh học Một mạng nơron nhân tạo xây dựng từ thành phần sở nơron nhân tạo gồm nhiều đầu vào đầu (Hình 7) (Phạm Hồng Luân, Phạm Trường Giang, 2006; Nguyễn Đình Thúc, 2000) Trong đó: xi - đầu vào; wji - trọng số tương ứng với đầu vào; θi - độ lệch (bias); đầu vào mạng (net-input); zj - đầu nơron; g(x) - hàm chuyển (hàm kích hoạt) Thuật tốn lan truyền ngược dạng tổng qt thuật tốn trung bình bình phương tối thiểu (Least Means Square – LMS) Thuật toán thuộc dạng thuật tốn xấp xỉ để tìm điểm mà hiệu mạng tối ưu Chỉ số tối ưu (performance index) thường xác định hàm số ma trận trọng số đầu vào, đáp ứng yêu cầu toán đặt Các liệu đầu vào qua trình phân tích biến động, kết hợp với yếu tố ảnh hưởng nội suy đồ kết theo sơ đồ Hình Kết thực nghiệm Kết giải đoán ảnh Landsat xây dựng đồ trạng sử dụng đất năm 2006, 2010, 2016 Hình 9, 10, 11 Biến động sử dụng đất huyện Gio Linh giai đoạn 2006÷2010 thể rõ xu thị hóa Diện tích đất ở, đất trồng ăn tăng lên rõ rệt Trong đó, diện tích đất nơng nghiệp đất rừng bị giảm mạnh (Hình 12) Hình Dữ liệu giao thơng khu vực nghiên cứu Hình Các thành phần mạng noron (nguồn https://cs231n.github.io) Hình Quy trình xây dựng đồ dự báo sử dụng đất Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 111 Hình Hiện trạng sử dụng đất năm 2006 Hình 10 Hiện trạng sử dụng đất năm 2010 Các xu hướng biến động sử dụng đất phân tích theo mức độ tác động không gian dựa yếu tố ảnh hưởng gồm có: giao thơng, dân cư, DEM, độ dốc (Hình 13) Các yếu tố ảnh hưởng ban đầu chiết suất từ đồ tỷ lệ 1:50.000 có độ xác nội suy 52,25% Tác giả cập nhật thêm giao thông dân cư từ ảnh Sentinel-2 có độ phân giải 10 m chụp ngày 15/2/2018 (Hình 14) Khi yếu tố ảnh hưởng cập nhật chi tiết hơn, độ xác LCM tăng lên 80,05% Để kiểm nghiệm lại kết chạy mơ hình LCM, tác giả chồng lớp đồ trạng năm 2016 với đồ dự báo 2016 (Hình 15) để đánh giá độ xác phần mềm ArcGIS Kết chồng lớp tính tốn cell trùng giá trị tổng số cell đạt 81,02% gần sát với giá trị sai số LCM Điều hoàn toàn phù hợp với 112 Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 Hình 11 Hiện trạng sử dụng đất năm 2016 Hình 12 Biểu đồ thay đổi sử dụng đất giai đoạn 2006 2010 yêu cầu dự báo biến động sử dụng đất (sai số > 80%) Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2026, 2036 thành lập dựa liệu Hình 16, 17 Do xu hướng thị hóa, đất rừng đất nơng nghiệp bị thu hẹp rõ rệt Diện tích đất rừng chiếm diện tích 28,14% so với tổng diện tích đến năm 2016 13,5%, năm 2026 2,67% năm 2036 0,33% Nguy rừng lên rõ không mạnh tay bảo vệ rừng điều chỉnh quy hoạch cho phù hợp Ngược lại, với đất rừng, đất trồng ăn mở rộng nhanh chóng Kết phần điều tiết thị trường kinh tế phần thói quen phát triển kinh tế mà thiếu quy hoạch, dự báo xác Diện tích đất tăng 3.887 vòng 26 năm tương đương 149,5 ha/năm Điều phù hợp với đô thị trẻ đà phát triển (Hình 15, 16, 17, 18) Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 (a) (c) 113 (b) (d) Hình 13 Xu hướng biến động khơng gian loại hình sử dụng đất (a: Xu hướng biến đổi không gian từ đất nông nghiệp sang đất ăn quả; b: Xu hướng biến đổi không gian từ đất nông nghiệp sang đất rừng; c: Xu hướng biến đổi không gian từ đất rừng sang đất ở; d: Xu hướng hướng biến đổi không gian từ đất rừng sang đất ăn quả) Hình 14 Cập nhật liệu giao thông, dân cư ảnh Sentinel-2 Hình 15 Bản đồ dự báo sử dụng đất huyện Gio Linh năm 2016 114 Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 Hình 16 Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2026 Hình 17 Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2036 35000 Ha 30000 25000 20000 15000 10000 5000 Năm Biểu đồ biến động sử dụng đất 2010, 2016, 2026, 2036 Đất rừng Đất Đất nông nghiệp 2010 2016 2026 2036 Đất ăn Hình 18 Số liệu thống kê biến động sử dụng đất năm 2010, 2016, 2026, 2036 Nguyễn Thị Thu Nga, Tống Thị Hạnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 106 - 115 Kết luận Trong nghiên cứu này, huyện Gio Linh nghiên cứu giai đoạn 2006-2010 nhằm xác định xu dịch chuyển loại hình sử dụng đất Hiện trạng sử dụng đất năm 2016 dùng để so sánh độ xác nội suy so với phần mềm IDRISI Theo dự báo, xu dịch chuyển loại hình sử dụng đất huyện Gio Linh đáng báo động đất trồng ăn phát triển tràn lan, chiếm hết diện tích rừng phòng hộ rừng trồng Sai số nội suy đạt sấp xỉ 80% Bộ công cụ LCM IDRISI cơng cụ hiệu tiện ích cơng tác dự báo nói chung dự báo biến động sử dụng đất nói riêng Yêu cầu thiết yếu liệu đầu vào có độ chi tiết lớn yếu tố ảnh hưởng nhiều độ xác nội suy cho độ xác cao Lời cảm ơn Để hoàn thành nghiên cứu này, xin gửi lời cảm ơn tới tập thể môn Trắc địa Bản đồ đặc biệt PGS.TS Trịnh Lê Hùng giúp đỡ, hỗ trợ nhiều trình xử lý ảnh viễn thám Tài liệu tham khảo Nguyễn Đình Thúc (2000), Trí Tuệ Nhân Tạo Mạng Nơ ron - Phương pháp ứng dụng Nhà xuất Giáo dục 27tr 115 Nguye� n Thị Thu Hie� n (2015), Nghiên cứu bie� n độ ng và đe� xua� t cá c giả i phá p quả n lý sử dụ ng đa� t hợp lý huyệ n Tiên Yên, tı̉nh Quả ng Ninh, Luận án Tiến sỹ Quản lý đất đai, Họ c việ n Nông nghiệ p Việ t Nam Nguyen Viet Nghia (2020), Building DEM for deep open-pit coal mines using DJI Inspire (Vietnamese) Journal of Mining and Earth Sciences 61 (1), 1-10 Phạm Hồng Luân, Phạm Trường Giang (2006), Nghiên cứu ứng dụng mạng noron nhân tạo hỗ trợ công tác chọn thầu thi cơng theo quy trình đấu thầu Việt Nam Tạp chí Phát triển Khoa học cơng nghệ 9(7) Ramamohana Rao, P., and Suneetha, P., (2012), Land use oderling for sustainable rural development International Journal of Science Environmentand Technology 1(5) 519 – 532 Sundara Kumar, K., Harika, M., Sk., Aspiya begum, S Yamini, K Bala Krishna (2012), Land use and land cover change detection and urban sprawl analysis of vijayawada city using Multitemporal landsat data International Journal of Engineering and sciences 4(1) ISSN: 09755462  ... trạng sử dụng đất năm 2016 Hình 12 Biểu đồ thay đổi sử dụng đất giai đoạn 2006 2010 yêu cầu dự báo biến động sử dụng đất (sai số > 80%) Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2026, 2036 thành lập dựa liệu... đồ dự báo sử dụng đất năm 2026 Hình 17 Bản đồ dự báo sử dụng đất năm 2036 35000 Ha 30000 25000 20000 15000 10000 5000 Năm Biểu đồ biến động sử dụng đất 2010, 2016, 2026, 2036 Đất rừng Đất Đất... 115 107 Dự báo biến động sử dụng đất với hỗ trợ GIS viễn thám Nguyễn Thị Thu Nga *, Tống Thị Hạnh Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO Quá