Tích hợp gis và kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ CẢNH ĐỊNH TÍCH HP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU HOÁ ĐA MỤC TIÊU MỜ ĐỂ HỖ TR QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Tp.HCM - 2011 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ CẢNH ĐỊNH TÍCH HP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU HOÁ ĐA MỤC TIÊU MỜ ĐỂ HỖ TR QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: BẢN ĐỒ MÃ NGÀNH: 62 52 85 20 Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Thị Vòng Phản biện độc lập 2: TS Đồng Thị Bích Phương Phản biện 1: GS.TS Lê Quang Trí Phản biện 2: TS Lê Minh Vónh Phản biện 3: PGS.TS Vũ Thanh Nguyên Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Trần Trọng Đức (Trường ĐH Bách khoa Tp.PHCM) TS Tào Quốc Tuấn (Phân viện Quy hoạch TKNN) iii LỜI CAM ĐOAN Đề tài nghiên cứu tác giả thực Tất tham khảo từ nghiên cứu liên quan ghi rõ nguồn gốc Những đóng góp luận án chưa công bố công trình khoa học tác giả khác nước Tác giả luận án Lê Cảnh Định iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu thực luận án tiến só, Tôi nhận giúp đỡ vô to lớn quý thầy cô giáo trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, quan, gia đình, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến: − − − − − − Phòng Đào tạo sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Bộ môn Địa tin học thuộc Trường đại học Bách khoa Tp.HCM tạo điều kiện tốt cho Tôi suốt thời gian thực luận án PGS.TS Trần Trọng Đức (Trường đại học Bách khoa-Tp.HCM) TS Tào Quốc Tuấn (Phân viện Quy hoạch Thiết kế Nông nghiệp) tận tình hướng dẫn giúp đỡ Tôi trình thực luận án Hội đồng đánh giá luận án tiến só cấp sở (PGS.TS Lê Văn Trung, PGS.TS Dương Tuấn Anh, TS Nguyễn Hiếu Trung, TS Lê Đình Hồng, TS Lê Văn Dực, TS Nguyễn An Tiêm, PGS.TS Trần Trọng Đức) có ý kiến đóng góp vô quý báu để hoàn chỉnh luận án Hội đồng đánh giá luận án tiến só cấp Nhà nước (GS.TS Trần An Phong, PGS.TS Lê Văn Trung, GS.TS Lê Quang Trí, TS Lê Minh Vónh, PGS.TS Vũ Thanh Nguyên, PGS.TS Nguyễn Thị Vòng, TS Đồng Thị Bích Phương) đánh giá công tâm công nhận đóng góp luận án đủ điều kiện luận án tiến só Phân viện Quy hoạch Thiết kế Nông nghiệp, Trung tâm Phát triển Nông thôn đồng nghiệp động viên tạo điều kiện tốt cho Tôi suốt thời gian thực luận án Đặc biệt, Gia đình chỗ dựa vững cho Tôi trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Lê Cảnh Định v CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG BÁO CÁO AEI (Agri-Environment Indicator): Yếu tố môi trường nông nghiệp AHP (Analytic Hierarchy Process): Phân tích thứ bậc AHP-GDM (AHP Group Decision Making): Phân tích thứ bậc định nhóm AHP-IDM (AHP Idividual Decision Making): Phân tích thứ bậc định riêng rẽ ALES (Automated Land Evaluation System): Phần mềm đánh giá đất đai ARIS (Argricultural and Rural Information System): Hệ thống thông tin nông nghiệp nông thôn B/C: Tổng giá trị sản xuất/Chi phí sản xuất CA (Cellular Automata): Hệ tự hành dạng tế bào CA-xD (Cellular Automata – x Dimentional space): Hệ tự hành dạng tế bào x chiều (x =1, 2, 3,…) 10 DM (Decision Maker): Người định 11 DPSIR (Driving force-Pressure-State-Impact-Response): Động lực –Sức ép – Trạng thái –Ảnh hưởng –Sự phản ứng 12 DSR (Driving forces –State –Response): Động lực -Trạng thái - Sự phản ứng 13 DSS (Decision Support System): Hệ hỗ trợ định 14 EEA (European Environment Agency): Cơ quan môi trường Châu Âu 15 FAHP (Fuzzy Analytic Hierarchy Process): Phân tích thứ bậc mờ 16 FAHP-GDM (Fuzzy AHP Group Decision Making): Phân tích thứ bậc mờ định nhóm 17 FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations): Tổ chức Liên hiệp quốc lương thực nông nghiệp 18 FESLM (An International Framework for Evaluating Sustainable Land Management): Khung đánh giá đất đai cho quản lý sử dụng đất bền vững 19 FMOLP (Fuzzy Multi-Objective Linear Programming): Quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu mờ 20 GDM (Group Decision Making): Ra định nhóm 21 GIS (Geographical Information System): Hệ thống thông tin địa lý 22 GO (Gross Output): Giá trị sản xuất 23 GP (Goal Programming): Quy hoạch mục tieâu 24 ICRAF (International Center for Research in AgroForestry): Trung tâm nghiên cứu nông lâm nghiệp quốc tế 25 IPSMLR (Integrated Planning for Sustainable Management Land Resources): Quy hoạch tổng hợp cho quản lý bền vững tài nguyên đất đai 26 LC (Land Characteristic): Tính chất đất đai 27 LEAM (Land-use Evolution and impact Assessment Model): Mô hình dự báo đánh giá tác động biến động đất đai vi 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 LP (Linear Programming): Quy hoạch tuyến tính LGP (Linear Goal Programming): Quy hoạch mục tiêu tuyến tính LQ (Land Quality): Chất lượng đất đai LQI (Land Quality Indicator): Yếu tố chất lượng đất đai LUPAS (Land Use Planning and Analysis System): Hệ thống phân tích định quy hoạch sử dụng đất LUR (Land Use Requirement): Yêu cầu sử dụng đất LUS (Land Use System): Hệ thống sử dụng đất LUT (Land Use Type): Loại hình sử dụng đất LMU (Land Mapping Unit): Bản đồ đơn vị đất đai MCA/MCE (MultiCriteria Analysis): Phân tích đa tiêu chuẩn MCE (MultiCriteria Evaluation): Đánh giá đa tiêu chuẩn MCDA (MultiCriteria Decision Analysis): Phân tích định đa tiêu chuẩn MCDM (MultiCriteria Decision Making): Ra định đa tiêu chuẩn MOP (Multi-Object Programming): Quy hoạch đa mục tiêu MOLP (MultiObjective Linear Programming): Quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu N (Not suitable): Không thích nghi NN&PTNT: Nông nghiệp Phát triển Nông thôn OECD (Organization for Economic Co-operation and Development): Tổ chức hợp tác phát triển kinh tế PLUP (Participatory Land Use Planning): Quy hoạch sử dụng đất có tham gia người dân PSR (Pressure-State-Response): Sức ép - Trạng thái - Sự phản ứng RIKS (Research Institute for Knowledge System): Viện nghiên cứu hệ thống tri thức, Hà Lan SALUP (Spatial Allocation of Land-Use Planning): Phần mềm bố trí không gian sử dụng đất phương án quy hoạch (kết luận án) SDSS (Spatial Decision Support System): Hệ hỗ trợ định không gian SLM (Sustainable Land Management): Quản lý sử dụng đất bền vững SSSA (Soil Science Society of America): Hội khoa học đất - Mỹ S1 (Highly suitable): Thích nghi cao S2 (Moderately suitable): Thích nghi trung bình S3 (Marginally suitable): Ít thích nghi UNCSD (United Nation Commission for Sustainable Development): Uỷ ban phát triển bền vững Liên hiệp quốc UNEP (United Nations Environment Programme): Chương trình môi trường Liên hiệp quốc WCED (World Commission on Environment and Development): Uỷ ban phát triển môi trường giới WB (World Bank): Ngân hàng giới vii Tên luận án: TÍCH HP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU HOÁ ĐA MỤC TIÊU MỜ ĐỂ HỖ TR QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP TÓM TẮT Mục tiêu luận án xây dựng mô hình xử lý cung cấp thông tin hỗ trợ lập quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp Luận án nghiên cứu xây dựng mô hình mô phương pháp quy hoạch tổng hợp phục vụ cho quản lý bền vững tài nguyên đất đai (FAO/UNEP, 1999a) với nội dung đánh giá thích nghi đất đai theo FAO(2007) Mô hình gồm mô hình con: (1) Mô hình xác định yếu tố bền vững quản lý sử dụng đất, (2) Mô hình GIS mờ (fuzzy GIS) đánh giá thích nghi đất đai bền vững, (3) Mô hình tối ưu đa mục tiêu tuyến tính mờ (FMOLP) xác định diện tích phương án sử dụng đất tối ưu, (4) Mô hình CA bố trí không gian phương án sử dụng đất (1) Mô hình xác định yếu tố bền vững quản lý sử dụng đất kết nghiên cứu tích hợp hai mô hình FESLM (FAO, 1993b) DPSIR (EEA, 1999), phát huy điểm mạnh mô hình, mô hình tích hợp vừa thể tính chất quản lý sử dụng đất bền vững, vừa thể mối quan hệ nhân yếu tố Mô hình giúp người định nhận biết yếu tố nguyên nhân - kết quả, qua định kiểm soát yếu tố nguyên nhân để đem đến kết mong muốn Đây đóng góp luận án Mô hình sử dụng để lựa chọn yếu tố quản lý sử dụng đất bền vững Sau lựa chọn yếu tố bền vững, tiến hành phân tích độ nhạy yếu tố, kết giúp người định hiểu biết sâu sắc yếu tố, nhận biết nhanh yếu tố quan trọng làm thay đổi kết đầu cần ý trình nghiên cứu định Điều giúp giảm chi phí khảo sát thu thập liệu nâng cao hiệu trình định (2) Mô hình GIS mờ (fuzzy GIS) đánh giá thích nghi đất đai bền vững mô dựa tri thức FAO (1976, 1993b, 2007) Trong đó, sử dụng phương pháp AHP mờ định nhóm (FAHP-GDM) để tính trọng số yếu tố, nên hạn chế tính chủ quan tranh thủ tri thức nhiều chuyên gia; Chồng xếp lớp thông tin GIS thuật toán hợp mờ Lukasiwicz, chắt lọc thông tin, giảm sai số mở rộng diện tích cho phát triển sản xuất nông nghiệp (điều phù hợp điều kiện khan tài nguyên đất đai nay) Kết đầu mô hình đồ đề xuất sử dụng đất bền vững với liệu thuộc tính ma trận kết thích nghi (là liệu đầu vào mô hình FMOLP) viii (3) Mô hình FMOLP xác định diện tích phương án sử dụng đất tối ưu: Trên sở đồ đề xuất sử dụng đất bền vững (đầu Mô hình GIS mờ đánh giá thích nghi đất đai bền vững), cài đặt toán FMOLP với biến định LUS, điểm trội so với nghiên cứu trước FMOLP giải phương pháp tương tác thoả hiệp mờ (Sakawa, 2002) với chương trình máy tính (program) phát triển môi trường LINGO 11.0 Trong đó, quan điểm phát triển địa phương mong muốn quyền đối tượng sử dụng đất đưa vào mô hình thông qua thay đổi mức độ ưu tiên mục tiêu Do vậy, kết bố trí sử dụng đất phù hợp với điều kiện thực tiễn định hướng phát triển địa phương Đầu mô hình diện tích tối ưu phương án sử dụng đất (là liệu đầu vào mô hình CA) (4) Mô hình CA bố trí không gian phương án sử dụng đất: Trong mô hình CA, mạng tế bào thiết kế với kích thước cell 1ha, với độ xác mô hình FMOLP Do vậy, mô hình CA bố trí không gian loại đất thoả điều kiện tổng diện tích LUT với diện tích LUT xác định mô hình FMOLP Đặc biệt, nghiên cứu xây dựng thuật toán bố trí không gian sử dụng đất phù hợp với điều kiện đặc thù Việt Nam (điều phần mềm có giới không đáp ứng được), sở phát triển phần mềm SALUP (Spatial Allocation of Land Use Planning) để tự động hoá toán bố trí không gian phương án sử dụng đất tối ưu (tự động vẽ đồ quy hoạch) Đây đóng góp bật luận án Phần mềm SALUP liên kết với mô hình FMOLP (xác định diện tích tối ưu phương án sử dụng đất) mô hình fuzzy GIS (đánh giá thích nghi đất đai bền vững) tương tác với người định trình bố trí không gian phương án sử dụng đất Đầu vào liệu đất đai yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội, đầu đồ liệu quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp Mô hình kiểm chứng với tập liệu mẫu tỉnh Lâm Đồng, kết phương án sử dụng đất nông nghiệp phù hợp với định hướng phát triển địa phương có tính bền vững cao phương án sử dụng đất nông nghiệp Tỉnh Ứng dụng mô hình quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp tiết kiệm thời gian, đáp ứng nhanh yêu cầu cung cấp thông tin khẩn cấp, giảm kinh phí nâng cao suất lao động Trong tương lai, nhân rộng mô hình cho tỉnh khác nước ix Title of dissertation: INTEGRATED GIS AND FUZZY MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION TO SUPPORT THE AGRICULTURAL LAND-USE PLANNING ABSTRACT The objective of the thesis is to build the model for processing and providing information to support agricultural land-use planning The dissertation studied the construction of simulation models integrated planning for sustainable management of land resources (FAO/UNEP, 1999a) with the land resources evaluation by FAO (2007) The integrated model consists of four sub-models: (1) Model of determination of indicators in sustainable land management, (2) Fuzzy GIS model for evaluating sustainable land management, (3) Model of fuzzy multi-objective linear programming (FMOLP) in the identified areas of optimal land-use planning, (4) Cellular Automata (CA) model in the spatial allocation of land use plans (1) The model of determination of indicators in sustainable land management is the integration of FESLM (FAO, 1993b) and DPSIR (EEA, 1999), which has been promoting the strengths of each model Therefore, the integrated model just shows the attribute of sustainable land management, just to show causal relation between these indicators This model supports to identify the causal factors, which control indicators that cause to bring the aspiration results This is the contribution of the thesis This model was first used to select the indicators in sustainable land management After selecting the indicators of sustainable, carrying out sensitivity analysis of the indicators, the results help decision-makers (DM) insightful understanding of the indicators, and to recognize quickly what factors are more important, that make the result output change, so they need attention in the research process as well as decisionmaking This helps reduce the cost of survey data collection and improve efficiency in the decision making process (2).The fuzzy GIS model for evaluating sustainable land management is modeled based on knowledge of FAO (1976, 1993b, 2007) In which, using fuzzy AHP in group decision making (FAHP-GDM) to calculate the weights of the indicators, so that should be limited to subjective and enlisted the knowledge of many experts; The layers information in GIS are united by fuzzy algorithm of Lukasiwicz which not omit the information, reducing errors and extend the development area for agricultural production (this is very relevant in the context of scarce land resources such as nowadays) Outputs of the model is proposed map for sustainable land use, in which attribute data is matrix of land suitability analysis result (as input data model FMOLP) x (3) The model of fuzzy multi-objective linear programming (FMOLP) in the identified areas of optimal land-use planning: Based on the proposed map for sustainable land use, the FMOLP model is formulated with each decision variable is a LUS, which is basically better than previous researches FMOLP is solved by fuzzy interactive satisficing method (Sakawa, 2002) with a new computer program is developed in environment of LINGO 11.0 In particular, the views of local development as well as the desire of the authorities and beneficiaries of land use are input into the model through changes in level of priority objectives Therefore, the results of land use allocation is appropriate for practical conditions and development orientation of the locality The output of this model is the optimal area of land use plan (input data model CA) (4) Cellular Automata (CA) model in the spatial allocation of land use plans: In this model, the cellular lattice is designed for square grid, size of cell of ha, that is similar to the precision of the model FMOLP Thus, CA can simulates spatial allocation of land use, in which the total area of each LUT to meet fully the total area of this LUT of which is defined in the model FMOLP Specially, this research has developed the algorithms of transition rules of cellular automata that are appropriate for spatial allocation of land use plans with specific conditions in Vietnam (softwares in the world have been not met) On that basis, a new sofware (SALUP) is developed to automate the spatial allocation of the optimal alternative of land-use plan (automatic zoning map) This is the outstanding contribution of this thesis SALUP is linked to the FMOLP model (to define optimal area of land use plans) and fuzzy GIS model (to assess sustainable land management) and interact with decisionmakers in the process of spatial allocation of land use plans The input data is land resources characteristic and the requirements of social economic development, the output data is a map and data of planning of agricultural land use The integrated model of this research has been validated with the sample data set of Lam Dong province Result of this model is the agricultural land use planning in accordance with the directions of local development and more sustainable than that of province Using this model in the planning of agricultural land use will save time, quick response to requests to provide the prompt information, reduce cost and improve labor productivity In the future, this model can be also expanded to the rest of provinces in the country ... án: TÍCH HP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU HOÁ ĐA MỤC TIÊU MỜ ĐỂ HỖ TR QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP TÓM TẮT Mục tiêu luận án xây dựng mô hình xử lý cung cấp thông tin hỗ trợ lập quy hoạch sử dụng đất. .. hỗ trợ giải toán liên quan đến yếu tố không gian cách trực quan thông qua đồ số hệ GIS Do đó, nghiên cứu tích hợp GIS kỹ thuật tối ưu hoá đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp. .. quản lý sử dụng đất, (2) Mô hình GIS mờ (fuzzy GIS) đánh giá thích nghi đất đai bền vững, (3) Mô hình tối ưu đa mục tiêu tuyến tính mờ (FMOLP) xác định diện tích phương án sử dụng đất tối ưu, (4)