Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (gis) xây dựng bản đồ dự báo biến động sử dụng đất tỉnh bình dương đến năm 2030

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT NGHIÊM THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) XÂY DỰNG BẢN ĐỒ DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH BÌNH DƯƠNG ĐẾN NĂM 2030 Chuyên Ngành : Bản đồ, viễn thám hệ thông tin địa lý Mã số : 60 44 02 14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Bùi Ngọc Quý HÀ NỘI - 2015 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM VÀ MƠ HÌNH DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT 1.1 Khái niệm viễn thám 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống viễn thám 1.1.3 Các phương pháp sử lý thông tin viễn thám 1.2.Hệ thống thông tin địa lý 12 1.2.1 Khái niệm 12 1.2.2 Vai trò GIS xây dựng sở liệu đồ 13 1.2.3 Phương pháp 14 1.3 Tổng quan phương pháp phân loại sử dụng đất ảnh viễn thám 15 1.3.1 Phương pháp phân loại không giám sát 15 1.3.2 Phương pháp phân loại có giám sát 16 1.3.3 Đánh giá lựa chọn phương pháp phân loại sử dụng đất áp dụng cho khu vực nghiên cứu 18 1.4 Tổng quan phương pháp dự báo biến động sử dụng đất 19 1.4.1 Mơ hình dự báo biến động sử dụng đất 19 1.4.2 Phân tích lựa chọn mơ hình dự báo biến động sử dụng đất 22 CHƯƠNG 2.:PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT24 2.1 Ứng dụng viễn thám đa phổ phân loại sử dụng đất 24 2.1.1 Phương pháp phân loại có kiểm định 24 2.1.2 Tiền xử lý liệu viễn thám 25 2.1.3 Xây dựng bảng phân loại sử dụng đât 27 2.1.4 Phân loại có giám sát với thuật toán Maximum Likelihood 29 2.1.5 Đánh giá độ xác kết phân loại 31 2.2 Ứng dụng mơ hình LCM để thành lập đồ dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Bình Dương 32 2.2.1 Phương pháp mô hình hóa dự báo biến động sử dụng đất 32 2.2.2 Phân tích biến động sử dụng đất 34 2.2.3 Mô hình hóa chuyển đổi tiềm 35 2.2.4 Dự báo biến động sử dụng đất 39 2.2.5 Đánh giá chất lượng mơ hình LCM 41 2.2.6 Xây dựng kịch sử dụng đất 41 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 42 3.1 Khu vực nghiên cứu: tỉnh Bình Dương 42 3.1.1 Vị trí địa lý 42 3.1.2 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - văn hóa xã hội tỉnh Bình Dương 44 3.2 Thành lập đồ sử dụng đất tỉnh Bình Dương 48 3.2.1 Tư liệu sử dụng nghiên cứu 48 3.2.3 Phân loại sử dụng đất 52 3.3 Thành lập đồ dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2030 61 3.3.1 Phân tích biến động 62 3.3.2 Mơ hình hóa chuyển đổi tiềm 61 3.3.3 Thành lập đồ dự báo sử dụng đất 69 3.3.4 Đánh giá độ xác đồ dự báo sử dụng đất 71 3.3.5 Xây dựng kịch sử dụng đất đến năm 2030 73 3.3.6 Đánh giá biến động sử dụng đất giai đoạn 2015-2030 75 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 84 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Nghiêm Thị Huyền năm MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI HTSDĐ: Hiện trạng sử dụng đất LCM : Land Change Modeler MLP : Multi-Layer Perceptron LogReg : Logistic Regression, ROI: Region Of Interest ML: Maximum Likelihood TM: Thermatic Mapper DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mẫu giải đoán ảnh 30 Bảng 2 Các tham số hiệu chỉnh Mơ hình chuyển đổi phụ 38 Bảng 1: Thông tin ảnh vệ tinh Landsat sử dụng nghiên cứu 49 Bảng 2: Hình ảnh khảo sát thực địa của số đối tượng sử dụng đất 50 Bảng 3: Bảng phân loại sử dụng đất tỉnh Bình Dương 52 Bảng 4: Mẫu giải đoán ảnh năm 2014 53 Bảng 5: Mẫu giải đoán ảnh năm 2009 53 Bảng 6: Mẫu giải đoán ảnh năm 2000 54 Bảng 7: Hệ số Chuyển đổi phân kỳ (TD) Jeffries-Matusita (J-M) mẫu giải đoán ảnh Landsat8 OLI_TIRS năm 2015 56 Bảng 8: Hệ số Chuyển đổi phân kỳ (TD) Jeffries-Matusita (J-M) mẫu giải đoán ảnh Landsat7 ETM+ năm 2009 56 Bảng 9: Hệ số Chuyển đổi phân kỳ (TD) Jeffries-Matusita (J-M) mẫu giải đoán ảnh Landsat5 TM năm 2000 57 Bảng 10: Chỉ số thống kê độ xác kết phân loại sử dụng đất 58 Bảng 11 : Danh mục chuyển đổi sử dụng đất xác định giai đoạn 2001-2009 65 Bảng 12 : Các biến giải thích áp dụng Mơ hình chuyển đổi phụ 66 Bảng 13 : Hệ số Cramer’s V biến giải thích 67 Bảng 14 : Giá trị tối ưu tham số hiệu chỉnh mơ hình 69 Bảng 15 : Kế đánh giá độ xác chạy Mơ hình phụ 69 Bảng 16 : Ma trận khả chuyển đổi sử dụng đất đến năm 2015 70 Hình 8: Bản đồ dự báo sử dụng đất đến năm 2015 71 Bảng 17 : Đánh giá chất lượng đồ dự báo SDĐ đến năm 2015 72 Bảng 18: Ma trận khả chuyển đổi sử dụng đất đến năm 2030 74 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Hệ thống viễn thám Hình Các chức hệ thơng tin địa lý ( GIS ) 12 Hình Ứng dụng GIS 13 Hình 1: Sơ đồ mô tả bước Phương pháp phân loại có giám sát 25 Hình 2: Dư báo biến động sử dụng đất sử dụng mô hình LCM 34 Hình 3: Phương pháp MLP mơ hình hóa dự báo sử dụng đất 37 Hình 1: Khu vực nghiên cứu 43 Hình 2: Bản đồ sử dụng đất tỉnh Bình Dương năm 2000 59 Hình 3: Bản đồ sử dụng đất tỉnh Bình Dương năm 2009 60 Hình 4: Bản đồ sử dụng đất tỉnh Bình Dương năm 2015 61 Hình :Tăng giảm diện tích lớp sử dụng đất giai đoạn 2001-2009 62 Hình 6: Biến động tuyệt đối lớp sử dụng đất giai đoạn 2000-2009 63 Hình 7: Phân bố không gian biến động sử dụng đất giai đoạn 2000-2009 64 Hình 8: Bản đồ dự báo sử dụng đất đến năm 2015 71 Hình : Bản đồ dự báo sử dụng đất đến năm 2030 75 Hình 10 : Biến động sử dụng đất tỉnh Bình Dương đến năm 2030 76 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Biến đổi khí hậu thay đổi sử dụng đất thành phần thay đổi mơi trường tồn cầu Đánh giá tác động liên quan đến thay đổi thường hiển thị tương tác phản hồi hai chiều khí hậu sử dụng đất Hậu tương tác cho thấy việc sử dụng đất đai làm trầm trọng thêm giảm bớt tác động biến đổi khí hậu Đánh giá tác động thường xuyên cho thấy tương tác biến đổi khí hậu thay đổi sử dụng đất tạo thách thức nghiêm trọng hệ sinh thái thủy sinh, chất lượng nước chất lượng khơng khí Trong nhiều trường hợp, xác định tác động biến đổi khí hậu mà khơng cân nhắc đến biến động sử dụng đất biến động lớp phủ Trong biến động sử dụng đất làm trầm trọng thêm tác động biến đổi khí hậu, quy hoạch sử dụng đất, sách quản lý tạo hội thích ứng quan trọng để tăng khả chống chịu hệ thống kinh tế-xã hội hệ sinh thái nhạy cảm Đánh giá tổng hợp biến đổi khí hậu biến động sử dụng đất bị giới hạn phân tán không đồng thông tin tiềm sử dụng đất tương lai Trong nhiều trường hợp, khu vực cụ thể tiến hành phân tích sâu tăng cường thông tin đất đai, kết đặt bối cảnh cấp vùng quốc gia Hơn nữa, nghiên cứu thường dựa giả thuyết, thông tin kinh tế xã hội khơng phù hợp khơng có tài liệu mơ hình phân tích khơng tích hợp, liên kết thông tin thể thống Việt Nam có tốc độ phát triển kinh tế cao vịng hai thập kỷ vừa qua Q trình đổi đưa Việt Nam từ nước nghèo giới, với thu nhập đầu người $100 trở thành nước có thu nhập trung bình thấp vịng 25 năm với thu nhập bình quân đầu người $1.960 vào cuối năm 2013, khu vực miền Đơng Nam Bộ khu vực có tốc độ phát triển thuộc tốp đầu nước Phát triển kinh tế tạo nhiều rủi ro môi trường Tăng trưởng dân số, cơng nghiệp hóa, thị hóa thay đổi lớn phát triển nông thôn tạo tác động tiêu cực tới phát triển bền vững kinh tế-xã hội khu vực Trong giai đoạn nay, xu hướng sử dụng mơ hình để xây dựng kịch tài nguyên môi trường ngày phổ biến như: mơ hình thủy văn, thủy lực xây dựng kịch tài nguyên nước, kịch cố hồ đập; mơ hình khí hậu tồn cầu để dự báo biến đổi khí hậu Các kịch công cụ thiếu việc xây dựng hệ thống hỗ trợ định phục vụ công tác quản lý quy hoạch lãnh thổ Tuy nhiên thực tế nay, kịch biến đổi khí hậu, kịch tài nguyên nước, kịch cố vỡ hồ, đập cấp quốc gia, cấp vùng triển khai xây dựng kịch biến động sử dụng đất chưa có luận vững để đưa bình diện cấp vùng cấp quốc gia; biến động sử dụng đất yếu tố đầu vào thiếu việc xây dựng kịch Nghiên cứu thực nhằm cung cấp sở khoa học thực tiễn cho việc đánh giá loạt kịch tác động nguy tiềm ẩn lĩnh vực chất lượng nước, chất lượng khơng khí, sức khỏe người hệ sinh thái, vv Đặc biệt, kịch sử dụng đất xây dựng nghiên cứu sử dụng đầu vào cho việc chạy mơ hình phức tạp để đánh giá tác động kép biến đổi khí hậu biến động sử dụng đất/lớp phủ Mục đích nghiên cứu Với vấn đề đặt trên, đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng Công nghệ viễn thám, Hệ thống thơng tin địa lý (GIS) Mơ hình toán học nhằm xây dựng đồ dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Bình Dương đến năm 2030” cần đạt mục tiêu sau: - Xây dựng kịch dự báo biến động sử dụng đất sở tích hợp cơng nghệ viễn thám, GIS mơ hình tốn học; - Cung cấp sở khoa học thực tiễn việc xây dựng công bố kịch sử dụng đất phục vụ mục tiêu quản lý tổng hợp khu vực Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tương nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài nghiên cứu giải pháp kỹ thuật việc ứng dụng liệu viễn thám đa thời gian, hệ thống thơng tin địa lý mơ hình tốn học nhằm xây dựng đồ dự báo biến động sử dụng đất 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng đồ dự báo sử dụng đất (kịch sử dụng đất) phục vụ đa mục tiêu đánh giá tác động biến động sử dụng đất đến tài nguyên nước; đánh giá tác động đến biến đổi khí hậu; hỗ trợ quan quản lý định quy hoạch sử dụng đất… - Đề tài thực phạm vi tỉnh Bình Dương 82 16.Pontius Jr R.G and Chen H., 2006; GEOMOD Modeling: Land-Use & Cover Change Modeling Idrisi 15: The Andes edition Clark Labs, Worcester, MA 44p 17.Pontius Jr R.G and Chen H., 2006; GEOMOD Modeling: Land-Use & Cover Change Modeling Idrisi 15: The Andes edition Clark Labs, Worcester, MA 44p 18.Richards J A et Jia X, (2006); Remote Sensing Digital Image Analysis, Book of Springer-Verlag Berlin Heidelberg Pp 454 19.Ruelland D, Dezetter A et al, (2008); Long-term monitoring of land cover changes based on Landsat imagery to improve hydrological modelling in West Africa International Journal of Remote Sensing, Vol 29, No 12, p 3533–3551 Taylor & Francis 20.Silva, E and K Clarke 2002; Calibration of the SLEUTH urban growth model for Lisbon and Porto, Portugal Computers, Environment and Urban Systems 26 pp 525-552 21.Silva, E and K Clarke 2002; Calibration of the SLEUTH urban growth model for Lisbon and Porto, Portugal Computers, Environment and Urban Systems 26 pp 525-552 22.Sklar F H., Costanza R., 1991; The development of dynamic spatial models for landscape ecology: A review and prognosis Quantitative Methods in Landscape Ecology, M G Tuner and R H Gardner eds., Springer-Verlag, New York, pp 239-288 23.Srigg S et Flasse S, (2001); An evaluation of different bi-spectral spaces for discriminating burned shrub-savannah Int sensing, vol 22, no 13, pp 2641–2647 journal of Remote 83 24.Tobler W R., 1979; Cellular geography In Philosophy in Geography, S Gale and G Olsson, eds., D Reidel Publishing Company, Dordrecht, Netherlands, pp 379-386 25.Xiong Liu, (2002); Supervised Classification and Unsupervised Classification ATS https://www.cfa.harvard.edu 26 Internet 27 www.nea.gov.vn 670 Class Project Report 84 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Ảnh vệ tinh Landsat sử dụng nghiên cứu Ảnh vệ tinh Landsat5 TM tỉnh Bình Dương năm 2000 85 Ảnh vệ tinh Landsat7 ETM+ tỉnh Bình Dương năm 2009 86 Ảnh vệ tinh Landsat8 OLI_TIRS tỉnh Bình Dương năm 2015 87 Phụ lục 2: Kết chạy Mô hình chuyển đổi phụ 88 Phụ lục 3: Các chuyển đổi sử dụng đất tiềm Khả chuyển đổi từ đất ăn sang đất công ghiệp 89 Khả chuyển đổi từ đất ăn sang đất dân cư 90 Khả chuyển đổi từ đất ăn sang đất nông nghiệp 91 Khả chuyển đổi từ đất ăn sang đất rừng 92 Khả chuyển đổi từ đất nông nghiệp sang đất ăn 93 Khả chuyển đổi từ đất nông nghiệp sang đất công nghiệp 94 Khả chuyển đổi từ đất nông nghiệp sang đất dân cư 95 Khả chuyển đổi từ đất rừng sang đất ăn 96 Khả chuyển đổi từ đất rừng sang nông nghiệp ... báo biến động sử dụng đất tỉnh Bình Dương đến năm 2030 - Các mơ hình dự báo biến động sử dụng đất; - Ứng dụng mơ hình Mơ sử dụng đất (LCM) để dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Bình Dương; - Thành... thám đa thời gian, hệ thống thông tin địa lý mơ hình tốn học nhằm xây dựng đồ dự báo biến động sử dụng đất 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng đồ dự báo sử dụng đất (kịch sử dụng đất) phục vụ đa mục... đích nghiên cứu Với vấn đề đặt trên, đề tài ? ?Nghiên cứu, ứng dụng Công nghệ viễn thám, Hệ thống thông tin địa lý (GIS) Mơ hình tốn học nhằm xây dựng đồ dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Bình Dương