Ở Việt Nam, từ những năm 1960 cũng đã sử dụng ảnh hàng không cho mục đích thành lập bản đồ địa hình, hiệu chỉnh và thành lập bản đồ rừng. Nhưng có thể nói viễn thám ở Việt Nam chỉ thực sự phát triển mạnh vào đầu những năm 1980, với sự ra đời của Uỷ Ban nghiên cứu vũ trụ Việt Nam. Từ đó đến nay đã có rất nhiều dự án, các công trình nghiên cứu ứng dụng viễn thám liên tiếp xuất hiện, những công trình đầu tiên có thể kể tới như: Chương trình nghiên cứu 3 tầng (vệ tinh, máy bay, mặt đất) do Uỷ ban nghiên cứu vũ trụ Việt Nam tổ chức (1980) với sự tham gia của nhiều Bộ Ngành với mục tiêu điều tra khảo sát tổng hợp một số khu vực chìa khoá nhằm xây dựng các mẫu giải đoán ảnh; Dự án UNDP/FAO của Viện Điều tra Quy hoạch rừng lần đầu tiên sử dụng ảnh Landsat MSS thành lập bản đồ rừng toàn quốc và đánh giá biến động rừng giai đoạn 1975 - 1983. Năm 1991 Uỷ Ban Nghiên cứu Vũ trụ Việt Nam phối hợp Viện Khoa học Việt Nam, Bộ Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Tổng Cục quản lý ruộng đất và Cục Đo đạc và Bản đồNhà nước triển khai thực hiện chương trình liên ngành sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc tỷ lệ 1:250000 và 1:1000000…
Hiện nay, Việt Nam đang bước vào giai đoạn công nghiệp hóa, đô thị hóa với một tốc độ rất nhanh. Bên cạnh những thay đổi rõ rệt về kinh tế - xã hội, môi trường thì vấn đề sử dụng đất cũng có những biến động theo những chiều hướng khác nhau.
Có rất nhiều công trình nghiên liên quan đến biến động sử dụng đất được triển khai với nhiều phương pháp khác nhau. Gần đây nhất là sử dụng công
nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất với rất nhiều công cụ trong đó có GIS. Chẳng hạn đềtài “Ứng dụng GIS thành lập bản đồ biến động sử dụng đất huyện Sông Mã, tỉnh Sơn La (giai đoạn 1995-2005)”, tác giả đã phân tích, đánh giá và thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất dựa trên nghiên cứu, biên tập bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng lập các ma trận biến động và dùng các công cụ Microstation, Mapinfor và ArcGis.
Hơn thế nữa, việc kết hợp viễn thám và GIS trong đánh giá biến động cũng đã được thực hiện bước đầu mang lại nhiều kết quả. Như trong đề tài “Thành lập bản đồ thảm thực vật trên cơ sở phân tích, xử lý ảnh viễn thám tại khu vực Tủa Chùa – Lai Châu”, tác giả đã dùng phương pháp phân loại có kiểm định đối với dữ liệu ảnh Landsat năm 2006 để phân ra 7 lớp thực phủ khác nhau với chỉ số Kappa ~ 0,7.
Trong đề tài “Ứng dụng Mô hình MarKov và Cellular Automata trong nghiên cứu dự báo biến đổi lớp phủ bề mặt”, tác giả đã nghiên cứu đánh giá sự biến đổi của đất đô thị thành phố Hà Nội bên cạnh đó ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov kết hợp với thuật toán mạng tự động để dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu từ năm 2014 tới năm 2021 .
Đề tài “Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá biến động và dự báo đất đô thị tại phường Hiệp Bình Phước, quận Thủ Đức”, Vũ Minh Tuấn đã sử dụng công nghệ viễn thám và GIS để phân tích biến động đất đô thị tại phường Hiệp Bình Phước quận Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh và sử dụng chuỗi Markov để dự báo tốc độ phát triển đất đô thị đến năm 2026. Kết quả nghiên cứu cho thấy đất đô thị trên địa bàn phát triển mạnh mẽ cần được quy hoạch cụ thể vì sẽ ảnh hưởng đến quy hoạch phát triển đô thị của quận Thủ Đức nói riêng và TP. Hồ Chí Minh nói chung, ngoài ra nghiên cứu còn phát hiện khu vực Hiệp Bình Phước có nền tương đối yếu và nguy cơ sạt lở bờ sông rất lớn có thể gây nguy hiểm đến đời sống của người dân. Tuy nhiên hầu hết các khu vực biến
động lại không đúng với quy hoạch chung của TP. Hồ Chí Minh cho thấy việc sử dụng chuỗi Markov trong việc dự báo tốc độ phát triển đất đô thịkhông đạt được độ chính xác cao nhất. Kết quả dự báo chỉ đúng khi không có sự thay đổi về chính sách pháp luật về đất đô thị trong năm dự báo. Ngoài ra còn rất nhiều công trình nghiên cứu có ứng dụng GIS và chuỗi Markov đạt được nhiều kết quả mong đợi.
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ và ứng dụng mô hình tích hợp Markov-CA và GIS dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ năm 2020 – 2025.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi không gian:
Giới hạn không gian nghiên cứu trong phạm vi ranh giới hành chính của tỉnh Phú Thọ gồm: 1 thành phố, 1 thị xã và 11 huyện
- Phạm vi thời gian:
Hiện trạng sử dụng đất ở thời điểm các năm 2005, 2010 và 2015; dự báo biến động sử dụng đất trong tương lai 2020-2025
- Phạm vi khoa học:
Ứng dụng mô hình tích hợp Markov-CA trong dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ trên cơ sở biến động 7 lớp phủ: Rừng kín, rừng trung bình, rừng thưa, cây bụi, mặt nước, đất xây dựng, đất trống.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan cơ sở lý luận về biến động sử dụng đất và mô hình Markov-CA.
- Đánh giá các nhân tốảnh hưởng tới biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ. - Hiện trạng sử dụng đất và biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ giai đoạn 2005-2015.
- Ứng dụng mô hình tích hợp Markov -CA dự báo biến động sử dụng đất tới năm 2020-2025.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp này được sử dụng nhằm làm rõ cơ sở khoa học cũng như các tài liệu phù hợp với mục tiêu nghiên cứu. Các tài liệu như bài báo khoa học, tạp chí được thu thập trong và ngoài nước về ứng dụng mô hình Markov-CA trong nghiên cứu các lĩnh vực, đặc biệt là liên qua tới vấn đề dự báo biến động sử dụng đất.
Hệ thống tài liệu thu thập được bao gồm: Tài liệu về điều kiện tự nhiên (khí hậu, địa hình, thổnhưỡng,...), điều kiện kinh tế-xã hội (Dân cư, lao động, mức sống, tình hình phát triển của các ngành kinh tế,..) và ảnh vệ tinh Landsat khu vực tỉnh Phú Thọ phục vụ trực tiếp cho việc phân tích, đánh giá biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ.
2.3.2. Phương pháp khảo sát thực địa
Dựa trên lộ trình đã vạch sẵn ở giai đoạn phân tích trong phòng, những mục tiêu mà giai đoạn ngoài thực địa hết sức quan trọng với tính khách quan và chính xác, mức độ tin cậy và cập nhật của đề tài. Ngoài việc khảo sát nhằm bổ sung chính xác các thông tin thực tế và xác định lại các thông tin đã thu thập. Ngoài ra, công tác điều tra thực địa sử dụng để kiểm chứng kết quả phân loại bản đồ sử dụng đất nhằm khẳng định và đánh giá mức độ chính xác của đề tài.
2.3.3. Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất
Việc thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Phú Thọ dựa trên nguồn tư liệu là ảnh vệ tinh Landsat 7 năm 2005, 2010, 2015
Hiệu chỉnh hình học ảnh: Trong nghiên cứu biến động sử dụng đất, ảnh vệ tinh ở các thời điểm phải nắn chỉnh về cùng một hệ tọa độ với yêu cầu sai số nắn chỉnh nhỏ dưới 0,5 pixel. Chọn ảnh năm 2015 làm ảnh cơ sở và tiến hành nắn chỉnh ảnh năm 2005, 2010 theo ảnh 2015 bằng phương pháp nắn
ảnh theo ảnh (image to image), nội suy giá trị độ xám theo thuật toán lân cận gần nhất (Neareast Neighber).
Phân loại ảnh theo đối tượng: Sử dụng hệ thống mẫu giải đoán tiến hành phân loại từng năm ảnh sử dụng phương pháp phân loại theo Xác suất cực đại (Maximum Likelihood) để phân loại cho từng ảnh Landsat.
Sau khi phân loại sử dụng phương pháp phân loại theo Xác suất cực đại (Maximum Likelihood) xong, tiến hành cắt ảnh theo ranh giới, tách lọc, gộp lớp đểcó được kết quả cuối cùng.
2.3.4. Phương pháp phân tích, mô hình hóa không gian Markov - CA
- Xây dựng ma trận chuyển đổi Markov: Bản chất của phương pháp phân tích chuỗi Markov là xây dựng mối liên hệ giữa 2 bản đồ sử dụng đất tại hai thời điểm đánh giá nhằm tạo cơ sở khoa học cho quá trình mô hình hóa ở các bước tiếp theo.
Hình 2.1. Mô hình chuỗi Markov
Với γij: Là xác suất thay đổi được xác định từ việc chồng ghép bản đồ sử dụng đất tại 2 thời điểm khác nhau. Để dự đoán phân bố các kiểu sử dụng đất khác nhau vào các thời điểm khác nhau có thể ứng dụng mô hình Markov như sau:
x = (2.1)
Đây có thể được viết lại dưới dạng tổng quát hóa của ma trận như sau:
[V1,V2,…,V5]1 * (2.2)
- Ứng dụng mô hình toán học để dự báo sự thay đổi các kiểu sử dụng đất trong tương lai
Dự báo về sự thay đổi các kiểu sử dụng đất theo thời gian theo phương trình toán học sau (Mubea và cs., 2010):
Vt2 = M * Vt1 (2.3)
Trong đó:
M: Tỉ lệ thay đổi của các kiểu sử dụng đất trong khoảng thời gian thu thập số liệu.
Vt1: Diện tích của kiểu sử dụng đất tại thời điểm thứ nhất. Vt2: Diện tích của kiểu sử dụng đất tại thời điểm thứ hai.
Nghiên cứu tiến hành dự báo trước tiên cần xác định được khoảng thời gian dự báo, trên cơ sở kết quả đánh giá biến động sử dụng đất khu vực nghiên cứu giai đoạn 2015 - 2015, nghiên cứu đã ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov nhằm dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ tới năm 2025 theo công thức 2.4: γ11, γ12, γ13, . . . γ15 γ21, γ22, γ23, . . . γ25 …. …. γ51, γ52, γ53, . . . γ55 = [V1,V2,…,V5]2 Ma trận về xác suất của sự thay đổi các kiểu sử dụng đất Tỉ lệ các kiểu sử dụng đất ở thời điểm thứ hai Tỉ lệ các kiểu sử dụng đất ở thời điểm thứ nhất
TDB = TCT + (TCT - TCD) (2.4) Trong đó: TDB: Thời điểm dự báo
TCT: Mốc thời gian cận trên của quá trình đánh giá TCD: Mốc thời gian cận dưới của quá trình đánh giá
Áp dụng công thức trên, ta sẽ xác định được thời điểm dự báo biến đổi sử dụng đất tỉnh Phú Thọnhư sau:
TDB1 = 2015 + (2015 - 2010) = 2020 (2.5)
TDB2 = 2015 + (2015 - 2005) = 2025
- Giới thiệu chung về phần mềm Idrisi Selva và một sốmodul điển hình:
Idrisi Selva 17 là một phần mềm tích hợp viễn thám và GIS được phát triển và thương mại hóa bởi Phòng thí nghiệm Clark thuộc Đại học Clark, Hoa kỳ. Phần mềm Idrisi được xây dựng từ năm 1987, trải qua thời gian phát triển đến nay, Idrisi đang được sử dụng rộng rãi ở trên 180 quốc gia và phiên bản được sử dụng hiện nay là Idrisi Selva 17.
Phần mềm Idrisi tập hợp tương đối nhiều module phân tích không gian như Earth trend modeler (ứng dụng trong nghiên cứu và mô hình hóa biến đổi khí hậu và các hiện tượng liên quan), Land change modeler (chuyên nghiên cứu về biến động và dự báo biến động sử dụng đất),...Cùng với các hợp phần cơ bản như xử lý tư liệu viễn thám (phân loại, hiệu chỉnh phổ,...) và các hợp phần GIS (thành lập, biên tập bản đồ,...), các hợp phần mô hình hóa không gian là điểm nổi bật tạo nên đặc điểm riêng của phần mềm Idrisi.
Hình 2.2. Giao diện phần mềm Idrisi Selva
Module Markov được sử dụng để dự báo sự biến đổi của các loại hình sử dụng đất được đưa vào trong bài toán mô hình hóa. Tuy nhiên, thuật toán Markov là nội suy tuyến tính để dự báo sự thay đổi trạng thái của các pixel theo các bước thời gian khác nhau mà chưa xác định được ngưỡng đánh giá (các yếu tố tự nhiên, chính sách phát triển và các yếu tố kinh tế - xã hội).
Hình 2.3. Module MARKOV trên Idrisi Selva
Để khắc phục nhược điểm của thuật toán Markov, Idrisi đã bổ sung và tích hợp thuật toán mảng tự động (Cellular Automata) kết hợp với phân tích chuỗi Markov để đưa các ngưỡng được xác định bằng phương pháp đánh giá
đa chỉ tiêu (Multi Criteria Evaluation - MCE) nhằm gia tăng độ chính xác của kết quả mô hình hóa.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Các yếu tốảnh hưởng đến sử dụng đất tỉnh Phú Thọ
3.1.1. Nguồn lực tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên
a. Điều kiện tự nhiên * Vịtrí địa lý
Hình 3.1. Bản đồ tỉnh Phú Thọ
Phú Thọ là tỉnh thuộc miền núi trung du Bắc Bộ, có tọa độ địa lý từ 20o55’ đến 21o43’ vĩ độ Bắc, 104o48’ đến 105o27’ kinh độ Đông. Địa giới hành chính của tỉnh tiếp giáp: Phía Bắc giáp tỉnh Tuyên Quang, phía Nam giáp tỉnh Hòa Bình, phía Đông giáp tỉnh Vĩnh Phúc, phía Đông Nam giáp Hà Nội, phía Tây giáp tỉnh Yên Bái.
Phú Thọ có tổng diện tích tựnhiên là 3.533,3 km, có 13 đơn vị hành chính cấp huyện gồm: Thành phố Việt Trì, thị xã Phú Thọ và các huyện: Đoan Hùng, Hạ Hòa, Thanh Ba, Cẩm Khê, Phù Ninh, Lâm Thao, Tam Nông, Thanh Thủy, Thanh Sơn, Tân Sơn và Yên Lập và 277 đơn vị hành chính cấp xã.
Nằm trong khu vực giao lưu giữa vùng Đông Bắc, đồng bằng sông Hồng và vùng Tây Bắc, Phú Thọ có vịtrí địa lý mang ý nghĩa là trung tâm tiểu vùng Tây - Đông - Bắc; cách trung tâm Thủđô Hà Nội 80km, cách sân bay quốc tế Nội Bài 50km, cách cửa khẩu Lào Cai, cửa khẩu Thanh Thuỷ hơn 200 km, cách cảng biển Hải Phòng 170 km.
Phú Thọ nằm ở trung tâm các hệ thống giao thông đường bộ, đường sắt và đường sông từ các tỉnh thuộc Tây - Đông - Bắc đi Hà Nội, Hải Phòng và các nơi khác: có Quốc lộ 2 qua Phú Thọđi Tuyên Quang, Hà Giang sang Vân Nam (Trung Quốc), quốc lộ 70 đi Yên Bái, Lào Cai sang Vân Nam (Trung Quốc), quốc lộ 32 qua Phú Thọđi Yên Bái, Sơn La; đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai; đường HồChí Minh, đường sắt xuyên Á từ Vân Nam (Trung Quốc) sang Lào Cai chạy qua tỉnh Phú Thọ về Hà Nội, là nơi trung chuyển hàng hóa thiết yếu, cầu nối giao lưu kinh tế - văn hóa - khoa học kỹ thuật giữa các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ với các tỉnh Trung du miền núi Bắc Bộ.
* Địa hình, địa mạo
Địa hình tỉnh Phú Thọ mang đặc điểm nổi bật là chia cắt tương đối mạnh vì nằm ở phần cuối của dãy Hoàng Liên Sơn, nơi chuyển tiếp giữa miền
núi cao và miền núi thấp, gò đồi, độ cao giảm dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam. Căn cứvào địa hình, có thể chia Phú Thọ thành hai tiểu vùng cơ bản:
- Tiểu vùng Tây Nam hay hữu ngạn sông Hồng: Gồm các huyện Thanh Sơn, Tân Sơn, Yên Lập, Tam Nông, Thanh Thủy, Cẩm Khê và một phần của Hạ Hòa có diện tích tự nhiên gần 2.400 km2, bằng 67,94 % diện tích tự nhiên toàn tỉnh; độ cao trung bình so với mặt nước biển từ 200 - 500 m.
- Tiểu vùng Đông Bắc hay tả ngạn sông Hồng: Gồm thành phố Việt Trì, thị xã Phú Thọ và các huyện Lâm Thao, Phù Ninh, Thanh Ba, Đoan Hùng và phần còn lại của Hạ Hòa có diện tích tự nhiên 1.132,5 km2, chiếm 32,06% diện tích tự nhiên toàn tỉnh. Địa hình đặc trưng của tiểu vùng này là các đồi, gò thấp, phát triển trên phù sa cổ (bình quân 50 - 200m) xen kẽ với những dộc ruộng và những cánh đồng bằng ven sông.
Do phân cấp địa hình, diện tích đất đồi núi, đất dốc của tỉnh Phú Thọ chiếm 64,52% tổng diện tích đất tự nhiên, trong đó diện tích đất có độ dốc >150 chiếm tới 51,6%; sông suối chiếm 4,26% tổng diện tích tự nhiên.
* Khí hậu, thủy văn
- Khí hậu:
Phú Thọ nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa; mùa hè nắng, nóng,