CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3. Cấu trúc và sự vận hành của CLUE-S
Năm 1996, lần đầu tiên mô hình CLUE (Veldkamp và Fresco,1996) [1] đƣợc đƣợc ứng dụng trên thế giới với phiên bản CLUE-CR (áp dụng cho Costa Rica) [2], [3],sau này đƣợc P.H.Verburg kế thừa và phát triển ở mức chi tiết hơn với tên gọi là CLUE-S. Sự khác biệt cơ bản này giữa CLUE (nguyên thủy lúc ban đầu) và CLUE- S liên quan đến mức độ chi tiết thể hiện do khác biệt về độ phân giải không gian.
Hình: So sánh sự khác biệt về tỉ lệ bản đồ, cấp quy hoạch trong thực tế ứng dụng của CLUE và CLUE-S (Phỏng theo P. H. Verburg -2002)
Khi phạm vi không gian nghiên cứu tương đối nhỏ thì có sự khác biệt trong thể hiện dữ liệu ở so với khi áp dụng ở phạm vi không gian lớn mô hình CLUE nguyên thủy không thể trực tiếp đƣợc áp dụng ở quy mô khu vực nhỏ. Do đó, cách tiếp cận mô hình đã đƣợc thay đổi và bây giờ gọi là CLUE-S (Convertion of Land-Use and its Effects at Small regional extent).
2.3.2. Cấu trúc, các thiết lập và vận hành trong mô hình CLUE-S
Mô hình CLUE-S gồm hai hợp phần riêng biệt là phi không gian và không gian.
Chức năng của hợp phần phi không gian là tính toán tổng hợp các nhu cầu sử dụng đất trong tương lai dựa trên các kịch bản. Sau đó, ở hợp phần không gian sẽ đưa các thông số từ hợp phần phi không gian vào trong các thay đổi sử dụng đất nhằm mục đích bố trí vào các vị trí khác nhau. Kết quả của quá trình chạy mô phỏng là các bảng thông tin mô tả biến động sử dụng đất từng năm và các bản đồ thể hiện thay đổi về sử dụng đất mỗi năm.
Nhu cầu sử dụng đất Đánh giá kinh tế - xã hội,
Phân tích quy hoạch ngành, Quy hoạch cơ sở hạ tầng
Bố trí không gian sử dụng đất Đánh giá thích nghi đất đai
Phân tích phi không gian
Phân tích không gian
Bản đồ mô phỏng SDĐ năm thứ 1
Bản đồ mô phỏng SDĐ năm thứ i
Bản đồ mô phỏng SDĐ năm cuối Kế hoạch SDD
năm 1
Kế hoạch SDĐ năm thứ i
Kế hoạch SDĐ năm cuối
Hình 3.1: 2 hợp phần trong mô hình CLUE-S (Mô phỏng theo P.H.Verburg, 2010)[38]
Việc bố trí không gian dựa trên sự kết hợp của thực nghiệm và phân tích không gian. Hình 4 cho một tổng quan về các thành phần cần thiết để chạy mô hình CLUE-S. Các hợp phần này đƣợc chia thành 4 loại mà cùng nhau tạo ra một tập hợp các điều kiện và xác suất mà mô hình tính toán các giải pháp tốt nhất theo thủ tục chạy vòng lặp.
Các thành phần đƣợc chia làm 4 loại là:
o Phân định ranh đất nông nghiệp và phi nông nghiệp o Cài đặt các tham số của mô hình CLUE-S
o Nhu cầu sử dụng đất đƣợc xác định từ Quá trình đánh giá kinh tế - xã hội o Kết quả từ quá trình đánh giá thích nghi đất đai
CLUE-S Thủ tục bố trí thay đổi sử dụng đất Xác định diện tích, ranh giới
phân định đất nông nghiệp
Bản đồ thích nghi đất đai
-Các tính chất đất đai (LCi)
-Các loại hình sử dụng đất
(LUTs) Đánh giá thích nghi đất đai
Hồi quy Logistic QH cơ sở hạ tầng
QH các ngành KT-XH QH sử dụng đất
Nhu cầu sử dụng đất Đánh giá kinh tế - xã hội
Cài đặt các tham số về không gian, thuộc tính trong mô hình CLUE-S QH lâm nghiệp
Vùng chuyên canh nông nghiệp QH phi nông nghiệp
Hình3.2: Tổng quan về 4 thành phần đƣa vào mô hình CLUE-S (phỏng theo P.H.Verburg, 2010) [38]
2.3.2.1. Đánh giá thích nghi trong CLUE-S
Chuyển đổi sử dụng đất dự kiến sẽ diễn ra tại các địa điểm với độ 'ƣu tiên - ƣa thích' cao nhất cho các loại hình sử dụng đất cụ thể. Ƣu tiên đại diện cho kết quả của sự tương tác giữa các tác nhân khác nhau và ra quyết định đã dẫn đến một cấu hình sử dụng đất không gian. Sở thích của một vị trí đƣợc ƣớc tính theo kinh nghiệm từ một tập hợp các yếu tố đó đƣợc dựa trên sự khác nhau, hiểu biết của các yếu tố quyết định của sự thay đổi sử dụng đất. Các mức độ ―ƣu tiên‖ đó đƣợc tính nhƣ sau:
Rki = akX1i + bkX2i + ...
trong đó R là ƣu tiên dành vị trí i sử dụng đất loại k. X1, 2, ... những đặc điểm lý sinh hay kinh tế xã hội của vị trí i và ak và bk tác động tương đối của các đặc điểm trên các ƣu đãi cho loại hình sử dụng đất k.
Một mô hình thống kê có thể đƣợc phát triển nhƣ là một mô hình logit nhị thức của hai lựa chọn: chuyển đổi vị trí i vào loại sử dụng đất k hay không. Tuy nhiên, Rki sở thích không thể quan sát hoặc đo trực tiếp và do đó nó đƣợc tính theo xác suất.
Chức năng có liên quan xác suất này với các đặc điểm vị trí tự nhiên và kinh tế xã hội đƣợc định nghĩa trong một mô hình logit sau đây:
nơi Pi là xác suất của từng điểm ảnh (pixel) cho sự xuất hiện của các loại hình sử dụng đất xem xét trên vị trí i và X là những nhân tố vị trí (Location factors). Các hệ số (β) đƣợc ƣớc tính thông qua hồi quy Logistic dùng mẫu của lớp sử dụng đất hiện trạng nhƣ là biến phụ thuộc. Hầu hết các đặc điểm vị trí liên quan đến vị trí trực tiếp, chẳng hạn nhƣ tính chất đất và độ cao…
2.3.2.2. Các thiết lập về chuyển đổi sử dụng đất
Ma trận chuyển đổi sử dụng đất: Trong CLUE-S Ma trận chuyển đổi sử dụng đất đóng vai trò rất quan trọng để có thể tính toán, chu chuyển sử dụng đất giữa các LUT. Trong mô hình CLUE-S quy ƣớc số 1 là có khả năng chuyển đổi sử dụng đất, số 0 là không có khả năng chuyển đổi. Ví dụ trong trường hợp nghiên cứu ở huyện Cát Tiên có ma trận chuyển đối sử dụng đất nhƣ sau:
Sử dụng đất trong tương lai
Lúa Điều Rau-màu Phi nông nghiệp Hiện
trạng sử dụng
đất
Lúa 1 0 1 0
Điều 0 1 1 0
Rau-màu 1 1 1 0
Phi nông nghiệp 0 0 0 1
i n n i
i i
i X X X
P
Log P 0 1 1, 2 2,... ,
1
2.3.2.3. Bố trí không gian sử dụng đất trong CLUE-S
Khi tất cả các yếu tố đầu vào cung cấp cho mô hình CLUE-S tính toán, với các bước thời gian rời rạc, thường thì dùng bước nhảy thời gian là từng năm một. Toàn bộ quá trình bố trí được tóm tắt trong Hình 7. Các bước sau đây được thực hiện để phân bổ những thay đổi trong sử dụng đất:
1. Bước đầu tiên bao gồm việc xác định tất cả các điểm ảnh (pixel) được phép thay đổi. Các pixel có phải là một phần của một khu vực đƣợc bảo vệ (protected area) hoặc hiện trạng đang là một loại hình sử dụng đất mà không đƣợc phép thay đổi thì nó sẽ bị loại trừ khỏi tính toán tiếp nữa.
2. Đối với mỗi vị trí i (cell i) xác suất tổng (TPROPi, u) đƣợc tính toán cho từng loại hình sử dụng đất u theo:
, ,
i u i u u u
TPROP P ELAS ITER
nơi Pi, u là khả năng thích nghi của loại hình sử dụng đất u (dựa trên mô hình logit) tại vị trí I (cell i), ELASu là tần suất chuyển đổi sử dụng đất của LUT thứ u và ITERu là một biến lặp đặc trƣng cho khả năng cạnh tranh giữa các LUT
3. Một bố trí ban đầu được thực hiện với một giá trị tương đương của biến lặp (ITERu) cho tất cả các loại sử dụng đất bằng cách bố trí các loại sử dụng đất với tổng xác suất cao nhất cho các điểm ảnh (pixel) xem xét. Các chuyển đổi mà không đƣợc phép theo ma trận chuyển đổi sẽ không đƣợc bố trí. Quá trình bố trí này sẽ gây ra một số lƣợng nhất định các điểm ảnh đã thay đổi sử dụng đất. ITERu đặc trƣng cho khả năng cạnh tranh giữa các loại hình sử dụng đất.
4.Tổng diện tích bố trí của mỗi loại hình sử dụng đất bây giờ đƣợc so sánh với Yêu cầu sử dụng đất ban đầu (Nhu cầu) . Với các loại hình sử dụng đất mà có diện tích bố trí nhỏ hơn so với diện tích nhu cầu thì giá trị của biến lặp sẽ tăng lên. Đối với các loại hình sử dụng đất mà đƣợc phân bổ quá nhiều thì giá trị đƣợc giảm.
Thông qua thủ tục này có thể là sự phù hợp cục bộ dựa trên các yếu tố vị trí đƣợc bác bỏ bởi các biến lặp do sự khác biệt trong nhu cầu khu vực. Các thủ tục theo cân bằng bố trí từ dưới lên trên cơ sở phù hợp vị trí và bố trí từ trên xuống dựa trên nhu cầu của khu vực.
Bước 2-4 được lặp đi lặp lại nhiều lần khi mà diện tích của mỗi loại hình sử dụng đất chƣa bằng với nhu cầu trong mỗi vòng lặp. Khi diện tích cần bố trí bằng với nhu cầu thì bản đồ cuối cùng được lưu lại và tính toán có thể tiếp tục cho các bước thời gian tiếp theo.
Tần suất chuyển đổi sử dụng đất
ELASu
Biến lặp ITERu Ma trận
chuyển đổi sử dụng đất
Tính toán thay đổi sử dụng đất Trạng thái
sử dụng đất ở thời điểm
(t)
Tổng diện tích sử dụng đất có bằng với nhu cầu?
Thích nghi vị trí Pi,u
vùng QH nông
nghiệp
Nhu cầu sử dụng đất
Trạng thái sử dụng đất
thời điểm (t+1) Yes
Các thiết lập về không gian tại từng vị trí
Các cài đặt về loại hình sử dụng đất
Cập nhật ITERu
Hình 3.3. Sơ đồ thủ tục bố trí sử dụng đất của mô hình CLUE-S (phỏng theo P.H.Verburg, 2010) [38]