Luận văn Nghiên cứu tác động của quá trình đô thị hóa đến cơ cấu sử dụng đất nông nghiệp khu vực Đông Anh - Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRỊNH THỊ HOÀI THU NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA ĐẾN CƠ CẤU SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP KHU VỰC ĐÔNG ANH - HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ Mã số : 62520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Võ Chí Mỹ 2. PGS.TS. Phạm Văn Cự HÀ NỘI - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Trịnh Thị Hoài Thu ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... v DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu, nhiệm vụ ............................................................................................. 4 3. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 4 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 5 5. Các luận điểm bảo vệ .......................................................................................... 5 6. Những điểm mới của luận án .............................................................................. 5 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 5 8. Cơ sở tài liệu ....................................................................................................... 6 9. Cấu trúc luận án .................................................................................................. 7 10. Lời cảm ơn .......................................................................................................... 8 Chương 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA ĐẾN CƠ CẤU SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ................................................................................................ 9 1.1. Tổng quan nghiên cứu đánh giá tác động của quá trình đô thị hóa đến thay đổi sử dụng đất nông nghiệp ............................................................................................. 9 1.1.1. Các quan điểm về đô thị hóa, đô thị và khu vực ven đô ............................... 9 1.1.2. Các yếu tố của đô thị hóa ảnh hưởng đến thay đổi sử dụng đất nông nghiệp 12 1.1.3. Các phương pháp đánh giá tác động của các yếu tố đến sự biến động sử dụng đất ................................................................................................................ 17 1.2. Tổng quan nghiên cứu lớp phủ và sử dụng đất .................................................. 28 1.2.1. Khái niệm về lớp phủ và sử dụng đất ......................................................... 28 iii 1.2.2. Các phương pháp phân loại và quy mô chiết tách thông tin sử dụng đất từ tư liệu viễn thám ................................................................................................... 29 1.2.3. Các phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ và sử dụng đất .............. 34 1.3. Quan điểm và phương pháp nghiên cứu của luận án ......................................... 39 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI MỜ TIẾP CẬN ĐỐI TƯỢNG CHIẾT TÁCH THÔNG TIN SỬ DỤNG ĐẤT KHU VỰC ĐÔNG ANH, HÀ NỘI ........... 44 2.1. Khái quát về đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu ..................... 44 2.1.1. Vị trí địa lý .................................................................................................. 44 2.1.2. Địa hình ...................................................................................................... 44 2.1.3. Khí hậu thủy văn ......................................................................................... 45 2.1.4 Thổ nhưỡng .................................................................................................. 46 2.1.5. Điều kiện kinh tế - xã hội ............................................................................ 48 2.2. Lựa chọn tư liệu ảnh ...................................................................................... 50 2.3. Xây dựng lớp chú giải cho sử dụng đất khu vực Đông Anh, Hà Nội .............. 51 2.4. Phân loại mờ tiếp cận đối tượng ........................................................................ 53 2.4.1. Lý thuyết mờ................................................................................................ 53 2.4.2. Quy trình phân loại ..................................................................................... 58 2.4.3. Thông tin sử dụng đất khu vực Đông Anh, Hà Nội .................................... 76 Chương 3. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐÔ THỊ HÓA ĐẾN BIẾN ĐỘNG CƠ CẤU SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP KHU VỰC ĐÔNG ANH, HÀ NỘI ...... 84 3.1. Đánh giá mức độ đô thị hóa khu vực Đông Anh, Hà Nội ................................. 84 3.1.1. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ đô thị hóa cho khu vực Đông Anh, Hà Nội .... 84 3.1.2. Phương pháp đánh giá mức độ đô thị hóa ................................................. 86 3.1.3. Mức độ đô thị hóa tại Đông Anh, Hà Nội .................................................. 88 3.2. Đánh giá biến động sử dụng đất nông nghiệp tại Đông Anh, Hà Nội ............... 95 3.2.1. Đánh giá biến động sử dụng đất theo thời gian ......................................... 95 3.2.2. Đánh giá diện tích biến động sử dụng đất theo không gian ..................... 102 3.3. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất nông nghiệp tại Đông Anh, Hà Nội .................................................................................................. 105 iv 3.3.1. Hồi quy logistic ......................................................................................... 106 3.3.2. Cơ sở dữ liệu GIS của mô hình ................................................................. 109 3.3.3. Các yếu tố tác động chuyển đổi sử dụng đất nông nghiệp tại Đông Anh, Hà Nội ............................................................................................................... 111 3.4. Mô hình hóa biến động sử dụng đất nông nghiệp ........................................... 120 3.4.1. Chuẩn hóa dữ liệu đầu vào cho mô hình giai đoạn 2001-2006 và 2006-2013 121 3.4.2. Không gian thích nghi cho các loại hình chuyển đổi sử dụng đất ........... 121 3.4.3. Kiểm chứng mô hình ................................................................................. 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........ 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 136 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 154 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN (Artifical neural networks) Mạng nơ –ron nhân tạo CVA (Change vector analysis) Phân tích vector thay đổi GIS (Geographic information system) Hệ thông tin địa lý GPS (Global positioning system) Hệ thống định vị toàn cầu HIS Hue, saturation, intensity MPL (Multilayer perceptron) Mô hình nơ-ron nhân tạo nhiều lớp NDVI (Normalized differrence vegetation index) Chỉ số thực vật OLS (Ordinary least square) Bình phương nhỏ nhất PCA (Principal component analysis) Phân tích thành phần chính RGB Red, green, blue ROC Relative operating characteristic SVM (Support vector machine) Phương pháp vector hỗ trợ vi DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Ví trí vùng ven đô trong cấu trúc phát triển của đô thị ............................ 11 Hình 1. 2. Thực trạng sử dụng đất [47] .................................................................... 13 Hình 1. 3. Phân loại các phương pháp phân tích biến động lớp phủ ........................ 19 và sử dụng đất dựa trên đối tượng và cấu trúc dữ liệu [95] ...................................... 19 Hình 1. 4. Các phương pháp xác định biến động ..................................................... 35 Hình 1. 5. Phân tích trước phân loại ......................................................................... 36 Hình 1. 6. Phân tích sau phân loại ........................................................................... 38 Hình 1. 7. Phương pháp kết hợp ............................................................................... 38 Hình 1. 8. Các bước nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ................................. 41 Hình 2. 1. Vị trí huyện Đông Anh ............................................................................ 45 Hình 2. 2. Mối quan hệ giữa độ phân giải không gian và chi tiết phân loại [19] ..... 51 Hình 2. 3. Sơ đồ xác định thông tin sử dụng đất có được từ kết quả dữ liệu lớp phủ bề mặt tách được từ dữ liệu ảnh vệ tinh [106] ......................................................... 52 Hình 2. 4. So sánh phân loại cứng và phân loại mờ ................................................. 54 Hình 2. 5. Kiến trúc của một hệ thống mờ ............................................................... 55 Hình 2. 6. Các kiểu hàm liên thuộc : (a) monotonic, (b) tam giác, (c) hình thang, (d) gauss [151]................................................................................................................. 56 Hình 2. 7. Sơ đồ các bước xử lý ảnh ........................................................................ 59 Hình 2. 8. Tiêu chí cho phân mảnh đối tượng .......................................................... 61 Hình 2. 9. Đối tượng ảnh nhận được từ phân mảnh ảnh theo các mức độ ............... 62 Hình 2. 10. Bộ quy tắc giải đoán ảnh ...................................................................... 68 Hình 2. 11. Ảnh chỉ số .............................................................................................. 70 Hình 2. 12. Tổng hợp diện tích sử dụng đất chiết tách từ tư liệu ảnh Landsat ......... 77 vii Hình 2. 13. Hiện trạng sử dụng đất năm 2001 .......................................................... 78 Hình 2. 14. Hiện trạng sử dụng đất năm 2004 .......................................................... 79 Hình 2. 15. Hiện trạng sử dụng đất năm 2006 .......................................................... 80 Hình 2. 16. Hiện trạng sử dụng đất năm 2009 .......................................................... 81 Hình 2. 17. Hiện trạng sử dụng đất năm 2013 .......................................................... 82 Hình 3. 2. Các trục thành phần F và sự phân bố của các chỉ tiêu trên hai trục thành phần chính F1 và F2 năm 2001................................................................................. 88 Hình 3. 3. Các trục thành phần F và sự phân bố của các chỉ tiêu trên hai trục thành phần chính F1 và F2 năm 2006................................................................................. 89 Hình 3. 4. Các trục thành phần F và sự phân bố của các chỉ tiêu trên hai trục thành phần chính F1 và F2 năm 2011................................................................................. 89 Hình 3. 5. Mức độ đô thị hóa của 145 thôn và thị trấn Đông Anh năm 2001 .......... 92 Hình 3. 6. Mức độ đô thị hóa của 145 thôn và thị trấn Đông Anh theo năm 2006 .. 93 Hình 3. 7. Mức độ đô thị hóa của 145 thôn và thị trấn Đông Anh theo năm 2011 .. 94 Hình 3. 8. Chuyển đổi cơ cấu giữa các loại hình sử dụng đất chính giai đoạn 2001-2006 ................................................................................................................. 96 Hình 3. 9. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2001 – 2006 ........................................ 97 Hình 3. 10. Chuyển đổi cơ cấu giữa các loại hình sử dụng đất chính giai đoạn 2006-2013 ................................................................................................................. 98 Hình 3. 11. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2006 – 2013 ...................................... 99 Hình 3. 12. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2001 – 2013 .................................... 101 Hình 3. 13. Biểu đồ diện tích biến động theo khoảng cách tới Hà Nội .................. 104 Hình 3. 14. Biểu đồ phần trăm diện tích biến động theo mức độ đô thị hóa .......... 105 viii Hình 3. 15. Xác định các yếu tố của ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất nông nghiệp ....................................................................................................... 108 Hình 3. 16. Yếu tố tự nhiên của khu vực nghiên cứu ............................................. 110 Hình 3. 17. Thay đổi về mật độ dân số, thu nhập và số lao động ảnh hưởng đến chuyển đổi sử dụng đất nông nghiệp 2001-2013 .................................................... 119 Hình 3. 18. Mô hình hóa biến động sử dụng đất nông nghiệp ............................... 120 Hình 3. 19. Cấu trúc MLP của chuyển đổi giữa đất chuyên lúa sang đất xây dựng 2001-2006 ............................................................................................................... 123 Hình 3. 20. Khả năng chuyển đổi sử dụng đất sau năm 2001 ................................ 124 Hình 3. 21. Khả năng chuyển đổi sử dụng đất sau năm 2006 ................................ 125 Hình 3. 22. Đường cong ROC đánh giá từng loại chuyển đổi sử dụng đất giai đoạn 2001-2006 ............................................................................................................... 127 Hình 3. 23. Đường cong ROC đánh giá từng loại chuyển đổi sử dụng đất giai đoạn 2006-2013 ............................................................................................................... 128 Hình 3. 24. Phần trăm diện tích chuyển đổi từ đất lúa sang đất xây dựng theo mô hình và thực tế giai đoạn 2001-2006. .................................................................... 129 Hình 3. 25. Phần trăm diện tích chuyển đổi từ đất màu lúa sang đất xây dựng theo mô hình và thực tế giai đoạn 2001-2006. .............................................................. 129 Hình 3. 26. Phần trăm diện tích chuyển đổi từ đất lúa sang đất xây dựng theo mô hình và thực tế giai đoạn 2006-2013 ..................................................................... 130 Hình 3. 27. Phần trăm diện tích chuyển đổi từ đất màu lúa sang đất xây dựng theo mô hình và thực tế giai đoạn 2006-2013. .............................................................. 130 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Tư liệu bản đồ sử dụng trong luận án ............................................................ 6 Bảng 2. Số liệu về kinh tế - xã hội sử dụng trong luận án .......................................... 6 Bảng 3. Tư liệu viễn thám sử dụng trong luận án ...................................................... 7 Bảng 4. Các phần mềm chính sử dụng phân tích trong luận án ................................. 7 Bảng 1. 1. Lựa chọn phương pháp hồi quy dựa trên đặc điểm biến phụ thuộc [95] 22 Bảng 2. 1. Tốc độ tăng trưởng kinh tế huyện Đông Anh ......................................... 48 Bảng 2. 2. Chỉ tiêu về dân số huyện Đông Anh ....................................................... 49 Bảng 2. 3. Chỉ tiêu về cơ cấu lao động huyện Đông Anh ........................................ 49 Bảng 2. 4. So sánh chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế của tư liệu ảnh được đánh giá trong nghiên cứu biến động sử dụng đất [59] .................................................................... 50 Bảng 2. 5. Chú giải sử dụng đất của khu vực Đông Anh Hà Nội ............................ 53 Bảng 2. 6. Số lượng mẫu sử dụng trong phân loại ảnh ............................................ 65 Bảng 2. 7. Các chỉ số khảo sát lựa chọn sử dụng trong phân loại ảnh ..................... 65 Bảng 2. 8. So sánh hàm liên thuộc của dữ liệu tập mẫu chỉ số tách nước ................ 69 Bảng 2. 9. Bảng so sánh hàm liên thuộc của dữ liệu mẫu chỉ số tách đất xây dựng 71 Bảng 2. 10. So sánh hàm liên thuộc của dữ liệu mẫu chỉ số tách thực vật ............... 72 Bảng 2. 11. So sánh hàm liên thuộc của dữ liệu tập mẫu đất trống và hoa màu ...... 72 Bảng 2. 12. Ma trận lẫn kết quả kiểm chứng năm 2006 (Đơn vị: m2) .................... 75 Bảng 2. 13. Ma trận lẫn kết quả kiểm chứng năm 2009 (Đơn vị: m2) .................... 75 Bảng 2. 14. Ma trận lẫn kết quả kiểm chứng năm 2013 (Đơn vị: m2) ..................... 76 Bảng 3. 1. Nhóm tỉ trọng mục đích sử dụng đất ....................................................... 84 Bảng 3. 2. Nhóm lao động và cơ cấu kinh tế ............................................................ 85 x Bảng 3. 3. Nhóm dân số và điều kiện cơ sở vật chất ................................................ 86 Bảng 3. 4. Giá trị đóng góp của các trục thành phần chính F1 và F2 ...................... 88 Bảng 3. 5. Hệ số đóng góp của các chỉ tiêu trên trục nhân tố .................................. 90 Bảng 3. 6. Biến động giữa các loại hình sử dụng đất giai đoạn 2001-2006 (đơn vị ha) ................................................................................................................. 95 Bảng 3. 7. Biến động giữa các loại hình sử dụng đất giai đoạn 2006 – 2013 (đơn vị ha) ................................................................................................................. 98 Bảng 3. 8. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2001- 2013 ....................................... 100 Bảng 3. 9. Biến động giữa các loại hình sử dụng đất giai đoạn 2001 – 2013 (đơn vị ha) ............................................................................................................... 102 Bảng 3. 10. Biến động diện tích (ha) sử dụng đất theo đường giao thông chính ... 103 Bảng 3. 11. Biến động diện tích (ha) theo khoảng cách tới Hà Nội ....................... 103 Bảng 3. 12. Diện tích biến động sử dụng đất theo mức độ đô thị hóa năm 2011... 105 Bảng 3. 13. Biến phụ thuộc và biến độc lập ........................................................... 111 Bảng 3. 14. Tổng hợp hệ số của phương trình hồi quy từ kết quả chạy mô hình giai đoạn 2001 -2006 với giá trị P-value ≤0.1 ............................................................... 112 Bảng 3. 15. Bảng tổng hợp hệ số của phương trình hồi quy từ kết quả chạy mô hình giai đoạn 2006 -2013 với giá trị P-value ≤0.1 ........................................................ 114 Bảng 3. 16. Bảng kiểm chứng mô hình .................................................................. 126 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đô thị hóa là xu thế phát triển của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, trong đó có Việt Nam với mốc khởi điểm vào năm 1980. Hiện nay, đô thị hóa ở nước ta diễn ra với tốc độ nhanh và mạnh [147]. Bên cạnh những mặt tích cực của quá trình đô thị hóa như tăng trưởng kinh tế, chuyển dịch cơ cấu kinh tế, cải thiện đời sống tạo đời sống xã hội thì đô thị hóa quá nhanh, thiếu quy hoạch khoa học sẽ nảy sinh nhiều vấn đề như mất đất nông nghiệp, chênh lệch mức sống, ô nhiễm môi trường [8]. Sau hơn hai mươi năm đổi mới, quá trình đô thị hóa đã dẫn đến việc thu hồi một diện tích lớn đất nông nghiệp sử dụng cho xây d