Tóm tắt luận án 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 HỢP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU HOÁ ĐA MỤC TIÊU MỜ ĐỂ HỖ TRỢ QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: BẢN ĐỒ MÃ NGÀNH: 62 52 85 20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT (Tài liệu phục vụ báo cáo LATS cấp Nhà nước) Tp.HCM – 2011 ii iii CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH Hướng dẫn KH 1: TS. Trần Trọng Đức (Trường ĐH Bách khoa Tp.PHCM) Hướng dẫn KH 2: TS. Tào Quốc Tuấn (Phân viện Quy hoạch và TKNN) Phản biện độc lập 1: PGS.TS. Nguyễn Thị Vòng Phản biện độc lập 2: TS. Đồng Thị Thanh Phương Phản biện 1:.. Phản biện 2:.. Phản biện 3:.. Luận án tiến sĩ sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM Vào lúc giờ, ngày tháng năm 2011. Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: − Thư viện Khoa học tổng hợp Tp.HCM − Thư viện trường Đại học Bách khoa - ĐHQG Tp.HCM. iv MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án .............................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 3 4. Những đóng góp chính của luận án ................................................................ 3 5. Cấu trúc của luận án....................................................................................... 4 PHẦN I: TỔNG QUAN ....................................................................................................... 5 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ............................................................... 5 1.1. Tổng quan về quy hoạch sử dụng đất.......................................................... 5 1.2. Tối ưu hoá trong quy hoạch sử dụng đất ..................................................... 6 1.3. GIS trong quy hoạch sử dụng đất ................................................................ 7 1.4. Định hướng nghiên cứu cho luận án ............................................................ 8 PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH........................................ 8 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................ 8 2.1. Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững ........................................... 8 2.2. Toán học và công nghệ được ứng dụng trong nghiên cứu ........................ 10 Chương 3: MÔ HÌNH TÍCH HỢP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU MỜ HỖ TRỢ QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ................................. 11 3.1. Mô hình xác định yếu tố bền vững trong quản lý sử dụng đất.................. 11 3.2. Mô hình quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững ........................... 12 3.2.1. Mô hình GIS mờ trong đánh giá đất đai bền vững .............................. 12 3.2.2. Mô hình FMOLP trong xác định diện tích tối ưu các phương án......... 13 3.2.3. Mô hình CA trong bố trí không gian sử dụng đất ................................ 14 3.3. Mô hình tích hợp ........................................................................................ 14 PHẦN III: ỨNG DỤNG THỰC TIỄN............................................................................. 16 Chương 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH VÀO QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP TỈNH LÂM ĐỒNG ........................................................................................... 16 4.1. Cơ sở dữ liệu phục vụ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp...................... 16 4.2. Đánh giá thích nghi đất đai cho quản lý sử dụng đất bền vững ................ 18 4.3. Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững ......................................... 19 4.3.1. Xây dựng, lựa chọn phương án sử dụng đất tối ưu .............................. 20 4.3.2. Bố trí không gian sử dụng đất .............................................................. 22 4.3.3. Đánh giá kết quả mô hình.................................................................... 22 PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................................... 23 CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................ 25 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án + Sự xung đột giữa các mục tiêu trong khai thác sử dụng tài nguyên đất đai vào phát triển kinh tế - xã hội ngày càng gia tăng, tạo ra những cạnh tranh gay gắt giữa các mục đích sử dụng đất. Do vậy, việc ra quyết định bố trí sử dụng đất thoả mãn đồng thời các mục tiêu đem lại hiệu quả kinh tế cao, đáp ứng yêu cầu của toàn xã hội, hạn chế đến mức thấp nhất tác động xấu đến môi trường là bài toán phức tạp mà người ra quyết định (nhà quản lý, nhà quy hoạch,...) đang đối mặt. Người ra quyết định (DM) nếu chỉ dựa vào sự sáng tạo và kinh nghiệm thì khó có thể giải quyết bài toán một cách hiệu quả, mà thay vào đó là sử dụng các kỹ thuật, công nghệ và tri thức mới. + Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp là một trong những nội dung quan trọng trong quy hoạch phát triển nông nghiệp - nông thôn, tiến trình thực hiện gồm hai bước cơ bản: đánh giá khả năng thích nghi đất đai và bố trí sử dụng đất. (1) Đánh giá khảù năng thích nghi đất đai (gọi tắt là đánh giá đất đai) cung cấp thông tin về khả năng thích nghi đất đai, chi phí đầu tư và hiệu quả sản xuất của từng hệ thống sử dụng đất (LUS), đây là những thông tin cực kỳ quan trọng hỗ trợ cho việc bố trí sử dụng đất. + Đến nay, các nghiên cứu đều tập trung vào đánh giá thích nghi điều kiện tự nhiên, một số nghiên cứu có xem xét thêm về yếu tố kinh tế chứ chưa đi sâu nghiên cứu đánh giá tổng hợp cả điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội và môi trường (gọi là đánh giá đất đai bền vững). Bên cạnh đó, hầu hết các nghiên cứu đều thực hiện trong môi trường rõ. Tuy nhiên, trong thực tiễn đối tượng không gian của thế giới thực thường là những thông tin không chắc chắn, rất khó biểu diễn chính xác dựa trên tập rõ (Sicat et al., 2005). Do vậy đánh giá đất đai trong môi trường rõ (crisp) sai số lớn hơn trong môi trường mờ (fuzzy), không thể biểu diễn kết quả thích nghi liên tục nên một số thông tin thường bị bỏ qua. Như vậy, việc nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá đất đai bền vững trong môi trường mờ là hết sức cần thiết, nhằm hạn chế sai số thông tin đầu vào, chắt lọc thông tin và mô tả kết quả đầu ra một cách liên tục, gần gũi với suy nghĩ của con người nên giúp DM ra quyết định tốt hơn trong bố trí sử dụng đất. + Mặt khác, các yếu tố (indicators) thuộc tính đất đai thể hiện trạng thái sử dụng đất bền vững (gọi là yếu tố bền vững) có vai trò vô cùng quan trọng trong quản lý sử dụng đất bền vững (OECD, 1999), nhưng việc lựa chọn các yếu tố bền vững trong đánh giá đất đai còn mang tính chủ quan (FAO, 2007). Hiện nay, có hai nhóm mô hình lựa chọn yếu tố bền vững: (i). Mô hình FESLM (FAO,1993b) thể hiện các tính chất đất đai bền vững nhưng không thể hiện mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố; (ii). Các mô hình PSR(OECD, 1994), DSR(UNCSD, 1997), DPSIR(EEA, 1999): thể hiện mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố nhưng không thể hiện tính chất đất đai bền vững. Do vậy, cần thiết phải nghiên cứu tích hợp các mô hình với nhau nhằm phát huy điểm mạnh và khắc phục điểm yếu của các mô hình trong lựa chọn các yếu tố bền vững. 2 (2). Bố trí sử dụng đất: Bố trí sử dụng đất thường được thực hiện dựa trên ma trận kết quả thích nghi đất đai (kết quả đánh giá đất đai) và các điều kiện ràng buộc về tài nguyên, phát triển kinh tế, xã hội có liên quan đến sử dụng đất. Khó khăn gặp phải trong quá trình bố trí sử dụng đất là bố trí mỗi loại đất với diện tích bao nhiêu và bố trí ở đâu để cho phương án sử dụng đất đáp ứng đồng thời nhiều mục tiêu về phát triển kinh tế, xã hội và bảo vệ môi trường. + Do vậy, bài toán bố trí diện tích các loại đất nông nghiệp (trả lời câu hỏi bố trí mỗi loại đất với diện tích bao nhiêu?) là bài toán tối ưu đa mục tiêu. Về phân bố không gian (trả lời câu hỏi bố trí ở đâu?), trước đây nhà quy hoạch thường dựa vào bản đồ thích nghi đất đai để khoanh vùng sản xuất các loại hình sử dụng đất (LUT), theo nguyên tắc lựa chọn từ vùng thích nghi cao (S1) đến ít thích nghi (S3). Theo cách này, việc tính toán diện tích từng LUT trên bản đồ trong quá trình bố trí có độ chính xác kém và mất rất nhiều thời gian, quá trình khoanh vẽ mang tính chủ quan, việc giải quyết mức độ cạnh tranh giữa các LUT trên cùng một khoanh đất thiếu tính nhất quán. Do đó, sản phẩm (bản đồ quy hoạch sử dụng đất) chất lượng chưa cao. + Đến nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu phát triển các hệ thống phân bố không gian sử dụng đất dựa trên GIS và CA (cellular automata). Trong lĩnh vực quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp, có các hệ thống: AEZWIN (Fischer et al., 1998) được thiết kế cho quy mô vùng sinh thái nông nghiệp; LADSS (Matthews et al., 1999) cho quy mô trang trại; RULES (Riveira, 2008) thích hợp cho quy mô cấp huyện/tỉnh nhưng thuật toán bố trí sử dụng đất theo tế bào lý tưởng (ideal cell) nên không kế thừa hiện trạng, gây xáo trộn trong sử dụng đất, do đó không đáp ứng được yêu cầu đặc thù ở Việt Nam. + Công nghệ GIS với khả năng phân tích đồng thời dữ liệu không gian và thuộc tính, truy vấn và hỏi đáp, dễ dàng cập nhật dữ liệu và kết nối với hệ thống cơ sở dữ liệu khác,. Bên cạnh đó, các tri thức về xử lý bài toán không gian cũng không ngừng lớn mạnh, có thể hỗ trợ giải quyết bài toán liên quan đến yếu tố không gian một cách trực quan thông qua bản đồ số trong hệ GIS. Do đó, nghiên cứu tích hợp GIS và kỹ thuật tối ưu hoá đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp là yêu cầu cần thiết và cấp bách. Trong đó, sự kết hợp giữa mô hình tối ưu đa mục tiêu, GIS và các mô hình xử lý không gian cũng như tri thức không gian tạo nên mô hình bố trí không gian sử dụng đất phù hợp với đặc thù ở Việt Nam. Mô hình có thể trả lời đầy đủ câu hỏi bố trí mỗi loại đất với diện tích bao nhiêu và bố trí ở đâu?. Đây là công cụ thực sự hữu ích cho những người làm công tác quy hoạch, nhà quản lý và hoạch định chính sách sử dụng đất nông nghiệp cũng như quản lý tài nguyên đất đai. Từ những phân tích nêu trên, luận án tập trung nghiên cứu giải quyết 4 bài toán chính trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp: (i) lựa chọn yếu tố bền vững, (ii) đánh giá thích nghi đất đai bền vững, (iii) xác định diện tích tối ưu các phương án và (iv) bố trí không gian các phương án sử dụng đất. Liên kết các bài toán với nhau để giải quyết toàn diện bài toán quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp. 3 2. Mục tiêu nghiên cứu + Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu, hệ thống hoá cơ sở khoa học trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp làm cơ sở xây dựng mô hình xử lý và cung cấp thông tin hỗ trợ quyết định nhằm tối ưu hoá việc bố trí sử dụng đất, nâng cao chất lượng và năng suất lao động trong công tác quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp. + Mục tiêu cụ thể: (i) Nghiên cứu tổng quan, lựa chọn phương pháp thích hợp trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp; (ii) Mô hình hoá các yếu tố ảnh hưởng đến sử dụng đất nông nghiệp bền vững và quá trình bố trí sử dụng đất nông nghiệp; (iii) Xây dựng mô hình tích hợp GIS và kỹ thuật tối ưu hoá đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp; (iv) Ứng dụng mô hình đề xuất trong điều kiện thực tiễn tỉnh Lâm Đồng và đánh giá mô hình. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp trong phạm vi cấp tỉnh (tỷ lệ bản đồ 1/100.000-1/50.000). + Phạm vi nghiên cứu: − Trong đất sản nông nghiệp, luận án chỉ nghiên cứu bố trí sử dụng đất các loại cây trồng (không nghiên cứu bố trí các loại đất nông nghiệp khác như đất chăn nuôi, đất dịch vụ nông nghiệp,). Giá các loại nông sản được tính theo giá bán tại ruộng (return on farm) ở thời điểm giữa năm 2010. − Phạm vi không gian ứng dụng mô hình là toàn bộ diện tích tự nhiên tỉnh Lâm Đồng, tỷ lệ bản đồ 1/100.000. 4. Những đóng góp chính của luận án (1). Tích hợp 2 mô hình FESLM (FAO, 1993b) và DPSIR (EEA, 1999) để xác định các yếu tố trong quản lý sử dụng đất bền vững (SLM) nhằm khai thác thế mạnh và hạn chế điểm yếu của từng mô hình là nội dung mới của luận án, mô hình tích hợp này hỗ trợ DM nhận biết được mối quan hệ nhân - quả giữa các yếu tố nên dễ dàng hơn trong việc ra quyết định kiểm soát yếu tố nguyên nhân gây ra kết quả trong SLM. (2). Luận án đã phân tích độ nhạy các yếu tố bền vững giúp DM hiểu biết sâu sắc về các yếu tố, nhận thức được tầm ảnh hưởng, tác động, vai trò của các yếu tố và thật sự tập trung vào các yếu tố có độ nhạy cao (mức độ tập trung thấp hơn cho các yếu tố có độ nhạy thấp hơn), điều này tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình thu thập thông tin cũng như ra quyết định. (3). Nghiên cứu xây dựng mới mô hình GIS mờ (fuzzy GIS) trong đánh giá thích nghi đất đai phục vụ SLM. Ưu điểm của mô hình: (i) sử dụng phương pháp AHP mờ trong ra quyết định nhóm (FAHP-GDM) để xác định trọng số các yếu tố bền vững nên hạn chế tính chủ quan và tranh thủ được tri thức của nhiều chuyên gia trong từng lĩnh vực; (ii) dùng phương pháp đánh giá mờ nên chắt lọc được thông tin, hạn chế được sai số và mô phỏng các hàm thích nghi một cách liên tục (gần gũi với suy nghĩ của con người) nên hỗ trợ DM tốt hơn trong việc lựa chọn đất đai cho phát triển các LUT. 4 (4). So sánh, đánh giá các mô hình tích hợp GIS với các phương pháp khác nhau trong đánh giá đất đai: (i) GIS và phương pháp yếu tố hạn chế lớn nhất (FAO, 1976); (ii) GIS và phương pháp đánh giá đa tiêu chuẩn (sử dụng FAHP-GDM); (iii) fuzzy GIS theo luật Max và (iv) fuzzy GIS theo Lukasiewicz. Các mô hình trên được ứng dụng cho đánh giá đất đai trên cùng tập dữ liệu mẫu (tỉnh Lâm Đồng), đánh giá điểm mạnh và điểm yếu của từng phương pháp (cả về cơ sở lý thuyết và chất lượng kết quả đầu ra), từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp ứng với từng trường hợp nghiên cứu cụ thể. Trên cơ sở đó đề xuất chọn phương pháp fuzzy GIS (với thuật toán hợp mờ Lukasiewicz) cho đánh giá thích nghi đất đai trong điều kiện hiện nay (hạn chế được sai số, chắt lọc được thông tin, mở được diện tích cấp thích nghi nhưng vẫn đảm bảo bền vững do không điều chỉnh vùng không thích nghi sang thích nghi). (5). Xây dựng mới mô hình FMOLP trong xác định diện tích tối ưu các phương án sử dụng đất nông nghiệp. Mô hình FMOLP được cài đặt theo LUS, mỗi biến quyết định là một LUS, yêu cầu đầu tư và kết quả sản xuất của từng LUS cũng khác nhau, kết quả đầu ra của mô hình là diện tích tối ưu của từng LUS, do vậy tính thực tiễn cao hơn các mô hình đã có trước đây (các nghiên cứu trước đây không tiếp cận theo LUS mà tiếp cận theo LUT, xem đầu vào/đầu ra của cùng LUT là như nhau dù cho sản xuất trên các vùng đất có chất lượng khác nhau). Theo đó, một chương trình máy tính (programme) được phát triển mới trong môi trường LINGO 11.0 để giải bài toán FMOLP theo phương pháp tương tác thoả hiệp mờ (Sakawa, 2002). (6). Xây dựng mới mô hình CA trong bố trí không gian các phương án sử dụng đất. Đặc biệt, trong nghiên cứu này đã xây dựng thuật toán bố trí không gian sử dụng đất phù hợp với điều kiện đặc thù ở Việt Nam (kế thừa hợp lý hiện trạng sử dụng đất và giải quyết bài toán cạnh tranh giữa các loại đất trên cùng vị trí), với yêu cầu này các phần mềm hiện có trên thế giới không giải quyết được. Đây là đóng góp nổi bật của luận án. (7). Phát triển mới phần mềm SALUP (Saptial Allocation of Land Use Planning) để giải quyết bài toán bố trí không gian sử dụng đất đáp ứng yêu cầu đặc thù ở Việt Nam mà các phần mềm hiện có trên thế giới không giải quyết được. SALUP tương tác trực tiếp với người ra quyết định (nhà quản lý, nhà quy hoạch), trong đó các quan điểm phát triển của địa phương cũng như mong muốn của chính quyền và các đối tượng sử dụng đất được đưa vào mô hình thông qua thay đổi mức độ ưu tiên các mục tiêu. Do vậy, kết quả bố trí sử dụng đất phù hợp với điều kiện thực tiễn và định hướng phát triển của địa phương. Với SALUP, DM có điều kiện xem xét đồng thời nhiều phương án khác nhau một cách trực quan (ngoài số liệu diện tích còn có cả bản đồ) nên quyết địnhđlựa chọn phương án sử dụng đất rất khách quan. SALUP là công cụ thật sự hữu ích trong công tác lập quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp. 5. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, luận án gồm có 4 phần, 4 chương. Phần I (Tổng quan) có một chương (chương 1: Tổng quan các nghiên cứu, trang 10-51); Phần II (Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình) gồm hai chương (chương 2: Cơ sở lý thuyết, trang 52-78; chương 3: Mô hình tích hợp GIS và kỹ thuật tối ưu đa mục tiêu mờ hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất 5 nông nghiệp, trang 79-103); Phần III (Ứng dụng thực tiễn) có một chương (chương 4: Ứng dụng mô hình vào quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp tỉnh Lâm Đồng, trang 104- 153); Phần IV: Kết luận và hướng phát triển (trang 154-157). Luận án có 34 bảng, 44 hình, 10 bản đồ A4, sử dụng 156 tài liệu tham khảo. PHẦN I: TỔNG QUAN Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về quy hoạch sử dụng đất (1). Các phương pháp quy hoạch sử dụng đất: Trong các phương pháp quy hoạch sử dụng đất: (i). Trước FAO (1993): bố trí sử dụng đất dựa vào 2 yếu tố chính là đất và nước. (ii).Phương pháp quy hoạch sử du