Luận văn Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tích hợp markov - Ca và gis để dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ

n ngành: Quản lý đất đai Mã số: 8850103 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS. NGUYỄN AN THỊNH Hà Nội, 2018 i CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn An Thịnh Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Thị Khuy Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Tiến Cường Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 16 tháng 9 năm 2018. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Luận văn iii LỜI CẢM ƠN Được sự nhất trí của trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Khoa Quản lý đất đai, tôi đã tiến hành làm luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tích hợp Markok- CA và GIS để dự báo biến động sử dụng đất tại tỉnh Phú Thọ”. Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo, cùng gia đình và bạn bè. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm Khoa Quản lý đất đai trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cùng toàn thể các thầy cô giáo đã dạy dỗ, quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường thời gian qua. Đặc biệt để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi nhận được sự quan tâm của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn An Thịnh. Thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Khánh Toàn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC THÔNG TIN LUẬN VĂN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................... 4 1.1. Cơ sở lý luận về sử dụng đất................................................................................ 4 1.1.1. Sử dụng đất ........................................................................................................ 4 1.1.2. Cơ sở khoa học về biến động sử dụng đất và lớp phủ ................................... 7 1.1.3. Sử dụng đất, biến động sử dụng đất trên thế giới và Việt Nam .................. 12 1.2. Mô hình hóa Markov-CA trong dự báo biến động sử dụng đất ................... 20 1.2.1. Khái niệm mô hình, mô hình hóa và mô hình hóa không gian ................... 20 1.2.2. Mô hình hóa biến động sử dụng đất .............................................................. 21 1.2.3. Khái niệm và ứng dụng chuỗi Markov ......................................................... 22 1.2.4. Mạng tự động (Cellular Automata - CA) ...................................................... 24 1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu ............................................................... 26 1.3.1. Trên thế giới ..................................................................................................... 26 1.3.2. Tại Việt Nam.................................................................................................... 31 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................................................................. 34 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 34 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 34 v 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 34 2.2. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 34 2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 34 2.3.1. Phương pháp phân tích và tổng quan tài liệu ................................................ 34 2.3.2. Phương pháp khảo sát thực địa ...................................................................... 35 2.3.4. Phương pháp phân tích, mô hình hóa không gian Markov - CA ................ 36 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .......................................................... 41 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sử dụng đất tỉnh Phú Thọ ..................................... 41 3.1.1. Nguồn lực tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên .............................................. 41 3.1.2. Nguồn lực kinh tế - xã hội .............................................................................. 50 3.1.3. Đánh giá điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội .............................................. 57 3.2. Đánh giá hiện trạng sử dụng đất giai đoạn 2005 – 2015 trên cơ sở tư liệu ảnh viễn thám ..................................................................................................................... 60 3.2.1. Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015 ... 60 3.2.2. Đánh giá hiện trạng sử dụng đất giai đoạn 2005 - 2015 .............................. 65 3.3. Dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 - 2025 .............. 72 3.3.1. Quy trình nghiên cứu....................................................................................... 72 3.3.2. Phân cấp thích hợp .......................................................................................... 74 3.3.3. Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov ............................... 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 98 PHỤ LỤC ............................................................... Error! Bookmark not defined. vi THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Nguyễn Khánh Toàn Lớp: CH2B.QĐ Khoá: 2B (2016 - 2018) Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn An thịnh Tên đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tích hợp Markov – CA và GIS để dự báo biến động sử dụng đất tại tỉnh Phú Thọ. Thông tin luận văn: - Tổng quan tài liệu và xây dựng cơ sở lý luận về ứng dụng mô hình Markov - CA trong dự báo xu hướng biến động sử dụng đất. - Đánh giá các nhân tố ảnh hưởng tới biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ. - Đánh giá hiện trạng sử dụng đất tỉnh Phú Thọ giai đoạn 2005 - 2015 trên cơ sở tư liệu ảnh viễn thám. - Dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2025 trên cơ sở mô hình Markov - CA và GIS. vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT FAO Tổ chức lương thực và nông nghiệp Liên Hợp Quốc LUCC Biến động sử dụng đất và lớp phủ 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 CA Cellular Automata - Mạng tự động MCE Multi Criteria Evaluation - Đánh giá đa chỉ tiêu viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tỉ lệ % đất tự nhiên và đất nông nghiệp trên toàn thế giới ............ 13 Bảng 1.2. Biến động diện tích đất nông nghiệp toàn quốc ............................. 17 Bảng 1.3. Biến động diện tích đất 2015 .......................................................... 18 Bảng 3.1. Đặc trưng hình thái sông trên địa bàn tỉnh Phú Thọ ...................... 45 Bảng 3.2. Hiện trạng sủ dụng đất tỉnh Phú Thọ ( tính đến 31/12/2016) ......... 46 Bảng 3.3. Hiện trạng rừng theo chức năng sử dụng ....................................... 48 Bảng 3.4 Sản lượng khai thác một số loại tài nguyên trên địa bàn tỉnh Phú Thọ................................................................................................................... 50 Bảng 3.5. Diện tích, dân số và mật độ dân số các huyện năm 2016 ............... 51 Bảng 3.6. Đóng góp của các khu vực kinh tế vào GDP của toàn tỉnh qua các năm .................................................................................................................. 55 Bảng 3.7. Hệ thống chú giải của ảnh lớp phủ mặt đất .................................... 61 Bảng 3.8. Hệ thống mẫu giải đoán ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu .............. 63 Bảng 3.9. Bảng biến động diện tích đất đai tỉnh Phú Thọ .............................. 72 Bảng 3.10. Diện tích các loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ các năm 2005, 2010, 2015, 2020, 2025 (đơn vị: ha) ............................................................... 93 ix DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Bình quân diện tích đất canh tác trên đầu người ............................. 14 Hình 2.1. Mô hình chuỗi Markov ................................................................... 36 Hình 2.2. Giao diện phần mềm Idrisi Selva .................................................... 39 Hình 2.3. Module MARKOV trên Idrisi Selva ............................................... 39 Hình 2.4. Module MARKOV - CA trên Idrisi Selva ...................................... 40 Hình 3.1. Bản đồ tỉnh Phú Thọ ....................................................................... 41 Hình 3.2. Ảnh LandSat khu vực tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015 .......... 62 Hình 3.3. Quá trình chọn mẫu và phân loại ảnh vệ tinh tỉnh Phú Thọ ........... 64 Hình 3.4. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010 và 2015 .... 65 Hình 3.5. Biểu đồ tỷ lệ các lớp đối tượng sử dụng đất năm 2005 .................. 66 Hình 3.6. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005 ............................ 67 Hình 3.7. Biểu đồ tỷ lệ các lớp đối tượng sử dụng đất năm 2010 .................. 68 Hình 3.8. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2010 ............................ 69 Hình 3.9. Biểu đồ tỷ lệ các lớp đối tượng sử dụng đất năm 2015 .................. 70 Hình 3.10. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2015 .......................... 71 Hình 3.11. Quy trình dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu .. 73 Hình 3.12. Quy trình phân cấp thích hợp ........................................................ 75 Hình 3.13. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của rừng kín với các loại hình lớp phủ ... 76 Hình 3.14. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của rừng trung bình với các loại hình lớp phủ ............................................................................................................. 76 Hình 3.15. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của rừng thưa với các loại hình lớp phủ ................................................................................................................... 77 Hình 3.16. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của cây bụi với các loại hình lớp phủ .... 78 Hình 3.17. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của đất xây dựng với các loại hình lớp phủ ................................................................................................................... 78 x Hình 3.18. Ảnh phân ngưỡng mức độ thích hợp của đất xd với độ dốc ......... 79 Hình 3.19. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của đất trống với các loại hình lớp phủ ................................................................................................................... 80 Hình 3.20. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của mặt nước với các loại hình lớp phủ ................................................................................................................... 80 Hình 3.21. Ảnh phân cấp thích hợp cho đất xây dựng .................................... 82 Hình 3.22. Ảnh phân cấp thích hợp cho rừng kín ........................................... 82 Hình 3.23. Ảnh phân cấp thích hợp cho rừng trung bình ............................... 83 Hình 3.24. Ảnh phân cấp thích hợp cho rừng thưa ......................................... 83 Hình 3.25. Ảnh phân cấp thích hợp cho cây bụi ............................................. 84 Hình 3.26. Ảnh phân cấp thích hợp cho đất trống .......................................... 84 Hình 3.27. Ảnh phân cấp thích hợp cho mặt nước ......................................... 85 Hình 3.28. Mô hình Markov trong Idrisi ........................................................ 85 Hình 3.29. Ma trận chuyển dịch diện tích giữa các lớp đối tượng ................. 86 Hình 3.30. Ma trận chuyển dịch xác suất giữa các lớp ................................... 87 Hình 3.31. Tập các hình ảnh xác suất có điều kiện ......................................... 87 Hình 3.32. Mô hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất dựa vào CA_Markov ....... 88 Hình 3.33. Kết quả mô hình hóa biến đổi sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2015 ................................................................................................................. 89 Hình 3.34. Kiểm chứng kết quả mô hình hóa và bản đồ lớp phủ năm 2015 .. 90 Hình 3.35. Kết quả kiểm chứng kết quả mô hình hóa và bản đồ lớp phủ năm 2015 ................................................................................................................. 90 Hình 3.36. Kết quả dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2020 ............. 91 Hình 3.37. Kết quả dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2025 ............. 92 Hình 3.38. Biểu đồ thể hiện diện tích các loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ các năm 2005, 2010, 2015, 2020, 2025 .......................................................... 93 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Biến động sử dụng đất được công nhận là một trong những động lực quan trọng gây thay đổi môi trường toàn cầu hiện nay. Dưới sức ép của công nghiệp hóa, đô thị hóa và sự gia tăng dân số, những biến động trong sử dụng đất như chuyển đất rừng tự nhiên thành đất sản xuất nông nghiệp, một phần đất nông nghiệp lại được dùng để xây dựng khu dân cư, mở rộng đô thị... diễn ra nhanh chóng và rộng khắp.Việc nghiên cứu thực trạng và dự báo xu thế biến động sử dụng đất đóng vai trò quan trọng trong đề xuất các định hướng cho phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường. Nhiều cách tiếp cận mô hình mô phỏng sự biến động sử dụng đất chẳng hạn các mô hình toán, mô hình Markov - CA, mô hình đa tác tử, ... Mô hình hóa dựa trên phương pháp chuỗi Markov được kết hợp với Cellular Automata (CA) bởi tính linh hoạt của nó, được ứng dụng trong các nghiên cứu biến động sử dụng đất phục vụ nhu cầu thực tiễn. Phú Thọ là tỉnh trung du miền núi phía Bắc Việt Nam, có địa hình dốc, được chia thành nhiều khu vực đặc thù. Vùng núi cao phía tây và phía nam của Phú Thọ, tuy gặp một số khó khăn về việc đi lại, giao lưu song ở vùng này lại có nhiều tiềm năng phát triển lâm nghiệp, khai thác khoáng sản và phát triển kinh tế trang trại. Vùng gò, đồi thấp bị chia cắt nhiều, xen kẽ là đồng ruộng và dải đồng bằng ven sông Hồng, hữu Lô, tả Đáy, thuận lợi cho việc trồng các loại cây công nghiệp, phát triển cây lương thực và chăn nuôi. Định hướng sử dụng đất hợp lý, dựa trên khai thác thế mạnh tự nhiên và kinh tế xã hội, đảm bảo hiệu quả kinh tế cao và tính bền vững trong sử dụng đất. Nghiên cứu xu thế biến động sử dụng đất nhằm đưa ra các định hướng sử 2 dụng một cách có hiệu quả và hợp lý trong tương lai là một vấn đề cấp thiết cần được giải quyết tại tỉnh Phú Thọ. Xuất phát từ thực tế trên, đề tài luận văn thạc sỹ : “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tích hợp Markov – CA và GIS để dự báo biến động sử dụng đất tại tỉnh Phú Thọ” đã được lựa chọn nghiên cứu và hoàn thành. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ a. Mục tiêu Dự báo được xu thế biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ có căn cứ khoa học dựa trên kết hợp các kỹ thuật viễn thám, GIS và mô hình hóa Markov - CA. b. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Để đạt được mục tiêu nêu trên, các nhiệm vụ cụ thể sau cần được giải quyết: - Tổng quan tài liệu và xây dựng cơ sở lý luận về ứng dụng mô hình Markov - CA trong dự báo xu hướng biến động sử dụng đất. - Phân tích các nhân tố ảnh hưởng tới biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ. - Phân tích hiện trạng sử dụng đất tỉnh Phú Thọ giai đoạn 2005 - 2015 trên cơ sở tư liệu ảnh viễn thám. - Dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2025 trên cơ sở mô hình Markov - CA và GIS. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài • Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu của đề tài đóng góp vào hệ thống tri thức khoa học về tích hợp đa mô hình trong mô phỏng biến động sử dụng đất tại một khu vực cụ thể. • Ý nghĩa thực tiễn 3 - Kết quả nghiên cứu của đề tài cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý ra quyết định quy hoạch, sử dụng đất tại tỉnh Phú Thọ. Các yếu tố tự nhiên, kinh tế xã hội có ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất mà đề tài xác định được sẽ là cơ sở khoa học để cân nhắc giữa lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường khi chuyển đổi mục đích sử dụng đất trong điều kiện cụ thể ở tỉnh Phú Thọ. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Cơ sở lý luận về sử dụng đất 1.1.1. Sử dụng đất a. Sử dụng đất Sử dụng đất là hoạt động của con người tác động vào đất đai nhằm đạt kết quả mong muốn trong quá trình sử dụng. Theo FAO (1999), sử dụng đất được thực hiện bởi con người bao gồm các hoạt động cải tiến môi trường tự nhiên hoặc những vùng hoang vu vào sản xuất như đồng ruộng, đồng cỏ hoặc xây dựng các khu dân cư. Thực chất sử dụng đất là một hệ thống các biện pháp nhằm điều hòa mối quan hệ giữa con người với đất đai. Theo Đào Châu Thu và Nguyễn Khang (1998), có nhiều kiểu sử dụng đất bao gồm: sử dụng trên cơ sở sản xuất trực tiếp (cây trồng, đồng cỏ, gỗ rừng), sử dụng trên cơ sở sản xuất gián tiếp (chăn nuôi), sử dụng đất vì mục đích bảo vệ và theo các chức năng đặc biệt như đường xá, dân cư, công nghiệp. Con người sử dụng đất nghĩa là tạo thêm tính năng cho đất đồng thời cũng thay đổi chức năng của đất và môi trường. Vì vậy việc sử dụng đất phải được dựa trên những cơ sở khoa học và cân nhắc tới sự bền vững. Quản lý sử dụng đất là quá trình quản lý sử dụng và phát triển đất đai trong không gian theo định hướng và sự điều phối của chính sách đất đai hiện tại b. Nghiên cứu quản lý sử dụng đất đồi núi Việt Nam Đất đồi núi chiếm 3/4 diện tích tự nhiên của Việt Nam, là nơi sinh sống của đại đa số các dân tộc, đồng thời cũng là nơi đóng vai trò chính trong việc gìn giữ cân bằng sinh thái. Theo Nguyễn Văn Toàn (2010), Việt Nam có khoảng 24,1 triệu ha đất đồi núi, trong đó có 10,37 triệu ha có độ dốc >25o chiếm 43% diện tích đất đồi núi. Đất có độ dốc từ 15 – 25o có 5,35 triệu ha thích hợp cho trồng cây lâu năm theo phương pháp nông lâm kết hợp. Diện 5 tích đất có độ dốc dưới 15o là 8,2 triệu ha, phần lớn đã được khai thác sử dụng cho sản xuất nông nghiệp. Mặc dù diện tích đất đồi núi chiếm tỷ lệ lớn nhưng lại phải đối mặt với nhiều thách thức trong quá trình sử dụng. Theo Trần Đức Viên và Phạm Chí Thành (1996), khó khăn, hạn chế lớn nhất cho việc phát triển nông nghiệp trên vùng đất dốc là địa hình chia cắt mạnh, có nhiều núi cao, suối sâu, đèo dốc hiểm trở, độ dốc lớn với nhiều tiểu vùng sinh thái khác biệt, gây ra nhiều trở ngại như xói mòn, thoái hóa, hạn hán Nhóm nghiên cứu của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa đã xác định được trong 24,8 triệu ha đất dốc thì không có đơn vị đất đai nào rất thích hợp với sản xuất nông nghiệp (độ phì cấp 1), có 13,4% diện tích có độ phì nhiêu khá (cấp 2) thích hợp với sản xuất nông nghiệp, phân bố chủ yếu ở vùng Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ, Duyên hải Bắc Trung Bộ. Đất có độ phì nhiêu trung bình (cấp 3) chiếm 6,5%, đất có độ phì nhiêu kém do tầng đất mỏng (cấp 4) chiếm 3,7%, đất có độ phì nhiêu kém do độ dốc cao, nguy cơ xói mòn lớn (cấp 5) khoảng 8,3%. Còn lại là đất có độ phì nhiêu rất kém do độ dốc cao và nguy cơ xói mòn rất lớn, tầng đất rất mỏng và nhiều yếu tố hạn chế chiếm 68,1% diện tích đất dốc của 7 vùng sinh thái (Bùi Huy Hiền và cs., 2001). Để sử dụng đất đồi núi hiệu quả và bền vững, ngay từ những năm 1960 các cơ quan quản lý và nghiên cứu khoa học như Vụ Quản lý ruộng đất, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa và các nhà khoa học như Nguyễn Trọng Hà (1962); Bùi Quang Toản (1965); Bùi Mạnh và Nguyễn Xuân Cát (1970); Chu Đình Hoàng (1976); Thái Phiên (1999) đã nghiên cứu các biện pháp chống xói mòn và sử dụng đất hợp lý (dẫn theo Lê Thị Giang, 2012). Các công trình nghiên cứu đáng chú ý có thể kể đến nghiên cứu về đất trống đồi núi trọc của tỉnh Tuyên Quang (Nguyễn Đình Bồng, 1995); Kết quả nghiên cứu cải tạo, sử dụng và bảo vệ đất dốc trong sản xuất nông lâm nghiệp (Bùi Huy Hiền và nnk, 6 2001); Nghiên cứu về các yếu tố hạn chế năng suất cây trồng trên đất dốc và biện pháp khắc phục (Hà Đình Tuấn và nnk, 2001); Đất gò đồi Đông Bắc – Nghiên cứu hiện trạng và định hướng sử dụng (Nguyễn Văn Toàn, 2007). Trong những năm gần đây, nhiều cơ quan nghiên cứu trong nước và quốc tế đã phối hợp thực hiện những chương trình nghiên cứu về canh tác bền vững trên đất dốc. Một số dự án tiêu biểu bao gồm: Dự án nghiên cứu Hệ thống Nông nghiệp vùng núi phía Bắc Việt Nam do Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam (VASI), Viện Khoa học Kỹ thuật Nông lâm nghiệp miền núi phía Bắc (NOMAFSI), Trung tâm Hợp tác quốc tế về Nghiên cứu nông nghiệp vì sự phát triển của Cộng hoà Pháp (CIRAD) cùng Viện Nghiên cứu Lúa quốc tế (IRRI) thực hiện. Kết quả nghiên cứu sử dụng thảm che phủ tại một số tỉnh miền núi như Bắc Kạn, Yên Bái đã làm tăng năng suất cây trồng, giảm thiểu xói mòn, tăng độ ẩm đất. Ở các ô có che phủ, mức độ xói mòn đất giảm từ 73% đến 94% so với các ô không có che phủ. Ngoài ra thảm che phủ còn có tác dụng khống chế cỏ dại, cải thiện độ phì của đất, tăng cường hoạt tính sinh học đất (Hà Đình Tuấn và Lê Quốc Doanh, 2007). Tóm lại, đất đồi núi Việt Nam có tiềm năng khá lớn để phát triển nông nghiệp. Tuy nhiên để đạt được mục tiêu sử dụng đất bền vững thì công tác quản lý sử dụng đất phải đảm bảo các vấn đề sau: - Phải bảo vệ được nguồn tài nguyên rừng, đảm bảo độ che phủ thích hợp đối với từng vùng sinh thái để hạn chế suy thoái đất. - Đẩy mạnh các mô hình sản xuất nông nghiệp tiên tiến, sử dụng các kỹ thuật canh tác tiến bộ, phù hợp. - Sử dụng giống cây trồng thích hợp với điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng... đối với từng vùng. Phát triển chăn nuôi đại gia súc tại các vùng trọng điểm. 7 - Mở rộng hệ thống trồng trọt, chăn nuôi phải đi kèm với các cơ sở chế biến sau thu hoạch để giảm thiểu việc vận chuyển nguyên liệu thô, đảm bảo đầu ra cho sản phẩm nông nghiệp. - Từng bước cải thiện cơ sở hạ tầng vùng núi, hoàn thành công tác giao đất giao rừng, phát triển văn hóa xã hội khu vực đồi núi. 1.1.2. Cơ sở khoa học về biến động sử dụng đất và lớp phủ a. Khái niệm biến động sử dụng đất và lớp phủ Sử dụng đất và lớp phủ là hai thành phần liên kết với nhau, nhưng trong một thời gian dài đã được nghiên cứu một cách tách biệt. Lớp phủ là trạng thái tự nhiên của bề mặt đất, là mối quan tâm chủ yếu của các nhà khoa học tự nhiên, còn sử dụng đất là hoạt động của con người, mối quan tâm chủ yếu của các nhà khoa học xã hội (Meyer and Turner, 1994). Lớp phủ được định nghĩa là bề mặt tự nhiên trên bề mặt đất bao gồm nước, thực vật, đất trống và các công trình nhân sinh. Sử dụng đất là hoạt động có mục đích của con người thực hiện trên lớp phủ (IGBP, 1997). Điều đó có nghĩa là lớp phủ bề mặt có thể quan sát được ở những khoảng cách và bằng tư liệu khác nhau như quan sát bằng mắt, từ ảnh hàng không hay bởi bộ cảm biến vệ tinh (Ellis, 2010). Trái ngược với lớp phủ, sử dụng đất không dễ dàng quan sát được trong nhiều trường hợp, do vậy để xác định được đó là loại hình sử dụng đất nào cần phải bổ sung các thông tin. Ví dụ, để xác định đất trồng cỏ quan sát được có phải sử dụng cho mục đích chăn thả gia súc hay đồng cỏ tự nhiên thì người nông dân có thể cung cấp thông tin, sự có mặt của họ cùng với đàn gia súc sẽ quyết định đó là loại đất gì. Hay những khu vực mà lớp phủ là cây bụi, thân gỗ có thể là những khu vực cây bụi tự nhiên, có thể là rừng phục hồi, cũng có thể là rừng trồng để lấy gỗ, hay rừng cao su để sản xuất, hay khu vực đất nông nghiệp đang trong thời gian hoang hóa, hay là đồn điền chè, cà phê... 8 Theo Từ điển Khoa học trái đất "Biến động sử dụng đất và lớp phủ (LUCC), được biết như biến động đất đai, đây là một thuật ngữ chung chỉ những thay đổi bề mặt lãnh thổ trái đất xảy ra do tác động của con người” (dẫn theo Ellis, 2010). Sherbinin (2002) cho rằng, biến động sử dụng đất là nguyên nhân dẫn tới biến động lớp phủ, điều đó có nghĩa là biến động lớp phủ chính là hệ quả của biến động sử dụng đất. Biến động sử dụng đất là sự thay đổi trạng thái tự nhiên của lớp phủ bề mặt đất gây ra bởi hành động của con người, là một hiện tượng phổ biến liên quan đến tăng trưởng dân số, phát triển thị trường, đổi mới công nghệ, kỹ thuật và sự thay đổi thể chế, chính sách. Biến động sử dụng đất có thể gây hậu quả khác nhau đối với tài nguyên thiên nhiên như sự thay đổi thảm thực vật, biến đổi trong đặc tính vật lý của đất, trong quần thể động, thực vật và tác động đến các yếu tố hình thành khí hậu (Turner, 1995; Lambin, 1999; Aylward, 2000 dẫn theo Muller, 2004). Muller (2003) chia biến động sử dụng đất thành 2 nhóm. Nhóm thứ nhất là sự thay đổi từ loại hình sử dụng đất hiện tại sang loại hình sử dụng đất khác. Nhóm thứ hai là sự thay đổi về cường độ sử dụng đất trong cùng một loại hình sử dụng đất. Biến động sử dụng đất và lớp phủ đã xuất hiện từ lâu trong lịch sử, là hệ quả từ các hoạt động trực tiếp và gián tiếp của con người nhằm đảm bảo nhu cầu thiết yếu. Ban đầu có thể chỉ là các hoạt động đốt rừng để khai hoang mở rộng đất nông nghiệp, dẫn đến sự suy giảm rừng và thay đổi bề mặt trên trái đất. Gần đây, công nghiệp hóa đã làm gia tăng sự tập trung dân cư trong các đô thị và giảm dân cư nông thôn, kéo theo đó là khai thác quá tải trên khu vực đất màu mỡ và bỏ hoang các khu vực đất không thích hợp. Tất cả những nguyên nhân và hệ quả của các biến động này đều có thể nhìn thấy ở mọi nơi trên thế giới. 9 b. Những yếu tố ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất và lớp phủ Biến động sử dụng đất và lớp phủ được quyết định bởi sự tương tác theo thời gian giữa yếu tố tự nhiên như địa hình, khí hậu, thổ nhưỡng và yếu tố con người như dân số, trình độ công nghệ, điều kiện kinh tế, chiến lược sử dụng đất, xã hội .Mức độ, quy mô và các yếu tố ảnh hưởng đến sự biến động sử dụng đất khác nhau đối với từng khu vực. Briassoulis (2002) chia các yếu tố ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất thành 2 nhóm: Nhóm các yếu tố tự nhiên và nhóm các yếu tố kinh tế - xã hội. • Nhóm các yếu tố tự nhiên Các yếu tố tự nhiên như vị trí địa lý, địa hình, khí hậu, thổ nhưỡng,... và các quá trình tự nhiên có tác động trực tiếp đến biến động sử dụng đất hoặc tương tác với các quá trình ra quyết định của con người dẫn đến biến động sử dụng đất. - Vị trí địa lý: Vị trí địa lý của một khu vực tạo nên sự khác biệt về điều kiện tự nhiên như địa hình, khí hậu, đất đai sẽ là yếu tố quyết định đến khả năng, hiệu quả của việc sử dụng đất. Những khu vực có vị trí thuận lợi cho sản xuất, xây dựng nhà ở và các công trình thì biến động sử dụng đất diễn ra mạnh hơn. - Khí hậu: Khí hậu tác động trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp và điều kiện sống của con người. Khí hậu còn là một trong các nhân tố liên quan đến sự hình thành đất và hệ sinh thái vì thế nó ảnh hưởng đến sử dụng đất và biến động trong sử dụng đất. Khí hậu có ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố và phát triển nông lâm nghiệp. Việc chuyển đổi từ đất trồng cây hàng năm hoặc đất ven biển sang nuôi trồng thủy sản thì ngoài các lý do về nhu cầu của thị trường và giá cả, nếu điều kiện khí hậu thuận lợi sẽ thúc đẩy người dân chuyển đổi và ngược lại. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất theo nhiều cách khác nhau. Các hiện tượng như nước biển dâng, lũ lụt, 10 hạn hán, sự thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sinh thái và sản xuất nông nghiệp. Vì vậy, những thay đổi trong sử dụng đất dường như là một cơ chế phản hồi thích nghi mà người nông dân sử dụng để giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu . - Địa hình và thổ nhưỡng: Địa hình và thổ nhưỡng có ảnh hưởng rất lớn đến việc chuyển đổi sử dụng đất trong nội bộ đất nông nghiệp hoặc từ đất nông nghiệp sang đất phi nông nghiệp. Những khu vực núi cao, độ dốc lớn biến động sử dụng đất, lớp phủ ít xảy ra. Những nơi có địa hình thuận lợi, đất đai màu mỡ thì kinh tế phát triển, nhu cầu đất đai cho các ngành tăng cao do vậy biến động sử dụng đất, lớp phủ xảy ra với tần suất cao hơn. - Thủy văn: Yếu tố thủy văn được đặc trưng bởi sự phân bố của hệ thống sông ngòi, ao, hồ... ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng cung cấp nước cho các yêu cầu sử dụng đất. Vì vậy ở những khu vực gần nguồn nước biến động sử dụng đất và lớp phủ diễn ra mạnh hơn. - Ngoài ra các tai biến thiên nhiên như cháy rừng, sâu bệnh, trượt lở đất... cũng tác động đến biến động sử dụng đất • Nhóm các yếu tố kinh tế - xã hội Các yếu tố kinh tế - xã hội có ảnh hưởng trực tiếp đến biến động sử dụng đất bao gồm dân số, công nghệ, chính sách kinh tế, thể chế và văn hóa. Sự ảnh hưởng của mỗi yếu tố thay đổi khác nhau theo từng khu vực và từng quốc gia. - Dân số: Biến động dân số không chỉ bao gồm những thay đổi về tỷ lệ tăng dân số, mật độ dân số mà còn là sự thay đổi trong cấu trúc của hộ gia đình, di cư và sự gia tăng số hộ. Dân số tăng dẫn đến việc chuyển đổi đất rừng thành đất sản xuất nông nghiệp, xây dựng các khu dân cư. Mặc dù tỷ lệ tăng dân số hiện nay giảm nhưng dân số và nhu cầu về thực phẩm cũng như các dịch vụ khác vẫn đang gia tăng. 11 - Di cư: là yếu tố nhân khẩu học quan trọng nhất gây ra những thay đổi sử dụng đất nhanh chóng và tương tác với các chính sách của chính phủ, hội nhập kinh tế và toàn cầu hóa. Mở rộng di cư cũng có thể dẫn đến nạn phá rừng và xói mò...đất, lớp phủ và tác động của chúng có thể được sử dụng để thiết lập mối quan hệ nhân quả của biến động sử dụng đất trong quá khứ. Vì vậy mô hình là công cụ hữu ích cho người quản lý đất đai và hoạch định chính sách, cung cấp dự báo những thay đổi sử dụng đất trong tương lai. Mô hình biến động sử dụng đất và lớp phủ phụ thuộc vào chính trị, kinh tế, môi trường. Sau đó, những thay đổi trong sử dụng đất được sử dụng để khám phá tác động của chính sách và các yếu tố khác. Bằng cách sử dụng công cụ phân tích kịch bản mô hình sẽ đưa ra những hướng dẫn trong hoạch định chính sách và quản lý đất đai đối với các quyết định của nhà quản lý. Phương pháp phân tích thống kê không gian cho phép xác định mối tương quan giữa biến động sử dụng đất với các yếu tố địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội. Tùy thuộc vào đối tượng địa lý và cơ sở dữ liệu mà ta có thể sử 29 dụng các thuật toán và phương pháp thống kê không gian khác nhau: định lượng (xác định tuyệt đối bằng các chỉ số) hay bán định lượng (xác định tương đối thông qua phân cấp theo thứ bậc cao thấp). Trong đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiệu quả bảo vệ đất và biến động sử dụng đất” G. Siebielec và ctv đã báo cáo tóm tắt kết quả phân tích về mối quan hệ giữa chính sách bảo vệ sử dụng đất hiện tại của chính phủ và thay đổi sử dụng đất tại các khu vực thử nghiệm được lựa chọn từ năm 1990-1992 và 2006-2007 dựa vào ảnh vệ tinh SPOT và các bản đồ sử dụng đất của 7 thành phố đại diện cho Đức, Cộng hòa Séc, Ba Lan, Slovakia, Áo và Italy (Milan, Bratislava, Wroclaw, Prague, Stuttgart, Salzburg, Vienna) kết quả phân tích cho thấy đất được mở rộng bề mặt nhân tạo diễn ra chủ yếu trên các vùng đất canh tác. Hệ thống quản lý đất trong các thành phố không có hiệu quả bảo vệ đất tốt nhất cho đến năm 2006. Không có xung đột mạnh mẽ giữa các mục tiêu và nhu cầu bảo vệ đất liên quan đến phát triển kinh tế của thành phố. Kết hợp GIS và chuỗi Mackov thì đề tài “The Assessment and Predicting of Land Use Changes to Urban Area Using Multi-Temporal Satellite Imagery and GIS: A Case Study on Zanjan, IRAN (1984-2011)” Mohsen Ahadnejad Reveshty đã có kết quả phân loại độ che phủ đất cho 3 thời điểm khác nhau về biến động sử dụng đất bên cạnh kết hợp chuỗi Makov để dự báo tác động của con người về biến đổi sử dụng đất đến năm 2020 trong khu vực Zanjan. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy khoảng 44 % tổng diện tích bị thay đổi sử dụng đất, ví dụ như thay đổi đất nông nghiệp, vườn cây ăn quả và đất trống để định cư , xây dựng công nghiệp khu vực và đường cao tốc. Mô hình cây trồng cũng thay đổi, chẳng hạn như đất vườn sang đất nông nghiệp và ngược lại. Những thay đổi được đề cập đã xảy ra trong vòng 27 năm qua tại thành phố Zanjan và khu vực xung quanh. 30 Đề tài “Mô hình Markov về biến động sử dụng tại khu vực đô thị giai đoạn 1958-2005”, tác giả ứng dụng một mô hình chuỗi Markov ước tính cho khu vực đô thị Hoa Kỳ (Twin Cities). Sử dụng một tập hợp các dữ liệu trong giai đoạn lớn từ giữa năm 1958 đến 2005, để dự đoán tình hình sự dụng đất hiện tại và sau đó sử dụng để dự báo trong tương lai . Với đề tài “Assessing Applycation Of Markov Chain Analysis Inpredicting Land Cover Change: A Case Study Of Nakuru Municipality”, trong nghiên cứu này, sự kết hợp của vệ tinh viễn thám, hệ thống thông tin địa lý (GIS), và chuỗi Markov đã được sử dụng trong phân tích và dự đoán thay đổi sử dụng đất. Kết quả cho thấy tình hình phát triển đô thị không đồng đều, diện tích đất rừng bị mất mát đáng kể và quá trình thay đổi sử dụng đất đã không ổn định. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tích hợp của vệ tinh viễn thám và GIS có thể là một phương pháp hiệu quả để phân tích các mô hình không gian-thời gian của sự thay đổi sử dụng đất. Hội nhập sâu hơn của hai kỹ thuật này với mô hình Markov đã hỗ trợ hiệu quả trong việc mô tả, phân tích và dự đoán quá trình biến đổi sử dụng đất. Kết quả dự đoán về sử dụng đất cho năm 2015 là sự gia tăng đáng kể của đất đô thị và nông nghiệp. Nhiều nghiên cứu gần đây sử dụng chuỗi Markov để dự đoán sử dụng đất đã tìm cách để mở rộng phạm vi áp dụng của các mô hình. Turner so sánh kết quả của một mô hình chuỗi Markov với hai mô hình mô phỏng không gian khác nhau để dự báo những thay đổi lâu dài vùng Piedmont phía bắc Georgia. McMillen và McDonald đã chứng minh các khớp nối của chuỗi Markov với các mô hình hồi quy để ước tính ảnh hưởng của giá trị đất trên phân vùng thay đổi mà họ ước tính một chức năng để dự đoán giá trị đất, sau đó phục vụ như giải thích cho các xác suất chuyển đổi của một ma trận thay đổi sử dụng đất. Weng tích hợp việc sử dụng các hệ thống thông tin địa lý và khả năng viễn thám với một mô hình chuỗi Markov để dự đoán những hậu 31 quả sử dụng đất có thể có của đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng ở đồng bằng sông Zhujiang của Trung Quốc. Cuối cùng, Levinson và Chen cung cấp một mô hình chuỗi Markov thay đổi sử dụng đất trong khu vực Twin Cities. 1.3.2. Tại Việt Nam 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 đồ Nhà 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 32 nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất với rất nhiều công cụ trong đó có GIS. Chẳng hạn đề tài “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 33 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 thị không 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. 34 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 tố ảnh 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 2.3.1. Phương pháp phân tích và tổng quan tài liệu 35 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, thổ nhưỡng,...), 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 36 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 để có 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: 37 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 38 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 Thọ như sau: TDB1 = 2015 + (2015 - 2010) = 2020 (2.5) TDB2 = 2015 + (2015 - 2005) = 2025 - Giới thiệu chung về phần mềm Idrisi Selva và một số modul 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. 39 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 40 đa chỉ tiêu (Multi Criteria Evaluation - MCE) nhằm gia tăng độ chính xác của kết quả mô hình hóa. Hình 2.4. Module MARKOV - CA trên Idrisi Selva 41 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Các yếu tố ảnh 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 * Vị trí địa lý 42 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 tự nhiên 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 vị trí địa lý mang ý nghĩa là trung tâm tiểu vùng Tây - Đông - Bắc; cách trung tâm Thủ đô 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 Thọ đi 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 Thọ đi Yên Bái, Sơn La; đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai; đường Hồ Chí 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 43 núi cao và miền núi thấp, gò đồi, độ cao giảm dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam. Căn cứ vào 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, mưa nhiều, hướng gió thịnh hành là gió mùa Đông Nam; mùa đông lạnh, khô, lượng mưa ít, hướng gió thịnh hành là gió mùa Đông Bắc. Nhiệt độ bình quân 230C, tổng lượng mưa trung bình biến đổi từ 1.600 – 2.000 mm/năm tập trung chủ yếu vào mùa mưa chiếm 86 - 87% tổng lượng mưa trong năm; độ ẩm không khí trung bình hàng năm là 80 – 90%, giờ nắng trung bình hàng năm 1.520 giờ, lượng bốc hơi trung bình năm khoảng 800 mm. Nhìn chung, khí hậu Phú Thọ phù hợp cho việc sinh trưởng và phát triển đa dạng hóa các loại cây trồng nhiệt đới, á nhiệt đới và chăn nuôi gia súc, khả năng cho năng suất và chất lượng cao. Tuy nhiên, do lượng mưa tập 44 trung vào mùa hè là điều kiện hình thành lũ cường ở những vùng đất dốc, gây khó khăn cho canh tác và đời sống nhân dân. Vùng miền núi phía Tây thường xuất hiện sương muối vào mùa đông nên tác động xấu tới sinh trưởng của cây trồng, vật nuôi và đời sống con người. Để khắc phục hạn chế này cần giải quyết tốt về thủy lợi và bố trí cơ cấu cây trồng phù hợp với từng vùng. - Thủy văn: Nằm ở trung lưu của hệ thống sông Hồng, Phú Thọ có hệ thống sông suối khá dày đặc với 3 con sông lớn là sông Hồng, sông Đà và sông Lô chịu ảnh hưởng điều tiết của hồ Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà; ngoài ra còn có hàng chục sông, suối nhỏ đã tạo ra nguồn cung cấp nước dồi dào cho sản xuất và sinh hoạt của nhân dân. + Sông Đà: Lưu vực khoảng 52.900 km2, chảy qua tỉnh Phú Thọ từ Tinh Nhuệ (Thanh Sơn) đến Hồng Đà (Tam Nông) dài 43,5 km, diện tích lưu vực trong tỉnh 367,4 km2, các ngòi chính gồm ngòi Lạt, ngòi Cái, suối Rồng. + Sông Hồng: Có lưu vực đến Việt Trì khoảng 51.800 km2, chiều dài chảy qua tỉnh Phú Thọ từ Hậu Bổng (Hạ Hòa) đến Bến Gót (Việt Trì) là 109,5 km, diện tích lưu vực trong tỉnh 2.639,3 km2 chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam. Các sông nhỏ, ngòi chính gồm ngòi Vần, ngòi Mỹ, ngòi Lao, ngòi Giành, ngòi Me, ngòi Cỏ, sông Bứa và... + Sông Lô: Có lưu vực đến Việt Trì khoảng 39.040 km2, chiều dài chảy qua địa phận Phú Thọ từ Chí Đám (Đoan Hùng) đến Bến Gót (Việt Trì) là 73,5 km, chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam gần như song song với sông Hồng, diện tích lưu vực trong tỉnh 502,8 km2; các sông nhỏ, ngòi chính gồm sông Chảy, ngòi Rượm, ngòi Dầu, ngòi Tiên Du và ngòi Tranh. + Hệ thống sông ngòi nội địa: Ngoài 2 chỉ lưu lớn là sông Chảy và sông Bứa đổ vào 3 sông lớn, trong tỉnh còn có rất nhiều suối, ngòi với mật độ dày 45 đặc. Tổng cộng có 72 con suối, ngòi chảy vào sông Đà, sông Hồng, sông Lô với chiều dài ≥ 10km, mật độ trung bình sông nhỏ từ 0,5 – 1,5 km/km2. + Hệ thống hồ đập: Toàn tỉnh có 1.341 hồ, đập, phai dâng lớn nhỏ, trong đó 04 hồ dung tích từ 3 đến 10 triệu m3, 9 hồ chứa có dung tích từ 1 triệu m3 đến dưới 3 triệu m3. Bảng 3.1. Đặc trưng hình thái sông trên địa bàn tỉnh Phú Thọ Tên Sông Độ cao đầu nguồn (m) Diện tích lưu vực (km2) F lưu vực đến trạm TV Chiều dài (km) Độ rộng L/v TB (km) Độ cao L/v TB (m) Độ dốc TB L/v (%) Mật độ lưới 45ong (km/km2) Đà >1500 52900 52900 1010 76 965 36,8 > 1,00 Bứa 850 1370 1190 100 17,9 302 22,2 1,03 Thao > 2000 51800 51400 902 647 29,9 1,00 Lô > 2000 39000 39000 470 884 19,7 0,98 Chảy 300 6500 6170 319 26,0 858 24,6 1,09 (Nguồn: Dự án “Khảo sát, đánh giá hiện trạng – Đề xuất các giải pháp quản lý khai thác, sử dụng và bảo vệ nguồn tài nguyên nước tỉnh Phú Thọ) b. Tài nguyên thiên nhiên * Tài nguyên đất: Tổng diện tích tự nhiên của toàn tỉnh là 353.455,57 ha, trong đó: - Diện tích đất nông nghiệp 297.175,42 ha, chiếm 84,08% diện tích tự nhiên; - Diện tích đất phi nông nghiệp 53.616,76 ha, chiếm 15,17% diện tích đất tự nhiên; - Diện tích chưa sử dụng 2.663,38 ha, chiếm 0,75% diện tích đất tự nhiên. 46 Bảng 3.2. Hiện trạng sủ dụng đất tỉnh Phú Thọ ( tính đến 31/12/2016) Tổng số (ha) Cơ cấu (%) TỔNG DIỆN TÍCH 353.455,57 100 A. ĐẤT NÔNG NGHIỆP 297.175,42 84,08 I. Đất sản xuất nông nghiệp 118.398,45 33,5 1. Đất trồng cây hàng năm 62.977,76 17,82 1.1. Đất trồng lúa 46.862,95 13,26 1.2. Đất trồng cây hàng năm khác 16.114,81 4,56 2. Đất trồng cây lâu năm 55.420,69 15,68 II. Đất lâm nghiệp 170.609,01 48,27 1. Đất rừng sản xuất 120.672,36 34,14 2. Đất rừng phòng hộ 33.515,03 9,48 3. Đất rừng đặc dụng 16.421,62 4,65 III. Đất nuôi trồng thuỷ sản 7.987,59 2,26 IV. Đất nông nghiệp khác 180,37 0,05 B. ĐẤT PHI NÔNG NGHIỆP 53.616,76 15,17 I. Đất ở 10.521,27 2,98 1. Đất ở tại đô thị 1.501,99 0,42 2. Đất ở tại nông thôn 9.019,28 2,55 II. Đất chuyên dùng 25.666,01 7,26 1. Đất trụ sở cơ quan, CT sự nghiệp 1.481,11 0,42 2. Đất an ninh, quốc phòng 3.479,28 0,98 3. Đất SXKD phi nông nghiệp 3.421,22 0,97 3.1. Đất khu cụm CN, khu CX, TMDV 1.002,25 0,28 3.2. Đất cơ sở sản xuất phi nông nghiệp 1.154,60 0,33 3.3. Đất hoạt động khoáng sản 787,31 0,22 3.4. Đất SX vật liệu xây dựng, SX đồ gốm 477,06 0,14 4. Đất có mục đích công cộng 17.284,41 4,89 4.1. Đất giao thông 12.834,50 3,63 4.2. Đất thuỷ lợi 3.721,32 1,05 4.3. Đất công trình NL, truyền thông 61,69 0,01 4.4. Đất có di tích lịch sử, văn hoá 146,45 0,05 4.5. Đất sinh hoạt cộng đồng 213,2 0,06 4.6. Đất khu vui chơi giải trí công cộng 127,31 0,04 4.7. Đất bãi thải, xử lý chất thải 90,27 0,03 4.8. Đất chợ và công cộng khác 89,68 0,02 47 III. Đất tôn giáo, tín ngưỡng 234,82 0,06 IV. Đất nghĩa trang, nghĩa địa 1.398,04 0,4 V. Đất sông suối và mặt nước chuyên dùng 15.770,68 4,46 VI. Đất phi nông nghiệp khác 25,94 0,01 C. ĐẤT CHƯA SỬ DỤNG 2.663,38 0,75 (Nguồn: Báo cáo kết quả thống kê đất đai năm 2016 của tỉnh Phú Thọ) * Tài nguyên nước: - Nguồn nước mặt: Với diện tích lưu vực của 3 con sông lớn đã có 14.575 ha, chứa một khối lượng nước mặt rất lớn. Sông Hồng có chiều dài qua tỉnh 109,5 km, lưu lượng nước cực đại, có thể đạt 18.000 m3/s; sông Đà qua tỉnh 41,5 km, lưu lượng nước cực đại 8.800 m3/s; sông Lô qua tỉnh 73,5 km, lưu lượng nước cực đại 6.610 m3/s và 130 sông suối nhỏ và 1.341 hồ, đập, phai dâng lớn nhỏ phân bố đều khắp địa bàn, trong đó có 04 hồ dung tích từ 3 đến 10 triệu m3 và 09 hồ chứa có dung tích từ 1 triệu m3 đến dưới 3 triệu m3. Lượng nước mặt rất dồi dào, bảo đảm cung cấp nước cho phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh. - Nguồn nước ngầm: Trữ lượng khai thác nước ngầm trên 1,4 triệu m3/ngày, trong đó phần trữ lượng đã được đánh giá ở một số khu vực cấp A, B là 140.000 m3/ngày, cấp C1 là 98.000 m3/ngày. Đặc biệt ở La Phù - Bảo Yên có mỏ nước khoáng nóng có chất lượng đạt tiêu chuẩn Quốc tế, mở ra triển vọng cho phát triển ngành du lịch nghỉ dưỡng, chữa bệnh với quy mô lớn. * Tài nguyên rừng: Rừng của Phú Thọ có cả 3 dạng: rừng phòng hộ, rừng đặc dụng và rừng sản xuất với hệ động thực vật rừng khá phong phú và đa dạng về chủng loài. Đất có rừng trên địa bàn toàn tỉnh là 185.799,7 ha được phân chia theo chức năng sử dụng cụ thể trong Bảng 3.3: 48 Bảng 3.3. Hiện trạng rừng theo chức năng sử dụng Loại đất loại rừng Phân theo chức năng (ha) Tổng Đặc dụng Phòng hộ Sản xuất I. Đất có rừng 185.797 15.614,5 30.647,6 139.5,6 A. Rừng tự nhiên 64.0972 12.162,5 25.756,4 26.17,3 1. Rừng gỗ 40.8417 8.486,9 18.330,8 14,02.0 2. Rừng tre nứa 16.31,4 995,6 6.557,8 8.757,0 3. Rừng hỗn giao 3.585,5 446,5 438,9 2.700,1 4. Rừng núi đá 3.359,6 2.233,5 428.9 697.2 B. Rừng trồng 120.0,3 3.452,0 4.891,2 111.651 1. RT có trữ lượng 70.04,1 2.316,7 2.144,6 65.58,8 2. RT chưa có trữ lượng 47.20,6 1.135,3 2.746,6 43.31,7 3. Tre luồng 2.754,6 2.754,6 C. Rừng trồng cây công nghiệp, đặc sản 1.701,2 1.701,2 1. Rừng trồng cây cao su 188,0 188,0 2. Cây đặc sản 1.513,2 1.513,2 II. Đất trống, đồi núi không có rừng 9.999,4 1.687,2 2.849,3 5.462,9 (Nguồn: Chi cục Lâm nghiệp tỉnh Phú Thọ 2015) Trong tổng số 17.301 ha rừng đặc dụng, có: 16.578 ha đất lâm nghiệp: 723 ha, đất ngoài lâm nghiệp. Các khu vực rừng đặc dùng cần được bảo tồn nghiêm ngặt đó là: Vườn quốc gia Xuân Sơn 15.048 ha, Khu rừng Quốc gia Đền Hùng 538 ha; Khu cảnh quan Núi Nả huyện Hạ Hòa 670 ha. 49 Thực vật rừng đặc dụng có 2.245 loài, 1.164 chi và 399 họ; 71 loài thực vật quý hiếm. Động vật có 514 loài, 115 họ và 36 bộ; 52 loài động vật quý hiếm. Đối với rừng sản xuất: hiện tại chương trình dự án trồng rừng sản xuất giai đoạn 2011-2014 của tỉnh đã trồng được 12.886 ha đạt 97,4% so với kế hoạch (giai đoạn 2011 – 2015 là 16.461,5 ha) nâng tỷ lệ độ che phủ rừng năm 2014 đạt 50,6%. * Tài nguyên khoáng sản: Phú Thọ có một số loại khoáng sản lớn có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tế, theo số liệu báo cáo Quy hoạch thăm dò, khai thác, sử dụng khoáng sản trên địa bàn tỉnh Phú Thọ đến năm 2020, định hướng đến năm 2030, trên địa bàn tỉnh Phú Thọ có hơn 300 mỏ và điểm khoáng sản các loại gồm: uranium - thori, asbest, than nâu, sắt, chì - kẽm, vàng, caolanh, felspat, barit, talc, quarzit, mica, graphit, pyrit, puzơlan, serpentin, vermiculit, silic, photphorit, đá vôi xi măng, sét xi măng, dolomit, đá ốp lát, đá quý và bán quý, đá vôi làm vật liệu xây dựng thông thường, cát kết, than bùn, đá ong, cuội sỏi, cát xây dựng, sét gạch ngói, đá bazan, nước khoáng nóng. Các loại khoáng sản trên địa bàn tỉnh đã được UBND tỉnh cấp phép tính đến năm 2014 gồm có 131 mỏ phân theo loại khoáng sản như sau: - Caolin Fenspat : 12 mỏ - Đá xây dựng. ximăng: 40 mỏ - Quaczit 02 mỏ - Sét gạch ngói : 34 mỏ - Dolomit talc : 04 mỏ - Nước khoáng nóng: 01 mỏ - Secpentin 01 mỏ - Cát sỏi lòng sông : 23 mỏ - Quặng sắt : 13 mỏ - Than nâu : 01 mỏ Khoáng sản trên địa bàn tỉnh được phân theo các vùng chủ yếu như: Mica, Caolin, Felspat ở Thanh Thủy, Tam Nông, Hạ Hòa; Talc, Sắt, Quaczit và Barit ở Thanh Sơn... 50 Bảng 3.4 Sản lượng khai thác một số loại tài nguyên trên địa bàn tỉnh Phú Thọ TT Loại khoáng sản ĐVT Sản lượng khoáng sản khai thác Năm 2011 Năm 2012 Năm 2013 Năm 2014 1 Caolin tấn 314.070 314.070 298.653 596.752,8 2 Khoáng chất tấn 61.950 61.950 90.159 61.552 3 Sắt tấn 111.980 254.980 252.986 114.986 4 Đá xây dựng m3 755.400 1.155.400 852.481 1.099.353 5 Sét, gạch ngói m3 1.114.740 1.114.740 1.204.725 2.040.492 6 Cát sỏi m3 176.400 276.400 182.200 99.684 7 Nước khoáng m3 1.400 1.400 1.400 1.465 (Nguồn: Phòng Quản lý Khoáng sản - Sở TN&MT tỉnh Phú Thọ 2015) 3.1.2. Nguồn lực k... hóa chất độc hại, gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm; môi trường nước, chất lượng nước nhiều khu vực sản xuất công nghiệp đã bị ô nhiễm, một số vùng nước ngầm có nguy cơ bị cạn kiệt; tài nguyên rừng vẫn tiềm ẩn nguy cơ bị xâm hại. Trong khi nguồn đầu tư cho công tác bảo vệ môi trường còn hạn hẹp và chưa đáp ứng được yêu cầu. - Kinh tế phát triển chưa vững chắc, chuyển dịch cơ cấu kinh tế và cơ cấu lao động còn chậm, chưa tạo được đột phá trong phát triển công nghiệp, 60 dịch vụ; chất lượng, hiệu quả, sức cạnh tranh của nền kinh tế thấp, chưa tương xứng với tiềm năng. Liên kết phát triển kinh tế giữa các vùng trong tỉnh còn hạn chế, lợi thế trung tâm kinh tế vùng chưa phát huy được hiệu quả. - Trong nông nghiệp, trừ cây chè và cây nguyên liệu giấy phát triển tương đối tập trung, còn lại sản xuất nông nghiệp vẫn nhỏ lẻ, manh mún, tính liên doanh, liên kết chưa cao; sản xuất chưa gắn với thị trường tiêu thụ; kinh tế trang trại, gia trại chậm phát triển; chưa hình thành được những vùng sản xuất chuyên canh lớn để thúc đẩy nền sản xuất hàng hóa phát triển. - Quy mô sản xuất công nghiệp nhỏ, ứng dụng tiến bộ khoa học, công nghệ mới, thiết bị hiện đại vào sản xuất công nghiệp còn hạn chế, chưa thực sự hình thành được những sản phẩm mũi nhọn, có tính đột phá, cũng như những sản phẩm có tính cạnh tranh cao trên thị trường tiêu thụ trong nước và quốc tế để tạo nguồn thu cho ngân sách; chưa gắn chặt sản xuất với xuất khẩu; hàng hóa chủ yếu xuất khẩu ở dạng nguyên liệu, giá trị thấp, kiểu dáng quy cách, chất lượng sản phẩm chưa cao. - Kết cấu hạ tầng có bước phát triển khá nhưng còn thiếu đồng bộ, chất lượng thấp chưa đáp ứng yêu cầu. Hạ tầng kinh tế, hạ tầng kỹ thuật và hạ tầng xã hội các huyện miền núi còn thiếu và chưa đồng bộ, mức độ đáp ứng yêu cầu về sản xuất và đời sống nhân dân còn hạn chế. Vùng miền núi cao, vùng sâu, vùng xa địa hình chia cắt tương đối phức tạp, dân cư thưa thớt, suất đầu tư cao nên khả năng thu hút đầu tư cũng gặp nhiều khó khăn. 3.2. Đánh giá hiện trạng sử dụng đất giai đoạn 2005 – 2015 trên cơ sở tư liệu ảnh viễn thám 3.2.1. Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015 Việc xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015 được thực hiện trên phần mềm Envi 4.8 sử dụng các ảnh Vệ tinh 61 Landsat khu vực tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015 được download từ https://earthexplorer.usgs.gov/ . a. Xây dựng hệ thống chú giải lớp phủ mặt đất Qua thực tế nghiên cứu ở khu vực và dựa vào tư liệu viễn thám là ảnh LANDSAT, hệ thống chú giải bao gồm các đơn vị sau: Bảng 3.7. Hệ thống chú giải của ảnh lớp phủ mặt đất STT Lớp phủ 1 Rừng kín 2 Rừng trung bình 3 Rừng thưa 4 Cây bụi 5 Mặt nước 6 Đất xây dựng 7 Đất trống Trên cơ sở các đối tượng thuộc lớp phủ mặt đất đã được xác định, tiến hành xây dựng thư viện mẫu phục vụ công tác phân loại. Nội dung này được thực hiện dựa trên cơ sở phân tích cấu trúc ảnh vệ tinh kết hợp với ảnh chụp ngoài thực địa. Kết quả là đã xây dựng được hệ thống mẫu - chìa khóa giải đoán ảnh Landsat khu vực nghiên cứu. 62 a) Năm 2005 b) Năm 2010 c) Năm 2015 Hình 3.2. Ảnh LandSat khu vực tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010, 2015 63 Bảng 3.8. Hệ thống mẫu giải đoán ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu STT Đối tượng Ảnh thực địa Vùng mẫu 1 Rừng kín 2 Rừng trung bình 3 Rừng thưa 4 Cây bụi 5 Mặt nước 6 Đất xây dựng 7 Đất trống 64 b. Phân loại ảnh vệ tinh tỉnh Phú Thọ các năm 2005, 2010, 2015 - Sử dụng hệ thống mẫu giải đoán (trong bảng 3.8), tiến hành phân loại từng năm ảnh sử dụng phương pháp phân loại theo Xác suất cực đại (Maximum Likelihood) để phân loại cho ảnh Landsat khu vực tỉnh Phú Thọ. - Tiến hành chọn mẫu dựa trên việc phân tích đường cong phổ của các đối tượng trên ảnh để kết quả phân loại được chính xác (hình 3.3). Hình 3.3. Quá trình chọn mẫu và phân loại ảnh vệ tinh tỉnh Phú Thọ 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 để có được kết quả cuối cùng (xem Hình 3.4). 65 Hình 3.4. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005, 2010 và 2015 3.2.2. Đánh giá hiện trạng sử dụng đất giai đoạn 2005 - 2015 a. Hiện trạng sử dụng đất năm 2005 7 lớp đối tượng trên bản đồ 1. Rừng kín 2. Rừng trung bình 3. Rừng thưa 4. Cây bụi 5, Mặt nước 6. Đất xây dựng 7. Đất trống 66 Đánh giá hiện trạng sử dụng đất tỉnh Phú Thọ trên cơ sở bản đồ lớp phủ năm 2005 bao gồm 7 lớp đối tượng : Rừng kín, Rừng trung bình, Rừng thưa, Cây bụi, Mặt nước, Đất xây dựng và Đất trống. Tổng diện tích tự nhiên tỉnh Phú Thọ năm 2005 là 353.011,68 ha. Diện tích rừng là 252371,52 ha chiếm 72% tổng DTTN toàn tỉnh trong đó, diện tích rừng kín là 45632,88 ha chiếm 13% tổng DTTN, diện tích rừng trung bình là 34461,09 ha chiếm 10% tổng DTTN, diện tích rừng thưa là 172277,55 ha chiếm 49% tổng DTTN. Diện tích đất xây dựng khá thấp là 9034,02 ha chỉ chiếm 2% tổng DTTN. Diện tích đất trống còn khá lớn 62584,02 ha chiếm tới 18% tổng DTTN. Còn lại, diện tích cây bụi là 10194,66 ha chiếm 3% tổng DTTN và diện tích mặt nước là 18827,46 ha chiếm 5% tổng DTTN. Hình 3.5. Biểu đồ tỷ lệ các lớp đối tượng sử dụng đất năm 2005 67 Hình 3.6. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2005 68 b. Hiện trạng sử dụng đất năm 2010 Đánh giá hiện trạng sử dụng đất tỉnh Phú Thọ trên cơ sở bản đồ lớp phủ năm 2010 bao gồm 7 lớp đối tượng : Rừng kín, Rừng trung bình, Rừng thưa, Cây bụi, Mặt nước, Đất xây dựng và Đất trống. Tổng diện tích tự nhiên tỉnh Phú Thọ năm 2010 là 353015,28 ha trong đó, diện tích rừng thay đổi không đáng kể, diện tích rừng kín là 41586,52 ha chiếm 12% tổng DTTN, diện tích rừng trung bình là 36508,14 ha chiếm 10% tổng DTTN, diện tích rừng thưa là 170745,62 ha chiếm 48% tổng DTTN. Diện tích đất xây dựng tăng lên là 27728,46 ha chiếm 8% tổng DTTN. Diện tích đất trống giảm còn 44891,01 ha chiếm 13% tổng DTTN. Còn lại, diện tích cây bụi là 16336,26 ha chiếm 5% tổng DTTN và diện tích mặt nước giảm còn 15219,27 ha chiếm 4% tổng DTTN. Hình 3.7. Biểu đồ tỷ lệ các lớp đối tượng sử dụng đất năm 2010 69 Hình 3.8. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2010 70 c. Hiện trạng sử dụng đất năm 2015 Đánh giá hiện trạng sử dụng đất tỉnh Phú Thọ trên cơ sở bản đồ lớp phủ năm 2015 bao gồm 7 lớp đối tượng : Rừng kín, Rừng trung bình, Rừng thưa, Cây bụi, Mặt nước, Đất xây dựng và Đất trống. Tổng diện tích tự nhiên tỉnh Phú Thọ năm 2015 là 353028,65 ha. Diện tích rừng tăng mạnh, diện tích rừng kín là 43599,57 ha chiếm 13% tổng DTTN, diện tích rừng trung bình là 36495,09 ha chiếm 10% tổng DTTN, diện tích rừng thưa là 178744,27 ha chiếm 51% tổng DTTN. Diện tích đất xây dựng tăng lên là 41475,58 ha chiếm 12% tổng DTTN. Diện tích đất trống giảm còn 24048,27 ha chỉ chiếm 7% tổng DTTN. Còn lại, diện tích cây bụi là 14446,96 ha chiếm 4% tổng DTTN và diện tích mặt nước là 14218,91 ha chiếm 4% tổng DTTN. Hình 3.9. Biểu đồ tỷ lệ các lớp đối tượng sử dụng đất năm 2015 71 Hình 3.10. Bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2015 d. Biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ giai đoạn 2005-2010-2015 72 Bảng 3.9. Bảng biến động diện tích đất đai tỉnh Phú Thọ Loại hình sdđ Diện tích(ha) So sánh diện tích các năm Năm 2005 Năm 2010 Năm 2015 2005-2010 2010-2015 2005-2015 Rừng kín 45632,88 41586,52 43599,57 -4046,36 2013,05 -2033,31 Rừng t.bình 34461,09 36508,14 36495,09 2047,05 -13,05 2034,00 Rừng thưa 172277,55 170745,62 178744,27 -1531,93 7998,65 6466,72 Cây bụi 10194,66 16336,26 14446,96 6141,6 -1889,30 4252,30 Mặt nước 18827,46 15219,27 14218,91 -3608,19 -1000,36 -4608,55 Đất x.dựng 9034,02 27728,46 41475,58 18694,44 13747,12 32441,56 Đất trống 62584,02 44891,01 24048,27 -17693,01 -20842,74 -38535,75 So với năm 2005, diện tích các loại rừng và cây bụi năm 2015 có xu hướng gia tăng, trong đó, diện tích rừng thưa tăng 6.466,72ha; diện tích rừng trung bình tăng 2.034ha; diện tích cây bụi tăng 4.252,3ha; chỉ có diện tích rừng kín giảm 2.033,31ha do chuyển đổi sang các loại đất khác. Diện tích đất xây dựng tăng 32.441,56ha; đến năm 2015 có 41.475,58ha đất xây dựng chiếm 12% tổng DTTN toàn tỉnh. Diện tích đất mặt nước giảm 4.608,55ha. Diện tích đất trống cũng giảm mạnh 38.535,75ha; đến năm 2015 chỉ còn 24.048,27ha. 3.3. Dự báo biến động sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 - 2025 3.3.1. Quy trình nghiên cứu Trên cơ sở kết quả đánh giá biến động sử dụng đất khu vực nghiên cứu giai đoạn 2005 - 2015, công trình đã ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov và Mạng tự động nhằm dự báo thay đổi sử dụng đất tới năm 2025. Bài toán mô hình hóa thay đổi sử dụng đất tỉnh Phú Thọ tới năm 2020 và 2025 dựa trên nguồn tư liệu không gian chính là bản đồ hiện trạng sử dụng đất các năm 2005, 2010 và 2015. Nội dung các bước tiến hành mô hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất cụ thể như sau: 73 Hình 3.11. Quy trình dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu - 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. Sở dĩ mốc thời điểm dự báo là năm 2020 và 2025 là dựa trên việc tính toán ma trận chuyển đổi Markov để xác định ra bước nhảy thời gian (time steps) cho quá trình đánh giá. Đồng thời những mốc thời gian này cũng trùng với kế hoach, quy hoạch sử dụng đất với chu kỳ 5 năm được công bố của địa phương để kiểm chứng chính mức độ chính xác của kết quả dự báo. 74 Trên cơ sở kết quả dự báo của mô hình Mốc thời gian dự báo 2020 được xác định bằng cách tính khoảng thời gian giữa năm 2010 và 2015 (5 năm), cụ thể theo công thức như sau: TDB = TCT + (TCT - TCD) 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 Thọ như sau: TDB1 = 2015 + (2015 - 2010) = 2020 TDB2 = 2015 + (2015 - 2005) = 2025 - Phân cấp mức độ thích hợp (suitability): Phân cấp thích hợp thường được sử dụng trong quá trình đánh giá đa chỉ tiêu (Multi Criteria Evaluation) trong các bài toán mô hình hóa thông tin không gian. Phân cấp thích hợp thể hiện mức độ thích hợp đối với một mục tiêu đánh giá cụ thể nào đó của tất cả các địa điểm trong khu vực nghiên cứu. 3.3.2. Phân cấp thích hợp Đối với bài toán mô hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ, đề tài đã xác định các yếu tố quan trọng và có liên quan trực tiếp tới biến đổi lớp phủ mặt đất trong khu vực nghiên cứu đó là: 1) Rừng kín; 2) Rừng trung bình; 3) Rừng thưa; 4) Cây bụi; 5) Mặt nước; 6) Đất xây dựng; 7) Đất trống . Những yếu tố địa mạo và hiện trạng sử dụng đất được đánh giá, phân cấp và tạo ngưỡng tương ứng. Các bước phân cấp thích hợp được thể hiện ở hình sau: 75 Hình 3.12. Quy trình phân cấp thích hợp Các dữ liệu được raster hóa bằng Arcgis và đưa vào phần mềm Idrisi để đánh giá đa chỉ tiêu là các dạng dữ liệu ảnh raster 8 bit có giá trị độ xám từ 0 - 255, do vậy, khi phân cấp thích hợp trong Idrisi đối với các dữ liệu này, tùy theo số cấp phân cấp mà ta chia ra thang điểm trong khoảng từ 0 đến 255. * Loại hình rừng kín: được đánh giá trên chỉ tiêu lớp phủ - Lớp phủ: đánh giá theo 3 cấp: 255 - 128 - 0 (rất thích hợp - ít thích hợp - không thích hợp) 255: Rừng kín; 128: Rừng trung bình, rừng thưa, cây bụi; 0: Mặt nước, đất xây dựng, đất trống. -> Raster hóa : Bản đồ lớp phủ Bản đồ giao thông Bản đồ thủy văn Raster hóa bằng Arcgis P h â n c ấ p t h íc h h ợ p Rừng kín Rừng trung bình Cây bụi Rừng thưa Mặt nước Đánh giá đa chỉ tiêu Bằng Idrisi Đất xây dựng Đất trống 76 Hình 3.13. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của rừng kín với các loại hình lớp phủ * Loại hình rừng trung bình: được đánh giá trên chỉ tiêu lớp phủ - Lớp phủ: đánh giá theo 3 cấp: 255 - 128 - 0 255: Rừng trung bình; 128 : Rừng kín, rừng thưa, cây bụi; 0: Đất xây dựng, mặt nước, đất trống. -> raster hóa: Hình 3.14. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của rừng trung bình với các loại hình lớp phủ 77 * Loại hình rừng thưa: đánh giá trên tiêu chí lớp phủ - Lớp phủ: đánh giá theo 3 cấp: 255 - 128 - 0 255: Rừng thưa; 128: Rừng kín, rừng trung bình; 0: Đất xây dựng, Mặt nước, đất trống -> Raster hóa: Hình 3.15. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của rừng thưa với các loại hình lớp phủ * Loại hình cây bụi: đánh giá trên tiêu chí lớp phủ - Lớp phủ: đánh giá theo 3 cấp 255 - 128 - 0 + 255: Cây bụi + 128: Rừng kín, rừng trung bình, rừng thưa + 0: Mặt nước, đất xây dựng -> Raster hóa: 78 Hình 3.16. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của cây bụi với các loại hình lớp phủ * Loại hình đất xây dựng: đánh giá trên 3 tiêu chí: lớp phủ, độ đốc và khoảng cách tới đường giao thông - Lớp phủ: đánh giá theo 3 cấp 255 - 128 - 0 255: Đât xây dựng; 128: Đất khác, cây bụi, mặt nước; 0: Rừng kín, rừng trung bình, rừng thưa -> Raster hóa: Hình 3.17. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của đất xây dựng với các loại hình lớp phủ 79 - Khoảng cách tới đường giao thông: trong khoảng 0 - 200m - Độ dốc: đánh giá theo 3 cấp 255: 0 – 8o ; 128: 8 – 25o; 0: > 25o Hình 3.18. Ảnh phân ngưỡng mức độ thích hợp của đất xd với độ dốc * Loại hình đất trống: đánh giá trên chỉ tiêu lớp phủ - Lớp phủ: đánh giá theo 3 cấp: 255 -128 - 0 + 255: Đất trống + 128: Cây bụi, đất xây dựng, rừng thưa + 0: Rừng kín, rừng trung bình -> raster hóa: 80 Hình 3.19. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của đất trống với các loại hình lớp phủ * Loại hình mặt nước: tách lớp thông tin mặt nước giải đoán được, gán giá trị = 255, phần còn lại = 0 Hình 3.20. Ảnh phân ngưỡng thích hợp của mặt nước với các loại hình lớp phủ 81 Bước phân tích tổng hợp để ra các bản đồ thích hợp (suit_map) - Vào Idrisi ￫ GIS Analysis ￫ Decision Support ￫ Decision Wizard: + Create a new file: PT_suit + Specify Objectives: số loại hình lớp phủ (7), đặt tên: rung kin, rung trung binh, rung thua, cay bui, mat nuoc, dat xay dung, dat trong Chú ý sau khi đặt 7 obj, chương trình sẽ lần lượt đi từng obj để xác định factor, weight (cần chú ý tiêu đề phía trên để biết loại hình nào và xác định factor đúng) Ví dụ cho loại hình đất xây dựng: + Constraint: Xác định ngưỡng chỉ có 2 trạng thái 0 và 1, ví dụ: đối với constraint của loại hình đất xây dựng, ta đã biết có diện tích để dùng vào mục đích nông nghiệp chứ không phải phát triển đất xây dựng, phần diện tích đó được gán giá trị 0. (Lưu ý: phần cho điểm đánh giá ở trên đã chi tiết nên bỏ qua phần này, number of constraints: 0). + Factor: Number of factors: 2 Input: chọn các file raster hóa ở trên: datxd, gt_fuzzy, xd_doc Cột FUZZY: không cần chuẩn hóa ￫ chọn No + Factors weights: chọn user - defined weight ￫ cho trọng số lớp dat_xd: 0,4; gt_fuzzy: 0,3; xd_doc: 0,4 do đánh giá của cá nhân người dùng. + Đặt tên output: dat_xd (hình 3.21). 82 Hình 3.21. Ảnh phân cấp thích hợp cho đất xây dựng Làm tương tự với các loại hình còn lại, ta được kết quả sau: Hình 3.22. Ảnh phân cấp thích hợp cho rừng kín 83 Hình 3.23. Ảnh phân cấp thích hợp cho rừng trung bình Hình 3.24. Ảnh phân cấp thích hợp cho rừng thưa 84 Hình 3.25. Ảnh phân cấp thích hợp cho cây bụi Hình 3.26. Ảnh phân cấp thích hợp cho đất trống 85 Hình 3.27. Ảnh phân cấp thích hợp cho mặt nước 3.3.3. Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov Ma trận chuyển dịch dựa vào mô hình Markov cho phép dựa vào 2 bản đồ hiện trạng ở 2 thời điểm khác nhau có thể xác định được ma trận chuyển dịch (có quy luật) giữa 2 thời điểm. Khởi động mô hình Markov: Modeling/Environmental-Simulation Models/MARKOV. Hình 3.28. Mô hình Markov trong Idrisi 86 First (earlier) land cover image: nhập dữ liệu bản đồ TCD. Second (later) land cover image: nhập dữ liệu bản đồ TCT. Prefix for output conditional probability images: tên ma trận chuyển dịch đầu ra. Number of time periods between the first and second land cover images: khoảng thời gian giữa 2 thời điểm TCD và TCT. Number of time periods to project foward from the second image: khoảng thời gian dự báo trong tương lai. Kết quả của bước này là xác định được ma trận chuyển dịch giữa các lớp thông tin trong giai đoạn cần nghiên cứu. Ma trận chuyển dịch là cơ sở để mô hình có thể dự báo sự thay đổi của đối tượng nghiên cứu trong tương lai. Bao gồm: ma trận chuyển dịch xác suất, ma trận chuyển dịch diện tích các lớp, và một tập hợp các hình ảnh xác suất có điều kiện. Các ma trận chuyển dịch xác suất là 1 file văn bản ghi lại xác suất mà mỗi lớp phủ sẽ thay đổi. Các ma trận chuyển dịch diện tích là 1 file văn bản ghi lại diện tích dự kiến thay đổi từ các lớp đối tượng trong tương lai. Tập các hình ảnh xác suất có điều kiện báo cáo xác suất mà từng loại lớp phủ sẽ biến đổi trong tương lai. Hình 3.29. Ma trận chuyển dịch diện tích giữa các lớp đối tượng 87 Hình 3.30. Ma trận chuyển dịch xác suất giữa các lớp Hình 3.31. Tập các hình ảnh xác suất có điều kiện 88 3.3.4. Mô hình hóa sự biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất dựa vào bài toán CA_Markov Với ưu điểm là đưa được yếu tố không gian vào bài toán thống kê Markov, mô hình CA_Markov cho phép dự báo sự biến đổi của sử dụng đất trong khoảng thời gian xác định. * Dự báo biến động sử dụng đất, lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2015 Dựa trên nguồn tư liệu đầu vào là bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2005 và năm 2010, mô hình CA_markov cho phép dự báo được sự biến động của sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2015. Trên Idrisi, chọn Modeling / Environmental-Simulation Models / CA_MARKOV để khởi động module Markov_CA Hình 3.32. Mô hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất dựa vào CA_Markov Basic land cover image: nhập dữ liệu bản đồ lớp phủ TCT. Markov trasition areas file: ma trận chuyển dịch giữa các lớp đối tượng. Transition suitability image collection: tập ảnh phân cấp thích hợp Output land cover projection: tệp dữ liệu đầu ra (bản đồ lớp phủ trong tương lai) 89 Với việc sử dụng 7 bản đồ phân cấp thích hợp làm ngưỡng giới hạn của biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ, kết quả mô hình hóa được thể hiện trong hình sau: Hình 3.33. Kết quả mô hình hóa biến đổi sử dụng đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2015 Mục đích chính của công đoạn này là dựa trên kết quả mô hình hóa biến đổi đất tỉnh Phú Thọ đến 2015 để đánh giá mức độ chính xác của quá trình mô hình hóa cho giai đoạn tiếp theo. Sử dụng chức năng kiểm chứng (Validate) của phần mềm Idrisi: GIS Analysis / Change – Time Series / Validate, so sánh kết quả mô hình hóa sử dụng đất đến năm 2015 và bản đồ lớp phủ bề mặt năm 2015: 90 Hình 3.34. Kiểm chứng kết quả mô hình hóa và bản đồ lớp phủ năm 2015 Kết quả được thể hiện trong hình 3.35 như sau: Hình 3.35. Kết quả kiểm chứng kết quả mô hình hóa và bản đồ lớp phủ năm 2015 Hình trên cho thấy kết quả mô hình hóa đạt tỷ lệ chính xác khá cao (70%) so với bản đồ hiện trạng năm 2015. Kết quả này cho phép đề tài mô hình hóa sự biến đổi đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 và 2025. * Dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 91 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 tới năm 2020 và 2025 cho kết quả cụ thể như sau: Hình 3.36. Kết quả dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2020 92 Hình 3.37. Kết quả dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ năm 2025 93 Bảng 3.10. Diện tích các loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ các năm 2005, 2010, 2015, 2020, 2025 (đơn vị: ha) Diện tích(ha) So sánh diện tích các năm Năm 2005 Năm 2010 Năm 2015 Năm 2020 Năm 2025 2005-2020 2005-2025 Rừng kín 45632,88 41586,52 43599,57 37600,83 37459,73 -8032,05 -8173,15 Rừng t.bình 34461,09 36508,14 36495,09 27485,19 28578,71 -6975,90 -5882,38 Rừng thưa 172277,55 170745,62 178744,27 183741,66 185374,98 11464,11 13097,43 Cây bụi 10194,66 16336,26 14446,96 15146,96 15577,37 4952,30 5382,71 Mặt nước 18827,46 15219,27 14218,91 14327,92 12448,86 -4499,54 -6378,6 Đất x.dựng 9034,02 27728,46 41475,58 46649,53 48352,06 37615,51 39318,04 Đất trống 62584,02 44891,01 24048,27 28085,67 25247,98 -34498,35 -37336,04 Hình 3.38. Biểu đồ thể hiện diện tích các loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ các năm 2005, 2010, 2015, 2020, 2025 Dựa vào kết quả dự báo đến năm 2025 ta thấy biến động các loại hình sử dụng đất tỉnh Phú Thọ trong tương lai như sau: so với năm 2005, diện tích rừng thưa tăng 13097,43 ha, diện tích rừng kín và rừng trung bình giảm lần 94 lượt là 8173,15 ha và 5882,38 ha. Diện tích các loại cây bụi tăng 5382,71 ha , diện tích mặt nước giảm 6378,6 ha. Diện tích đất xây dựng tăng mạnh 39318,04 ha. Diện tích đất trống giảm còn 37336,04 ha. Nhận xét về khả năng ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov và Mạng tự động trong dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất: Căn cứ kết quả dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tại hai thời điểm xác định, có thể rút ra một số nhận xét về thuận lợi và khó khăn trong việc áp dụng mô hình phân tích chuỗi Markov và Mạng tự động như sau: - Thuận lợi: + Mô hình hóa không gian nói chung và thuật toán phân tích chuỗi Markov và Mạng tự động nói riêng là một phương pháp định lượng có tính logic và chặt chẽ, đảm bảo kết quả mô hình hóa đạt độ chính xác cao. + Kết quả mô hình hóa sẽ cung cấp những thông tin hữu ích về xu hướng biến đổi các loại hình lớp phủ mặt đất cho địa phương. Trên cơ sở đó có thể hoạch định được những chính sách phù hợp trong thời gian tới. + Mô hình hóa và dự báo biến động sử dụng đất dựa trên việc tích hợp chuỗi Markov với Cellular Automata trên GIS đã tận dụng được ưu điểm và khắc phục hạn chế của từng mô hình riêng lẻ. Mô hình hóa và tính toán định lượng đã cho chúng ta thấy một diễn biến về biến động sử dụng đất trong không gian trong tương lai một cách logic và chặt chẽ . - Khó khăn và hạn chế của mô hình + Mức độ chi tiết của dữ liệu không gian ở đầu vào của mô hình có vai trò rất quan trọng. Trong điều kiện cơ sở hạ tầng không gian (Spatial Data Infrastructure) của Việt Nam còn nhiều hạn chế, vì vậy việc tìm kiếm, thu thập dữ liệu không gian đủ mức độ chi tiết là công việc rất khó khăn, ảnh hưởng lớn tới kết quả mô hình hóa. 95 + Mô hình hóa không gian dựa vào phân tích chuỗi Markov và Mạng tự động là một quá trình khép kín, ít hoặc gần như không chịu tác động của những nhân tố bên ngoài hệ thống. Trong khi đó, sự biến đổi của lớp phủ mặt đất hoặc hiện trạng sử dụng đất là một trong những đối tượng phụ thuộc rất nhiều vào sự tác động của các yếu tố bên ngoài, đặc biệt là yếu tố thể chế, chính sách. Do vậy, việc không thể tích hợp được những yếu tố này vào trong mô hình là hạn chế lớn của mô hình. + Mức độ chi tiết của lớp phủ mặt đất (số lượng đơn vị lớp phủ) cũng ảnh hưởng tới kết quả của quá trình mô hình hóa. Nếu số lượng đơn vị lớp phủ mặt đất quá nhiều (trên 10 đơn vị) sẽ làm cho kết quả mô hình hóa thiếu độ tin cậy. 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc ứng dụng GIS kết hợp với chuỗi Markov đã nghiên cứu được hiện trạng sử dụng đất trên địa bàn tỉnh Phú Thọ giai đoạn 2005 - 2015 và đã dự báo được xu hướng biến động sử dụng đất đến năm 2025. Mô hình hóa không gian các đối tượng địa lý (cả tự nhiên và nhân văn) là thế mạnh của công nghệ viễn thám và GIS. Bằng phần mềm Idrisi, kiểm chứng so sánh kết quả mô hình hóa đến năm 2015 và ảnh phân loại năm 2015 cho thấy kết quả mô hình hóa đạt tỷ lệ chính xác khá cao (gần 70%). Kết quả này cho phép mô hình hóa sự biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Phú Thọ đến năm 2020 và 2025 Nhược điểm của 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) Trong nghiên cứu biến đổi lớp phủ mặt đất, Idrisi Selva 17 là một phần mềm tích hợp viễn thám và GIS cho phép 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, kết hợp với phân tích chuỗi Markov để đưa các ngưỡng được xác định bằng phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu nhằm gia tăng độ chính xác của kết quả mô hình hóa. Tuy nhiên, nhược điểm của Idrisi là khi tính toán mô hình nếu số lượng đơn vị lớp phủ mặt đất quá nhiều (trên 10 đơn vị) sẽ làm cho kết quả mô hình hóa thiếu độ tin cậy và yêu cầu các dữ liệu không gian ở đầu vào của mô hình phải đảm bảo chi tiết và chính xác. 97 KIẾN NGHỊ Với khả năng dự báo được sự phát triển các loại hình sử dụng đất với sự trợ giúp của hệ thông tin địa lý, kết quả dự báo dựa vào phân tích chuỗi Markov và mạng tự động cho phép dự báo sự biến động của khu vực trong tương lai dựa trên cơ sở kết quả đánh giá biến động qua các thời kỳ.Tuy nhiên, trong quá trình triển khai thực hiện khóa luận, với những kết quả và khó khăn đã gặp phải, tác giả xin có một số kiến nghị như sau: - Cần xây dựng một cơ sở dữ liệu đủ mạnh và có một cơ chế chia sẻ một cách phù hợp để các bên liên quan có thể tiếp cận và sử dụng một cách hiệu quả. - Cần có đủ thời gian và các điều kiện liên quan để tích hợp các yếu tố thể chế, chính sách vào mô hình để mô hình có ý nghĩa thực tiễn cao hơn. - Cần có các nghiên cứu sâu hơn nữa trong việc ứng dụng mô hình vào công tác quản lý và sử dụng đất của tỉnh Phú Thọ hướng tới sự phát triển bền vững. Việc tích hợp mô hình chuỗi Markov và Cellular Automata cho phép luận văn đưa ra các dự báo về sử dụng đất có độ tin cậy cao, tuy nhiên nếu có thể không gian hóa một số biến chính sách phát triển kinh tế - xã hội có liên quan đến sử dụng đất của khu vực và đưa thêm là biến đầu vào của mô hình thì kết quả dự báo sẽ chính xác hơn. 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt 1. Bộ Tài nguyên và Môi trường, (2017), Quyết định số 2311/QĐ- BTNMT, ngày 28 tháng 9 năm 2017, Quyết định phê duyệt và công bố kết quả thống kê diện tích đất đai năm 2016. 2. Bùi Huy Hiền, Nguyễn Quang Bộ và Bùi Quang Xuân (2001). Kết quả nghiên cứu cải tạo, sử dụng và bảo vệ đất dốc trong sản xuất nông lâm nghiệp, Trong sách: Khoa học Công nghệ Bảo vệ và sử dụng bền vững đất dốc, NXB Nông nghiệp. 3. Cục thống kê tỉnh Phú Thọ, ( 2017) Niên giám thống kê tỉnh Phú Thọ năm 2016. 4. Đào Châu Thu và Lê Quốc Doanh (2012). Đất dốc vùng đồi núi Việt Nam - Tiềm năng và thách thức, Trong sách: Quản lý bền vững đất nông nghiệp - Hạn chế thoái hóa và phòng chống sa mạc hóa, NXB Nông nghiệp. 5. Đào Châu Thu và Nguyễn Khang (1998). Đánh giá đất, NXB Nông nghiệp. 6. Đinh Thị Bảo Hoa (2007), Nghiên cứu sử dụng hợp lý đất vùng ven đô huyện Thanh Trì, Hà Nội với sự hỗ trợ của công nghệ viễn thám và hệ thong tin địa lý. 7. Đoàn Đức Lâm và Phạm Anh Tuấn, (2010). Ứng dụng GIS thành lập bản đồ biến động hiện trạng sử dụng đất huyện Sông Mã, tỉnh Sơn La (giai đoạn 1995-2005). Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc 2010. Thành phố Hồ Chí Minh: Nhà xuất bản Nông Nghiệp. 8. Hà Đình Tuấn và Lê Quốc Doanh (2007). Nghiên cứu áp dụng các biện pháp che phủ đất phục vụ phát triển bền vững nông nghiệp vùng cao, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam. 99 9. Hoàng Xuân Thành (2006), Thành lập bản đồ thảm thực vật trên cơ sở phân tích, xử lý ảnh viễn thám tại khu vực Tủa Chùa – Lai Châu. 10. Nguyễn Kim Lợi, (2005). Ứng dụng chuổi Markov và GIS trong việc đánh giá diễn biến sử dụng đất. Trong. Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc 2011. Thành phố Hồ Chí Minh: Nhà xuất bản Nông Nghiệp. 11. Nguyễn Thế Đặng, Đào Châu Thu và Đặng Văn Minh (2003). Đất đồi núi Việt Nam, NXB Nông nghiệp. 12. Phạm Huy Hoàng, (2013), Ứng dụng mô hình Markov – Cellular Automata dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Kiến Thuỳ, thành phố Hải Phòng. Đại học Quốc Gia Hà Nội. 13. Thủ tướng Chính Phủ, (2017), Quyết định số 272/QĐ-TTg ngày 27 tháng 02 năm 2007 V/v phê duyệt kết quả kiểm kê đất đai năm 2005. 14. Trần Đức Viên và Phạm Chí Thành (1996). Nông nghiệp trên đất dốc - Thách thức và tiềm năng, NXB Nông nghiệp. 15. Trần Văn Chính, Đỗ Nguyên Hải, Cao Việt Hà, Hoàng Văn Mùa, Nguyễn Hữu Thành và Nguyễn Xuân Thành (2006). Giáo trình Thổ nhưỡng học, NXB Nông nghiệp. 16. UBND tỉnh Phú Thọ, (2012), Báo cáo thuyết minh tổng hợp quy hoạch sử dụng đất đến năm 2020 kế hoạch sử dụng đất 5 năm kỳ đầu (2011 - 2015) tỉnh Phú Thọ. Tài liệu Tiếng Anh 17. A.A. Markov (1906), "Rasprostranenie zakona bol'shih chisel na velichiny, zavisyaschie drug ot druga". Izvestiya Fiziko-matematicheskogo obschestva pri Kazanskom universitete. 18. Ellis, E. (2010). Land use and land cover change, retrived 1 April 2013 100 19. FAO (1999). Land use classification for Agri - Enviromental statistics/indicators, Rome, Itatly. 20. FAO (2007). Fao statistics, Food and Agriculture Organization of the United Nation, Rome, Italy. 21. Meyer, W.B. and Turner, B.L. (1994). Changes in land use and land cover: A Global Perspective, Cambridge University Press, Cambridge. 22. Muller, D. and Munroe, D. (2007). Issues in spatially explicit statistical land use/cover change (LUCC) models: Examples from western Honduras and the Central Highlands of Vietnam, Land use Policy, 24: 521- 530. 23. Turner, B.L. and Lambin, E. (2001). The causes of land-use and land-cover change: moving beyond the myths, Global Environmental Change, 11: 261–269. 24. World Bank (2012). Agriculture & Rural Development, retrieved 25 October 2012, from