Tổng quan nghiên cứu

Khu vực ven biển Cồn Vành thuộc huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình sở hữu đường bờ biển dài khoảng 23 km kéo dài từ cửa Trà Lý đến cửa Ba Lạt, giữ vị trí địa - sinh thái chiến lược tại vùng cửa sông ven biển đồng bằng sông Hồng. Hàng năm, khu vực này tiếp nhận khoảng 60.000 tấn phù sa từ hệ thống sông Trà Lý và sông Hồng, tạo nên quá trình bồi tụ địa mạo liên tục với cao trình mặt đất phổ biến từ 1,0 m đến 1,7 m so với mực nước biển. Tuy nhiên, dưới sức ép của biến đổi khí hậu toàn cầu, triều cường cực đoan và đặc biệt là sự gia tăng đột biến của các hoạt động kinh tế nhân sinh như nuôi trồng thủy sản nước lợ, phát triển du lịch sinh thái, bức tranh lớp phủ và sử dụng đất tại đây đã trải qua những biến chuyển sâu sắc trong suốt 29 năm từ năm 1990 đến năm 2019.

Vấn đề đặt ra là các phương pháp đo đạc truyền thống không đáp ứng kịp thời yêu cầu cập nhật dữ liệu đa thời gian trên diện rộng với chi phí tối ưu, dẫn đến nguy cơ xung đột giữa mục tiêu bảo tồn rừng ngập mặn phòng hộ và phát triển hạ tầng kinh tế. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý đất đai của tác giả Nguyễn Thanh Chiến (Trường Đại học Lâm Nghiệp, năm 2020) được triển khai nhằm giải quyết bài toán cốt lõi: ứng dụng công nghệ viễn thám đa thời gian và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để lượng hóa quy mô, tốc độ và phân tích bản chất chuyển dịch các loại hình lớp phủ mặt đất tại Cồn Vành giai đoạn 1990 - 2019.

Nghiên cứu xác định phạm vi không gian bao quát toàn bộ vùng cồn bãi cửa sông Cồn Vành nằm trong tọa độ từ 20°17' đến 20°28' vĩ độ Bắc và 106°27' đến 106°35' kinh độ Đông. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu số đa thời gian, hỗ trợ chính quyền địa phương hoàn thiện bản đồ hiện trạng sử dụng đất chu kỳ 5 năm, cung cấp cơ sở định lượng để nâng cao hiệu lực quản lý nhà nước đối với hơn 200 triệu m3 nguồn nước mặt và hàng nghìn héc-ta đất bãi bồi ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng cơ sở vật lý của khoa học viễn thám, trọng tâm là lý thuyết phản xạ phổ điện từ của các đối tượng tự nhiên trên bề mặt Trái Đất. Mỗi loại lớp phủ mặt đất mang một đặc trưng phổ phản xạ riêng biệt trên các dải bước sóng điện từ: dải ánh sáng nhìn thấy từ 0,45 µm đến 0,69 µm giúp nhận diện ranh giới bờ biển và chlorophyll thực vật; dải cận hồng ngoại từ 0,76 µm đến 0,90 µm phản ánh sinh khối và trạng thái thảm thực vật rừng ngập mặn; dải hồng ngoại sóng ngắn từ 1,55 µm đến 2,35 µm đo độ ẩm của đất cát bãi bồi; và dải hồng ngoại nhiệt từ 10,4 µm đến 12,5 µm dùng để phân tích nhiệt độ bề mặt.

Khung lý thuyết của luận văn vận dụng hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất 2 cấp theo chuẩn viễn thám quốc tế và Việt Nam, tập trung vào 4 khái niệm khoa học cốt lõi: Lớp phủ mặt đất (Land cover), Hiện trạng sử dụng đất (Land use), Độ phân giải không gian (Spatial resolution) và Ma trận biến động chuyển dịch đất đai hai chiều. Đồng thời, nghiên cứu tích hợp mô hình phân tích ảnh hướng đối tượng (Object-Based Image Analysis - OBIA), kết hợp hệ thống 8 chuẩn đoán đọc điều vẽ bao gồm kích thước, hình dạng, độ bóng, độ đen, màu sắc, cấu trúc, phân bố và mối quan hệ tương hỗ giữa các đối tượng địa lý nhằm chuẩn hóa kết quả phân loại.

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu dữ liệu nghiên cứu bao gồm 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học Landsat đa phổ thu nhận tại Path 126 và Row 46, tải về từ cơ sở dữ liệu của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ. Cảnh thứ nhất là ảnh Landsat 5 TM thu nhận ngày 07/09/1990 với 7 kênh phổ, cảnh thứ hai là ảnh Landsat 8 OLI/TIRS thu nhận ngày 18/05/2019 với 11 kênh phổ, độ cao quỹ đạo vệ tinh 705 km và dải quét 185 km x 180 km. Tiêu chí chọn mẫu ảnh tuân thủ nghiêm ngặt điều kiện kỹ thuật với tỷ lệ mây che phủ dưới 10%, chất lượng ảnh cấp độ 1 đã qua nắn chỉnh hình học, chụp vào các thời điểm thời tiết thuận lợi nhằm tối ưu hóa độ phân giải không gian 30 m ở các kênh đa phổ và 15 m ở kênh toàn sắc.

Quy trình xử lý số liệu được tiến hành qua 4 giai đoạn logic trên hệ thống phần mềm chuyên dụng:

  • Giai đoạn 1: Tiền xử lý dữ liệu trên phần mềm ArcGIS, thực hiện tổ hợp màu tự nhiên (kênh 3-2-1 đối với Landsat 5; kênh 4-3-2 đối với Landsat 8) và tổ hợp màu giả nhằm làm nổi bật ranh giới thảm thực vật và mặt nước, sau đó cắt ảnh theo ranh giới hành chính khu vực Cồn Vành.
  • Giai đoạn 2: Phân đoạn ảnh (Segmentation) dựa trên thuật toán đa tỷ lệ trên phần mềm eCognition Developer, gom cụm các pixel lân cận có tính chất đồng nhất về phổ, hình dạng và cấu trúc thành các đối tượng đồng nhất.
  • Giai đoạn 3: Giải đoán ảnh chuyên gia kết hợp khóa giải đoán mẫu, gán thuộc tính không gian cho 5 nhóm đối tượng chính gồm đất rừng ngập mặn và phi lao, đất mặt nước, đất bãi cát và bãi bồi ven biển, đất nuôi trồng thủy sản, đất dân cư và công trình xây dựng.
  • Giai đoạn 4: Chồng xếp không gian (Overlay) 2 lớp bản đồ hiện trạng năm 1990 và năm 2019 trên nền tảng ArcGIS để thiết lập bản đồ biến động tỷ lệ 1:15.000 và tính toán ma trận chuyển đổi diện tích trong toàn bộ timeline 29 năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình lượng hóa dữ liệu không gian từ 2 cảnh ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng về động thái biến đổi tài nguyên đất tại khu vực Cồn Vành trong giai đoạn 1990 - 2019:

Thứ nhất, diện tích bãi bồi cát ven biển ghi nhận xu thế mở rộng liên tục về phía biển Đông với tốc độ bồi tụ trung bình đạt khoảng 12 mét đến 18 mét mỗi năm. Quá trình bồi lắng trầm tích bột sét và cát mịn từ cửa Ba Lạt đã làm gia tăng diện tích cồn cát nổi thêm hơn 180 ha sau gần 3 thập kỷ, tạo nên những dải cồn cát cao từ 1,5 m đến 3,0 m chạy song song với đường bờ.

Thứ hai, diện tích đất nuôi trồng thủy sản nước lợ có tốc độ bùng nổ mạnh mẽ nhất trong cơ cấu sử dụng đất. Năm 1990, loại hình này chỉ tồn tại rải rác dưới dạng các đầm tự nhiên chiếm chưa đầy 6% tổng diện tích, nhưng đến năm 2019 đã mở rộng gấp hơn 4 lần, chiếm xấp xỉ 28% diện tích toàn khu vực, tập trung chủ yếu ở dải đất trũng giữa các cồn cát cổ thuộc các xã Nam Phú và Nam Hưng.

Thứ ba, thảm thực vật rừng ngập mặn và rừng phi lao chắn cát trải qua chu kỳ suy thoái rồi phục hồi tích cực. Giai đoạn 1990 - 2005, diện tích rừng bị suy giảm ước tính khoảng 35% do hoạt động quai đê phá rừng làm đầm tôm tự phát. Tuy nhiên, trong giai đoạn 2006 - 2019, nhờ các chương trình trồng rừng phòng hộ ven biển và chính sách giao khoán đất lâm nghiệp, diện tích rừng ngập mặn đã phục hồi tăng thêm khoảng 42% so với đáy suy thoái, nâng tỷ lệ che phủ xanh của vùng bãi triều lên mức đáng kể.

Thứ tư, nhóm đất phi nông nghiệp và công trình hạ tầng kỹ thuật phục vụ du lịch sinh thái xuất hiện rõ nét trong giai đoạn 2010 - 2019. Từ một vùng cồn bãi hoang sơ gần như không có công trình kiên cố vào năm 1990, đến năm 2019 khu vực trung tâm Cồn Vành đã hình thành hơn 25 ha đất dành cho mạng lưới giao thông, khu dịch vụ lưu trú và cơ sở hạ tầng du lịch biển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự biến động mạnh mẽ của lớp phủ Cồn Vành bắt nguồn từ sự tương tác phức tạp giữa hai nhóm động lực chính: động lực tự nhiên và động lực kinh tế - xã hội. Về mặt tự nhiên, chế độ thủy văn của hệ thống sông Hồng vận chuyển lượng phù sa khổng lồ 60.000 tấn/năm, kết hợp với chế độ nhật triều theo chu kỳ âm lịch (chu kỳ con nước vào các ngày mùng 5, 19 hoặc mùng 3, 17 hàng tháng) tạo điều kiện lắng đọng vật liệu trầm tích, biến các bãi triều ngầm thành cồn nổi. Về mặt nhân sinh, quá trình chuyển đổi cơ cấu kinh tế từ thuần nông sang đa dạng hóa nuôi trồng thủy sản và du lịch sinh thái theo các quyết định quy hoạch của tỉnh Thái Bình từ sau năm 2000 đã trực tiếp thúc đẩy việc chuyển đổi hàng trăm héc-ta bãi triều và đất mặt nước thành đầm nuôi thủy sản có bờ bao kiên cố.

So sánh với các nghiên cứu tương tự tại vùng đồng bằng sông Cửu Long của các tác giả thuộc Viện Địa lý Tài nguyên TP.HCM hay nghiên cứu biến động lòng hồ thủy điện Hòa Bình của Viện Địa chất và Địa vật lý Biển, tốc độ bồi tụ và chuyển dịch sử dụng đất tại Cồn Vành có cường độ cao hơn đáng kể. Điều này phản ánh đặc tính động lực học cửa sông mở đầy nhạy cảm của vùng duyên hải Bắc Bộ.

Về phương thức biểu diễn không gian, các kết quả nghiên cứu trong luận văn được mô hình hóa trực quan thông qua hệ thống bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 1990, bản đồ hiện trạng năm 2019 (tỷ lệ 1:15.000), bản đồ biến động tổng hợp giai đoạn 1990 - 2019, kết hợp cùng 02 biểu đồ tròn so sánh cơ cấu tỷ lệ diện tích từng thời kỳ và bảng ma trận chuyển dịch đất đai 2 chiều (Cross-tabulation Matrix). Ma trận này hiển thị tường minh các dòng chuyển đổi cụ thể: bao nhiêu héc-ta đất mặt nước chuyển thành đất nuôi thủy sản, bao nhiêu héc-ta đất rừng bị chuyển đổi hoặc được phục hồi, tạo cơ sở định lượng tuyệt đối cho các nhà hoạch định chính sách.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân tích biến động 29 năm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa hiệu quả quản trị tài nguyên đất đai và bảo vệ môi trường sinh thái Cồn Vành:

Thứ nhất, thiết lập hệ thống quan trắc và giám sát biến động tự động tài nguyên đất đai ven biển bằng ảnh viễn thám đa nguồn (tích hợp tư liệu Sentinel-2 độ phân giải 10 m và Landsat 8/9) với chu kỳ cập nhật 6 tháng một lần. Mục tiêu target metric là phát hiện sớm 100% các trường hợp lấn chiếm bãi bồi hoặc phá rừng ngập mặn trái phép. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Bình phối hợp cùng UBND huyện Tiền Hải; Thời gian triển khai: Giai đoạn 2021 - 2023.

Thứ hai, triển khai chương trình quy hoạch phục hồi sinh thái và trồng mới tối thiểu 120 ha rừng phòng hộ chắn sóng, rừng ngập mặn tại các khu vực bãi triều ngoài đê biển thuộc xã Nam Phú và Đông Minh. Target metric hướng đến nâng tỷ lệ che phủ rừng ven biển Tiền Hải lên mức 35% tổng diện tích bãi bồi vào năm 2030, nhằm tăng cường khả năng chống chịu trước các cơn bão nhiệt đới cấp 10 - 12. Chủ thể thực hiện: Chi cục Kiểm lâm Thái Bình và Ban quản lý rừng phòng hộ; Thời gian thực hiện: 2022 - 2030.

Thứ ba, rà soát và kiểm soát chặt chẽ 100% diện tích các đầm nuôi trồng thủy sản nước lợ ven biển; chấm dứt tình trạng nuôi tự phát không theo quy hoạch. Ban hành cơ chế chuyển đổi tối thiểu 40 ha đầm nuôi tôm kém hiệu quả sang mô hình kinh tế xanh kết hợp nuôi sinh thái dưới tán rừng ngập mặn gắn với du lịch trải nghiệm Cồn Vành. Chủ thể thực hiện: Phòng Nông nghiệp và PTNT huyện Tiền Hải; Thời gian hoàn thành: Trước năm 2026.

Thứ tư, xây dựng và tích hợp cơ sở dữ liệu GIS địa chính đa thời gian của khu vực Cồn Vành vào Hệ thống thông tin đất đai quốc gia (VBDLIS). Số hóa 100% hồ sơ cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất bãi bồi ven đê và phân vùng chức năng rõ ràng cho 34 xã thị trấn trong huyện. Chủ thể thực hiện: Văn phòng Đăng ký Đất đai tỉnh Thái Bình; Thời gian thực hiện: 2021 - 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp tiếp cận của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính sau:

Nhóm 1: Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Bình, UBND huyện Tiền Hải). Luận văn cung cấp bộ cơ sở dữ liệu viễn thám chuẩn hóa 29 năm và ma trận chuyển dịch đất đai thực tế, giúp các nhà quản lý xây dựng phương án điều chỉnh quy hoạch sử dụng đất cấp huyện tầm nhìn đến năm 2030 và giám sát biến động đường bờ biển dài 23 km một cách khoa học.

Nhóm 2: Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Quản lý đất đai, Hệ thống thông tin địa lý (GIS), Lâm nghiệp và Khoa học môi trường. Công trình là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình công nghệ kết hợp phần mềm eCognition Developer (phân tích hướng đối tượng OBIA) và ArcGIS trong việc xử lý ảnh vệ tinh đa phổ Landsat đạt độ chính xác giải đoán trên 85%.

Nhóm 3: Các doanh nghiệp, tổ chức tư vấn phát triển hạ tầng và du lịch sinh thái tại khu vực Cồn Vành. Dữ liệu địa mạo, độ cao địa hình (1,0 - 1,7 m), lịch sử bồi lắng cát và hiện trạng lớp phủ là nguồn thông tin đầu vào thiết yếu để lập báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), thiết kế quy hoạch xây dựng công trình nghỉ dưỡng thích ứng với xói lở và nước biển dâng.

Nhóm 4: Các tổ chức phi chính phủ và mạng lưới bảo tồn thiên nhiên quốc tế hoạt động trong lĩnh vực ứng phó biến đổi khí hậu và phục hồi rừng ngập mặn ven biển. Luận văn cung cấp các chỉ số định lượng về sự biến thiên diện tích rừng qua các mốc thời gian 1990 và 2019, hỗ trợ xây dựng các đề án tài trợ tín chỉ carbon và các dự án bảo tồn đa dạng sinh học vùng cửa sông Ba Lạt.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tác giả lại lựa chọn chu kỳ nghiên cứu 29 năm (1990 - 2019) để đánh giá biến động? Khoảng thời gian 29 năm từ 1990 đến 2019 là giai đoạn Cồn Vành trải qua những bước ngoặt lớn nhất về cả bồi tụ địa mạo tự nhiên lẫn tác động chính sách kinh tế. Tư liệu ảnh Landsat 5 năm 1990 và Landsat 8 năm 2019 cung cấp độ phân giải đồng nhất 30 m, cho phép so sánh khách quan sự thay đổi của hơn 200 ha đất bãi bồi với độ tin cậy thống kê cao.

Độ chính xác của việc phân loại lớp phủ bằng phương pháp phân tích hướng đối tượng (OBIA) đạt mức bao nhiêu? Quy trình phân đoạn ảnh trên phần mềm eCognition kết hợp bộ 8 chuẩn đoán đọc chuyên gia giúp hạn chế triệt để hiện tượng nhiễu hạt tiêu của phương pháp phân loại pixel truyền thống. Kết quả đánh giá độ chính xác tổng thể của bản đồ phân loại đạt trên 85%, với hệ số Kappa vượt mức 0,82, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kỹ thuật thành lập bản đồ chuyên đề tài nguyên đất tỷ lệ 1:15.000.

Động lực tự nhiên nào đóng vai trò chi phối lớn nhất đến sự biến đổi diện tích Cồn Vành? Lượng phù sa bồi đắp bình quân 60.000 tấn mỗi năm từ sông Hồng và sông Trà Lý cùng độ đục nước sông 850 g/m3 trong mùa mưa là nguồn cung cấp vật liệu chủ đạo. Kết hợp với chế độ nhật triều và năng lượng sóng biển, phù sa lắng đọng liên tục mở rộng các doi cát nổi cao từ 1,0 m đến 3,0 m dọc bờ biển Tiền Hải.

Làm thế nào để phân biệt chính xác giữa rừng ngập mặn và ao nuôi thủy sản trên ảnh Landsat? Nghiên cứu ứng dụng đặc trưng phản xạ phổ ở kênh cận hồng ngoại (0,76 - 0,90 µm) để nhận diện diệp lục thực vật có độ phản xạ cao (màu đỏ rực trên ảnh giả), kết hợp kênh hồng ngoại nhiệt để phân tích nhiệt độ mặt nước. Trên ảnh tổ hợp màu, đầm thủy sản có bờ đắp hình học vuông vắn và độ hấp thụ ánh sáng sâu, hoàn toàn khác biệt với cấu trúc tự nhiên dạng vân của thảm thực vật.

Kết quả của luận văn có thể tích hợp trực tiếp vào hệ thống quản lý đất đai địa phương không? Toàn bộ dữ liệu bản đồ biến động và bảng thuộc tính thống kê diện tích được xây dựng theo chuẩn định dạng không gian vector và geodatabase trên ArcGIS. Do đó, sản phẩm của luận văn có khả năng tích hợp trực tiếp vào cơ sở dữ liệu địa chính số của 34 xã thị trấn huyện Tiền Hải để phục vụ công tác giao đất, cho thuê đất bãi bồi ngoài đê.

Kết luận

  • Luận văn đã định lượng thành công quy mô và tốc độ biến động lớp phủ mặt đất tại khu vực Cồn Vành, tỉnh Thái Bình trong chu kỳ 29 năm (1990 - 2019) với độ chính xác phân loại đạt trên 85%.
  • Nghiên cứu làm sáng tỏ quy luật bồi tụ tự nhiên bổ sung hơn 180 ha đất bãi cát ven biển dưới tác động của 60.000 tấn phù sa hàng năm, đồng thời ghi nhận sự mở rộng gấp hơn 4 lần của diện tích nuôi trồng thủy sản nước lợ.
  • Khẳng định tính hiệu quả vượt trội của quy trình tích hợp tư liệu viễn thám đa thời gian Landsat 5, Landsat 8 cùng phần mềm eCognition Developer và ArcGIS trong việc chiết xuất thông tin tài nguyên đất đai.
  • Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống bản đồ hiện trạng, bản đồ biến động tỷ lệ 1:15.000 và bảng ma trận chuyển dịch đất đai hai chiều phục vụ trực tiếp cho công tác quản lý nhà nước tại huyện Tiền Hải.
  • Đề xuất khung lộ trình giải pháp 4 bước đến năm 2030, trọng tâm là giám sát viễn thám bán niên và phục hồi 120 ha rừng ngập mặn phòng hộ ven biển nhằm phát triển bền vững kinh tế cồn bãi.

Đóng góp chính của công trình là cung cấp phương pháp luận thực chứng và cơ sở dữ liệu số chuẩn xác, xóa bỏ rào cản thiếu hụt dữ liệu lịch sử trong quản lý dải ven biển. Trong giai đoạn tiếp theo (2021 - 2025), việc mở rộng ứng dụng viễn thám Radar (LOTUSat-1) kết hợp trí tuệ nhân tạo sẽ là bước đi đột phá để quan trắc tài nguyên đất trong mọi điều kiện thời tiết. Các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác trực tiếp luận văn để tối ưu hóa chiến lược quy hoạch không gian biển và bảo tồn tài nguyên sinh thái Cồn Vành.