Luận văn thạc sĩ về đánh giá không gian phát triển đô thị khu Đông TP.HCM bằng phương pháp viễn thám

• Tác giả: Trần Võ Thiên Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thị Vân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường
• Đề tài: Đánh giá không gian phát triển đô thị khu Đông TP.HCM bằng phương pháp viễn thám
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP.HCM

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
• 2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐÔ THỊ
• 2.1.1. Khái niệm
• 3. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Cơ sở khoa học
• 3.2. Cơ sở viễn thám và GIS
• 3.3. Cơ sở viễn thám quan trắc nhiệt
• 3.4. Cơ sở thống kê
• 3.5. Phương pháp nghiên cứu
• 3.5.1. Phương pháp xử lý ảnh viễn thám
• 3.5.2. Tính thống kê tương quan chỉ số
• 3.6. Dữ liệu sử dụng
• 3.7. Quy trình thực hiện nghiên cứu
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Tiền xử lý ảnh và phân loại lớp phủ
• 4.1.1. Tiền xử lý ảnh
• 4.1.2. Phân loại lớp phủ bề mặt
• 4.2. Hiện trạng lớp phủ bề mặt qua các thời điểm ảnh
• 4.2.1. Toàn khu Đông
• 4.2.2. Theo từng quận
• 4.3. Biến động đô thị khu Đông
• 4.3.1. Biến động không gian đô thị từ năm 2001 đến năm 2019
• 4.3.2. Một số nguyên nhân gây biến động
• 4.4. Quan hệ giữa đô thị và nhiệt độ trong môi trường đô thị
• 4.4.1. Phân bố nhiệt độ khu Đông thời điểm ảnh 19/01/2019
• 4.4.2. Xây dựng hàm hồi quy biểu diễn quan hệ đô thị và nhiệt độ
• 4.5. Đề xuất giải pháp quản lý không gian phát triển đô thị
• 5. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về đô thị và đô thị hóa

Quá trình đô thị hóa là một hiện tượng toàn cầu, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Đô thị hóa không chỉ thúc đẩy sự phát triển kinh tế mà còn ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của người dân. Trong bối cảnh khu Đông TP.HCM, đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, với nhiều dự án lớn được triển khai. Tuy nhiên, sự phát triển này cũng đi kèm với những thách thức như ô nhiễm môi trường, gia tăng áp lực về nhà ở và dịch vụ công cộng. Theo báo cáo của Bộ Xây dựng, tốc độ đô thị hóa tại khu vực này đã tăng gấp nhiều lần so với các khu vực khác, điều này cần được theo dõi và quản lý chặt chẽ để đảm bảo sự phát triển bền vững.

1.1. Khái niệm về đô thị

Đô thị được định nghĩa là khu vực tập trung đông dân cư, nơi diễn ra các hoạt động kinh tế phi nông nghiệp. Đây là trung tâm kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của một vùng lãnh thổ. Theo Nghị định số 42/2009/NĐ-CP, đô thị có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội. Sự phát triển của đô thị không chỉ dựa vào số lượng dân cư mà còn liên quan đến chất lượng hạ tầng và dịch vụ công cộng, điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng tại khu Đông TP.HCM.

II. Ứng dụng viễn thám trong đánh giá đô thị

Việc áp dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu phát triển đô thị đã trở thành xu hướng phổ biến. Công nghệ này cho phép thu thập dữ liệu về lớp phủ đất và các yếu tố môi trường mà không cần phải thực hiện khảo sát thực địa phức tạp. Các tài liệu nghiên cứu cho thấy, ảnh vệ tinh có thể cung cấp thông tin chi tiết về sự biến động không gian của đô thị, từ đó giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định chính xác hơn. Công nghệ viễn thám cũng hỗ trợ trong việc theo dõi các chỉ số như nhiệt độ bề mặt (LST) và chỉ số thực vật (NDVI), từ đó đánh giá tác động của đô thị hóa đến môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khu Đông TP.HCM đang trải qua sự biến đổi mạnh mẽ về lớp phủ đô thị, với tỷ lệ tăng trưởng cao trong những năm gần đây.

2.1. Phân tích ảnh viễn thám

Phân tích ảnh viễn thám là một phương pháp hiệu quả để đánh giá sự biến động của lớp phủ đô thị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng ảnh vệ tinh Landsat cho phép theo dõi sự thay đổi trong không gian đô thị qua các thời điểm khác nhau. Việc phân loại lớp phủ bề mặt từ ảnh viễn thám giúp xác định các khu vực đang phát triển nhanh chóng, đồng thời cũng phát hiện các vấn đề môi trường như ô nhiễm không khí và nước. Hơn nữa, việc phân tích mối quan hệ giữa lớp phủ đô thị và các yếu tố môi trường như nhiệt độ cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về tác động của đô thị hóa đến chất lượng sống của người dân.

III. Đánh giá không gian phát triển đô thị khu Đông

Đánh giá không gian phát triển đô thị khu Đông TP.HCM trong giai đoạn 2001-2019 cho thấy sự tăng trưởng vượt bậc về tỷ lệ đô thị hóa. Khu vực này đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ với nhiều dự án mới, đặc biệt là tại quận 2 và quận 9. Theo dữ liệu từ các nghiên cứu, tỷ lệ đô thị hóa tại quận 2 đã tăng 25,45% và quận 9 tăng 12,26% trong giai đoạn 2014-2019. Sự biến động này không chỉ mang lại lợi ích về kinh tế mà còn đặt ra thách thức lớn về quản lý môi trường và hạ tầng. Việc đánh giá không gian phát triển đô thị giúp các nhà quản lý hoạch định chính sách phù hợp nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững.

3.1. Tác động của đô thị hóa đến môi trường

Quá trình đô thị hóa tại khu Đông TP.HCM đã tạo ra nhiều tác động đến môi trường tự nhiên. Sự chuyển đổi từ đất nông nghiệp sang đất đô thị đã làm giảm diện tích cây xanh và mặt nước, gây ra hiện tượng ngập úng và ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy, việc tăng cường quản lý không gian đô thị là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực này. Các giải pháp như cải tạo không gian xanh, tăng cường hệ thống thoát nước và kiểm soát chất thải cần được xem xét để đảm bảo môi trường sống cho cư dân. Đánh giá tác động môi trường cũng cần được thực hiện thường xuyên để theo dõi sự thay đổi và điều chỉnh chính sách kịp thời.

IV. Giải pháp quản lý và phát triển bền vững

Để đảm bảo sự phát triển bền vững cho khu Đông TP.HCM, các giải pháp quản lý đô thị cần được đưa ra một cách đồng bộ và hiệu quả. Việc áp dụng các công nghệ mới như hệ thống thông tin địa lý (GIS) và viễn thám sẽ hỗ trợ trong việc theo dõi và quản lý không gian đô thị. Ngoài ra, cần thiết lập các chính sách khuyến khích phát triển các khu đô thị thông minh, nơi mà công nghệ được tích hợp vào quản lý hạ tầng và dịch vụ công cộng. Đặc biệt, việc tham gia của cộng đồng trong quá trình quy hoạch và phát triển cũng rất quan trọng, giúp tạo ra môi trường sống tốt hơn cho người dân.

4.1. Đề xuất giải pháp cụ thể

Các giải pháp cụ thể cho phát triển bền vững khu Đông bao gồm: (1) Tăng cường đầu tư vào cơ sở hạ tầng xanh, (2) Phát triển hệ thống giao thông công cộng hiệu quả, (3) Thúc đẩy các dự án phát triển nhà ở xã hội, (4) Quản lý chất thải và ô nhiễm môi trường chặt chẽ. Những giải pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sống mà còn bảo vệ môi trường tự nhiên, đảm bảo sự phát triển bền vững cho khu vực trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa tại khu Đông Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) diễn ra với tốc độ nhanh chóng, đặc biệt trong giai đoạn 2014-2019, khi tỷ lệ tăng diện tích đô thị gấp 6 lần so với 13 năm trước đó (2001-2014). Khu vực nghiên cứu gồm ba quận: Thủ Đức, Quận 2 và Quận 9, với tổng diện tích tự nhiên khoảng 211,5 km² và dân số tăng từ khoảng 298.311 người năm 2001 lên khoảng 1.169.000 người năm 2019. Sự phát triển đô thị nhanh chóng đã tạo ra áp lực lớn lên môi trường, hạ tầng và đời sống xã hội, đồng thời làm thay đổi đáng kể lớp phủ bề mặt đất, từ đất nông nghiệp và thảm thực vật sang các bề mặt nhân tạo không thấm nước.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá sự biến động không gian phát triển đô thị khu Đông TP.HCM trong giai đoạn 2001-2019 thông qua xử lý ảnh viễn thám Landsat, đồng thời phân tích tác động của đô thị hóa lên môi trường nhiệt đô thị nhằm hỗ trợ công tác quản lý và quy hoạch phát triển bền vững. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ba quận thuộc khu Đông TP.HCM, với dữ liệu ảnh viễn thám thu thập trong 18 năm, từ 2001 đến 2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp số liệu và phân tích xu hướng phát triển đô thị, giúp các nhà quản lý và hoạch định chính sách có cơ sở khoa học để điều chỉnh quy hoạch, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống người dân. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS cho phép theo dõi biến động lớp phủ đất một cách nhanh chóng, chính xác và chi tiết theo không gian và thời gian, góp phần thúc đẩy phát triển đô thị thông minh và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình phát triển đô thị, bao gồm:

• Lý thuyết đô thị hóa và biến động lớp phủ đất: Đô thị hóa được xem là quá trình chuyển đổi đất nông nghiệp, thảm thực vật sang các bề mặt nhân tạo không thấm, ảnh hưởng đến môi trường và hệ sinh thái đô thị.
• Mô hình phát triển không gian đô thị: Các mô hình phát triển theo tuyến giao thông, đa hạt nhân trung tâm, đô thị vệ tinh và đô thị mới được áp dụng để giải thích sự phát triển không gian tại khu Đông TP.HCM.
• Khái niệm chỉ số viễn thám chuyên ngành: Bao gồm các chỉ số NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) đo độ phủ thực vật, NDBI (Normalized Difference Built-up Index) đo mật độ xây dựng, NDWI (Normalized Difference Water Index) đo diện tích mặt nước, và LST (Land Surface Temperature) đo nhiệt độ bề mặt đất.
• Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island - UHI): Mối quan hệ giữa lớp phủ đô thị và nhiệt độ bề mặt được phân tích để đánh giá tác động của đô thị hóa lên môi trường nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng ảnh viễn thám Landsat 7 và Landsat 8 với độ phân giải không gian 30m, 16 bit, thu thập tại các thời điểm năm 2001, 2014 và 2019. Dữ liệu được xử lý để phân loại lớp phủ bề mặt và tính toán các chỉ số NDVI, NDBI, NDWI, LST.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn ba quận thuộc khu Đông TP.HCM làm mẫu nghiên cứu đại diện cho khu vực phát triển đô thị nhanh và có sự biến động rõ rệt về lớp phủ đất.
• Phương pháp phân tích: Áp dụng kỹ thuật phân loại ảnh viễn thám theo phương pháp phân loại gần đúng nhất (Maximum Likelihood Classifier - MLC) để xác định các lớp phủ bề mặt. Sử dụng phân tích hồi quy và thống kê tương quan để đánh giá mối quan hệ giữa lớp phủ đô thị và nhiệt độ bề mặt.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2019 đến tháng 9/2020, bao gồm các bước tiền xử lý ảnh, phân loại lớp phủ, phân tích biến động không gian, đánh giá mối quan hệ nhiệt độ và đề xuất giải pháp quản lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng trưởng đô thị nhanh chóng: Tỷ lệ diện tích đô thị tại khu Đông TP.HCM tăng mạnh trong giai đoạn 2014-2019, gấp 6 lần so với giai đoạn 2001-2014. Cụ thể, Quận 2 tăng 25,45% (trong đó 20,17% tăng trong 2014-2019), Quận 9 tăng 12,26% (10,08% trong 2014-2019), trong khi Quận Thủ Đức tăng nhẹ 1,1% và gần như không thay đổi trong giai đoạn sau 2014.
2. Biến động lớp phủ bề mặt: Lớp phủ đô thị mở rộng chủ yếu chiếm diện tích đất nông nghiệp và thảm thực vật, làm giảm diện tích cây xanh và mặt nước. Tỷ lệ mặt không thấm tăng lên rõ rệt, phản ánh sự gia tăng các bề mặt nhân tạo như nhà cửa, đường xá.
3. Mối quan hệ giữa lớp phủ đô thị và nhiệt độ bề mặt: Nhiệt độ bề mặt đất (LST) tại khu Đông có xu hướng tăng theo tỷ lệ lớp phủ đô thị. Phân tích hồi quy cho thấy mối tương quan thuận chiều mạnh giữa NDBI và LST (R² gần 0,99), trong khi mối tương quan âm giữa NDVI và LST cũng rất rõ rệt (R² trên 0,9), chứng tỏ thảm thực vật có tác dụng làm giảm nhiệt độ bề mặt.
4. Phân bố nhiệt độ không đồng đều: Bản đồ nhiệt độ bề mặt ngày 19/01/2019 cho thấy các khu vực đô thị hóa cao có nhiệt độ bề mặt lên tới trên 35°C, trong khi các vùng có thảm thực vật và mặt nước duy trì nhiệt độ thấp hơn 25°C.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng diện tích đô thị tại khu Đông TP.HCM trong giai đoạn 2014-2019 phản ánh xu hướng phát triển kinh tế và dân số tăng nhanh, phù hợp với các mô hình phát triển đô thị đa hạt nhân và đô thị vệ tinh. Việc mở rộng không gian đô thị đã làm giảm diện tích đất nông nghiệp và thảm thực vật, gây ra các vấn đề môi trường như tăng nhiệt độ bề mặt, giảm khả năng điều hòa khí hậu tự nhiên.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương tự cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa lớp phủ đô thị và hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI). Việc sử dụng ảnh viễn thám Landsat cho phép đánh giá biến động không gian và thời gian một cách chính xác, hỗ trợ hiệu quả cho công tác quy hoạch và quản lý đô thị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện tỷ lệ tăng diện tích đô thị theo từng quận, bản đồ phân bố lớp phủ bề mặt qua các năm, và biểu đồ hồi quy mối quan hệ giữa các chỉ số NDVI, NDBI với LST. Các bảng số liệu chi tiết về tỷ lệ phần trăm lớp phủ và nhiệt độ bề mặt cũng giúp minh chứng cho các phát hiện chính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường quản lý quy hoạch không gian đô thị: Áp dụng các quy định chặt chẽ về sử dụng đất nhằm hạn chế việc chuyển đổi đất nông nghiệp và thảm thực vật sang đất xây dựng không kiểm soát, bảo vệ các khu vực xanh và mặt nước. Chủ thể thực hiện: UBND TP.HCM và các quận khu Đông. Thời gian: 1-3 năm.
2. Phát triển không gian xanh đô thị: Tăng cường trồng cây xanh, xây dựng công viên và hồ điều hòa nhằm giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, cải thiện chất lượng môi trường sống. Mục tiêu tăng diện tích cây xanh tối thiểu 15% trong 5 năm tới.
3. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong giám sát đô thị: Thiết lập hệ thống giám sát biến động lớp phủ đất và nhiệt độ bề mặt theo thời gian thực để hỗ trợ công tác quy hoạch và quản lý môi trường. Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm GIS TP.HCM. Thời gian: triển khai ngay và duy trì liên tục.
4. Xây dựng chính sách phát triển đô thị bền vững, thích ứng biến đổi khí hậu: Đưa ra các tiêu chuẩn xây dựng thân thiện môi trường, khuyến khích sử dụng vật liệu xanh, phát triển hạ tầng giao thông công cộng để giảm áp lực giao thông và ô nhiễm. Chủ thể: Sở Xây dựng, Sở Quy hoạch Kiến trúc. Thời gian: 3-5 năm.
5. Nâng cao nhận thức cộng đồng và các bên liên quan: Tổ chức các chương trình tuyên truyền, đào tạo về tác động của đô thị hóa và vai trò của không gian xanh trong việc giảm thiểu biến đổi khí hậu. Chủ thể: các tổ chức xã hội, trường học, chính quyền địa phương. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà quản lý và hoạch định chính sách đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chiến lược phát triển đô thị bền vững, quản lý biến động không gian và giảm thiểu tác động môi trường.
2. Các chuyên gia quy hoạch và kiến trúc sư đô thị: Áp dụng phương pháp viễn thám và GIS trong thiết kế quy hoạch, đánh giá hiện trạng và dự báo xu hướng phát triển đô thị.
3. Nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành Quản lý Tài nguyên và Môi trường: Tham khảo phương pháp luận, dữ liệu và phân tích để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về đô thị hóa và môi trường.
4. Các tổ chức phát triển đô thị và môi trường: Sử dụng thông tin để hỗ trợ các dự án phát triển đô thị thông minh, thích ứng biến đổi khí hậu và nâng cao chất lượng sống tại các đô thị lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp viễn thám nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 với độ phân giải 30m, áp dụng phương pháp phân loại gần đúng nhất (MLC) để phân tích lớp phủ bề mặt và các chỉ số NDVI, NDBI, NDWI, LST nhằm đánh giá biến động đô thị.

2. Tại sao khu Đông TP.HCM được chọn làm khu vực nghiên cứu?
   Khu Đông gồm ba quận có tốc độ đô thị hóa nhanh, diện tích lớn và dân số tăng mạnh, đồng thời là trung tâm phát triển công nghệ cao và đô thị sáng tạo, nên có ý nghĩa quan trọng trong quy hoạch phát triển bền vững của TP.HCM.

3. Mối quan hệ giữa lớp phủ đô thị và nhiệt độ bề mặt được thể hiện như thế nào?
   Kết quả cho thấy mối tương quan thuận chiều mạnh giữa mật độ xây dựng (NDBI) và nhiệt độ bề mặt (LST), trong khi thảm thực vật (NDVI) có mối tương quan âm với LST, chứng tỏ cây xanh giúp giảm nhiệt độ đô thị.

4. Ảnh hưởng của đô thị hóa đến môi trường tại khu Đông là gì?
   Đô thị hóa làm giảm diện tích đất nông nghiệp và thảm thực vật, tăng diện tích mặt không thấm, gây ra hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái và chất lượng không khí, đồng thời tạo áp lực lên hạ tầng và đời sống dân cư.

5. Giải pháp nào được đề xuất để phát triển đô thị bền vững?
   Nghiên cứu đề xuất tăng cường quản lý quy hoạch, phát triển không gian xanh, ứng dụng công nghệ viễn thám trong giám sát, xây dựng chính sách thân thiện môi trường và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của đô thị hóa.

Kết luận

• Khu Đông TP.HCM đã trải qua sự phát triển đô thị nhanh chóng, đặc biệt trong giai đoạn 2014-2019 với tỷ lệ tăng diện tích đô thị gấp 6 lần so với giai đoạn trước.
• Ứng dụng ảnh viễn thám Landsat và các chỉ số NDVI, NDBI, NDWI, LST cho phép đánh giá chính xác biến động lớp phủ bề mặt và tác động môi trường nhiệt đô thị.
• Mối quan hệ chặt chẽ giữa lớp phủ đô thị và nhiệt độ bề mặt cho thấy sự cần thiết của việc bảo vệ không gian xanh để giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt.
• Các giải pháp quản lý không gian đô thị, phát triển không gian xanh và ứng dụng công nghệ viễn thám được đề xuất nhằm hướng tới phát triển đô thị bền vững và thích ứng biến đổi khí hậu.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho các nhà quản lý, quy hoạch và nghiên cứu trong việc phát triển đô thị thông minh, nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường tại TP.HCM.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai các giải pháp đề xuất trong thời gian tới và mở rộng nghiên cứu ứng dụng viễn thám cho các khu vực đô thị khác. Các nhà quản lý và chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý và quy hoạch đô thị.