Luận văn thạc sĩ: Tích hợp GIS & MCA đánh giá đất trồng cây ăn quả Thuận Châu

Luận văn thạc sĩ đánh giá thích nghi đất đai cho cây ăn quả tại Thuận Châu, Sơn La. Nghiên cứu ứng dụng tích hợp GIS và phân tích đa chỉ tiêu MCA.

• Tác giả: Lê Phương Nhung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Ngọc Thạch
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
• Đề tài: Tích hợp GIS và Phương pháp Phân tích Đa chỉ tiêu (MCA) trong Đánh giá Thích nghi Đất đai phục vụ Phát triển Cây ăn quả tại Huyện Thuận Châu, Tỉnh Sơn La
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Tích hợp GIS và MCA trong Đánh giá Đất đai

Luận văn của Lê Phương Nhung tập trung vào việc tích hợp GIS và phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCA) để đánh giá thích nghi đất đai phục vụ phát triển cây ăn quả tại huyện Thuận Châu, tỉnh Sơn La. Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Ngọc Thạch tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2017. Đây là một công trình nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường, kết hợp công nghệ hiện đại với phương pháp phân tích khoa học để cung cấp giải pháp toàn diện cho phát triển nông nghiệp bền vững. Phương pháp tiếp cận này mang lại giá trị thực tiễn cao cho quy hoạch sử dụng đất và phát triển kinh tế nông thôn.

1.1. Khái niệm Hệ thống Thông tin Địa lý GIS

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là công nghệ quan trọng cho phép thu thập, xử lý, phân tích và biểu diễn các dữ liệu địa không gian. Trong đánh giá đất đai, GIS giúp tích hợp thông tin về địa hình, khí hậu, thổ nhưỡng và hiện trạng sử dụng đất thành các bản đồ thematic. Công nghệ này cho phép các nhà nghiên cứu phân tích mối quan hệ phức tạp giữa các yếu tố tự nhiên và kinh tế-xã hội một cách hiệu quả.

1.2. Phương pháp Phân tích Đa chỉ tiêu MCA

Phân tích đa chỉ tiêu (MCA) là phương pháp định lượng cho phép đánh giá và so sánh các lựa chọn dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Kết hợp với AHP (Analytic Hierarchy Process), MCA giúp xác định trọng số cho các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng thích nghi của đất đai. Phương pháp này đảm bảo tính khách quan và toàn diện trong quá trình đánh giá suitability của các loại đất cho các cây trồng cụ thể.

II. Đặc điểm Tự nhiên Huyện Thuận Châu Tỉnh Sơn La

Huyện Thuận Châu nằm ở khu vực Tây Bắc Việt Nam với những đặc điểm tự nhiên độc đáo. Địa hình khu vực được đặc trưng bởi những dãy núi cao, sông suối chia cắt, tạo nên pha trộn các loại đất khác nhau. Khí hậu của Thuận Châu thuộc loại ôn đới gió mùa với mưa tập trung vào mùa hè, nhiệt độ dao động theo độ cao. Thổ nhưỡng chủ yếu là các loại đất bazan, đất núi non, đất cục bộ phù hợp cho nhiều loại cây trồng. Những điều kiện tự nhiên này tạo cơ sở để phát triển nông nghiệp, đặc biệt là trồng cây ăn quả như bơ, macca, nhãn với năng suất cao.

2.1. Địa hình và Địa mạo

Địa hình Thuận Châu được đặc trưng bởi các sườn dốc từ 15-35% chiếm đa số diện tích. Độ cao dao động từ 500m đến trên 1200m so với mực nước biển. Địa mạo khu vực là kết quả của quá trình xâu xoá nước lâu dài, tạo thành các thung lũng dọc theo sông suối. Những đặc điểm này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tưới tiêu, thoát nước và sử dụng máy móc trong canh tác cây ăn quả.

2.2. Khí hậu và Thổ nhưỡng

Khí hậu Thuận Châu có lượng mưa trung bình năm 1500-2000mm, nhiệt độ trung bình từ 18-22°C tùy độ cao. Điều kiện ẩm ẩm này rất phù hợp cho phát triển cây ăn quả nhạy cảm. Thổ nhưỡng vùng chủ yếu là các loại đất đỏ bazan, đất cơm cháy, có độ chua từ trung bình đến chuối, tích tụ chất hữu cơ tốt, lý tưởng cho canh tác cây perennial.

III. Phân cấp Thích nghi và Đánh giá Trọng số Nhân tố

Luận văn sử dụng phương pháp AHP tích hợp trong GIS để phân cấp thích nghi các nhân tố tự nhiên cho cây ăn quả. Các nhân tố được đánh giá bao gồm độ cao, độ dốc, lượng mưa, nhiệt độ, thổ nhưỡng và hiện trạng sử dụng đất. Mỗi nhân tố được chia thành các lớp thích nghi từ S1 (rất thích hợp) đến N (không thích hợp). Trọng số của từng nhân tố được xác định thông qua phỏng vấn các chuyên gia và xử lý dữ liệu bằng công cụ AHP tích hợp ArcGIS 10. Quy trình này đảm bảo tính khoa học và khách quan trong việc đánh giá khả năng sinh lợi của đất đai cho các loại cây trồng cụ thể.

3.1. Đánh giá Yêu cầu Sinh thái Cây Ăn quả

Các loại cây ăn quả chính được nghiên cứu (bơ, macca, nhãn) có yêu cầu sinh thái khác nhau. Cây bơ ưa độ cao 600-1200m, nhiệt độ 18-25°C, thổ nhưỡng tốt. Cây macca thích ở vùng cao 800-1500m, ít chịu được bão. Cây nhãn phù hợp độ cao 400-800m, chịu được nhiệt độ cao hơn. Hiểu rõ yêu cầu này giúp ánh xạ chính xác khu vực thích hợp nhất cho từng giống cây.

3.2. Xác định Trọng số bằng Phương pháp AHP

Phương pháp AHP phân tích thứ bậc các nhân tố thích nghi, so sánh từng cặp để xác định mức độ quan trọng tương đối. Kết quả cho thấy độ cao và thổ nhưỡng là nhân tố có trọng số cao nhất (30-35%), tiếp đến lượng mưa (20-25%) và nhiệt độ (15-20%). Công cụ tính toán tích hợp trong ArcGIS 10 tự động hóa quá trình này, giảm sai sót và tăng hiệu quả công việc phân tích dữ liệu không gian.

IV. Kết quả Bản đồ Thích nghi và Định hướng Sử dụng Đất

Kết quả cuối cùng của luận văn là những bản đồ thích nghi chi tiết cho từng loại cây ăn quả tại huyện Thuận Châu. Các bản đồ này được tạo thành bằng cách tích hợp các lớp dữ liệu không gian (địa hình, khí hậu, thổ nhưỡng) với trọng số đã xác định. Kết quả cho thấy các khu vực phù hợp cao (S1) chiếm tỉ lệ 15-20% diện tích huyện, khu vực phù hợp vừa (S2) chiếm 25-30%, và khu vực cần cải thiện (S3, N) chiếm phần còn lại. Những thông tin này cung cấp cơ sở khoa học để các cơ quan quản lý lập kế hoạch phát triển nông nghiệp bền vững, hướng dẫn nông dân chọn loại cây thích hợp với điều kiện địa phương của mình, từ đó tăng hiệu quả kinh tế và bảo vệ tài nguyên đất đai.

4.1. Bản đồ Thích nghi Tự nhiên cho Cây Ăn quả

Bản đồ thích nghi tự nhiên được thành lập cho ba loại cây chính: bơ, macca và nhãn. Mỗi bản đồ thể hiện phân cấp thích nghi dựa trên các yếu tố tự nhiên mà không tính đến hiện trạng sử dụng đất. Bơ có diện tích S1 tập trung ở phía Đông-Nam huyện với độ cao 800-1200m. Macca phù hợp ở vùng cao phía Tây-Bắc. Nhãn thích hợp ở độ cao thấp hơn 400-800m. Những bản đồ này là công cụ hỗ trợ quyết định quan trọng cho quy hoạch sử dụng đất.

4.2. Định hướng Sử dụng Lãnh thổ cho Phát triển Cây ăn Quả

Dựa trên bản đồ thích nghi cuối cùng tích hợp hiện trạng sử dụng đất, luận văn đề xuất các hướng phát triển cụ thể cho từng khu vực. Các vùng S1 hiện đang là đất nông nghiệp nên có thể mở rộng diện tích trồng cây ăn quả. Vùng S2 có thể chuyển từ lâm nghiệp sang nông nghiệp hoặc chuyên canh cây ăn quả. Những khuyến nghị này giúp tối ưu hóa sử dụng đất, tăng giá trị kinh tế, đồng thời bảo vệ môi trường và tài nguyên thiên nhiên cho phát triển bền vững vùng Tây Bắc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu Chương 2: Khái quát đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội huyện Thuận Châu - tỉnh Sơn La Chương 3: Kết quả đánh giá thích nghi cho cây ăn quả trên địa bàn huyện Thuận Châu - tỉnh Sơn La 9 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan 1. Đánh giá thích nghi đất đai bền vững của FAO Tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng mà mỗi quốc giađã xây dựng phương pháp đánh giá đánh đai của riêng mình. Tuy nhiên, nhìn chung các phương pháp đánh giá thường dựa trên hai khuynh hướng chính: Đánh giá đất theo điều kiện tự nhiên có xem xét tới điều kiện kinh tế - xã hội và đánh giá kinh tế đất có xem xét tới điều kiện tự nhiên.

Một số quốc gia đã xây dựng phương pháp đánh giá đất đai như Liên Xô, Mỹ, Trung Quốc hay Ấn Độ,… Tuy nhiên, nhận thấy vai trò quan trọng của đánh giá thích nghi trong phát triển kinh tế - xã hội, Tổ chức Nông nghiệp – Lương thực của Liên hợp quốc (FAO) với sự tham gia của các chuyên gia đầu ngành, đã tổng hợp kinh nghiệm của nhiều nước, xây dựng lên bản: Đề cương đánh giá đất đai năm 1976. Tài liệu được cả thế giới quan tâm thử nghiệm, vận dụng và chấp nhận là phương tiện tốt nhất để đánh giá tiềm năng đất đai. Để xem xét một cách đầy đủ và hệ thống các vấn đề liên quan đến sử dụng đất, FAO (1993b) đã xuất bản đề cương hướng dẫn đánh giá đất đai phục vụ cho công tácquản lý bền vững. Trong đó đưa ra các nguyên tắc, phương pháp, các yếu tố và tiêu chuẩn cần xem xéttrong đánh giá bền vững.

Đánh giá đất đai phục vụ quản lý bền vững thức chất là lựa chọn các loại hình sử dụng đất đáp ứng nhiều tiêu chuần được đặt ra (tùy thuộc vào đều kiện cụ thể củavùng nghiên cứu). Qua quá trình xây dựng và hoàn thiện, FAO đã xây dựng thành phương pháp quy hoạch tổng hợp cho quản lý đất đai bền vững. Phương pháp đánh giá đất của FAO được áp dụng rộng rãi trên thế giới với hàng loạt các nghiên cứu ở các quốc gia như Thái Lan, Indonesia, Ấn Độ, Trung Quốc, Philippin, Hà Lan,… Ở Việt Nam, phương pháp này cũng được ứng dụng rộng rãi trong hàng loạt các nghiên cứu được thực từ những năm 1985. 10 Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như hệ thống cơ sở dữ liệu đầu vào khá lớn và đầy đủ.Thêm vào đó, trong phương pháp này chưa có sự tương tác giữa các yếu tố, yếu tố hạn chế lớn nhất sẽ quyết định thích nghi, nên trong kết quả thích nghi không chứ các yếu tố thích nghi thấp hơn, vì vậy, phương pháp này thường được sử dụng cho những vùng đất mới phát triển hoặc vùng đất ít khan hiếm về tài nguyên đất đai.

Đánh giá thích nghi bằng công nghệ GIS và phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCA) Sự phát triển của hai lĩnh vực GIS và MCA góp phần đặc biệt quan trọng trong giải quyết các bài toán quyết định đa chỉ tiêu không gian. Trong đó, GIS đóng vai trò phân tích không gian, MCA đóng vai trò phân tích các nhân tố, đánh giá và xác định mức độ ưu tiên của các phương án quyết định. Mô hình tích hợp GIS và MCA là quá trình kết hợp giữa dữ liệu không gian và quá trình đánh giá của người ra quyết định. Khả năng tích hợp giữa GIS và MCA có vai trò quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng vào các lĩnh vực, đặc biệt là trong đánh giá thích nghi đất đai.

Tích hợp GIS và MCA trong việchỗ trợ ra quyết định đã được tiến hành trên hàng loạt các nghiên cứu nhằm xác định trọng số của các yếu tố tác động đến thích nghi các loại cây trồng. Thế giới GIS đã bắt đầu xuất hiện vào cuối năm 1960, đến nay đã phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ, hỗ trợ việc ra quyết định trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong đó là lĩnh vực đánh giá đất đai phục vụ cho phát triển sản xuất nông nghiệp. Hiện nay hầu hết các nước trên thế giới đã ứng dụng GIS trong nghiên cứu đánh giá đất đai nhằm cung cấp các thông tin đầy đủ chính xác, hỗ trợ quá trình ra quyết định của nhà quản lý cho quy hoạch sử dụng đất, phát triển của các loại cây trồng và phân vùng thích nghi cho cây trồng. Một số nghiên cứu điển hình như sau: 11 Từ nhưng năm 90, MCA và GIS đã được tiến hành trong quá trình ra quyết định sử dụng đất.Với mục đích này, các hệ thống GIS đã được cung cấp nhiều công cụ để phân tích, mô hình và dự báo.

Nghiên cứu xem xét việc tích hợp GIS với một cơ sở khác: Phân tích đa chỉ tiêu, nhằm tối ưu hóa phương án lựa chọn. Ron Janssen và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu tại Hà Lan với mục đích đưa raphương án tối ưu trong sử dụng đất nông nghiệp [36]. Nghiên cứu phân tích những phương án của các nhà hoạch định chính sách thông qua phân tích cường độ, tính chất theo các tiêu chí, từ đó, sắp xếp các phương án theo mức độ ưu tiên. Ngoài những nghiên cứu đánh giá đất đai tổng thể, việc tích hợp GIS và MCA còn được thực hiện trong các nghiên cứu cho từng loại cây trồng.

Một nghiên cứu đánh giá thích nghi đất đai cho cây dứa đã được thực hiện tại quận phía Nam A.Kwapin, Gana bằng công nghệ GIS và MCA với thuật toán AHP. Kết quả nghiên cứu đã phân hạng được khu vực thích nghi cho cây dứa, cụ thể mức thích nghi cao 1.65 ha (38,61%), thích nghi trung bình 1.16 ha (11,65%) và thích nghi thấp 6651. Từ đó đề xuất phương án quy hoạch, chuyển đổi cơ cấu sử dụng đất nhằm tạo thuận lợi cho việc phát triển canh tác cây dứa. Ở Mexico, Alejandro Ceballoss và cộng sự [1] đã ứng dụng MCA xác định khu vực thích nghi đất đai cho sản xuất ở khu vực miền trung Mexico, các trọng số và các tiêu chí được tính toán theo AHP.

Kết quả đánh giá thích nghi sau đó được chồng lớp với bản đồ giải đoán ảnh từ Landsat TM để xác định sự khác nhau và giống nhau giữa các loại hình sử dụng đất hiện tại và vùng thích nghi với khoai tây. Cũng với cây khoai tây, ở Hà Lan, Van Lanen [41] đã ứng dụng GIS cùng phương pháp đánh giá thích nghi đất đai kết hợp giữa chất lượng và định 12 lượng để đánh giá thích nghi cho cây khoai tây, kết quả xác định được 65% diện tích đất thích hợp cho trồng khoai tây. Tại Anh nghiên cứu được thực hiện ở khu vực Stour Catchmen - Kent bằng công nghệ GIS và phương pháp đánh giá đất của FAO, đưa ra kết quả xây dựng bản đồ đơn vị đất đai trên cơ sở các lớp thông tin chuyên đề: Khí hậu, đất, độ dốc, pH và các thông tin về mùa vụ, từ đó đối chiếu với yêu cầu sử dụng đất của khoai tây để lập bản đồ thích hợp đất đai. Widiatmaka [43] đã tiến hành nghiên cứu sử dụng đất cho các loại rau khu vực nhiệt đới bằng cách tích hợp GIS, AHP và công nghệ viễn thám.

Nghiên cứu này được tiến hành tại một trong những trung tâm sản xuất cây rau ở vùng nhiệt đới cao, ở độ dốc trên khu vực Mts Gede-Pangrango, Tây Java, Indonesia có diện tích 78. Để đánh giá sự phù hợp trong sử dụng đất, nghiên cứu đã xây dựng các tiêu chí về địa hình, đất đai, khí hậu và các nhân tố nhân sinh khác. Kết quả cho thấy diện tích đất thích hợp và có sẵn cho các cây rau nhiệt đới là 23,7% diện tích được phân tích. Khu vực thích hợp và có sẵn đất không được sử dụng là 9% diện tích được phân tích.

Đối với cây lúa, trong nghiên cứu tại Mwea, Kenya sau khi đánh giá các tiêu chí về khí hậu, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật trên diện tích 13.369 ha, đã tiến hành thành lập bản đồ thích nghi. Bằng công cụ tính toán trong phần mềm ArcGIS 10.2, kết quả đánh giá đất trồng trọt cho thấy, 75% tổng diện tích hiện đang sử dụng là khu vực thích hợp cao và 25% vùng thích hợp vừa phải. Kết quả cho thấy diện tích tiềm năng cho việc trồng lúa là 86.364 ha và trong số này chỉ có 12% diện tích đang trồng lúa. Nghiên cứu này cung cấp thông tin ở cấp địa phương để có những phương án sử dụng đất phù hợp.

Henok Mulugeta (2010), nghiên cứu đánh giá thích nghi đất đai cho 2 loại cây lúa mì và ngô dựa trên 5 nhân tố bao gồm độ dốc, độ ẩm đất, kết cấu đất, tầng dày đất, loại đất và loại hình sử dụng đất hiện tại. Phương pháp được dùng để tính trọng số và chuẩn hóa các nhân tố và so sánh cặp của AHP kết hợp trọng số tuyến tính. Bản đồ thích nghi trong GIS được phân theo 5 lớp thích nghi của FAO. Kết 13 quả của nghiên cứu thể hiện tiềm năng phát triển của cây trồng nông nghiệp tại Legambo Woreda, Ethiopia [27].

Việt Nam Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ GIS bước đầu được sử dụng ở Việt Nam.Từ đó GIS từng bước phát triển với mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực đánh giá thích nghi hầu hết các nghiên cứu đều ứng dụng GIS, chủ yếu tập trung nghiên cứu các tiện ích sẵn có của GIS. Phương pháp đánh giá đất đai được sử dụng chủ yếu trong các nghiên cứu vẫn là phương pháp hạn chế lớn nhất của FAO. Hiện nay, việc sử dụng GIS và MCA trong đánh giá đất đai ngày càng phát triển ở Việt Nam.

Một số nghiên cứu điển hình: Một trong những nghiên cứu sớm nhất được Lê Cảnh Định xây dựng là “Tích hợp phần mềm ALES và GIS trong đánh giá thích nghi đất đai”. Nghiên cứu đã ứng dụng GIS xây dựng bản đồ các yếu tố thích nghi: đất, tầng dày, khả năng tưới, độ dốc, đá lộ đầu và phân vùng thích nghi cho các loại hình sử dụng đất. Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu MCA với kĩ thuật AHP-IDM xác định trọng số các tiêu chuẩn tương ứng với các loại hình sử dụng đất [10]. Trong nghiên cứu của Võ Thị Phương Thúy và cộng sự [20], đã tích hợp GIS và MCA trong đánh giá thích nghi đất đai bền vững cho huyện Đức Trọng.

Các loại hình sử dụng đất được lựa chọn để đánh giá thích nghi đất đai bao gồm: Chuyên lúa, 2 vụ lúa-màu, rau hoa, chuyên màu, dâu tằm, cà phê, chè.