Tổng quan luận án

Biến động sử dụng đất tại vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng diễn ra mạnh mẽ và liên tục dưới tác động của quá trình phát triển kinh tế - xã hội, các chính sách đổi mới sau năm 1986 và các dự án phát triển rừng ngập mặn. Xu thế biến đổi phổ biến tại khu vực theo lộ trình "lúa lấn cói, cói lấn vẹt, vẹt lấn biển", trong đó đất nông nghiệp giảm dần để nhường chỗ cho đất nuôi trồng thủy sản và đất phi nông nghiệp xây dựng hạ tầng dân sinh. Tuy nhiên, việc ra quyết định chuyển đổi mục đích sử dụng đất chịu sự chi phối chặt chẽ của các quy luật và điều kiện tự nhiên nền tảng (như quá trình bồi tụ, xói lở, thành tạo thùy châu thổ, phân bố địa mạo và thổ nhưỡng). Nhiều công trình trước đây chủ yếu tiếp cận theo hướng định tính hoặc chỉ xem xét mối quan hệ tổng thể giữa sử dụng đất với các yếu tố kinh tế - xã hội, chưa lượng hóa được mối quan hệ không gian giữa biến động sử dụng đất với các yếu tố tự nhiên cụ thể. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách ứng dụng công nghệ viễn thám đa thời gian và hệ thông tin địa lý (GIS) kết hợp các mô hình toán thống kê không gian để phân tích và dự báo biến động sử dụng đất.

Mục tiêu chung của luận án là đánh giá mối quan hệ giữa điều kiện tự nhiên với biến động sử dụng đất khu vực ven biển Đồng bằng sông Hồng thông qua hai khu vực nghiên cứu điển hình là huyện Thái Thụy (tỉnh Thái Bình) và huyện Giao Thủy (tỉnh Nam Định) trên cơ sở ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý.

Nội dung nghiên cứu của luận án được xác định gồm 5 nội dung chính:

  1. Tổng quan tài liệu và xây dựng cơ sở luận, phương pháp nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất với điều kiện tự nhiên trên thế giới, Việt Nam và khu vực ven biển Đồng bằng sông Hồng.
  2. Đánh giá điều kiện tự nhiên và hiện trạng sử dụng đất hai huyện điển hình là Thái Thụy và Giao Thủy.
  3. Nghiên cứu chiết xuất thông tin sử dụng đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh đa thời gian khu vực ven biển Đồng bằng sông Hồng trên cơ sở ứng dụng phương pháp phân loại định hướng đối tượng kết hợp phương pháp phân vùng mẫu.
  4. Nghiên cứu, đánh giá mối quan hệ giữa điều kiện tự nhiên với biến động sử dụng đất khu vực ven biển Đồng bằng sông Hồng trong giai đoạn 1989 – 2013 bằng phương pháp thống kê và mô hình hóa không gian.
  5. Nghiên cứu dự báo xu hướng biến động sử dụng đất đến năm 2021 trong mối quan hệ với yếu tố tự nhiên bằng việc tích hợp mô hình mạng nơ-ron nhân tạo với CA-Markov.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất và các điều kiện tự nhiên thông qua ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS.
  • Phạm vi không gian: Thực nghiệm tại hai huyện ven biển đại diện cho hai quy luật phát triển tự nhiên trái ngược nhau của Đồng bằng sông Hồng: huyện Thái Thụy (tỉnh Thái Bình) mang đặc trưng của thùy châu thổ Diêm Điền đang trong giai đoạn lụi tàn, hệ thống sông Thái Bình chi phối với hướng vận chuyển trầm tích chủ đạo là hướng Đông; huyện Giao Thủy (tỉnh Nam Định) đại diện cho thùy châu thổ Ba Lạt đang phát triển bồi tụ mạnh mẽ, hệ thống sông Hồng chi phối với hướng vận chuyển trầm tích chủ đạo là hướng Đông Bắc.
  • Phạm vi thời gian: Giai đoạn nghiên cứu thực tế từ năm 1989 đến năm 2013 (với các mốc quan trắc 1989, 2001, 2005, 2013) và dự báo đến năm 2021.
  • Phạm vi khoa học: Nghiên cứu mối quan hệ tương tác giữa các đơn vị sử dụng đất (được ngoại suy từ lớp phủ chiết xuất qua ảnh vệ tinh Landsat) với bốn nhóm yếu tố điều kiện tự nhiên chính: địa mạo, thổ nhưỡng, biến động đường bờ (bồi tụ/xói lở) và khoảng cách tới đường bờ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan hệ thống các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến phân loại lớp phủ/sử dụng đất, ứng dụng viễn thám, GIS trong phân tích biến động và mối quan hệ giữa sử dụng đất với các yếu tố tự nhiên:

  1. Hướng nghiên cứu về phân loại lớp phủ và sử dụng đất:
  • Anderson và cộng sự (1976) xác lập nguyên lý ảnh viễn thám phản ánh lớp phủ bề mặt (tự nhiên và nhân tạo), từ đó có thể nội suy thông tin sử dụng đất dựa vào cấu trúc, hình dạng và quan hệ không gian.
  • Jensen và cộng sự (2003) xây dựng chìa khóa giải đoán và quy trình ngoại suy chức năng sử dụng đất từ lớp phủ thông qua việc nhận diện hoạt động của con người và phân chia theo tiêu chuẩn kinh tế - xã hội.
  • Tổ chức Nông Lương Liên Hợp Quốc (FAO, 1997, 1998) chuẩn hóa định nghĩa lớp phủ đất (Land Cover) là các thuộc tính sinh lý có thể quan sát được trên bề mặt và sử dụng đất (Land Use) là chuỗi các hoạt động của con người tác động lên đất đai.
  1. Hướng nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS phân tích biến động lớp phủ và sử dụng đất:
  • Phương pháp phân tích sau phân loại (post-classification comparison) được áp dụng trong nghiên cứu của Nguyễn Thị Thanh (2009) tại Chiềng Khôi, Nguyễn Thị Thu Hiền và cộng sự (2014) và Nguyễn Hải Hòa (2016) tại huyện Tiên Yên (Quảng Ninh).
  • Phương pháp phân tích biến động dựa trên chỉ số phổ thực vật (NDVI, SAVI) được Tống Sĩ Sơn (2009) phát triển qua kỹ thuật phân tích vector biến động (CVA); Trịnh Hoài Thu và Vũ Thị Hằng phân tích sai biệt chỉ số SAVI tại huyện Từ Liêm (Hà Nội).
  • Phạm Bách Việt, Hồ Đình Duẩn và cộng sự (2006) kết hợp chỉ số NDVI và chỉ số nước (Water Index) từ ảnh Landsat, ASTER, SPOT, IKONOS để nghiên cứu không gian đô thị hóa Hà Nội giai đoạn 1975 – 2005.
  • Vũ An Tuân (2004) ứng dụng ảnh Landsat TM giai đoạn 1990 – 1997 tính toán hệ số che phủ C để đánh giá biến đổi quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc.
  1. Hướng nghiên cứu nguyên nhân và mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất với các yếu tố tác động:
  • Eric Lambin và Helmut Geist (2001, 2007) phân chia nguyên nhân biến động thành nhóm trực tiếp (nội sinh tại chỗ) và gián tiếp (ngoại sinh cấp vùng/toàn cầu).
  • Satoshi Hoshino (1996) ứng dụng phân tích thành phần chính (PCA) và hồi quy logistic đa thức tại vùng Kansai (Nhật Bản), phân loại các nhân tố thành nhóm tác nhân ngoại sinh (driving forces), nhân tố thích ứng nội sinh (counter forces), điều kiện ban đầu và điều kiện tự nhiên.
  • Jan Kabrda (2004, 2007) sử dụng các mô hình tương quan bội và chỉ số phân kỳ tại Cộng hòa Séc để chứng minh điều kiện tự nhiên chi phối cấu trúc sử dụng đất nông nghiệp và mức độ ổn định cảnh quan.
  • Nhóm nghiên cứu khẳng định mối quan hệ chặt chẽ giữa điều kiện tự nhiên với sử dụng đất gồm: Pan và cộng sự (1999), Chen (2001), Fu (2006), Ataollah Kelarestaghi và cộng sự (2011), Shu-Wei Huang và Hsiu-I Hsiech (2012), Visalatchi và Raj Chandar (2012).
  • Tại Việt Nam: Nguyễn Cao Huần (2005), Phạm Hoàng Hải (1997) nghiên cứu đánh giá cảnh quan; Huỳnh Văn Chương và cộng sự (2012), Lê Tấn Lợi (2011) ứng dụng GIS đánh giá thích nghi đất đai; Vũ Kim Chi (2010) dùng hồi quy logistic phân tích ảnh hưởng của độ cao và thổ nhưỡng đến sử dụng đất.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Các nghiên cứu trước đây tại khu vực ven biển Đồng bằng sông Hồng phần lớn sử dụng phương pháp phân loại điểm ảnh truyền thống (pixel-based) gây ra hiện tượng lẫn phổ hoặc chỉ thống kê biến động diện tích thuần túy qua các thời điểm. Luận án kết hợp phương pháp phân loại định hướng đối tượng (PLĐHĐT) với phân vùng mẫu (per-field classification) trên chuỗi ảnh vệ tinh đa thời gian; đồng thời ứng dụng mô hình hồi quy logistic để lượng hóa xác suất chuyển đổi đất đai theo từng đơn vị địa mạo, thổ nhưỡng và khoảng cách bờ biển, tích hợp mạng nơ-ron nhân tạo và mô hình CA-Markov trong Land Cover Modeler (LCM) để dự báo không gian sử dụng đất đến năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên các khung lý thuyết và khái niệm chuyên ngành:

  • Khái niệm lớp phủ và sử dụng đất: Lớp phủ (Land cover) là thực thể khách quan cấu tạo bề mặt trái đất (thực vật, đất, công trình nhân tạo, mặt nước); Sử dụng đất (Land use) là các hoạt động kinh tế - xã hội của con người nhằm khai thác lớp phủ. Luận án áp dụng khung giải đoán của Jensen (2003) để nội suy chức năng sử dụng đất từ lớp phủ ảnh vệ tinh kết hợp các dữ liệu chuyên đề bổ trợ.
  • Khung lý thuyết động lực biến động đất đai: Tiếp cận hệ sinh thái - địa lý tổng hợp, xác định biến động sử dụng đất là kết quả tương tác giữa các tác nhân kinh tế - xã hội với các yếu tố tự nhiên nền tảng (địa mạo, thổ nhưỡng, thủy văn, bồi tụ/xói lở đường bờ).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm các kỹ thuật định lượng và xử lý không gian:

  • Phương pháp xử lý và phân loại ảnh viễn thám:
    • Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh các thời kỳ về hệ tọa độ quốc gia VN-2000 (kinh tuyến trục 105°45', múi chiếu 3°).
    • Phương pháp phân loại định hướng đối tượng (PLĐHĐT - Object-Oriented Classification) thực hiện phân đoạn ảnh (segmentation) dựa trên độ đồng nhất về phổ, hình dạng (shape), cấu trúc (texture) và mối quan hệ lân cận (neighbor objects) bằng phần mềm Definiens 2007.
    • Phương pháp phân vùng mẫu (Per-field classification) kết hợp các lớp dữ liệu vector chuyên đề và ranh giới địa mạo, thổ nhưỡng để loại bỏ sai số điểm ảnh hỗn hợp (mixed pixel).
    • Thiết lập các bộ quy tắc logic mờ (fuzzy rules) và cây quyết định phân tầng trên các kênh phổ và chỉ số thực vật.
  • Phương pháp phân tích thống kê không gian và lượng hóa mối quan hệ:
    • Phương pháp phân tích sau phân loại (Post-classification comparison) xây dựng ma trận chuyển đổi diện tích sử dụng đất giai đoạn 1989 – 2001, 2001 – 2005 và 2005 – 2013.
    • Phương pháp hồi quy logistic (Logistic Regression): Biến phụ thuộc là trạng thái nhị phân (1: có biến động/chuyển đổi, 0: không biến động) của từng loại hình sử dụng đất (đất lúa và hoa màu, đất trống, rừng ngập mặn, đất nuôi trồng thủy sản). Các biến độc lập gồm: địa mạo, thổ nhưỡng, khoảng cách đến đường bờ biển và cường độ biến động đường bờ (xói lở/bồi tụ).
  • Phương pháp mô hình hóa và dự báo không gian:
    • Ứng dụng mô hình chuyển đổi lớp phủ LCM (Land Cover Modeler) tích hợp Mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp (Multi-Layer Perceptron Neural Network - MLP-NN) để tính toán bản đồ tiềm năng chuyển đổi (Transition Potential Map).
    • Sử dụng mô hình Tế bào tự hành Markov (Cellular Automata - CA-Markov) mô phỏng động lực không gian và dự báo xu hướng sử dụng đất năm 2021.
    • Kiểm định độ chính xác mô hình bằng chỉ số Kappa và đối chiếu số liệu niên giám thống kê huyện.

Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng trong luận án:

Loại tư liệu Nguồn / Xuất bản Thông số kỹ thuật / Tỷ lệ Thời gian Mục đích sử dụng
Ảnh vệ tinh Landsat TM Cảnh 126/046, USGS Độ phân giải 30m, kênh 1-7 23/11/1989 Chiết xuất sử dụng đất năm 1989
Ảnh vệ tinh Landsat ETM+ Cảnh 126/046, USGS Độ phân giải 30m, kênh 1-7 16/11/2001 Chiết xuất sử dụng đất năm 2001
Ảnh vệ tinh Landsat ETM+ Cảnh 126/046, USGS Kênh đa phổ 30m, Pan 15m 10/10/2005 Chiết xuất sử dụng đất năm 2005
Ảnh vệ tinh Landsat OLI Cảnh 126/046, USGS Độ phân giải 30m, kênh 2-7, 9 08/10/2013 Chiết xuất sử dụng đất năm 2013
Bản đồ địa hình Cục Đo đạc Bản đồ Quân đội Tỷ lệ 1:50.000, hệ VN-2000 2000 Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh
Bản đồ thổ nhưỡng Viện Nghiên cứu Thổ nhưỡng Tỷ lệ 1:50.000 2005 Biến độc lập trong mô hình hồi quy
Bản đồ địa mạo Lê Văn Xuân, Vũ Nhật Thắng (Liên đoàn Bản đồ Địa chất) Tỷ lệ 1:50.000 1996 Biến độc lập trong mô hình hồi quy
Bản đồ hiện trạng sử dụng đất Sở TN&MT tỉnh Thái Bình và Nam Định Tỷ lệ 1:50.000 2000, 2005 Tư liệu tham khảo, kiểm chứng
Niên giám thống kê huyện Cục Thống kê Thái Bình, Nam Định Cấp huyện (Thái Thụy, Giao Thủy) 1989, 2001, 2005, 2013 Đối chiếu, đánh giá độ chính xác

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cơ sở lý luận nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất với điều kiện tự nhiên

Chương 1 tổng thuật các vấn đề lý luận về lớp phủ, sử dụng đất và các phương pháp trích xuất thông tin từ ảnh vệ tinh. Tác giả phân tích các hệ thống phân loại lớp phủ chuẩn quốc tế (Anderson, FAO) và đối chiếu với hệ thống phân loại đất đai của Luật Đất đai Việt Nam. Luận án chỉ ra rằng hệ thống phân loại của Bộ Tài nguyên và Môi trường mang tính quản lý hành chính chi tiết, khó chiết xuất trực tiếp từ ảnh Landsat độ phân giải 30m; do đó, luận án thiết lập hệ thống phân loại tiếp cận thông qua lớp phủ ngoại suy chức năng sử dụng đất.

Về mặt lý luận địa lý, chương này luận giải cấu trúc tương tác giữa các nhân tố tự nhiên và con người trong biến động sử dụng đất. Tác giả phân tích cơ sở toán học của các kỹ thuật xử lý ảnh (phân loại cứng/mềm, phân loại thống kê/phi thống kê, phân loại định hướng đối tượng, phân vùng mẫu) và các kỹ thuật thống kê không gian (PCA, phân tích nhân tố, tương quan chính tắc, hồi quy logistic đơn biến/đa biến). Luận án xây dựng quy trình nghiên cứu tích hợp: từ tiền xử lý ảnh Landsat $\rightarrow$ phân loại định hướng đối tượng kết hợp phân vùng mẫu $\rightarrow$ lập ma trận biến động sau phân loại $\rightarrow$ phân tích hồi quy logistic đánh giá tác động của các yếu tố tự nhiên $\rightarrow$ mô hình hóa không gian bằng mạng nơ-ron và CA-Markov trong LCM.

Ảnh viễn thám đa thời gian (1989, 2001, 2005, 2013)
        ↓
Phân loại định hướng đối tượng & Phân vùng mẫu (Per-field)
        ↓
Ma trận biến động sử dụng đất qua các giai đoạn
        ↓
Hồi quy Logistic (Đất đai vs Địa mạo, Thổ nhưỡng, Khoảng cách & Biến động bờ)
        ↓
Mô hình hóa Land Cover Modeler (Mạng nơ-ron ANN + CA-Markov)
        ↓
Bản đồ dự báo xu hướng sử dụng đất năm 2021

Chương 2. Ứng dụng viễn thám nghiên cứu biến động sử dụng đất khu vực ven biển đồng bằng sông Hồng

Chương 2 tập trung phân tích đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu và thực hiện quy trình chiết xuất thông tin biến động sử dụng đất tại hai huyện thực nghiệm Thái Thụy và Giao Thủy.

  • Đặc điểm tự nhiên hai huyện điển hình:
    • Huyện Thái Thụy (Thái Bình): Thuộc thùy châu thổ Diêm Điền cổ đang trong giai đoạn lụi tàn, phân bố các cồn cát cổ chạy dọc bờ biển, chịu ảnh hưởng thủy văn sông Thái Bình với lượng trầm tích ít, xu hướng xói lở chiếm ưu thế ở nhiều đoạn bờ biển.
    • Huyện Giao Thủy (Nam Định): Thuộc thùy châu thổ Ba Lạt trẻ đang trong giai đoạn phát triển bồi tụ mạnh, hệ thống bãi bồi cửa sông ven biển mở rộng nhanh nhờ lượng phù sa dồi dào từ sông Hồng (cửa Ba Lạt), hình thành các bãi bồi ngập triều lớn như Cồn Lu, Cồn Ngạn.
  • Hệ thống phân loại sử dụng đất cấp 1 và cấp 2 áp dụng cho khu vực nghiên cứu gồm 6 nhóm chính: Đất dân cư và xây dựng; Đất nông nghiệp (đất lúa và hoa màu, đất trồng cây ăn quả/cây hàng năm khác); Đất rừng (rừng ngập mặn); Mặt nước (sông ngòi, kênh mương, đầm hồ); Đất nuôi trồng thủy sản; Đất trống (ruộng muối, bãi cát ven biển, bãi bồi ngập triều).
  • Chiết xuất thông tin và đánh giá độ chính xác:
    • Áp dụng phân loại định hướng đối tượng với các ngưỡng phản xạ phổ kết hợp các chỉ số hình dạng và phân vùng mẫu.
    • Kết quả phân loại được đối chiếu với số liệu Niên giám thống kê huyện Thái Thụy và Giao Thủy các năm 1989, 2001, 2005, 2013 cho thấy mức độ tương đồng cao về tỷ trọng và xu thế biến động diện tích giữa các loại hình đất đai.
  • Kết quả phân tích biến động sử dụng đất qua các giai đoạn:
    • Giai đoạn 1989 – 2001: Quá trình chuyển đổi đất lúa và bãi bồi ngập triều sang đất nuôi trồng thủy sản diễn ra mạnh mẽ tại cả hai huyện sau chính sách Đổi Mới.
    • Giai đoạn 2001 – 2005: Đất nuôi trồng thủy sản tiếp tục mở rộng; diện tích rừng ngập mặn gia tăng tại Giao Thủy nhờ các dự án trồng rừng phòng hộ và bảo tồn tại Vườn quốc gia Xuân Thủy.
    • Giai đoạn 2005 – 2013: Ổn định cấu trúc nuôi trồng thủy sản; đất dân cư và công trình xây dựng gia tăng dọc theo các trục lộ giao thông và trung tâm thị trấn; diện tích đất nông nghiệp lúa thuần túy giảm nhẹ.

Chương 3. Phân tích mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất với điều kiện tự nhiên khu vực ven biển đồng bằng sông Hồng

Chương 3 lượng hóa mối quan hệ giữa các điều kiện tự nhiên với biến động sử dụng đất, đánh giá tương tác hai chiều và thực hiện mô phỏng dự báo không gian:

  • Đánh giá tác động của các yếu tố tự nhiên bằng hồi quy logistic:
    • Thiết lập mô hình hồi quy xác định hệ số quan hệ giữa biến động của 4 loại hình đất chính (đất lúa và hoa màu, đất trống, rừng ngập mặn, đất nuôi trồng thủy sản) với các biến độc lập: địa mạo (cồn cát, bãi triều cao, bãi triều thấp, trũng sau cồn), thổ nhưỡng (đất phù sa, đất mặn, đất phèn, đất cát), biến động đường bờ và khoảng cách tới bờ biển.
    • Kết quả xác định mối quan hệ thuận nghịch: Đất lúa và hoa màu phân bố ưu tiên trên đất phù sa cổ và thềm cồn cát, có quan hệ nghịch với khoảng cách gần bờ biển (nhiễm mặn); đất nuôi trồng thủy sản có quan hệ thuận chặt chẽ với bãi triều thấp, vùng đầm trũng ven biển và các đơn vị thổ nhưỡng mặn nhiều; rừng ngập mặn phân bố tập trung ở vùng bãi bồi cửa sông có trầm tích bùn cát mịn và chịu chế độ ngập triều định kỳ.
  • Đánh giá tác động ngược chiều của sử dụng đất đến điều kiện tự nhiên:
    • Hoạt động quai đê lấn biển làm thay đổi dòng chảy ven bờ, đẩy nhanh bồi tụ cục bộ nhưng làm mất cân bằng trầm tích vùng lân cận.
    • Đắp đập ngăn mặn và xây dựng hồ chứa nước làm thay đổi chế độ thủy văn nội đồng.
    • Chuyển đổi rừng ngập mặn sang ao đầm nuôi thủy sản làm suy giảm đa dạng sinh học và tăng nguy cơ xói lở bờ đê biển khi có bão.
  • Mô hình hóa và dự báo không gian sử dụng đất năm 2021:
    • Sử dụng mô hình mạng nơ-ron MLP tích hợp trong LCM để tạo lập bề mặt xác suất chuyển đổi đất đai dựa trên các biến điều kiện tự nhiên.
    • Kiểm chứng mô hình bằng chỉ số tương đồng không gian Kappa trước khi chạy mô hình CA-Markov dự báo cho năm 2021.
    • Kết quả dự báo năm 2021: Đất nuôi trồng thủy sản và đất phi nông nghiệp tiếp tục có xu hướng mở rộng tại vùng ven đê và các trục giao thông; đất rừng ngập mặn tại Giao Thủy được duy trì ổn định nhờ ranh giới bảo tồn; đất lúa tại các vùng trũng trũng nhiễm mặn có xu hướng chuyển đổi sang mô hình xen canh lúa - rươi hoặc thủy sản nước lợ.
    • Đề xuất định hướng quy hoạch không gian sử dụng đất bền vững dựa trên sự phù hợp của các đơn vị địa mạo và thổ nhưỡng tại Thái Thụy và Giao Thủy.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  1. Luận án đã xây dựng thành công quy trình công nghệ tích hợp phương pháp phân loại định hướng đối tượng (PLĐHĐT) và phương pháp phân vùng mẫu (per-field classification) trên tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian, nâng cao độ chính xác chiết xuất thông tin sử dụng đất vùng ven biển có cấu trúc không gian manh mún và phức tạp.
  2. Lượng hóa được mối quan hệ không gian giữa biến động sử dụng đất với các yếu tố điều kiện tự nhiên (địa mạo, thổ nhưỡng, khoảng cách và động lực đường bờ) thông qua mô hình hồi quy logistic; chứng minh vai trò kiểm soát mang tính nền tảng của các đơn vị địa mạo và thổ nhưỡng đối với khả năng chuyển đổi đất đai.
  3. Ứng dụng thành công mô hình tích hợp Mạng nơ-ron nhân tạo (MLP-NN) và Tế bào tự hành Markov (CA-Markov) trong bộ công cụ Land Cover Modeler (LCM) để mô phỏng động lực không gian và dự báo xu hướng sử dụng đất đến năm 2021 cho khu vực ven biển Đồng bằng sông Hồng.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  1. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu số và bản đồ hiện trạng, bản đồ biến động sử dụng đất các mốc 1989, 2001, 2005, 2013 cho hai huyện Thái Thụy (Thái Bình) và Giao Thủy (Nam Định).
  2. Thành lập bản đồ dự báo không gian sử dụng đất năm 2021 làm cơ sở khoa học hỗ trợ các nhà quản lý trong việc phân vùng chức năng và lập quy hoạch sử dụng đất bền vững.
  3. Đề xuất các giải pháp định hướng sử dụng đất thích ứng: hạn chế chuyển đổi tự phát đất lúa phù sa màu mỡ sang phi nông nghiệp; quy hoạch vùng nuôi trồng thủy sản tập trung trên các diện tích đất mặn phù hợp; bảo vệ nghiêm ngặt hành lang rừng ngập mặn phòng hộ đê biển tại các bãi bồi cửa sông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Độ phân giải không gian của ảnh Landsat (30m) hạn chế khả năng bóc tách chi tiết các loại hình sử dụng đất chuyên dùng, đất công trình hạ tầng kỹ thuật nhỏ lẻ hoặc phân biệt các kiểu xen canh nông nghiệp phức tạp.
  • Dữ liệu chuyên đề địa mạo và thổ nhưỡng sử dụng từ các bản đồ tỷ lệ 1:50.000 có thời điểm thành lập đơn lẻ (1996, 2005), chưa phản ánh được sự biến đổi liên tục theo thời gian thực của các yếu tố thổ nhưỡng do quá trình thâm canh và ngọt hóa/mặn hóa nhân tạo.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Ứng dụng các nguồn ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian và phổ cao hơn (như Sentinel-2, SPOT, ảnh viễn thám siêu phổ) để chiết xuất chi tiết các kiểu hình sử dụng đất vi mô.
  • Tích hợp thêm các biến số định lượng kinh tế - xã hội (thu nhập bình quân, mật độ dân số, giá đất, quy hoạch giao thông) vào mạng nơ-ron để hoàn thiện mô hình dự báo đa nhân tố.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Bản đồ, Viễn thám, Hệ thông tin địa lý (GIS), Quản lý đất đai và Địa lý tài nguyên: Tham khảo quy trình phân loại định hướng đối tượng kết hợp phân vùng mẫu, phương pháp thiết lập luật mờ trên Definiens và quy trình mô hình hóa không gian bằng LCM.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh ven biển Thái Bình, Nam Định, Hải Phòng, Ninh Bình): Sử dụng chuỗi số liệu biến động lịch sử 1989 – 2013 và bản đồ dự báo năm 2021 làm luận cứ khoa học xây dựng quy hoạch sử dụng đất cấp huyện, tỉnh thích ứng với biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại lựa chọn hai huyện Thái Thụy và Giao Thủy làm vùng nghiên cứu thực nghiệm điển hình?

Hai huyện đại diện cho hai quy luật thành tạo địa chất - thủy văn trái ngược nhau của dải ven biển Đồng bằng sông Hồng:

  • Huyện Thái Thụy (Thái Bình) đặc trưng cho thùy châu thổ Diêm Điền cổ đang trong giai đoạn lụi tàn, mạng lưới sông Thái Bình chi phối, lượng phù sa bồi đắp ít, xu thế xói lở chiếm ưu thế, địa mạo cồn cát cổ phân bố rõ nét.
  • Huyện Giao Thủy (Nam Định) đặc trưng cho thùy châu thổ Ba Lạt trẻ đang bồi tụ mạnh mẽ nhờ lượng phù sa sông Hồng dồi dào, phát triển bãi bồi ngập triều rộng lớn (Cồn Lu, Cồn Ngạn), tạo điều kiện mở rộng diện tích đất ngập nước và rừng ngập mặn.

2. Phương pháp phân loại định hướng đối tượng kết hợp phân vùng mẫu giải quyết được vấn đề gì so với phân loại điểm ảnh truyền thống?

Phương pháp phân loại điểm ảnh truyền thống (pixel-based) dựa thuần túy vào giá trị phản xạ phổ của từng pixel 30m độc lập nên dễ gặp hiện tượng "nhiễu muối tiêu" và sai số pixel hỗn hợp ở ranh giới thửa đất. Phương pháp định hướng đối tượng gộp các pixel lân cận có tính chất đồng nhất thành các đa giác đối tượng (segments) dựa trên phổ, hình dạng và kiến trúc bề mặt. Kết hợp với phân vùng mẫu (tích hợp lớp bản đồ vector ranh giới địa mạo, thổ nhưỡng) giúp kiểm soát ranh giới phân loại theo đúng thực địa, nâng cao độ chính xác bóc tách các đối tượng có phổ tương đồng như đất dân cư nông thôn xen cây ăn quả với đất rừng, hoặc ruộng muối với bãi cát.

3. Các biến độc lập nào được đưa vào mô hình hồi quy logistic để lượng hóa biến động sử dụng đất?

Luận án sử dụng 4 nhóm biến độc lập gồm:

  1. Đơn vị địa mạo: Cồn cát cổ, bãi bồi triều cao, bãi bồi triều thấp, trũng sau cồn.
  2. Loại thổ nhưỡng: Đất phù sa ngọt, đất phù sa glây, đất mặn ít/vừa/nhiều, đất cát biển, đất phèn.
  3. Biến động đường bờ: Cường độ bồi tụ phù sa và xói lở bờ biển qua các giai đoạn.
  4. Khoảng cách không gian: Khoảng cách từ vị trí thửa đất đến đường bờ biển hiện tại.

4. Kết hợp Mạng nơ-ron nhân tạo và CA-Markov trong Land Cover Modeler thực hiện nhiệm vụ gì?

Trong mô hình LCM:

  • Mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp (MLP-NN) có nhiệm vụ học các quy luật phi tuyến tính phức tạp giữa các biến độc lập điều kiện tự nhiên với sự biến đổi sử dụng đất lịch sử để tạo ra "bản đồ tiềm năng chuyển đổi" (xác định xác suất một vị trí bất kỳ chuyển sang loại đất khác).
  • Mô hình Tế bào tự hành Markov (CA-Markov) sử dụng ma trận xác suất chuyển đổi và ma trận số lượng ô chuyển đổi để phân bố không gian các loại đất trong tương lai (năm 2021) dựa trên sự tương tác của các ô lân cận.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán ứng dụng công nghệ viễn thám đa thời gian và GIS để lượng hóa mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất với điều kiện tự nhiên vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng qua hai huyện điển hình Thái Thụy và Giao Thủy. Bằng việc kết hợp phương pháp phân loại định hướng đối tượng, mô hình hồi quy logistic và mô hình dự báo không gian LCM (ANN kết hợp CA-Markov), công trình đã cung cấp bức tranh chi tiết về động lực đất đai giai đoạn 1989 – 2013 và dự báo xu thế đến năm 2021. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính quy luật và sự kiểm soát của địa mạo, thổ nhưỡng đối với sử dụng đất, cung cấp cơ sở khoa học xác thực phục vụ công tác lập quy hoạch sử dụng đất bền vững tại khu vực ven biển.