Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa là một hiện tượng toàn cầu với sự gia tăng dân số thành thị vượt qua dân số nông thôn lần đầu tiên vào năm 2007, dự kiến đến năm 2050, khoảng 68% dân số thế giới sẽ sống tại các khu vực đô thị. Tại Việt Nam, mức độ đô thị hóa đã tăng từ 19,6% năm 2009 lên khoảng 38,4% năm 2018, với TP.HCM là trung tâm kinh tế lớn nhất, chiếm 0,6% diện tích nhưng đóng góp tới 20,5% GDP quốc gia. Tuy nhiên, đô thị hóa nhanh cũng kéo theo nhiều thách thức như quá tải hạ tầng, ô nhiễm môi trường và mất đất nông nghiệp. Nghiên cứu này tập trung phân tích quá trình đô thị hóa TP.HCM giai đoạn 1979-2022 bằng cách sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat kết hợp với số liệu dân số cấp quận/huyện. Mục tiêu chính là xác định sự biến động lớp phủ bề mặt, tính toán các chỉ số đô thị hóa như Urban Expansion (UE), Population Expansion (PE), Land Consumption Ratio (LCR) và hệ số mối quan hệ giữa gia tăng dân số và giãn nở đô thị (𝑛). Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ TP.HCM với chu kỳ dữ liệu Landsat từ 5 đến 10 năm, nhằm cung cấp thông tin định lượng phục vụ quy hoạch đô thị và phát triển bền vững. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá tốc độ và mô hình phát triển đô thị, đồng thời hỗ trợ quản lý tài nguyên đất và môi trường trong bối cảnh đô thị hóa nhanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về đô thị hóa, trong đó tập trung vào hai khái niệm chính: Urban Expansion (UE) - tốc độ mở rộng diện tích đô thị, và Population Expansion (PE) - tốc độ gia tăng dân số đô thị. Ngoài ra, chỉ số Land Consumption Ratio (LCR) đo lường tỉ lệ tiêu thụ đất trên đầu người, phản ánh hiệu quả sử dụng đất trong quá trình phát triển đô thị. Hệ số 𝑛 mô tả mối quan hệ giữa gia tăng dân số và giãn nở đô thị, được biểu diễn bằng mô hình toán học tỷ lệ lũy thừa giữa diện tích đất và dân số. Phương pháp phân loại ảnh sử dụng thuật toán Random Forest (RF), một kỹ thuật học máy mạnh mẽ, giúp phân loại lớp phủ bề mặt với độ chính xác cao. Kỹ thuật lọc không gian Majority Filter được áp dụng để xác định các khu vực đô thị từ lớp phủ công trình xây dựng. Nền tảng Google Earth Engine (GEE) hỗ trợ xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh quy mô lớn, cho phép phân tích chuỗi thời gian hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm ảnh vệ tinh Landsat từ năm 1979 đến 2022 với chu kỳ 5-10 năm, và số liệu dân số cấp quận/huyện tương ứng. Ảnh Landsat được hiệu chỉnh ở mức độ L1TP hoặc tương đương để đảm bảo độ chính xác địa lý và bức xạ. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu ảnh dựa trên chất lượng và độ phủ mây, đảm bảo đủ số lượng pixel cho từng lớp phủ bề mặt. Thuật toán Random Forest được huấn luyện trên tập dữ liệu mẫu thu thập từ các thời điểm khác nhau, với số lượng cây quyết định và thuộc tính được tối ưu để tránh overfitting. Sau phân loại, sử dụng bộ lọc không gian Majority Filter để làm mượt và xác định vùng đô thị liên tục. Các chỉ số đô thị hóa UE, PE, LCR và 𝑛 được tính toán dựa trên diện tích lớp phủ đô thị và số liệu dân số tương ứng. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, với các bước thu thập dữ liệu, xử lý ảnh, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến động lớp phủ bề mặt đô thị: Diện tích bề mặt đô thị TP.HCM tăng từ khoảng 5% diện tích tổng thành phố năm 1979 lên tới 32% năm 2022, tương đương với sự mở rộng từ khoảng 105 km² lên hơn 670 km². Tốc độ giãn nở đô thị mạnh nhất tập trung ở các quận ngoại thành như Bình Chánh, Nhà Bè và Hóc Môn.

  2. Chỉ số Urban Expansion (UE): UE thể hiện sự mở rộng không gian đô thị rõ rệt, với mức tăng trung bình khoảng 8% mỗi giai đoạn 5-10 năm. Các quận trung tâm như Quận 1, Quận 3 có UE gần bằng 0 do quỹ đất đã đô thị hóa gần như đầy đủ, trong khi các quận ngoại thành có UE lên tới 20-25%.

  3. Chỉ số Population Expansion (PE): Dân số tăng trưởng chậm tại nội thành với PE dưới 5% mỗi giai đoạn, trong khi ngoại thành có PE lên tới 15-20%. Giai đoạn 2020-2022 ghi nhận sự đảo chiều do ảnh hưởng của dịch Covid-19, khi dân số nội thành tăng nhẹ trong khi ngoại thành giảm nhẹ.

  4. Hệ số mối quan hệ 𝑛 giữa dân số và giãn nở đô thị: 𝑛 bằng 0 tại các quận trung tâm, cho thấy diện tích đô thị không thay đổi dù dân số có tăng. Ở ngoại thành, 𝑛 dao động từ 1,5 đến 3, phản ánh sự giãn nở đô thị nhanh hơn mức tăng dân số, dẫn đến mật độ dân số giảm.

  5. Chỉ số Land Consumption Ratio (LCR): LCR tăng nhẹ ở các quận trung tâm, đạt khoảng 50 m²/người, phù hợp với tiêu chuẩn quy hoạch đô thị loại I. Ở ngoại thành, LCR tăng mạnh lên tới 80-100 m²/người, cho thấy mức tiêu thụ đất trên đầu người cao hơn, tiềm ẩn nguy cơ sử dụng đất không hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Sự mở rộng diện tích đô thị TP.HCM chủ yếu diễn ra ở các vùng ngoại thành, phù hợp với xu hướng đô thị hóa lan tỏa (urban sprawl) được ghi nhận ở nhiều thành phố lớn trên thế giới. Việc UE cao ở ngoại thành phản ánh quỹ đất còn nhiều và phát triển hạ tầng mới, trong khi nội thành gần như bão hòa. PE thấp ở nội thành có thể do hạn chế về quỹ đất và chính sách kiểm soát dân số, trong khi ngoại thành thu hút dân cư mới nhờ giá đất thấp và phát triển khu công nghiệp. Giai đoạn 2020-2022 chịu ảnh hưởng bởi dịch Covid-19 làm thay đổi tạm thời mô hình dân số, thể hiện qua sự tăng dân số nội thành do di chuyển ngắn hạn và giảm dân số ngoại thành. Hệ số 𝑛 cho thấy sự mất cân đối giữa gia tăng dân số và giãn nở đô thị, đặc biệt ở ngoại thành, cảnh báo về nguy cơ phát triển đô thị không bền vững. LCR cao ở ngoại thành cho thấy cần có chính sách quản lý sử dụng đất hiệu quả hơn để tránh lãng phí tài nguyên. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ đường thể hiện biến động diện tích đô thị và dân số theo thời gian, bản đồ phân bố các chỉ số UE, PE, LCR và 𝑛 theo quận huyện, giúp trực quan hóa xu hướng phát triển đô thị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quy hoạch phát triển đô thị bền vững: Cần xây dựng và thực thi các kế hoạch quy hoạch chi tiết nhằm kiểm soát giãn nở đô thị, đặc biệt tại các quận ngoại thành có UE và LCR cao, nhằm hạn chế sử dụng đất lãng phí và bảo vệ quỹ đất nông nghiệp.

  2. Phát triển hạ tầng đồng bộ: Đẩy mạnh đầu tư hạ tầng giao thông, y tế, giáo dục tại các khu vực ngoại thành để đáp ứng nhu cầu dân số tăng nhanh, giảm áp lực lên nội thành và nâng cao chất lượng sống cư dân.

  3. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong quản lý đô thị: Sử dụng nền tảng Google Earth Engine và các công cụ GIS để giám sát liên tục quá trình đô thị hóa, cập nhật dữ liệu kịp thời phục vụ ra quyết định chính sách và quy hoạch.

  4. Chính sách điều tiết dân số và phát triển nhà ở: Khuyến khích phát triển các khu đô thị mới có quy hoạch bài bản, đồng thời kiểm soát dân số nội thành để tránh quá tải hạ tầng và ô nhiễm môi trường.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp cần được triển khai ngay trong giai đoạn 2023-2025 để kịp thời ứng phó với xu hướng đô thị hóa hiện tại và dự báo đến năm 2030.

  6. Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý quy hoạch TP.HCM, Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên Môi trường phối hợp với các viện nghiên cứu và trường đại học để triển khai nghiên cứu và áp dụng các giải pháp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý quy hoạch đô thị: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích chi tiết về xu hướng đô thị hóa, giúp hoạch định chính sách phát triển bền vững và quản lý sử dụng đất hiệu quả.

  2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực bản đồ, viễn thám và GIS: Phương pháp sử dụng thuật toán Random Forest kết hợp nền tảng Google Earth Engine là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tương tự.

  3. Chuyên gia môi trường và phát triển bền vững: Kết quả về chỉ số LCR và mối quan hệ giữa dân số và giãn nở đô thị giúp đánh giá tác động môi trường và đề xuất các biện pháp bảo vệ tài nguyên.

  4. Các nhà hoạch định chính sách dân số và phát triển hạ tầng: Thông tin về phân bố dân số và tốc độ gia tăng dân số theo khu vực hỗ trợ xây dựng các chính sách điều tiết dân số và phát triển hạ tầng phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ảnh vệ tinh Landsat có ưu điểm gì trong nghiên cứu đô thị hóa?
    Ảnh Landsat có độ phân giải không gian 30m, chu kỳ thu thập dài hạn từ năm 1972 đến nay, cho phép phân tích biến động lớp phủ bề mặt theo thời gian với độ chính xác cao, phù hợp cho nghiên cứu đô thị hóa quy mô thành phố.

  2. Tại sao chọn thuật toán Random Forest để phân loại lớp phủ bề mặt?
    Random Forest là thuật toán học máy mạnh mẽ, có khả năng xử lý dữ liệu lớn, giảm overfitting và cho kết quả phân loại chính xác cao, đặc biệt phù hợp với dữ liệu viễn thám đa phổ và đa thời gian.

  3. Chỉ số Urban Expansion (UE) và Population Expansion (PE) khác nhau như thế nào?
    UE đo lường tốc độ mở rộng diện tích đô thị về mặt không gian, trong khi PE đo tốc độ gia tăng dân số đô thị. Hai chỉ số này phản ánh các khía cạnh khác nhau của quá trình đô thị hóa.

  4. Hệ số 𝑛 thể hiện điều gì trong mối quan hệ giữa dân số và giãn nở đô thị?
    Hệ số 𝑛 biểu thị mức độ giãn nở đô thị so với gia tăng dân số. Nếu 𝑛 lớn, diện tích đô thị tăng nhanh hơn dân số, dẫn đến mật độ dân số giảm và có thể gây lãng phí đất đai.

  5. Làm thế nào kết quả nghiên cứu hỗ trợ quản lý đô thị TP.HCM?
    Kết quả cung cấp bản đồ và chỉ số định lượng về tốc độ và mô hình phát triển đô thị, giúp các nhà quản lý nhận diện khu vực phát triển nhanh, từ đó đưa ra các chính sách quy hoạch, bảo vệ môi trường và phát triển hạ tầng phù hợp.

Kết luận

  • Đô thị hóa TP.HCM giai đoạn 1979-2022 diễn ra với tốc độ nhanh, diện tích đô thị tăng từ 5% lên 32% tổng diện tích thành phố.
  • Chỉ số UE và PE cho thấy sự phát triển không đồng đều giữa nội thành và ngoại thành, với ngoại thành mở rộng nhanh hơn và dân số tăng mạnh hơn.
  • Hệ số 𝑛 và chỉ số LCR phản ánh sự mất cân đối giữa gia tăng dân số và giãn nở đô thị, cảnh báo nguy cơ phát triển không bền vững.
  • Phương pháp sử dụng ảnh Landsat, thuật toán Random Forest và nền tảng Google Earth Engine mang lại kết quả chính xác, có thể áp dụng cho các nghiên cứu tương lai.
  • Đề xuất các giải pháp quy hoạch, phát triển hạ tầng và quản lý dân số cần được triển khai trong giai đoạn 2023-2025 để đảm bảo phát triển đô thị bền vững.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực quy hoạch đô thị và phát triển bền vững. Để tiếp tục nghiên cứu, cần mở rộng phân tích đến các yếu tố kinh tế xã hội và môi trường, đồng thời cập nhật dữ liệu mới để theo dõi xu hướng đô thị hóa trong tương lai.