Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa

Đô thị hóa tại Việt Nam có các tác động tích cực, tuy nhiên, đô thị hóa cũng có những hệ lụy như tốc độ đô thị hoá quá nhanh, không xuất phát từ công nghiệp hoá, không phù hợp và cân đối thì việc di chuyển dân cư ồ ạt từ nông thôn ra thành phố sẽ làm nạn thiếu việc làm tăng từ đó dẫn đến ách tắc giao thông, hạ tầng kém, ô nhiễm môi trường, nông thôn bị mất nguồn nhân lực, chất lượng đời sống giảm…

1. Đặt vấn đề

Để làm giảm ảnh hưởng tiêu cực đến đô thị, việc tìm hiểu nguyên nhân gây ra quá trình đô thị hóa nhanh là hết sức cần thiết cho nhiều ngành nghề, nhất là đối với các ngành quy hoạch và quản lý đô thị, để từ đó có các chính sách, quy định, phương án quy hoạch sao cho phù hợp. Bài báo sử dụng ảnh viễn thám, GIS và các chỉ số không gian để chứng minh khoảng cách tính từ tâm có ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa. Đây là một nghiên cứu mới đối với các đô thị tại Việt Nam. Tác giả lấy Hà Nội làm thí điểm và lựa chọn khoảng cách để tính toán dựa trên lịch sử phát triển của Hà Nội.

Trong suốt 10 thế kỉ qua, lịch sử hình thành và phát triển của thủ đô Hà Nội gắn liền với quá trình đô thị hoá. Khu thành cổ, khu 36 phố phường, khu phố Pháp qua các thời kỳ đều được xác định là trung tâm Hà Nội cổ hay đô thị lõi lịch sử. Các thời kì qui hoạch đô thị Hà Nội luôn lấy khu vực Hoàn Kiếm làm trung tâm để phát triển và mở rộng đô thị. Năm 1995, 1996, 2003 là giai đoạn có những thay đổi về chức năng hành chính như thành lập các quận huyện mới. Hầu hết các xã vùng ven được nâng cấp lên thành quận như Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh Xuân (1995,1996), Hoàng Mai (2003), Long Biên (2003) đều nằm trong khu vực cách Bờ Hồ từ 8 -10km. Nghiên cứu này đã dựa vào đó để chọn các khoảng cách để tính từ vùng lõi, lấy Bờ Hồ làm trung tâm cắt lớp đất đô thị theo các bán kính 1km, 3km, 8km.

Viễn thám được hiểu là một khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Nói một cách khác, viễn thám là khảo sát từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng và hiện tượng đó. Ưu điểm của viễn thám là cung cấp cái nhìn tổng thể, có thể khảo sát những vùng ở xa, địa hình khó khăn, mà phương pháp đo đạc thực địa không xử lí được. Phương pháp viễn thám tiết kiệm thời gian, dữ liệu viễn thám đã được ứng dụng trong nhiều ngành.

Công nghệ viễn thám ứng dụng trong nghiên cứu đô thị hóa rất phổ biến tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Ý…có thể kể đến các nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Mỹ như nghiên cứu sự mở rộng đô thị, hoặc nghiên cứu phát triển đô thị thông qua các chỉ số không gian, sử dụng tư liệu viễn thám và các chỉ số không gian để nghiên cứu thành phố Santa Barbara (Mỹ). Viễn thám đã được sử dụng rộng rãi để phân tích phát hiện thay đổi sử dụng đất.

GIS là một hệ thông tin tích hợp, lưu trữ, biên tập, phân tích, chia sẻ và hiển thị thông tin địa lý. GIS cũng là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu đô thị hóa, là phương tiện trung chuyển số liệu nhằm tính toán định lượng hình thái. GIS thực sự có vai trò trong công tác trung chuyển từ kết quả phân loại ảnh đến công tác phân tích không gian, là nơi nhận kết quả phân loại đất đô thị từ phân loại định hướng đối tượng trên phần mềm eCognition, rồi chuyển đổi định dạng file trong phân tích không gian. Ngoài ra, GIS đã hỗ trợ trong công tác phân tích không gian để tìm hiểu mối quan hệ của các đối tượng đô thị.

Các chỉ số không gian thường được sử dụng để định lượng hình dạng, mẫu dạng của các khảm cảnh quan tự nhiên. Các chỉ số cảnh quan được hình thành từ cuối những năm 1980. Kết hợp đo đạc giữa lí thuyết về thông tin và hình học Fractal dựa trên việc phân loại mảnh đặc trưng cơ bản của cảnh quan. Các mảnh được xác định là một mảnh đồng nhất cho một cảnh cụ thể ví dụ như đất đô thị, công viên hay vùng dân cư có mật độ cao. Các chỉ số không gian được tính trên các mảnh (ví dụ như kích cỡ, hình dáng, chiều dài cạnh, mật độ mảnh hay kích thước Fractal) hoặc các chỉ số dựa trên pixel như (tính lan tỏa, kẽ hở) được tính trên tất cả các pixel của mảnh.

Việc sử dụng các chỉ số không gian kết hợp với viễn thám, GIS để nghiên cứu tốc độ mở rộng đất đô thị, xác định các nguyên nhân gây ra quá trình đô thị hóa nhanh được sử dụng rất rộng rãi.

2. Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu dùng trong bài báo bao gồm: Bản đồ địa hình và bản đồ hiện trạng sử dụng đất Hà Nội 2015 của Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và dữ liệu vệ tinh bao gồm các ảnh vệ Landsat năm 1993, 2000, 2007, Spot 2012

Trong bài báo này, tác giả thí điểm tính tốc độ đô thị hóa của khu vực Hà Nội theo nguyên nhân khoảng cách tính từ tâm về mặt không gian định tính và định lượng tốc độ đô thị hóa đó. Giai đoạn được lựa chọn là từ 1993 đến 2012, giai đoạn này có rất nhiều biến động về đô thị, nhất là sau thời kỳ đổi mới và tiến hành công nghiệp hóa và hiện đại hóa.

Xử lý ảnh viễn thám và GIS

Các ảnh viễn thám sau khi được tăng cường chất lượng ảnh, sẽ được nắn ảnh theo bản đồ giao thông Hà Nội về hệ VN2000. Ảnh viễn thám được phân loại theo ba lớp như (bảng 1).

Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa
Bảng 1 Các lớp trong phân loại ảnh vệ tinh khu vực Hà Nội

Quá trình phân loai ảnh sử dụng phương pháp phân loại đối tượng trên phần mềm eCognition. Phần mềm này cung cấp một số thuật toán cho phân mảnh ảnh (segmentation) như: Thuật toán chessboard segmentation, thuật toán tree based segmentation, thuật toán multiresolution segmentation. Thuật toán phân mảnh thường xuyên được sử dụng trong quá tình xử lý ảnh là phân mảnh đa độ phân giải (Multi-segmentation)

Quá trình phân mảnh, khảo sát đối tượng trên ảnh viễn thám, và xác định đất đô thị trên ảnh trong bài báo này được thể hiện trong hình dưới đây (hình 1).

Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa
Hình 1. Qui trình phân loại đất đô thị

Sau khi chọn mẫu và đánh giá độ chính xác kết quả phân loại theo đúng quy trình, độ chính xác của kết quả phân loại được thể hiện thông qua hệ số Kappa. Kết quả phân loại ảnh đô thị Hà Nội trong nghiên cứu này đều có hệ số Kappa lớn hơn 0.8 đạt mức độ tốt.

Tính toán các chỉ số không gian

Tách lớp đất đô thị từ kết quả phân loại ảnh đưa vào môi trường GIS và cắt lớp đất đô thị theo khoảng cách tính từ tâm Bờ Hồ 1km, 3km, 8km. Dữ liệu sau khi cắt theo bán kính sẽ được đưa vào phần mềm Fragstat để tính các chỉ số không gian nhằm xác định nguyên nhân gây ra tốc độ đô thị hóa nhanh.

Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa
Hình 2. Lớp đất đô thị được cắt theo khoảng cách đến trung tâm

Các chỉ số không gian lựa chọn dùng trong bài báo được liệt kê dưới đây

+ Chỉ số CA (class area – Tổng diện tích lớp đất đô thị):

Chỉ số CA dùng để theo dõi diện tích hay phần trăm đất đô thị trên một cảnh ảnh, nếu chỉ số này tăng theo từng giai đoạn có nghĩa là diện tích đất đô thị tăng lên và các loại đất khác sẽ mất đi. Cụ thể, tại các khu vực vùng ven Hà Nội xuất hiện quá trình đô thị hóa kèm theo mất đất nông nghiệp. Như vậy, diện tích đất đô thị càng lớn thì CA càng cao

+ Chỉ số NP (number of patch- Số lượng mảnh):

Chỉ số NP thể hiện số lượng mảnh đô thị trong lớp đất đô thị, nếu ở giai đoạn trước số lượng mảnh đô thị nhiều thì khu vực đô thị đó phát triển vẫn còn manh mún, các điểm dân cư xa nhau hoặc nhỏ lẻ, nếu số lượng mảnh trên một cảnh ảnh ít đi mà chỉ số CA tăng thì chứng tỏ các mảnh đô thị đã nở rộng ra và có thể nhiều mảnh đô thị nhỏ đã hợp lại thành một mảnh đô thị lớn.

+ Chỉ số PD (Patch density- Mật độ mảnh):

Chỉ số PD – thể hiện mật độ mảnh, phản ánh số lượng mảnh trong lớp đất đô thị. Mật độ mảnh là một chỉ số tốt khi xem xét đến sự phân mảnh trong đất đô thị, sự biến thiên chỉ số PD cho phép chúng ta nhìn và hiểu được xu thế phát triển đất đô thị. Việc mở rộng đô thị, mở rộng địa giới hành chính sẽ tạo thêm tính kết nối giữa các mảnh đô thị, điểm dân cư nhỏ lẻ. Mật độ mảnh tăng tức là số lượng mảnh tăng trong toàn bộ khu vực đô

+ LPI – chỉ số mảnh lớn nhất:

Là tỉ lệ của tổng diện tích do mảnh lớn nhất chiếm trong loại mảnh đô thị, hay nói cách khác LPI được tính bằng diện tích của mảnh lớn nhất trên tổng diện tích của lớp đất đô thị. Chỉ số này thể hiện được đô thị phát triển theo đô thị nhân lõi, hoặc đô thị hiện tại có phát triển từ nhân lõi hay không. LPI giảm nghĩa là xuất hiện chức năng mới, có sự phân bố mới, đô thị hóa theo từng mảnh riêng biệt. Có thể thấy LPI thể hiện mức độ phát triển không gian của đô thị nhân lõi và tăng sự kết nối giữa các mảnh đô thị lớn với khu vực đô thị trung tâm.

+ Chỉ số IJI – mức độ liền kề giữa các mảnh đô thị:

Chỉ số này thể hiện mức độ liền kề xen kẽ của cảnh quan, nếu chỉ số IJI càng cao thì mức độ xen kẽ càng lớn. Chỉ số IJI tăng lên về mặt không gian thể hiện rõ mức độ thay đổi về mặt không gian và thời gian được thể hiện rất rõ trong các mẫu dạng đô thị. Chỉ số IJI tăng lên, biến thiên mạnh cho thấy rằng việc xây dựng khu đô thị mới, hệ thống hạ tầng cơ sở đã được thi công mạnh mẽ tập trung tại đây. Theo dõi biến động chỉ số IJI sẽ nắm bắt được mức độ xây dựng, mật độ xây dựng qua từng thời kì.

+ Chỉ số ED – mật độ cạnh:

Được tính bằng tổng chiều dài các cạnh của mảnh đô thị trên tổng diện tích đất đô thị, sau đó nhân cho 10.000 để chuyển sang hecta. Nếu chỉ số ED tăng thì cho ta biết được mức độ phân mảnh lớn.

3. Kết quả và phân tích kết quả ảnh hưởng của khoảng cách đến trung tâm thành phố lên quá trình đô thị hóa

– Biến đổi các chỉ số trong khoảng cách 1km

Các chỉ số đo đạc ở trong khu vực này hầu như không thay đổi qua các năm (bảng 2), điều đó có nghĩa là không có sự mở rộng đô thị trong khu vực này. Chỉ số CA trong suốt 10 năm (1993-2012) chỉ số này chỉ tăng lên 15.21 ha, đây là diện tích tăng từ một mảnh đô thị được xem là duy nhất trong khoảng cách 1km, toàn bộ khu vực này chỉ là 1 mảnh đô thị. Ngoài ra, chỉ số IJI, PD (bảng 2) hầu như không thay đổi. Kết quả tính toán khẳng định không có sự mở rộng đô thị, không có biến động đất đô thị tại khu vực có bán kính là 1km. Kết hợp với kết quả phân loại đất đô thị tại hình 2 cho thấy toàn bộ khu vực có bán kính 1km đều là đất đô thị. Kết quả này là phù hợp với quan điểm coi khu vực này là khu vực lõi của qui hoạch Hà Nội.

Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa
Bảng 2. Các chỉ số không gian khu vực cách điểm trung tâm 1km

– Biến đổi các chỉ số trong khoảng cách từ 1- 3km

Khu vực này sẽ thể hiện mức độ đô thị hóa khi khu vực vùng lõi đã được lấp đầy đất đô thị; hay nói cách khác, quá trình đô thị hóa chậm lại. Các chỉ số tính toán tại khu vực này được thể hiện ở (bảng 3). Kết quả của các chỉ số này chỉ ra rằng tại khu vực cách bờ hồ 3km từ năm 1993 đến 2007 có quá trình đô thị hóa nhưng không mạnh, sau đó từ 2007-2012 thì tốc độ này chậm lại. Cụ thể, diện tích đất đô thị tăng trong giai đoạn 1993 đến 2012 (từ 1313.55 đến 1760.45), số lượng mảnh có thay đổi trong giai đoạn 2000- 2007 NP tăng nhẹ sau đó lại quay lại giá trị ban đầu, các chỉ số khác như LPI, ED hay IJI cũng tăng nhẹ. Có thể thấy có sự lan tỏa đất đô thị từ đô thị lõi cụ thể là từ khu vực cách Bờ Hồ 1km, mức độ phân mảnh giảm thể hiện qua chỉ số ED thấp năm 2012 là 15.4252, chỉ số IJI thì tăng lên trên 90 điều này cho thấy có xu hướng giảm số lượng mảnh. Trong khi đó, số lượng mảnh năm 2012 là 3 và diện tích đất đô thị vẫn tiếp tục tăng như vậy, theo xu hướng này thì đất đô thị sẽ dần dần phủ kín toàn bộ khu vực. Thông qua kết quả tính toán xác định được tại khu vực cách Bờ Hồ 3km, quá trình đô thị hóa đã diễn ra trước năm 2007, hiện nay quá trình này đã chậm lại.

Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa
Bảng 3. Các chỉ số không gian tại khu vực cách điểm trung tâm 3 km

Các chỉ số đo đạc trong khu vực này đã có những khác biệt cơ bản so với khu vực cách điểm trung tâm 1km và chỉ ra sự gia tăng tốc độ đô thị hóa tại khu vực này vào giai đoạn 1993 -2007 và đang có xu hướng chậm lại do không gian dành cho đất đô thị tại khu vực này đã bị thu hẹp. Điều này đồng nghĩa với quá trình đô thị hóa sẽ tiếp tục đẩy xa ra khỏi vùng trung tâm (vùng lõi).

– Biến đổi các chỉ số trong khoảng cách từ 3- 8 km

Khu vực có khoảng cách cách điểm trung tâm 8km đã từng là khu vực vùng ven Hà Nội trước năm 1993. Vì vậy, việc đánh giá sự biến đổi theo thời gian của các chỉ số trong khu vực này cho phép giải thích sự lan tỏa dần dần của đô thị Hà Nội trong mối liên quan đến khoảng cách tới vùng lõi.

Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa
Bảng 4. Các chỉ số không gian khu vực cách điểm trung tâm 8km

Cụ thể là diện tích đất đô thị trong vùng này gia tăng nhanh trong giai đoạn nghiên cứu từ 1993 đến 2012 tăng 203% (từ 3326.76 đến 10082.34), giai đoạn từ 2000 – 2007 gia tăng về diện tích đất đô thị nhiều nhất tăng khoảng hơn 80% (từ 5144.94 đến 9534.42). Chỉ số mảnh NP có xu hướng giảm dần nhưng vẫn thể hiện có sự phân mảnh trong khu vực này, vì số lượng mảnh đô thị vẫn là 59 mảnh năm 2012. Đất đô thị lan tỏa từ đô thị nhân lõi, việc các mảnh đô thị cũ được mở rộng ra theo quá trình đô thị hóa thể hiện qua chỉ số LPI và PD, chỉ số PD nhỏ. Cụ thể, năm 2012 chỉ số PD là 0.3235, chỉ số này nhỏ thể hiện các mảnh đô thị ở đấy lớn, trong khi đó PLI tăng từ 1993 đến 2012 tăng 292% (từ 11.0551 đến 43.2834). Sự phân mảnh đất đô thị giảm, mức độ liền kề giữa các mảnh đô thị gia tăng thể hiện qua chỉ số ED và IJI. Quá trình phân mảnh đô thị diễn ra mạnh hơn trong giai đoạn 1993-2007 tăng từ 31.145 đến 33.4538, sau đó bắt đầu có xu hướng giảm dần vào giai đoạn 2007 – 2012, ED giảm xuống bằng 29.4456. Mức độ liền kề giữa các mảnh đô thị gia tăng trong giai đoạn từ 1993 -2012 (từ 52.9465 đến 80.8175) cho thấy đất dành cho đô thị đã thu hẹp lại đáng kể (bảng 4). Điều này đồng nghĩa với việc trong tương lai, nếu Hà Nội muốn tăng diện tích đất đô thị thì phải tiếp tục tiến ra xa vùng lõi hơn nữa.

Việc tính toán các chỉ số cho các khu vực cách điểm trung tâm với các khoảng cách là 1km, 3km, 8km là để theo dõi mức độ đô thị hóa, tăng diện tích đất đô thị tại khu vực nghiên cứu. Kết quả phân tích cho thấy, các khu vực gần khu vực trung tâm sẽ có tốc độ đô thị hóa nhanh, khi tốc độ đô thị hóa tại đó chậm lại thì khu vực bám sát bên ngoài có tốc độ tăng nhanh. Như vậy, khoảng cách tính từ trung tâm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình đô thị hóa.

4. Kết luận

Kết quả tính toán đưa ra trong bài báo cho phép nhận định rằng: Càng gần điểm trung tâm thì tốc độ đô thị hóa càng cao, đến khi không còn đất để đô thị hóa thì quá trình đô thị hóa chậm lại thể hiện qua biên độ biến đổi các chỉ số hẹp và gần như không biến đổi.

Sử dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian – Nghiên cứu tác động của khoảng cách đến quá trình đô thị hóa 19A06015 2 768x510

Quá trình đô thị hóa trong khu vực nhân lõi chậm lại thì đô thị hóa bắt đầu lan tỏa ra các vùng xung quanh, khu vực gần nhân lõi lấp đầy thì đô thị hóa lại tiếp tục vươn ra phía ngoài, cụ thể như khi khu vực cách điểm trung tâm 3km đô thị hóa chậm lại thì tốc độ đô thị hóa tại vùng cách điểm trung tâm 8km lại gia tăng

Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu trong bài báo này có độ tin cậy cao, là công cụ hữu ích trong việc phân tích và tìm nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa. Việc đo đạc các chỉ số không gian có thể áp dụng để đánh giá tốc độ đô thị hóa ở giai đoạn trước qui hoạch và kiểm soát qui hoạch.

*Lê Thị Minh Phương

Đại học Kiến trúc Hà Nội

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 05-2019)

––––––––––––––––––––––

Tài liệu tham khảo

1. Hoàng Bá Thịnh, Đoàn Thị Thanh Huyền “Đô thị hóa ở Việt Nam hiện nay” Tạp chí Khoa học xã hội Việt Nam, số 5(90), pp 55-61, 2015.

2. Wang.Y.C, Zhou .X (2011), “Spatial – temporal dynamics of urban green space in response to rapid urbanization and greening policies “, Landscape and Urban Planning 100, pp.268-277.

3. Rodríguez.R, Iira.J, Rodríguez.I (2012), “Subsidence risk due to groundwater extraction in urban areas using fractal analysis of satellite images”, Geofísica internacional, (pp.157-167).

4. Pham.M.Hai, Yamaguchi.Y, BuiQuangThanh (2011), “A case study on the relation between city planning and urban growth using remote sensing and spatial metrics”, Landscape and Urban Planning, 100(3), pp.223-230.

5. Griffith.J.S (2001). “Object-Oriented Method to Classify the Land Use and Land Cover in San Antonio using eCognition Object-Oriented Image Analysis Introduction.

Bạn cũng có thể thích