Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá tác động của việc chuyển đổi ranh giới quận đến quá trình đô thị hóa khu vực tây hồ hà nội

Ứng dụng viễn thám và GIS để nghiên cứu hiện trạng đất đô thị Quận Tây Hồ: Nắn chỉnh hình học; cắt ảnh; xây dựng bản chú giải; phương pháp phân loại dựa trên pixel và phương pháp phân lo

Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá tác động của việc chuyển đổi ranh giới quận đến quá trình đô thị hóa khu vực Tây Hồ - Hà Nội

Vũ Thị Phương Thảo

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý; Mã số: 60 44 76

Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Văn Cự

Năm bảo vệ: 2012

Abstract Trình bày cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu tác động của việc

chuyển đổ ranh giới quạn đến quá trình đô thị hóa: Các nhân tố tác động đến quá trình đô thị hóa; cơ sở khoa học và phương pháp luận nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống văn bản của Chính phủ về phân cấp hành chính quận, huyện và chức năng hành chính, đặc biệt các văn bản liên quan tới lãnh thổ Quận Tây Hồ, Hà Nội Ứng dụng viễn thám và GIS để nghiên cứu hiện trạng đất đô thị Quận Tây Hồ: Nắn chỉnh hình học; cắt ảnh; xây dựng bản chú giải; phương pháp phân loại dựa trên pixel và phương pháp phân loại dựa trên đối tượng; so sánh kết quả phương pháp phân loại dựa trên pixel và phương pháp dựa trên đối tượng Đánh giá biến động sử dụng đất

và sự thay đổi hình thái đô thị quận Tây Hồ giai đoạn 1995 – 2010: Cơ cấu các loại hình lớp phủ; nghiên cứu sự biến động các loại hình lớp phủ; xu hướng mở rộng và hình thái không gian đô thị Đưa ra nhận định sự thay đổi đô thị theo kiểu nội thành

hay ngoại thành

Keywords Viễn thám; Công nghệ GIS; Ranh giới; Đô thị hóa; Địa lý; Tây Hồ

Content

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT

Tây Hồ - được gắn liền với sự phát triển tự nhiên của dòng sông Hồng Hà uốn lượn quanh vùng đất Hà Thành xưa, sau thay đổi hướng chảy đã vương lại một phần dấu tích và

giờ đây hình thành hệ thống hồ rộng lớn (theo Tây Hồ chí), có vai trò lớn trong việc điều hòa

khí hậu Thêm vào bức tranh phong cảnh Tây Hồ có sự góp mặt của các làng hoa ven đô, di tích danh thắng …đã tạo nên hương sắc cho thủ đô Hà Nội ngày nay

Với sự phát triển mạnh mẽ và không ngừng của quá trình Đô thị hóa, Tây Hồ được thành lập từ ba phường tách ra từ quận Ba Đình (6,17km2) và 5 xã tách ra từ huyện Từ Liêm ( 17,83km2) vào năm 1995 và trở thành quận nội thành của thành phố Hà Nội (Nghị định

69-CP của chính phủ ngày 28/10/1995) Hệ quả của sự thay đổi ranh giới là quá trình thay đổi

chóng mặt về diện mạo đô thị, biểu hiện ở chỗ diện tích đất nông nghiệp (diện tích đất trồng hoa, trồng rau - vành đai xanh), diện tích mặt nước ngày càng thu hẹp; đất đô thị nở ra nhanh chóng

Việc thay đổi đơn vị hành chính cũng như việc sát nhập Tây Hồ là quận nội thành đặt

ra thách thức lớn cho các nhà quản lý, nhà quy hoạch Mà cơ sở việc quy hoạch đô thị lâu dài phải thông qua kiến trúc hạ tầng khu vực, so sánh hiện tại với thời gian trước đó xem chuyển biến ra sao? Bên cạnh đó, việc tập trung nghiên cứu hình thái, xây dựng đô thị phát triển theo chiều hướng là đô thị nội thành hay đô thị ngoại thành đã thật sự hợp lý với đặc điểm của khu vực hay chưa? Để khi áp dụng xây dựng khu đô thị mới các nhà quy hoạch sẽ có tầm nhìn xa đưa ra được các kịch bản tương thích với hướng phát triển sau đó Tất cả những vấn đề nêu trên cần phải được xem xét, nhìn nhận, đánh giá đúng đắn để lập ra hướng đi phù hợp nhằm đẩy nhanh tiến trình đô thị hóa và sự phát triển bền vững trong phạm vi quận Tây Hồ nói riêng và toàn thành phố nói chung

Dựa vào những phân tích trên vấn đề đặt ra là việc tiếp cận như thế nào? Liệu dùng tư liệu về ảnh viễn thám đa thời gian kết hợp với hệ thông tin địa lý (GIS) sẽ làm rõ các thắc mắc? Với vệ tinh Spot độ phân giải cao, ảnh chụp đa thời gian như hiện nay đã và đang được ứng dụng vào nhiều mục đích nghiên cứu về tài nguyên đất, nước… nên hoàn toàn thích hợp với nghiên cứu khu vực đô thị cần đến độ chi tiết cao Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó tôi chọn đề tài nghiên cứu:

"Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá tác động của việc chuyển đổi ranh giới quận đến quá trình đô thị hóa khu vực Tây Hồ - Hà Nội"

2 KẾT QUẢ VÀ Ý NGHĨA

a) Kết quả

- Tập bản đồ: bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất năm 1995, 2003, 2010, bản đồ biến động lớp phủ các giai đoạn 1995-2003, 2003-2010, 1995-2010, bản đồ mở rộng đất đô thị quận Tây Hồ giai đoạn 1995-2003, 2003-2010, 1995-2010

- Phân tích hiện trạng, diễn biến biến động sử dụng đất nông nghiệp

- Nghiên cứu về cấu trúc hình thái đô thị

- Đưa ra nhận định sự thay đổi đô thị theo kiểu nội thành hay ngoại thành

b) Ý nghĩa

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu góp phần chỉ ra ứng dụng của viễn thám và GIS

nghiên cứu hình thái không gian của sự phát triển đô thị quận Tây Hồ

- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là tài liệu tham khảo cho công tác quy hoạch và định hướng phát triển đô thị Hà Nội nói chung và quận Tây Hồ nói riêng trong giai đoạn tiếp theo

3 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn có 3 chương:

Chương 1: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu tác động của việc chuyển đổi

ranh giới quận đến quá trình đô thị hóa

Chương 2: Ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu hiện trạng đất đô thị quận Tây Hồ

giai đoạn 1995 - 2010

Chương 3: Đánh giá biến động sử dụng đất và sự thay đổi hình thái đô thị quận Tây

Hồ giai đoạn 1995 - 2010

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA VIỆC CHUYỂN ĐỔI RANH GIỚI QUẬN ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA 1.1 Các nhân tố tác động đến quá trình đô thị hóa

1.1.1 Đặc điểm tự nhiên- xã hội quận Tây Hồ - Hà Nội

Ngày 28/10/1995, Chính phủ ra Nghị định số 69-CP thành lập quận Tây Hồ thuộc thành phố Hà Nội trên cơ sở các phường Bưởi, Thụy Khuê, Yên Phụ của quận Ba Đình và các

xã Tứ Liên, Nhật Tân, Quảng An, Xuân La, Phú Thượng của huyện Từ Liêm

1.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội

a Cơ cấu ngành

Cơ cấu giá trị sản xuất các ngành kinh tế phát triển theo đúng định hướng: Dịch vụ -

du lịch - công nghiệp - nông nghiệp Tỷ trọng giá trị sản xuất của các ngành: Dịch vụ 51,8%,

công nghiệp 43,2%, nông nghiệp 5% (Niên giám thống kê năm 2009)

1.1.3 Chính sách chia tách của Chính phủ

Quận Tây Hồ được xác định là trung tâm dịch vụ - du lịch, trung tâm văn hoá, là vùng bảo vệ cảnh quan thiên nhiên của Thủ đô Hà Nội phẳng, có chiều hướng thấp dần từ bắc xuống nam

1.1.4 Quá trình hình thành và phát triển đô thị Hà Nội

a Đô thị

Theo Trương Bá Thảo thì: “Đô thị là trung tâm của quyền lực, kinh tế, chính trị và xã hội Chúng là nơi mà các hoạt động chủ yếu liên quan đến lĩnh vực đổi mới và quản lý phần lớn thặng dư (tiền tệ) được đầu tư tập trung ở các đô thị và sự phát triển và tái phát triển thể hiện thành quá trình diễn ra liên tục

b Đô thị hóa

Đô thị hoá là một hiện tượng kinh tế - xã hội phức tạp diễn ra trên một không gian

rộng lớn

Xu thế này ngày càng tăng trong quá trình đô thị hoá và công cuộc phát triển đô thị

Hình 1.5: Biểu đồ dự báo phát triển dân số đô thị và tỷ lệ đô thị hoá nước ta

Nguồn: (Lê Hồng Kế)

Theo dự báo năm 2010 dân số cả nước khoảng 93,2 triệu người, dân số đô thị là 30,4 triệu người (chiếm 22% dân số cả nước) với nhu cầu sử dụng đất đô thị là 243.200ha (chiếm 0,74% diện tích đất tự nhiên cả nước), bình quân 80m2/người Đến năm 2020 dân số cả nước

sẽ lên tới 113 triệu người, trong đó dân số nội thị là 46 triệu người, nhu cầu sử dụng đất đô thị lên tới 460.000ha (chiếm 1,4% diện tích đất tự nhiên cả nước), bình quân 100m2/người (Viện quy hoạch đô thị nông thôn, 1999)

1.2 Cơ sở khoa học và phương pháp luận nghiên cứu

1.2.1 Phương pháp Viễn thám và GIS

Vai trò của Viễn thám

Dựa vào tính chất phản xạ sóng điện từ của các đối tượng tự nhiên trên bề mặt trái đất

mà sử dụng kĩ thuật viễn thám có thể phân tích, so sánh và nhận diện chúng từ các thông tin phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng khác nhau)

14.7

58.6

19

63

30.4

62.8

46 67

0

20

40

60

80

100

120

1995 2000 2010 2020

Năm

Biểu đồ dân số đô thị

Dân số nông thôn Dân số đô thị

33

41

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

1995 2000 2010 2020

Năm

Tỷ lệ đô thị hoá (%)

Vai trò của hệ thông tin địa lý (GIS)

Với chức năng phân tích không gian, GIS cho phép đánh giá những thay đổi của lớp phủ theo những khoảng thời gian khác nhau GIS đồng thời tạo khả năng liên kết những thông tin này (dạng dữ liệu không gian) với các dữ liệu về kinh tế, xã hội, dân tộc, từ đó có thể chỉ

ra sự biến động của hiện trạng lớp phủ theo các biến khác nhau và thấy được đâu là nguyên nhân chính thúc đẩy cho quá trình thay đổi hiện trạng lớp phủ

1.2.2 Đánh giá biến động bằng Viễn thám và GIS

Nguyên tắc tính biến động

Đó là việc tính toán theo phép cộng gộp thuần túy trong toán học (chồng xếp hai ảnh phân loại lên nhau), các đối tượng sau khi được phân loại sẽ đại diện cho một lớp chuyên đề, mỗi lớp sẽ được gán thành một giá trị riêng(ID riêng).Kết quả của quá trình tính biến động sẽ gồm hai phần: phần không biến động, phần bị biến động từ đối tượng này sang đối tượng khác.Diện tích biến động và diện tích không biến động có thể được tính bằng số lượng Pixel hay các đơn vị diện tích khác (m2, Km2, Ha…)

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG ĐẤT

ĐÔ THỊ QUẬN TÂY HỒ GIAI ĐOẠN 1995 – 2010

Hình 2.1: Sơ đồ các bước xử lý dữ liệu

1995, 2003, 2010

Nắn chỉnh hình học

Cắt khu vực Quận Tây

Hồ

Ranh giới

quận

Phương pháp phân loại

dựa trên Pixel

Phương pháp phân loại dựa trên đối tượng

So sánh kết quả 2 phương pháp với bản đồ hiện trạng quận Tây Hồ năm 2010

Bản đồ hiện trạng năm 1995, 2003, 2010

Phân loại ảnh theo phương pháp dựa trên đối tượng

Căn cứ vào tài liệu thu thập được và khả năng cung cấp thông tin trong khóa luận đã lựa chọn các ảnh đa thời gian cho nghiên cứu:

Bảng 2.1: Các ảnh viễn thám đƣợc dùng trong luận văn

1 Spot3_M_26_10_1995 Spot 3 - Đa phổ, 3 kênh 20 m

2.1 Nắn chỉnh hình học và cắt ảnh

Năm 2010

2.2 Xây dựng bảng chú giải

Việc xây dựng chú giải phân loại là rất quan trọng, chú giải phân loại được xây dựng trên một số tiêu chí sau: Mục đích, yêu cầu, đối tượng của nghiên cứu là gì?, khả năng cung cấp thông tin của ảnh về đối tượng ( độ phân giải ảnh càng lớn thì đối tượng quan sát càng rõ ràng,

độ phân giải bức xạ….)

Bảng 2.2: Mô tả các chìa khóa giải đoán ảnh phục vụ phân loại T

T

Đối tượng Trên ảnh Thực địa Mô tả đối tượng

hình, cấu trúc ảnh phẳng mịn

cư, có hình dạng nhân tạo cấu trúc phẳng mịn

màu

Có màu đỏ trên ảnh, cấu trúc mịn phẳng,

4 Khu dân

cư

Có hình dạng không cố định, màu sắc phụ thuộc vào cây, nhà , mặt nước

chưa sử

dụng

Có màu sáng xanh, hoặc trắng, thường là bãi cát ven biển ven sông …

7 Thực

vật trong khu dân

cư

Thường tồn tại khu công viên, vườn hoa…phạm vi cũng nhỏ, lẻ

2.3 Phương pháp phân loại dựa trên pixel và phương pháp phân loại dựa trên đối tượng

2.3.1 Phương pháp dựa trên pixel

Hình 2.4: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh trong nghiên cứu

2.3.2 Phương pháp dựa trên đối tượng

Hình 2.5: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh trong phân loại dựa trên đối tượng

2.4 So sánh kết quả phương pháp phân loại dựa trên pixel và phương pháp dựa trên đối tượng

2.4.1 Kết quả phân loại bằng 2 phương pháp

Tiến hành phân loại thử nghiệm ảnh Tây Hồ năm 2010 - Năm gần với thời điểm hiện tại,

là ảnh Spot nên có độ phân giải cao, bằng 2 phương pháp phân loại học viên thu được kết quả

2.4.2 Đánh giá độ chính xác của kết quả phân loại

a Đánh giá kết quả phân loại theo diện tích

Vì vậy để đánh giá mức độ chính xác của 2 phương pháp học viên tiến hành gộp các đối tượng loại đất trong bản đồ hiện trạng tương đương với các đối tượng trong bảng chú giải của 2 phương pháp Kết quả :

Bảng 2.3 : Thống kê diện tích ảnh phân loại Envi-2010, eCognition-2010

và bản đồ hiện trạng năm 2010

STT Tên đối tượng

Phương pháp dựa trên Pixel

Diện tích (ha) (1)

Phương pháp dựa trên đối tượng

Diện tích (ha) (2)

Bản đồ hiện trạng SDĐ năm 2010

Diện tích (ha) (3)

Qua bảng thống kê về diện tích các đối tượng qua các phương pháp ta thấy kết quả như sau:

Đối tượng “Lúa”: phân loại theo dấu hiệu phổ khó phân biệt được với đối tượng “Hoa màu”, nên có sự sai lẫm trên toàn ảnh Do đó diện tích phân loại ảnh ở (1) lớn hơn nhiều so với kết quả của (2)

Đối tượng “Bãi bồi” phương pháp (1) có phân loại ra được, tuy nhiên dấu hiệu phổ khá tương đồng với đối tượng “Khu đô thị” nên kết quả không đạt được so với thực tế

Đối tượng “Khu dân cư” với diện tích tương đối lớn cả 2 phương pháp đều phân tách được khá tốt khi sử dụng dấu hiệu phổ, nhưng phương pháp (2) kết hợp sử dụng dấu hiệu hình thái, khoảng cách nên thu được kết quả sát với bản đồ hiện trạng hơn

Đối tượng “Đất trống” phân loại theo dấu hiệu phổ dễ nhầm với đối tượng “Bãi bồi” và

“Khu đô thị”

Đối tượng “Hoa màu và Cây cảnh” cả hai phương pháp đều phân loại khá tốt theo dấu hiệu phổ

Đối tượng “Sông + Hồ” với phương pháp (1) phân tách vùng có phạm vi rộng lớn thì tốt, nhưng với Hồ nhỏ sau quá trình lọc kết quả phân loại có sự khái quát, cộng gộp nên kết quả chưa chính xác so với phương pháp (2)

b Đánh giá kết quả phân loại theo hệ số Kappa

Để tính hệ số Kappa học viên thực hiện lấy mẫu ngẫu nhiên trên hai ảnh phân loại, sau đó tiến hành chồng ghép hai ảnh trên lên bản đồ hiện trạng Kết quả trên được học viên thực hiện trên phần mềm Arc-GIS theo công thức:

Thu được kết quả như sau:

Bảng 2.4 : Bảng mà trận sai số phân loại theo phương pháp dựa trên đối tượng

Lúa Bãi

bồi

Khu dân cư

Đất quy hoạch

Hoa màu + Cây cảnh

Sông +

Hồ

Cây trong khu dân

cư

Khu dân

Đất quy

Hoa màu

+ Cây

cảnh

Cây trong

khu dân

cư

Tính theo công thức hệ số K= 70%

Bảng 2.5 : Bảng mà trận sai số phân loại theo phương pháp dựa trên pixel

Lúa Bãi bồi

Khu dân

cư

Đất quy hoạch

Hoa màu + Cây cảnh

Sông +

Hồ

Cây trong khu dân

cư

Lúa 9 2 1 2 3 1 2 20

Đất quy

Hoa màu +

Cây trong

Tính theo công thức hệ số K= 60%

Qua đây chúng ta thấy rõ được những ưu điểm của phương pháp phân loại dựa trên đối tượng so với phương pháp phân loại dựa trên Pixel như:

Độ chính xác cao hơn - tương đồng với phương pháp phân loại bằng tay

Bỏ qua những Pixel riêng lẻ không có ý nghĩa chuyên đề

Thời gian phân loại ít hơn nhiều so với các phương pháp khác

Tạo cơ sở dự liệu cho các đối tượng chuyên đề ngoài các đặc trưng thống kê như Mean, max, min, độ lệch chuẩn còn có các thông tin khác như khoảng cách đối tượng đến đường biên ảnh, đến trung tâm ảnh, chu vi, diện tích, tỷ số chiều dài trên chiều rộng của đối tượng …

2.4.3 Kết quả phân loại

Từ các kết quả phân loại ở trên, sau khi biên tập, tạo cơ sở toán học, chú giải…, học viên đã thành lập 3 bản đồ hiện trạng lớp phủ quận Tây Hồ các năm 1995, 2003 và 2010

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ VÀ SỰ THAY ĐỔI HÌNH THÁI

QUẬN TÂY HỒ GIAI ĐOẠN 1995 - 2010

Để thành lập bản đồ biến động núi chung và bản đồ hiện trạng lớp phủ núi riờng từ ảnh

vệ tinh thỡ quy trỡnh thành lập được thực hiện cụ thể như sau:

ẢNH VỆ TINH

Hỡnh 3.1: Mụ hỡnh thành lập bản đồ biến động 3.1 Đỏnh giỏ kết quả phõn loại

Từ ảnh vệ tinh năm 1995, 2003, 2010 qua xử lý và phõn loại đó thành lập được bản đồ hiện trạng lớp phủ theo từng năm tương ứng Trờn cơ sở phõn loại ảnh cựng với việc tiến hành khảo sỏt thực địa xỏc định cỏc đối tượng, đó phõn biệt được 8 loại đối tượng như sau: Cõy trong khu dõn cư, lỳa, hoa màu + cõy cảnh, sụng +hồ, bói bồi, đất trống, đất quy hoạch và khu dõn cư

3.1.1 Cơ cấu cỏc loại hỡnh lớp phủ

BảN Đồ HIệN TRạNG LớP PHủ

BảN Đồ

BIếN động lớp

phủ

Xử lý, phõn loại

BẢN ĐỒ

MỞ RỘNG ĐẤTHỊ

Năm 1995

Năm 2003

Năm 2010

Cõy trong khu dõn cư Lỳa Hoa màu + Cõy cảnh

Sụng + Hồ Bói bồi Đất trống Đất quy hoạch Khu dõn cư