tích hợp gis và kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp.

Như vậy, việc nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá đất đai bền vững trong môi trường mờ là hết sức cần thiết, nhằm hạn chế sai số thông tin đầu vào, chắt lọc thông tin và mô tả kết quả đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

(Tài liệu phục vụ báo cáo LATS cấp Nhà nước )

Tp.HCM – 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Hướng dẫn KH 1: TS Trần Trọng Đức (Trường ĐH Bách khoa Tp.PHCM) Hướng dẫn KH 2: TS Tào Quốc Tuấn (Phân viện Quy hoạch và TKNN)

Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Thị Vòng

Phản biện độc lập 2: TS Đồng Thị Thanh Phương

Phản biện 1:………

Phản biện 2:………

Phản biện 3:………

Luận án tiến sĩ sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại:

Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM

Vào lúc giờ, ngày tháng năm 2011

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:

− Thư viện Khoa học tổng hợp Tp.HCM

− Thư viện trường Đại học Bách khoa - ĐHQG Tp.HCM

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Những đóng góp chính của luận án 3

5 Cấu trúc của luận án 4

PHẦN I: TỔNG QUAN 5

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tổng quan về quy hoạch sử dụng đất 5

1.2 Tối ưu hoá trong quy hoạch sử dụng đất 6

1.3 GIS trong quy hoạch sử dụng đất 7

1.4 Định hướng nghiên cứu cho luận án 8

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 8

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững 8

2.2 Toán học và công nghệ được ứng dụng trong nghiên cứu 10

Chương 3: MÔ HÌNH TÍCH HỢP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU MỜ HỖ TRỢ QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP 11

3.1 Mô hình xác định yếu tố bền vững trong quản lý sử dụng đất 11

3.2 Mô hình quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững 12

3.2.1 Mô hình GIS mờ trong đánh giá đất đai bền vững 12

3.2.2 Mô hình FMOLP trong xác định diện tích tối ưu các phương án 13

3.2.3 Mô hình CA trong bố trí không gian sử dụng đất 14

3.3 Mô hình tích hợp 14

PHẦN III: ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 16

Chương 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH VÀO QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP TỈNH LÂM ĐỒNG 16

4.1 Cơ sở dữ liệu phục vụ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp 16

4.2 Đánh giá thích nghi đất đai cho quản lý sử dụng đất bền vững 18

4.3 Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững 19

4.3.1 Xây dựng, lựa chọn phương án sử dụng đất tối ưu 20

4.3.2 Bố trí không gian sử dụng đất 22

4.3.3 Đánh giá kết quả mô hình 22

PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 23

CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 25

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

+ Sự xung đột giữa các mục tiêu trong khai thác sử dụng tài nguyên đất đai vào phát triển kinh tế - xã hội ngày càng gia tăng, tạo ra những cạnh tranh gay gắt giữa các mục đích sử dụng đất Do vậy, việc ra quyết định bố trí sử dụng đất thoả mãn đồng thời các

mục tiêu đem lại hiệu quả kinh tế cao, đáp ứng yêu cầu của toàn xã hội, hạn chế đến mức thấp nhất tác động xấu đến môi trường là bài toán phức tạp mà người ra quyết định (nhà quản lý, nhà quy hoạch, ) đang đối mặt Người ra quyết định (DM) nếu chỉ dựa vào sự sáng tạo và kinh nghiệm thì khó có thể giải quyết bài toán một cách hiệu quả, mà thay vào đó là sử dụng các kỹ thuật, công nghệ và tri thức mới

+ Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp là một trong những nội dung quan trọng trong quy hoạch phát triển nông nghiệp - nông thôn, tiến trình thực hiện gồm hai bước cơ bản: đánh giá khả năng thích nghi đất đai và bố trí sử dụng đất

(1) Đánh giá khảù năng thích nghi đất đai (gọi tắt là đánh giá đất đai) cung cấp thông

tin về khả năng thích nghi đất đai, chi phí đầu tư và hiệu quả sản xuất của từng hệ thống sử dụng đất (LUS), đây là những thông tin cực kỳ quan trọng hỗ trợ cho việc bố trí sử dụng đất

+ Đến nay, các nghiên cứu đều tập trung vào đánh giá thích nghi điều kiện tự nhiên, một số nghiên cứu có xem xét thêm về yếu tố kinh tế chứ chưa đi sâu nghiên cứu đánh giá tổng hợp cả điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội và môi trường (gọi là đánh giá đất đai bền vững) Bên cạnh đó, hầu hết các nghiên cứu đều thực hiện trong môi trường rõ Tuy nhiên, trong thực tiễn đối tượng không gian của thế giới thực thường là những thông tin không chắc chắn, rất khó biểu diễn chính xác dựa trên tập rõ (Sicat et al., 2005) Do vậy đánh giá đất đai trong môi trường rõ (crisp) sai số lớn hơn trong môi trường mờ (fuzzy), không thể biểu diễn kết quả thích nghi liên tục nên một số thông tin

thường bị bỏ qua Như vậy, việc nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá đất đai bền vững trong môi trường mờ là hết sức cần thiết, nhằm hạn chế sai số thông tin đầu vào, chắt lọc thông tin và mô tả kết quả đầu ra một cách liên tục, gần gũi với suy nghĩ của con người nên giúp DM ra quyết định tốt hơn trong bố trí sử dụng đất

+ Mặt khác, các yếu tố (indicators) thuộc tính đất đai thể hiện trạng thái sử dụng đất bền vững (gọi là yếu tố bền vững) có vai trò vô cùng quan trọng trong quản lý sử dụng đất bền vững (OECD, 1999), nhưng việc lựa chọn các yếu tố bền vững trong đánh giá đất đai còn mang tính chủ quan (FAO, 2007) Hiện nay, có hai nhóm mô hình lựa chọn

yếu tố bền vững: (i) Mô hình FESLM (FAO,1993b) thể hiện các tính chất đất đai bền vững nhưng không thể hiện mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố; (ii) Các mô hình

PSR(OECD, 1994), DSR(UNCSD, 1997), DPSIR(EEA, 1999): thể hiện mối quan hệ

nhân quả giữa các yếu tố nhưng không thể hiện tính chất đất đai bền vững Do vậy, cần thiết phải nghiên cứu tích hợp các mô hình với nhau nhằm phát huy điểm mạnh và khắc phục điểm yếu của các mô hình trong lựa chọn các yếu tố bền vững

(2) Bố trí sử dụng đất: Bố trí sử dụng đất thường được thực hiện dựa trên ma trận kết

quả thích nghi đất đai (kết quả đánh giá đất đai) và các điều kiện ràng buộc về tài nguyên, phát triển kinh tế, xã hội có liên quan đến sử dụng đất Khó khăn gặp phải

trong quá trình bố trí sử dụng đất là bố trí mỗi loại đất với diện tích bao nhiêu và bố trí

ở đâu để cho phương án sử dụng đất đáp ứng đồng thời nhiều mục tiêu về phát triển kinh tế, xã hội và bảo vệ môi trường

+ Do vậy, bài toán bố trí diện tích các loại đất nông nghiệp (trả lời câu hỏi bố trí mỗi

loại đất với diện tích bao nhiêu?) là bài toán tối ưu đa mục tiêu Về phân bố không

gian (trả lời câu hỏi bố trí ở đâu?), trước đây nhà quy hoạch thường dựa vào bản đồ

thích nghi đất đai để khoanh vùng sản xuất các loại hình sử dụng đất (LUT), theo nguyên tắc lựa chọn từ vùng thích nghi cao (S1) đến ít thích nghi (S3) Theo cách này, việc tính toán diện tích từng LUT trên bản đồ trong quá trình bố trí có độ chính xác kém và mất rất nhiều thời gian, quá trình khoanh vẽ mang tính chủ quan, việc giải quyết mức độ cạnh tranh giữa các LUT trên cùng một khoanh đất thiếu tính nhất quán

Do đó, sản phẩm (bản đồ quy hoạch sử dụng đất) chất lượng chưa cao

+ Đến nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu phát triển các hệ thống phân bố không gian sử dụng đất dựa trên GIS và CA (cellular automata) Trong lĩnh vực quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp, có các hệ thống: AEZWIN (Fischer et al., 1998) được thiết kế cho quy mô vùng sinh thái nông nghiệp; LADSS (Matthews et al., 1999) cho quy mô trang trại; RULES (Riveira, 2008) thích hợp cho quy mô cấp huyện/tỉnh nhưng thuật toán bố trí sử dụng đất theo tế bào lý tưởng (ideal cell) nên không kế thừa hiện trạng,

gây xáo trộn trong sử dụng đất, do đó không đáp ứng được yêu cầu đặc thù ở Việt Nam

+ Công nghệ GIS với khả năng phân tích đồng thời dữ liệu không gian và thuộc tính, truy vấn và hỏi đáp, dễ dàng cập nhật dữ liệu và kết nối với hệ thống cơ sở dữ liệu khác,… Bên cạnh đó, các tri thức về xử lý bài toán không gian cũng không ngừng lớn mạnh, có thể hỗ trợ giải quyết bài toán liên quan đến yếu tố không gian một cách trực

quan thông qua bản đồ số trong hệ GIS Do đó, nghiên cứu tích hợp GIS và kỹ thuật tối

ưu hoá đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp là yêu cầu cần thiết và cấp bách Trong đó, sự kết hợp giữa mô hình tối ưu đa mục tiêu, GIS và các mô hình xử lý không gian cũng như tri thức không gian tạo nên mô hình bố trí không gian sử dụng đất phù hợp với đặc thù ở Việt Nam Mô hình có thể trả lời đầy đủ câu

hỏi bố trí mỗi loại đất với diện tích bao nhiêu và bố trí ở đâu? Đây là công cụ thực sự

hữu ích cho những người làm công tác quy hoạch, nhà quản lý và hoạch định chính sách sử dụng đất nông nghiệp cũng như quản lý tài nguyên đất đai

Từ những phân tích nêu trên, luận án tập trung nghiên cứu giải quyết 4 bài toán chính trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp: (i) lựa chọn yếu tố bền vững, (ii) đánh giá thích nghi đất đai bền vững, (iii) xác định diện tích tối ưu các phương án và (iv) bố trí không gian các phương án sử dụng đất Liên kết các bài toán với nhau để giải quyết toàn diện bài toán quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu, hệ thống hoá cơ sở khoa học trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp làm cơ sở xây dựng mô hình xử lý và cung cấp thông tin hỗ trợ quyết định nhằm tối ưu hoá việc bố trí sử dụng đất, nâng cao chất lượng và năng suất lao động trong công tác quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp

+ Mục tiêu cụ thể: (i) Nghiên cứu tổng quan, lựa chọn phương pháp thích hợp trong

quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp; (ii) Mô hình hoá các yếu tố ảnh hưởng đến sử dụng đất nông nghiệp bền vững và quá trình bố trí sử dụng đất nông nghiệp; (iii) Xây

dựng mô hình tích hợp GIS và kỹ thuật tối ưu hoá đa mục tiêu mờ để hỗ trợ quy hoạch

sử dụng đất nông nghiệp; (iv) Ứng dụng mô hình đề xuất trong điều kiện thực tiễn tỉnh

Lâm Đồng và đánh giá mô hình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu: Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp trong phạm vi cấp tỉnh (tỷ lệ bản đồ 1/100.000-1/50.000)

+ Phạm vi nghiên cứu:

− Trong đất sản nông nghiệp, luận án chỉ nghiên cứu bố trí sử dụng đất các loại cây trồng (không nghiên cứu bố trí các loại đất nông nghiệp khác như đất chăn nuôi, đất dịch vụ nông nghiệp,…) Giá các loại nông sản được tính theo giá bán tại ruộng (return on farm) ở thời điểm giữa năm 2010

− Phạm vi không gian ứng dụng mô hình là toàn bộ diện tích tự nhiên tỉnh Lâm Đồng, tỷ lệ bản đồ 1/100.000

4 Những đóng góp chính của luận án

(1) Tích hợp 2 mô hình FESLM (FAO, 1993b) và DPSIR (EEA, 1999) để xác định các yếu tố trong quản lý sử dụng đất bền vững (SLM) nhằm khai thác thế mạnh và hạn chế điểm yếu của từng mô hình là nội dung mới của luận án, mô hình tích hợp này hỗ trợ DM nhận biết được mối quan hệ nhân - quả giữa các yếu tố nên dễ dàng hơn trong việc ra quyết định kiểm soát yếu tố nguyên nhân gây ra kết quả trong SLM

(2) Luận án đã phân tích độ nhạy các yếu tố bền vững giúp DM hiểu biết sâu sắc về các yếu tố, nhận thức được tầm ảnh hưởng, tác động, vai trò của các yếu tố và thật sự tập trung vào các yếu tố có độ nhạy cao (mức độ tập trung thấp hơn cho các yếu tố có độ nhạy thấp hơn), điều này tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình thu thập thông tin cũng như ra quyết định

(3) Nghiên cứu xây dựng mới mô hình GIS mờ (fuzzy GIS) trong đánh giá thích nghi

đất đai phục vụ SLM Ưu điểm của mô hình: (i) sử dụng phương pháp AHP mờ

trong ra quyết định nhóm (FAHP-GDM) để xác định trọng số các yếu tố bền vững nên hạn chế tính chủ quan và tranh thủ được tri thức của nhiều chuyên gia trong

từng lĩnh vực; (ii) dùng phương pháp đánh giá mờ nên chắt lọc được thông tin, hạn

chế được sai số và mô phỏng các hàm thích nghi một cách liên tục (gần gũi với suy nghĩ của con người) nên hỗ trợ DM tốt hơn trong việc lựa chọn đất đai cho phát triển các LUT

(4) So sánh, đánh giá các mô hình tích hợp GIS với các phương pháp khác nhau trong

đánh giá đất đai: (i) GIS và phương pháp yếu tố hạn chế lớn nhất (FAO, 1976); (ii) GIS và phương pháp đánh giá đa tiêu chuẩn (sử dụng FAHP-GDM); (iii) fuzzy GIS theo luật Max và (iv) fuzzy GIS theo Lukasiewicz Các mô hình trên được ứng dụng

cho đánh giá đất đai trên cùng tập dữ liệu mẫu (tỉnh Lâm Đồng), đánh giá điểm mạnh và điểm yếu của từng phương pháp (cả về cơ sở lý thuyết và chất lượng kết quả đầu ra), từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp ứng với từng trường hợp nghiên cứu cụ thể Trên cơ sở đó đề xuất chọn phương pháp fuzzy GIS (với thuật toán hợp mờ Lukasiewicz) cho đánh giá thích nghi đất đai trong điều kiện hiện nay (hạn chế được sai số, chắt lọc được thông tin, mở được diện tích cấp thích nghi nhưng vẫn

đảm bảo bền vững do không điều chỉnh vùng không thích nghi sang thích nghi)

(5) Xây dựng mới mô hình FMOLP trong xác định diện tích tối ưu các phương án sử dụng đất nông nghiệp Mô hình FMOLP được cài đặt theo LUS, mỗi biến quyết định là một LUS, yêu cầu đầu tư và kết quả sản xuất của từng LUS cũng khác

nhau, kết quả đầu ra của mô hình là diện tích tối ưu của từng LUS, do vậy tính thực tiễn cao hơn các mô hình đã có trước đây (các nghiên cứu trước đây không tiếp cận theo LUS mà tiếp cận theo LUT, xem đầu vào/đầu ra của cùng LUT là như nhau dù cho sản xuất trên các vùng đất có chất lượng khác nhau) Theo đó, một chương trình máy tính (programme) được phát triển mới trong môi trường LINGO 11.0 để giải bài toán FMOLP theo phương pháp tương tác thoả hiệp mờ (Sakawa, 2002)

(6) Xây dựng mới mô hình CA trong bố trí không gian các phương án sử dụng đất Đặc biệt, trong nghiên cứu này đã xây dựng thuật toán bố trí không gian sử dụng đất phù hợp với điều kiện đặc thù ở Việt Nam (kế thừa hợp lý hiện trạng sử dụng đất và giải quyết bài toán cạnh tranh giữa các loại đất trên cùng vị trí), với yêu cầu

này các phần mềm hiện có trên thế giới không giải quyết được Đây là đóng góp nổi bật của luận án

(7) Phát triển mới phần mềm SALUP (Saptial Allocation of Land Use Planning) để giải quyết bài toán bố trí không gian sử dụng đất đáp ứng yêu cầu đặc thù ở Việt Nam mà các phần mềm hiện có trên thế giới không giải quyết được SALUP tương tác trực tiếp với người ra quyết định (nhà quản lý, nhà quy hoạch), trong đó các quan điểm phát triển của địa phương cũng như mong muốn của chính quyền và các đối tượng sử dụng đất được đưa vào mô hình thông qua thay đổi mức độ ưu tiên các mục tiêu Do vậy, kết quả bố trí sử dụng đất phù hợp với điều kiện thực tiễn và định hướng phát triển của địa phương Với SALUP, DM có điều kiện xem xét đồng thời nhiều phương án khác nhau một cách trực quan (ngoài số liệu diện tích còn có

cả bản đồ) nên quyết địnhđlựa chọn phương án sử dụng đất rất khách quan SALUP

là công cụ thật sự hữu ích trong công tác lập quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp

5 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, luận án gồm có 4 phần, 4 chương Phần I (Tổng quan) có một chương (chương 1: Tổng quan các nghiên cứu, trang 10-51); Phần II (Cơ sở lý thuyết và

xây dựng mô hình) gồm hai chương (chương 2: Cơ sở lý thuyết, trang 52-78; chương 3: Mô hình tích hợp GIS và kỹ thuật tối ưu đa mục tiêu mờ hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất

nông nghiệp, trang 79-103); Phần III (Ứng dụng thực tiễn) có một chương (chương 4:

Ứng dụng mô hình vào quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp tỉnh Lâm Đồng, trang

104-153); Phần IV: Kết luận và hướng phát triển (trang 154-157) Luận án có 34 bảng, 44

hình, 10 bản đồ A4, sử dụng 156 tài liệu tham khảo

PHẦN I: TỔNG QUAN Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về quy hoạch sử dụng đất

(1) Các phương pháp quy hoạch sử dụng đất: Trong các phương pháp quy hoạch sử

dụng đất: (i) Trước FAO (1993): bố trí sử dụng đất dựa vào 2 yếu tố chính là đất và nước (ii).Phương pháp quy hoạch sử dụng đất có sự tham gia (PLUP): dễ được các đối

tượng sử dụng đất chấp nhận nhưng cũng thường mâu thuẫn với chính sách của Nhà

nước, (iii).Các phương pháp quy hoạch sử dụng đất của FAO: trên cơ sở phương pháp

(FAO, 1993a), bổ sung nội dung đánh giá đất đai bền vững (FAO, 1993b, 2007), lập phương án sử dụng đất bền vững (FAO, 1995) FAO/UNEP(1997) đưa ra phương pháp quy hoạch tổng hợp tích hợp cả 2 cách tiếp cận từ dưới lên và từ trên xuống Cuối cùng, FAO/UNEP (1999a) đã phát triển quan điểm về quy hoạch tổng hợp được thành

phương pháp quy hoạch tổng hợp cho quản lý bền vững tài nguyên đất đai (IPSMLR)

Tóm lại: Phương pháp quy hoạch tổng hợp cho quản lý bền vững tài nguyên đất đai (FAO/UNEP, 1999a) tiếp cận từ trên xuống, từ dưới lên và tiếp cận đa mục tiêu (xem xét đồng thời các yếu tố về kinh tế, xã hội và môi trường), đây là phương pháp được hầu hết các quốc gia áp dụng trong lập quy hoạch sử dụng đất

(2) Các phương pháp đánh giá đất đai (Land Evaluation): (i) Các phương pháp

FAO(1976, 1983, 1984, 1985, 1989, 1990, 1992) chưa đặt vấn đề về đánh giá đất đai bền vững FAO (1993b) cho ra đời “Khung đánh giá đất đai phục vụ cho quản lý sử dụng đất bền vững (FESLM)” FAO (2007) đã nhấn mạnh vai trò của “đánh giá đất đai bền vững”, có nghĩa là mục tiêu chính của đánh giá đất đai là phục vụ cho quản lý sử

dụng đất bền vững (SLM) (ii) Các phương pháp khác FAO như: phương pháp tham số

(Sys et al, 1991; Dengiz, 2005), phương pháp phân tích đa tiêu chuẩn (Malczewski, 1999; Jiang and Eastman, 2000; Lê Cảnh Định, 2005 ) Các phương pháp này lượng hoá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố, tính toán giá trị thích nghi và tích hợp với GIS

để biểu diễn kết quả thích nghi

+ Đến nay, có nhiều nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong đánh giá đất đai nhằm hạn chế sai số, chắt lọc thông tin và biểu diễn kết quả đầu ra một cách liên tục (Ranst et al., 1996; Nisar et al., 2000; Sicat et al., 2005), các nghiên cứu này chỉ sử dụng phép toán hợp mờ (fuzzy union) theo luật max Trong khi đó, phép hợp mờ có 2 thuật toán thường sử dụng là phép hợp theo luật max và theo Lukasiewicz (Klir và Yuan, 1995;

Minh và Phước, 2006) Do đó, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu phép hợp mờ theo

Lukasiewicz trong đánh giá đất đai, so sánh với luật max, từ đó đề xuất lựa chọn phép hợp mờ (fuzzy union) phù hợp trong đánh giá đất đai

+ Bên cạnh đó, đánh giá đất đai cho SLM, các yếu tố (indicators) tham gia vào đánh giá phải là yếu tố bền vững (FAO, 1993b; 2007; N.T Siêm, 2000) Tuy nhiên, phương pháp lựa chọn các yếu tố đưa vào đánh giá đất chưa được quan tâm nghiên cứu đúng

mức Do đó, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu phương pháp luận lựa chọn các yếu

tố trong đánh giá đất đai phục vụ SLM

(3) Các phương pháp xác định các yếu tố bền vững trong SLM: Hiện có các mô

hình xác định các yếu tố bền vững: FESLM (FAO, 1993b), PSR(OECD, 1994), DSR (UNCSD, 1997) và DPSIR (EEA, 1999)

- FESLM, điểm mạnh của mô hình là đã chỉ ra rằng một LUS bền vững thoả mãn

đồng thời 5 tính chất: hiệu quả, an toàn, bảo vệ, lâu bền và được xã hội chấp nhận;

điều này định hướng cho DM xác định các yếu tố trong SLM Điểm yếu của mô hình là không thể hiện mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố

- Các mô hình PSR, DSR và DPSIR đều thể hiện mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố, giúp DM nhận biết được vai trò của các yếu tố và ra quyết định tốt hơn, trong đó mô hình DPSIR có ưu điểm nổi bật

- Mô hình DPSIR thể hiện logic chặt chẽ giữa các yếu tố, nhưng tự nó không hướng cho DM tìm kiếm các yếu tố thể hiện tính bền vững trong SLM Trong khi đó FESLM đã chỉ ra rằng một LUS bền vững thoả mãn đồng thời 5 tính chất nên hỗ trợ

cho DM lựa chọn các yếu tố phù hợp với lĩnh vực SLM Do vậy, cần thiết phải

nghiên cứu tích hợp mô hình FESLM và DPSIR để xác định các yếu tố trong SLM

1.2 Tối ưu hoá trong quy hoạch sử dụng đất

+ Hiện có hai cách tiếp cận để giải bài toán tối ưu trong quy hoạch sử dụng đất nông

nghiệp: (i) Tiếp cận một mục tiêu (bài toán LP: Linear Programming): ít thích hợp do

bài toán quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp liên quan đến nhiều mục tiêu mâu thuẫn

nhau; (ii) Tiếp cận đa mục tiêu (GP, MOP) và đa mục tiêu tuyến tính (LGP, MOLP):

rất phù hợp vì nó giải quyết được bài toán tối ưu đa mục tiêu

+ Trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp, khi mô hình hoá bài toán tìm diện tích tối

ưu các phương án sử dụng đất, biến quyết định thường được cài đặt là diện tích các loại

cây trồng, khi đó các hàm mục tiêu và hệ ràng buộc đều có thể biểu diễn được ở dạng

tuyến tính, do vậy mô hình tối ưu trong tìm diện tích các phương án sử dụng đất nông nghiệp thuộc lớp bài toán tối ưu tuyến tính (Chang et al., 1995; Weintraub et al, 2007) + Như vậy, mô hình LGP và MOLP phù hợp trong việc giải bài toán tìm diện tích tối

ưu trong QHSDĐNN Vấn đề là chọn mô hình LGP hay MOLP? Việc lựa chọn sử dụng

mô hình LGP hoặc MOLP phụ thuộc vào yêu cầu của bài toán cần giải, khi tất cả các mục tiêu (goal) được xác định rõ ràng thì áp dụng mô hình LGP (Ehrgott et al., 2003), khi thể hiện mục tiêu định hướng (objective) thì dùng mô hình MOLP (McCarl et al., 1997) Trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp, các mục tiêu như tổng giá trị sản xuất lớn nhất, lãi thuần lớn nhất, … là các mục tiêu định hướng, không thể xác định giá

trị rõ ràng (lớn nhất hay nhỏ nhất là bao nhiêu), do vậy nên chọn mô hình MOLP

trong xác định diện tích phương án sử dụng đất tối ưu. Hiện nay, có nhiều phương

pháp giải bài toán MOLP, trong đó phương pháp tương tác thoả hiệp mờ (Sakawa,

2002) khá phù hợp cho giải bài toán MOLP

Tóm lại: Luận án sẽ nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu đa mục tiêu tuyến tính (MOLP) trong xác định diện tích tối ưu các phương án sử dụng đất nông nghiệp và dùng phương pháp tương tác thoả hiệp mờ (Sakawa, 2002) để giải bài toán MOLP

1.3 GIS trong quy hoạch sử dụng đất

(1) GIS và đánh giá đa tiêu chuẩn (MCE): Khả năng hiệp lực giữa GIS và MCE đem lại lợi ích to lớn trong giải quyết bài toán quyết định đa tiêu chuẩn không gian (spatial MCDM) Trong lĩnh vực MCE, phương pháp AHP (Saaty, 1980) được sử dụng để xác

định trọng số các tiêu chuẩn với 3 phương thức khác nhau: (i) AHP trong ra quyết định

riêng rẽ (AHP-IDM): đáp ứng yêu cầu ra quyết định nhanh chóng, nhưng kết quả

thường mang tính chủ quan; (ii) AHP trong ra quyết định nhóm (AHP-GDM): mất

nhiều thời gian hơn nhưng tranh thủ được tri thức của nhiều chuyên gia và giảm được

tính chủ quan (Lu et al, 2007; Kilgour và Eden, 2010; Sun và Li, 2009); (iii) AHP mờ

trong ra quyết định nhóm (FAHP-GDM): giảm được tính chủ quan và sai số, chắt lọc được thông tin của các chuyên gia trong quá trình ra quyết định, đây là phương pháp sử

dụng phổ biến hiện nay (Chang et al., 2009) Như vậy, trong trường hợp không yêu cầu

khẩn cấp, thì FAHP-GDM là giải pháp khá tốt để giải bài toán MCDM/MCDA.

+ Theo Kahrahman (2008), hiện nay có 4 phương pháp AHP mờ (FAHP) thu hút nhiều

nhà nghiên cứu: (i) Cả 2 phương pháp của Laarhoven, Pedrycz (1983) và Buckley (1985) có yêu cầu tính toán rất lớn ngay cả đối với vấn đề rất nhỏ; (ii) Phương pháp

Cheng (1996) dựa trên cả hai phương pháp tính xác suất (probability) và khả năng

(possibility) nên rất khó xác định; (iii) Phương pháp Chang (1992) yêu cầu tính toán

tương đối thấp và trình tự thực hiện giống như phương pháp AHP trong môi trường rõ

nên được nhiều nhà khoa học ứng dụng Do vậy, đề xuất chọn phương pháp FAHP

(Chang, 1992) để xác định trọng số trong trường hợp ra quyết định nhóm (GDM) Tóm lại: Trong đánh giá thích nghi đất đai phục vụ cho quy hoạch sử dụng đất, sử dụng phương pháp FAHP-GDM là phù hợp, vì khi đó vừa tranh thủ được ý kiến của nhiều chuyên gia, giảm được tính chủ quan, vừa giảm được sai số do xử lý thông tin trong môi trường mờ

(2) GIS và Mô hình toán tối ưu: Đến nay đã có nhiều nghiên cứu kết hợp GIS và mô hình toán tối ưu đa mục tiêu trong quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp (Sadeghi et al 2009), ứng dụng LUPAS (Laborte et al., 1999; 2002; N.H Trung, 2006; N.T Lan Anh, 2008) Trong các nghiên cứu này, sử dụng mô hình toán tối ưu để xác định diện tích sử

dụng đất tối ưu, còn bài toán phân bố không gian (tự động vẽ bản đồ quy hoạch) chưa

được giải quyết một cách hoàn chỉnh (Riveira et al., 2008), đây là vấn đề cực kỳ quan trọng, hỗ trợ giải quyết bài toán bán cấu trúc không gian trong quy hoạch sử dụng đất

(3) GIS và Viễn thám (RS): Viễn thám tích hợp với GIS là công cụ hữu ích trong quy hoạch sử dụng đất (Weng, 2010) Đặc biệt viễn thám cung cấp thông tin đa thời gian phục vụ cho việc xác định xu thế biến động đất đai, ứng dụng chuỗi Markov để dự báo

cơ cấu sử dụng đất trong tương lai (Baoying et al., 2008) hoặc hỗ trợ bố trí sử dụng đất (Turetta et al., 2008) Tuy nhiên, trong điều kiện Việt Nam là nước đang phát triển, đất đai thường thay đổi đột biến theo chính sách, có nghĩa là ma trận chuyển đổi của chuỗi Markov trong các giai đoạn luôn khác nhau Do vậy, rất khó có thể ứng dụng chuỗi Markov để dự báo biến động đất đai trong điều kiện Việt Nam hiện nay

(4) GIS và CA (Cellular Automata): Hiện nay, trên thế giới có nhiều nghiên cứu phát triển hệ thống phân bố không gian sử dụng đất dựa trên GIS và CA Trong lĩnh vực quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp, có các hệ: AEZWIN (Fischer et al., 1998) được thiết kế cho quy mô vùng sinh thái nông nghiệp; LADSS (Matthews et al., 1999) cho quy mô trang trại; RULES (Riveira, 2008) thích hợp cho quy mô cấp huyện/tỉnh nhưng thuật toán bố trí sử dụng đất theo tế bào lý tưởng (ideal cell) nên không kế thừa hiện

trạng, gây xáo trộn trong sử dụng đất, do đó không đáp ứng được yêu cầu đặc thù ở Việt

Nam Do vậy, cần thiết phải nghiên cứu, xây dựng mới mô hình CA, đặc biệt chú trọng

đến xây dựng thuật toán vận hành, nhằm giải quyết bài toán bố trí không gian sử dụng đất nông nghiệp đáp ứng yêu cầu thực tiễn ở Việt Nam

1.4 Định hướng nghiên cứu cho luận án

Qua nghiên cứu tổng quan, luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

+ Về lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở khoa học của phương pháp quy hoạch sử dụng đất tổng hợp cho quản lý bền vững tài nguyên đất đai (FAO/UNEP, 1999a), trong đó nội dung đánh giá thích nghi đất đai theo FAO(2007)

+ Về xây dựng mô hình: Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn, xây dựng mô hình và lựa chọn công nghệ phù hợp trong giải quyết từng nội dung của bài toán quy

hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững: (i) Nghiên cứu tích hợp các mô hình FESLM và DPSIR để xác định các yếu tố trong SLM; (ii) Mô hình GIS mờ trong đánh giá thích nghi đất đai bền vững; (iii) Mô hình FMOLP trong xác định diện tích tối ưu

các phương án sử dụng đất, theo đó phát triển chương trình máy tính để giải FMOLP

theo phương pháp tương tác thoả hiệp mờ; (iv) Mô hình CA trong bố trí không gian các

phương án sử dụng đất (đáp ứng yêu cầu đặc thù ở Việt Nam) Tích hợp các mô hình với nhau để giải quyết toàn diện bài toán quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp bền vững

FAO (1995) và FAO/UNEP (1997, 1999a) đã đề xuất khung lý thuyết về hệ hỗ trợ

quyết định quy hoạch sử dụng đất (hình 2.5), trong đó gồm 3 nội dung: (i) Đánh giá đất

đai (FAO, 1993b, 2007); (ii) Đánh giá kinh tế-xã hội; (iii) Bố trí sử dụng đất (xác định

cơ cấu sử dụng đất tối ưu, bố trí không gian sử dụng đất) Trong quy hoạch sử dụng đất

nông nghiệp, chủ yếu tập trung nghiên cứu hai nội dung chính: đánh giá đất đai và bố trí sử dụng đất, nội dung đánh giá kinh tế –xã hội được kế thừa từ các nghiên cứu chuyên ngành

+ Đánh giá đất đai: FAO (2007) hướng dẫn phương pháp đánh giá đất đai bền vững cho quy hoạch quản lý bền vững tài nguyên đất đai FAO/UNEP (1999a)

- Đầu tiên, xác định mục đích sử dụng đất và ràng buộc hiện tại, xác định những yếu tố cho đánh giá đất đai, lựa chọn sơ bộ những LUT được xã hội chấp nhận (FAO/UNEP, 1999a) đưa vào đánh giá thích nghi đất đai

- Sau đó, FAO (2007) đề xuất cách tiếp cận song song, nhưng trong trường hợp không khả thi thì vẫn có thể đánh giá thích nghi tự nhiên trước rồi đến kinh tế, xã hội

+ Bố trí sử dụng đất gồm 2 công đoạn

(FAO/UNEP, 1999a): (i) xác định cơ cấu sử dụng đất và (ii) bố trí không

gian sử dụng đất

(i) Xác định cơ cấu sử dụng đất tối ưu thoả mãn nhiều mục tiêu mâu thuẫn nhau Đây chính là bài toán tối ưu đa mục tiêu, cách giải phổ biến là thoả hiệp giữa các mục tiêu (FAO/UNEP, 1999a)

(ii). Bố trí không gian sử dụng đất (hình 2.7) dựa vào hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thích nghi đất đai, đối chiếu với các

Đánh giá đất đai

Sử dụng đất

(land use):

+ LUS + Sản lượng + Đầu tư + Che phủ + …

Tài nguyên đất

+ Điều kiện kinh tế

+ Xã hội chấp nhận

+ Bền vững về môi trường

+ …

Đánh giá Kinh tế-xã hội

Phát triển Kinh tế:

+ Tốc độ phát triển + Cơ cấu kinh tế + Chuyển dịch cơ cấu kinh tế + Thị trường +…

Phát triển xã hội,

Cơ sở hạ tầng:

+ Nguồn N.Lực + Y tế, giáo dục + Giao thông + Du lịch + Xây dựng…

Định hướng phát triển kinh tế -xã hội:

+ Mục tiêu phát triển kinh tế-xã hội + Định hướng phát triển các ngành + Xây dựng cơ sở hạ tầng kỹ thuật + Định hướng phát triển không gian + …

Xác định cơ cấu sử dụng đất tối ưu, bố trí không gian sử dụng đất

Lựa chọn sử dụng đất

Lựa chọn phương án sử dụng đất

thỏa mãn nhất

Hình 2.5: Khung hệ hỗ trợ quyết định quy hoạch sử dụng đất bền vững

(Phỏng theo: FAO, 1995; FAO/UNEP, 1997, 1999a)

* LUS: Hệ thống sử dụng đất

Các nhu cầu sử dụng đất

(demand)

Hiện trạng sử dụng đất

(available land)

Bản đồ thích nghi đất

đai (suitability map) Phân tích, thỏa hiệp, thảo luận

Bản đồ quy hoạch (spatial plan)

Hình 2.7: Bố trí không gian sử dụng đất

(FAO/UNEP,1997, 1999a)

nhu cầu sử dụng đất các ngành, để phân tích, thoả hiệp (trade-off) các mục tiêu, thảo luận lựa chọn phương án, trên cơ sở đó bố trí không gian sử dụng đất phương án (FAO/UNEP, 1997, 1999a)

2.2 Toán học và công nghệ được ứng dụng trong nghiên cứu

(1) Mô hình tối ưu đa mục tiêu mờ (Fuzzy MOP): Mô hình tối ưu đa mục tiêu (MOP) được phát biểu như sau:

Hàm mục tiêu: Max (Min) Z(x) = (Z1(x),

Z2(x),… Zk(x))T

Hệ ràng buộc: x∈D={x∈R n|Ax≤B,x≥ 0},

Trong đó: Zi(x) là hàm mục tiêu, Zi(x) = Cix;

Ci = (Ci1, Ci2,…, Cin)T , i=1,2,…,k; A là ma trận (m x n); B là ma trận cột (1x m); D là tập các ràng buộc; X là biến quyết định

Phương pháp tương tác thoả hiệp mờ

(Sakawa, 2002), thuật giải như hình 2.10:

(i) Giải bài toán cho từng mục tiêu trên miền ràng buộc D; tính giá trị hàm mục tiêu tại các phương án (Z1, …, Zk); xác định hàm thoả hiệp mờ cho từng mục tiêu (µ1(Z1),

) ( )

(iv) Giải bài toán với hàm mục tiêu tổng hợp trên miền ràng buộc D, tìm phương án tối

ưu X* Nếu DM chưa thoả mãn với X* thì quay về bước (ii); Nếu X* thoả mãn mong muốn của DM thì X* là phương án chọn

(2) Công nghệ thông tin địa lý (GIS): GIS là hệ thống các công cụ nền máy tính dùng để thu thập, lưu trữ, truy cập và biến đổi, phân tích và thể hiện dữ liệu liên quan đến vị trí trên bề mặt trái đất và tích hợp các thông tin này vào quá trình ra quyết định Mô hình dữ liệu thể hiện các đối tượng số với các đặc tính không gian và thuộc tính

(3) Hệ tự hành dạng tế bào (cellular automata - CA): Về khía cạnh toán học, CA

được định nghĩa như sau (Wolfram, 1985, 2002):

− CA gồm các tế bào (cell), mỗi tế bào nhận một trong các giá trị xác định, gọi là mạng tế bào (cellular lattice)

− Quy tắc tiến hoá của tế bào: Các giá trị của tế bào (cell) sẽ tiến hoá theo thời điểm (time step), theo các quy tắc cho trước mà sẽ xác định giá trị của nó ở bước kế tiếp như hàm của các giá trị của các tế bào lân cận

- Giải bài toán cho từng mục tiêu với tập

Kết thúc

Bắt đầu

No Yes

Hình 2.10: Thuật giải tương tác thoả

hiệp mờ (M.Sakawa, 2002)

Chọn phương án X *

+ Cấu trúc của CA: Cấu trúc cơ bản của CA gồm 5 thành phần như sau (Bennenson et

al., 2004; Adamatzky et al., 2008; Liu, 2009): (i) Mạng tế bào (cell space): Không gian chia ra nhiều tế bào (cell) riêng biệt; (ii) Trạng thái tế bào (cell states): Xác định

thuộc tính của hệ thống, mỗi tế bào chỉ có một trạng thái thuộc tập các trạng thái đã

xác định tại một thời điểm; (iii) Thời điểm (time step): Chỉ trạng thái của tế bào tại một thời điểm nào đó, sau mỗi thời điểm trạng thái của tế bào sẽ được cập nhật; (iv) Luật vận hành (transition rules): Đây là thành phần quan trọng nhất của CA, nó quyết định sự tiến hoá của tế bào, trạng thái tế bào sau một thời điểm được cập nhật đều dựa

vào giá trị các tế bào lân cận; (v) Tế bào lân cận (neighborhood cell): Theo Wolfram

(1985), đối với CA-2D có 2 loại cấu trúc cơ bản: 4 tế bào lân cận (Neumann, hình 2.11a), 8 tế bào lân cận (Moore, hình 2.11b)

Hình 2.11: Cấu trúc các tế bào lân cận theo V Neumann (a) và Moore (b)

+ Mô hình toán của CA: Mô hình toán của trạng thái tế bào ở thời điểm t+1 thường

phụ thuộc vào trạng thái của chính nó và các tế bào lân cận ở thời điểm t, mô hình toán như sau (Y Liu , 2009): x(t 1) ( x t), t x) )

ij ij

ij f S S

S + = Ω ; Trong đó: (t)

x ij

S là trạng thái của tế bào

xij tại vị trí (i,j) ở thời điểm t, (t+ 1 )

x ij

S là trạng thái của tế bào xij tại vị trí (i,j) ở thời điểm t+1, (t)

x ij

SΩ là trạng thái các tế bào lân cận tại thời điểm t

Chương 3: MÔ HÌNH TÍCH HỢP GIS VÀ KỸ THUẬT TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU

MỜ HỖ TRỢ QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP

3.1 Mô hình xác định yếu tố bền vững trong quản lý sử dụng đất

Tích hợp 2 mô hình FESLM và DPSIR cho xác định các yếu tố bền vững (hình 3.1):

- Trong kho dữ liệu tri thức về yếu tố bền vững thông qua kết quả các nghiên cứu liên quan và tri thức địa phương (Priscila et al., 2005)

- Sau đó, phân loại các yếu tố theo các tính chất của FESLM và mô hình DPSIR

- Đối chiếu với tiêu chuẩn lựa chọn và tính chất của yếu tố

- Lựa chọn các yếu tố bền vững trong quản lý sử dụng đất

Cơ sở tri thức về yếu tố

bền vững

Phân loại các yếu tố với

5 tính chất của FESLM

Đối chiếu các với các tiêu chuẩn lựa chọn và tính chất của yếu tố

Phân loại yếu tố theo

mô hình DPSIR

Lựa chọn các yếu tố bền vững trong quản lý sử dụng đất

Hình 3.1: Mô hình xác định các yếu tố bền vững

trong quản lý sử dụng đất