NGHIÊN cứu BIẾN ĐỘNG lớp PHỦ TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN KINH tế xã hội TỈNH hõa BÌNH với sự TRỢ GIÖP của CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM và GIS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THÖY HẠNH NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH HÕA BÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÖP CỦA C

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ THÖY HẠNH

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ

TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH HÕA BÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÖP CỦA CÔNG NGHỆ

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS.Nguyễn Ngọc Thạch

2 TS Trần Vân Anh

Phản biện 1: PGS.TS Nhữ Thị Xuân

Trường ĐHKHTN- ĐHQGHN Phản biện 2: GS.TS Võ Chí Mỹ

Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

Luận án dự kiến sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Cơ

sở chấm luận án tiến sĩ họp tại phòng 418 – nhà T1- trường Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN vào hồi 14 giờ, ngày 26 tháng 11 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Thông tin về lớp phủ, biến động lớp phủ rất cần thiết đối với công tác quy hoạch, quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường Trong nhiều trường hợp, nhiệm vụ nghiên cứu biến động lớp phủ diễn ra trên quy

mô lớn lại yêu cầu nhanh chóng có kết quả Vì vậy, tư liệu viễn thám là công cụ đắc lực trợ giúp cho nhiệm vụ này

Tại Hòa Bình, sự tăng trưởng dân số và mô hình sản xuất hợp tác xã thời kỳ trước Đổi mới làm cho vấn nạn thiếu lương thực trở nên trầm trọng, người dân tự do phát rừng làm nương rãy để tự đáp ứng nhu cầu lương thực Điều này khiến cho lớp phủ rừng trở nên cạn kiệt, năm 1994 lớp phủ rừng chỉ còn 28% Sau đó, xu hướng này bị đảo ngược với sự gia tăng đáng kể của rừng tái sinh tự nhiên và rừng trồng Đây là kết quả của sự thay đổi trong chính sách, các chương trình trồng cây gây rừng được phát động Mặt khác, trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và hội nhập kinh tế những năm 2000, Hòa Bình thu hút ngày càng nhiều dự án đầu tư phát triển công nghiệp và dịch vụ Do đó lớp phủ đặc biệt là lớp phủ rừng cũng biến đổi mạnh Sự hiểu biết về động thái thảm phủ diễn ra như thế nào, nguyên nhân gì gây nên biến động đó là vô cùng cần thiết đối với quy hoạch sử dụng tài nguyên của tỉnh Vì vậy tác

giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu biến động lớp phủ trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Hòa Bình với sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và GIS”

2 Mục tiêu đề tài:

- Phát hiện xu hướng biến động lớp phủ tỉnh Hòa Bình giai đoạn 1994- 2003 và 2003-2013 bằng công nghệ viễn thám và GIS

- Xác lập mối quan hệ giữa biến động lớp phủ với các yếu tố địa

lý tự nhiên và kinh tế xã hội qua các giai đoạn nghiên cứu, góp phần quản lý tài nguyên đảm bảo phát triển bền vững

3 Phạm vi nghiên cứu:

Khu vực lựa chọn nghiên cứu là toàn bộ lãnh thổ tỉnh Hòa Bình theo ranh giới hành chính mới nhất năm 2008, từ 20°19' đến 21°08' vĩ độ Bắc và từ 104°48' đến 105°40' kinh độ Đông

4 Những điểm mới của luận án:

- Đây là nghiên cứu đầu tiên thử nghiệm tích hợp tư liệu vệ tinh Landsat 8 với kênh NDVI, DEM và kênh thành phần chính để nâng cao độ chính xác kết quả phân loại ảnh khu vực đồi núi

- Xác định được biến động lớp phủ tỉnh Hòa Bình theo không gian và thời gian giai đoạn 1994-2003 và 2003-2013

- Phát hiện được các nguyên nhân chính gây biến động lớp phủ rừng:

+ Giai đoạn 1994-2003: khả năng tiếp cận, hoạt động khai thác khoáng sản

+ Giai đoạn 2003-2013: khả năng tiếp cận, hoạt động du lịch,

cơ cấu lao động, cơ cấu nguồn thu nhập

- Dự báo được xu hướng biến động lớp phủ rừng đến năm 2020

và định hướng phát triển và bảo vệ lớp phủ rừng bền vững

5 Luận điểm bảo vệ:

Luận điểm 1: Việc kết hợp tư liệu ảnh Landsat với kênh DEM,

NDVI và kênh thành phần chính giúp nâng cao độ chính xác kết quả phân loại ảnh khu vực miền núi

Luận điểm 2: Áp dụng phương pháp sau phân loại và phương

pháp trước phân loại cho phép xác định biến động cả về loại hình và trạng thái lớp phủ tỉnh Hòa Bình thời kỳ 1994-2013

Luận điểm 3: Sử dụng mô hình Hồi quy logistic bội đã phát

hiện được mối quan hệ giữa các yếu tố địa lý tự nhiên, kinh tế

xã hội với biến động lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình giai đoạn 1994-2013

Luận án gồm 3 chương với 193 trang, 40 bảng, 72 hình, biểu đồ và bản đồ chuyên đề minh hoạ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ, BIẾN ĐỘNG

LỚP PHỦ

Chương này trình bày tổng quan về các công trình đã nghiên cứu có liên quan, lý luận về lớp phủ, biến động lớp phủ, các hệ thống phân loại lớp phủ, nguyên nhân và hậu quả của biến động lớp phủ, phân tích các phương pháp nghiên cứu và hình thành hướng tiếp cận mới trong nghiên cứu biến động lớp phủ sử dụng trong luận án

1.1 Tổng quan tài liệu

Những năm 70, 80, 90, nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển các phương pháp xác định biến động lớp phủ cũng như đi tìm các nguyên nhân và xây dựng các mô hình dự báo biến động trong tương lai

Các nghiên cứu gần đây-sau năm 2000 đi sâu vào tính phức tạp liên quan đến quá trình biến động lớp phủ để thấy được mối quan hệ hai chiều đối với từng trường hợp cụ thể trong vô số các yếu tố ở phạm vi không gian và thời gian khác nhau Theo đó, các phát hiện và sự giải thích ngày càng phong phú

Trong những năm qua, hoạt động nghiên cứu lớp phủ tại Việt Nam đã hình thành những tiền đề quan trọng về cơ sở

dữ liệu, đang dần tiếp cận với công nghệ trên thế giới Tuy nhiên, những kết quả đạt được còn khiêm tốn, các công trình nghiên cứu chủ yếu mới chỉ khai thác thế mạnh của viễn thám trong lập bản đồ, rất ít các nghiên cứu về quan hệ giữa biến động lớp phủ với các yếu tố địa lý tự nhiên, kinh tế xã hội

Các nghiên cứu về khu vực Hòa Bình được tiến hành ở nhiều phạm vi không gian và phạm vi khoa học khác nhau,

trong đó Hòa Bình là một hợp phần hoặc ngược lại, bản đồ lớp phủ chỉ là một phần dữ liệu đầu vào của các mô hình Đây là nguồn tài liệu quan trọng cho luận án và là cơ sở để tác giả phát triển hướng nghiên cứu nhằm thực hiện mục tiêu đã đề ra Tại Hòa Bình chưa có một nghiên cứu nào về biến động lớp phủ trên phạm vi toàn tỉnh có tính đến ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố tự nhiên, kinh tế xã hội được mô hình hóa bằng một mô hình toán học phù hợp trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, hội nhập kinh tế và toàn cầu hóa, phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và đảm bảo phát triển bền vững

1.2 Xây dựng cơ sở lý luận và lựa chọn phương pháp áp dụng cho luận án

1.2.1 Khái niệm sử dụng trong luận án

Nhìn chung các khái niệm về lớp phủ, sử dụng đất, biến động lớp phủ có sự giao thoa và cũng có những điểm khác nhau Tuy nhiên, trong khuôn khổ của luận án, các thuật ngữ này được hiểu như sau:

Lớp phủ đất (land cover) là bề mặt vật lý của trái đất (thực vật, đất trống, mặt nước, các công trình xây dựng…) có thể quan sát được bằng mắt hoặc trên tư liệu ảnh viễn thám Sử dụng đất (land use) chỉ đất được con người sử dụng như thế nào (đất giao thông, đất ở, đất nông nghiệp…), cho thấy tác động của con người lên mặt đất, là không gian chức năng tương ứng với mục đích kinh tế xã hội của con người Lớp phủ đất là bề mặt có thể quan sát được còn sử dụng đất chỉ không gian chức năng không phải lúc nào cũng có thể quan sát được Tuy nhiên lớp phủ mặt đất và sử dụng đất có liên quan với nhau, căn cứ vào lớp phủ mặt đất có thể đoán được loại hình sử dụng đất và ngược lại

Biến động lớp phủ (land cover change) chỉ sự thay đổi của lớp phủ bao gồm hai loại chủ yếu: biến đổi về loại lớp phủ (land cover conversion) và biến đổi bên trong bản thân một loại lớp phủ (land cover modification) Land cover conversion là sự thay thế toàn bộ lớp phủ này bằng loại lớp phủ khác như nông nghiệp chuyển thành đô thị, đất trống chuyển thành rừng Đây

là những biến đổi lớn rất dễ dàng nhận biết Ngược lại, Land cover modification là loại biến đổi tinh tế, khó nhận biết hơn, chỉ làm thay đổi về tính chất mà không thay đổi về loại lớp phủ,

ví dụ như sự thay đổi về sinh khối, mật độ cây, tán rừng, sự phát triển của cây lúa ở các thời kỳ khác nhau Trong luận án này tác giả đề xuất sử dụng thuận ngữ “biến động về loại lớp phủ” để chỉ “land cover conversion” và “biến động về trạng thái lớp phủ” chỉ “land cover modification”

1.2.2 Kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám để thành lập bản đồ lớp phủ, biến động lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình

- Kỹ thuật phân tích thành phần chính: làm nổi bật thông tin về thực vật, tách riêng kênh thành phần chính cho thấy sự tương phản rõ nhất giữa thực vật và các đối tượng khác để sử dụng làm kênh bổ trợ trong quá trình phân loại ảnh

- Tạo ảnh chỉ số NDVI để sử dụng làm kênh bổ trợ trong quá trình phân loại ảnh và tính ảnh hiệu NDVI

- Phương pháp trước phân loại: trừ ảnh NDVI để nghiên cứu biến động về trạng thái lớp phủ

- Phương pháp sau phân loại bằng thuật toán xác suất cực MLC trên nhiều bộ dữ liệu khác nhau: dữ liệu phổ thuần túy, dữ liệu phổ kết hợp kênh NDVI và kênh DEM, dữ liệu phổ tích hợp kênh NDVI, DEM và kênh thành phần chính, từ đó lựa chọn kết quả phân loại tốt nhất phục vụ nghiên cứu biến động

đại-về loại hình lớp phủ

1.2.3 Mô hình hồi quy Logistic bội phân tích mối quan hệ biến động lớp phủ rừng với các yếu tố địa lý tỉnh Hòa Bình

Hàm hồi quy logistic bội có dạng

(1.1) P: xác suất xảy ra sự kiện 0, 1

β0: số hạng tự do

β1, β2, …, βn: hệ số hồi quy

X1, X2, …, Xn: biến giải thích (biến độc lập)

Xác suất xảy ra sự kiện 0,1 được tính theo công thức sau:

(1.2)

Hình 1.1: Các bước tiến hành nghiên cứu

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI

Trên lãnh thổ của tỉnh theo chỉ tiêu độ cao có ba phức

hệ địa hình cơ bản là phức hệ địa hình miền núi, phức hệ địa hình đồi và phức hệ địa hình đồng bằng thung lũng Miền núi thấp có độ cao tuyệt đối từ 500 mét trở lên tới 1520 m Miền đồi từ 200 m đến 500 m Địa hình đồng bằng thung lũng ở độ cao dưới 200 m

Về đặc điểm phân bố lớp phủ theo đai địa hình: đai độ cao dưới 200 m là các đồng bằng thung lũng, một phần bị ngập nước, được sử dụng để nuôi trồng thủy sản hoặc trồng cây lương thực như lúa, ngô, khoai, đậu…, là nơi dân cư tập trung đông đúc và được đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng Lớp phủ chủ yếu là mặt nước, nông nghiệp hoặc dân cư Đai độ cao 200 m –

500 m, lớp phủ là đất trống, cây bụi, rừng tái sinh, rừng trồng

và một phần nhỏ là nông nghiệp (ở các huyện Đà Bắc, Mai Châu) Đai độ cao 500 m – 1000 m là rừng tái sinh, rừng tự nhiên – một phần đã được đưa vào bảo tồn (ở Thương Tiến – Kim Bôi) và rừng trồng Đai độ cao trên 1000 m là rừng tự nhiên giàu còn sót lại cũng đã được quy hoạch thành các khu Bảo tồn thiên nhiên (ở Đà Bắc, Mai Châu) hoặc là các dãy núi

đá vôi trọc, phủ cây bụi hoặc cây đã mọc thành rừng tự nhiên nhưng nghèo

Nhóm nhân tố địa lý - địa hình có vai trò cao nhất trong năm nhóm nhân tố sinh thái phát sinh thảm thực vật rừng Việt Nam, trong đó độ vĩ và độ cao giữ vai trò quan trọng, hình thành các vành đai thực vật theo độ vĩ và độ cao Địa hình đồi núi cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tiếp cận của người dân Hầu hết những nơi có địa hình núi cao, hiểm trở thường bị

sự cô lập về địa lý, đi kèm với sự nghèo đói cũng như khó khăn trong việc tiếp cận các hệ thống cơ sở hạ tầng – kinh tế Để đến được các cơ sở khám chữa bệnh hoặc trường học, chợ, người dân ở khu vực này sẽ phải tốn thời gian, công sức hơn so với những nơi có địa hình bằng phẳng Chính điều này đã hình thành tâm lý ngại đi lại của phần lớn người dân, cuộc sống quanh quẩn, bó hẹp trong phạm vi làng xã không hội nhập với

sự phát triển của thời đại, là nguyên nhân gây cản trở sự phát triển kinh tế xã hội miền núi cũng như tăng khoảng cách chênh lệch về tốc độ phát triển giữa miền núi và đồng bằng Việc đưa các biến độ cao, độ dốc, chia cắt ngang, chia cắt sâu, địa mạo vào mô hình MLR phân tích vừa đại diện cho ảnh hưởng của yếu tố tự nhiên, vừa đại diện cho ảnh hưởng của khả năng tiếp cận đến biến động lớp phủ

2.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Ở Hòa Bình, dân số tăng nhanh, số người trong độ tuổi lao động thất nghiệp tăng dẫn đến nạn khai thác rừng bừa bãi

mà nhà nước vẫn không kiểm soát được Mặt khác, một số đồng bào các dân tộc thiểu số có tập quán du canh du cư, đốt rừng làm rãy gây suy thoái nhanh rừng đầu nguồn và các vụ cháy rừng Phân bố dân cư không đồng đều và bất bình đẳng về kinh

tế (nghèo đói) có thể là nguyên dân dẫn đến biến đổi lớp phủ rừng Trong nghiên cứu này, tác giả chọn mật độ dân số,

khoảng cách đến điểm dân cư và tỉ lệ hộ nghèo là biến giải thích cho biến động lớp phủ rừng với giả thuyết ở các xã nghèo, các

xã có mật độ dân số cao và nơi gần điểm dân cư, áp lực lên rừng lớn và có thể dẫn đến mất rừng và suy thoái rừng

Cơ cấu kinh tế của tỉnh có nhiều biến động, tỷ trọng ngành Công nghiệp- xây dựng tăng nhanh từ 16% năm 1994 lên 17% năm 2000, 32% năm 2010 và 35% năm 2014, trong khi tỷ trọng ngành Nông –Lâm-Ngư nghiệp giảm mạnh từ 55% năm

1994 xuống 49% năm 2000, 35% năm 2010 và còn 31% năm

2014, tỷ trọng ngành Dịch vụ-Thương mại tăng nhẹ từ 29% năm 1994 lên 34% năm 2000, 33% năm 2010 và 34% năm

2014 Cơ cấu kinh tế phản ánh cơ cấu nguồn thu nhập của nông

hộ và gây ảnh hưởng mạnh đến biến động lớp phủ rừng Vì vậy, nhóm biến cơ cấu thu nhập được lựa chọn đưa vào mô hình phân tích MLR

Cơ cấu lao động của Hòa Bình cũng có nhiều chuyển biến, nếu như ở giai đoạn đầu, sinh kế của người dân Hòa Bình chủ yếu phụ thuộc vào Nông- lâm nghiệp, thì sang giai đoạn sau, ngày càng nhiều người lao động tham gia vào các hoạt động dịch vụ, công nghiệp và xây dựng, điều này giảm áp lực cho rừng nên rừng có thể được phục hồi tự nhiên Để chứng minh giả thuyết này, nghiên cứu sinh chọn cơ cấu lao động làm biến giải thích

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ VÀ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ TỈNH HOÀ BÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI TRONG GIAI ĐOẠN 1994-2003 VÀ 2003-2013

3.1 Tư liệu sử dụng

- Tư liệu chính: ảnh vệ tinh Landsat năm 1994, 2003 và 2013

- Tư liệu bổ trợ: tư liệu ảnh hàng không, bản đồ địa hình, bản đồ hiện trạng rừng, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, số liệu điều tra nông nghiệp nông thôn, niên giám thống kê, thông tin khảo sát thực địa, điều tra xã hội học

3.2 Hiện trạng lớp phủ và biến động lớp phủ

Hình 3.1: Nghiên cứu BĐLP theo phương pháp trước phân loại

Năm 1994 và 2003, mật độ NDVI mức trung bình (0,2 - 0,4) chiếm ưu thế với 56,5% và 66,9% Năm 2013, mật độ NDVI mức cao (0,4-0,6) chiếm tỉ lệ lớn 63,9% Những con số này chứng tỏ chất lượng lớp phủ đang tốt dần lên

Hình 3.2: Nghiên cứu BĐLP theo phương pháp sau phân loại

Trong sơ đồ phương pháp sau phân loại, việc phân loại ảnh được tiến hành trên 3 bộ dữ liệu:

- Các kênh ảnh Landsat

- Các kênh ảnh Landsat kết hợp với ảnh NDVI và DEM

- Các kênh ảnh Landsat kết hợp với ảnh NDVI, DEM

và kênh thành phần chính chứa nhiều thông tin về thực vật nhất (PCi)

Quá trình phân loại ảnh được tóm tắt trong sơ đồ dưới đây:

Hình 3.3: Phân loại ảnh trên các bộ dữ liệu khác nhau

- Nhận xét: độ chính xác có xu hướng tăng khi bổ sung kênh DEM+NDVI và tiếp tục tăng khi thêm kênh thành phần chính PCi

Hình 3.4: Biểu đồ so sánh diện tích các loại lớp phủ năm 1994,

2003 và 2013

Các lớp rừng giàu, rừng trồng khép tán và dân cư luôn

có xu hướng tăng trong khi rừng tự nhiên nghèo, nông nghiệp, đất trống có xu hướng giảm, riêng lớp mặt nước biến động không đáng kể Tổng diện tích các loại rừng năm 1994 là 133767,1 ha, 187823,7 ha năm 2003 và 238673,5 ha năm 2013, như vậy độ che phủ rừng tăng từ 29% năm 1994 lên 41% năm

2003 và 52% năm 2013

Chồng xếp các bản đồ lớp phủ ở hai thời điểm sẽ được bản đồ biến động với chú giải bao gồm hơn 60 loại biến động Tuy nhiên, kết quả trên cho thấy lớp phủ rừng chiếm đa số so với các loại lớp phủ khác Do đó, các biến động về loại lớp phủ

sẽ được gộp thành 5 nhóm sau: mất rừng và suy thoái rừng, tái sinh rừng tự nhiên, mở rộng rừng trồng, biến động khác và không biến động