NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TRONG MỐI QUAN HỆ VỚI MỘT SỐ YẾU TỐ NHÂN KHẨU HỌC THUỘC KHU VỰC HUYỆN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH

Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu a/ Mục tiêu: Mục tiêu nghiên cứu của luận án này nhằm xác định và làm sáng tỏ mối quan hệ giữa sự tăng trưởng của một số yếu tố nhân khẩu học và biến động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Công trình được hoàn thành tại:Bộ môn Trắc địa mỏ, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, P Đức Thắng,

Trường đại học Mỏ - Địa chất

Phản biện 2 : GS TS Trương Quang Hải

Trường đại học Khoa học Tự nhiên

Phản biện 3: TS Trần Đình Luật

Tổng công ty Tài nguyên và Môi trường

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp

tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, P Đức Thắng, Q Bắc Từ Liêm, Hà Nội

Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2016

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc

Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất

Header Page 2 of 161.

Footer Page 2 of 161.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tốc độ gia tăng dân số nhanh cùng với nhiều chính sách nhằm thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội ở Việt Nam trong những năm gần đây đã gây ra sự biến đổi tiêu cực nhiều mặt đối với tài nguyên - môi trường, trong đó đất đai là thành phần tài nguyên chịu tác động và biến động sâu sắc nhất

Huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định là khu vực ven biển thuộc đồng bằng

sông Hồng, là nơi có diện tích canh tác trên mỗi đầu người chỉ đạt khoảng 1/2 con số trung bình của cả nước Tuy nhiên, đây lại là nơi tập trung dân

cư đông nhất, gấp 5 lần so với mật độ trung bình cả nước Đất canh tác ít,

dân số quá đông gây áp lực rất lớn cho việc phát triển kinh tế - xã hội của khu vực Do đó, nghiên cứu tổng thể mối quan hệ biến động sử dụng đất/các yếu tố nhân khẩu học/phát triển kinh tế - xã hội là thực sự cần thiết

2 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu

a/ Mục tiêu:

Mục tiêu nghiên cứu của luận án này nhằm xác định và làm sáng tỏ mối quan hệ giữa sự tăng trưởng của một số yếu tố nhân khẩu học và biến động sử dụng đất tại huyện Giao Thủy trên cơ sở ứng dụng tư liệu viễn thám và các kỹ thuật địa tin học

b/ Nhiệm vụ:

- Tổng quan tài liệu liên quan đến luận án;

- Nghiên cứu và lựa chọn các phương pháp phân loại nhằm nâng cao độ chính xác chiết tách thông tin sử dụng đất từ ảnh viễn thám;

- Nghiên cứu và lựa chọn phương pháp phù hợp nhằm xác định mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất và các yếu tố nhân khẩu học;

Footer Page 3 of 161.

- Mô hình hóa và dự báo biến động sử dụng đất ở khu vực nghiên cứu

3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

a/ Đối tượng nghiên cứu

Xác định mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất và một số yếu tố nhân khẩu học

b/ Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi không gian: huyện Giao Thủy, Nam Định

- Phạm vi thời gian: luận án nghiên cứu từ sau thời kì “Đổi mới” đến nay

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp: phân tích, tổng hợp; tích hợp viễn thám và GIS; hồi quy thống kê; mô hình hóa; thực nghiệm thực địa

5 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1:

Biến động tăng diện tích đất nuôi trồng thủy sản và đất xây dựng tại huyện Giao Thủy thời kỳ sau “Đổi mới” có mối quan hệ chặt chẽ với xu thế tăng trưởng của hai yếu tố nhân khẩu học là số lượng hộ gia đình và tỷ trọng dân số trong độ tuổi lao động

Luận điểm 2:

Tích hợp mô hình hồi quy Logistic, chuỗi Markov với Cellular Automata trên GIS cho phép dự báo về biến động sử dụng đất huyện Giao Thủy trên không gian và thời gian đạt độ tin cậy cao

6 Những điểm mới của luận án

1 Sự tích hợp phương pháp phân loại theo hướng đối tượng với phương pháp phân loại theo vùng thực địa và thuật toán K - NN đã nâng cao độ tin cậy trong việc đánh giá biến động sử dụng đất từ ảnh vệ tinh

2 Xác định được mối quan hệ giữa gia tăng lực lượng lao động, gia

Header Page 4 of 161.

Footer Page 4 of 161.

tăng số lượng gia đình với biến động sử dụng đất khu vực huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định dựa trên công nghệ viễn thám và GIS

3 Dự báo biến động sử dụng đất tại Giao Thủy dựa trên việc tích hợp

đa mô hình với sự tham gia của các biến nhân khẩu học

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Xây dựng hướng tiếp cận liên ngành giữa khoa học Trái Đất và khoa học Xã hội để xác định mối quan hệ giữa hai đối tượng sử dụng đất với các yếu tố nhân khẩu học

Ý nghĩa thực tiễn:

- Luận án đã làm sáng tỏ vai trò của các yếu tố lực lượng lao động, số

hộ gia đình trong việc sử dụng đất và biến động sử dụng đất Điều này là cần thiết cho việc điều chỉnh các quy hoạch sử dụng đất tại địa phương

1.1.1 Xu hướng nghiên cứu biến động sử dụng đất với các yếu tố quan hệ 1.1.2 Các phương pháp nghiên cứu biến động sử dụng đất

Phát hiện biến động có thể được định nghĩa là quá trình xác định sự khác biệt trạng thái của một đối tượng hoặc hiện tượng bằng cách quan sát

nó ở các thời điểm khác nhau [25]

Footer Page 5 of 161.

Dưới đây là các phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong nghiên cứu phát hiện biến động từ ảnh vệ tinh [25, 111]:

1.1.3 Các phương pháp phân loại hiện trạng sử dụng đất từ ảnh vệ tinh

và xu hướng mới trên thế giới và Việt Nam

Hiện nay có rất nhiều phương pháp phân loại cho dữ liệu ảnh viễn thám, nhưng nhìn chung, phương pháp tiếp cận phân loại ảnh viễn thám có thể được nhóm lại bao gồm các nhóm chính sau: có giám sát và không giám sát, hoặc phân loại có tham số và không tham số (mờ), hoặc cứng và mềm, hoặc dựa trên điểm ảnh, sub-pixel và vùng đối tượng [43]

Các nghiên cứu gần đây đều chỉ ra rằng xu hướng tích hợp của hai hay nhiều phương pháp phân loại đã cải thiện và nâng cao độ chính xác kết quả phân loại hơn so với việc sử dụng một phương pháp phân loại đơn [8, 9, 10] Rất quan trọng trong sự kết hợp này là phát triển các quy tắc phù hợp để kết hợp các kết quả từ các phương pháp phân loại khác nhau sao cho phát huy được tối đa các ưu điểm của từng phương pháp phân loại riêng rẽ

1.2 Các vấn đề cơ bản về nghiên cứu nhân khẩu học trong luận án

1.2.1 Một số khái niệm hiện hành trong nghiên cứu nhân khẩu học

1.2.2 Các học thuyết cơ bản trong nghiên cứu mối quan hệ dân số và phát triển

1.2.3 Sự biến động các yếu tố nhân khẩu học ảnh hưởng đến tăng trưởng kinh tế - xã hội, môi trường và gây ra những biến động trong mục đích sử dụng đất

1 Phân tích biến động trước phân loại

2 Phân tích biến động sau phân loại

3 Phương pháp phân loại ảnh trực tiếp đa thời gian

4 Phương pháp kết hợp

Header Page 6 of 161.

Footer Page 6 of 161.

1.3 Các phương pháp nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất và sự thay đổi các yếu tố nhân khẩu học

1.3.1 Tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động sử dụng đất do tác động của phát triển dân số

Dữ liệu viễn thám và GIS là đặc biệt rất hữu ích cho các nghiên cứu

xác định mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất/ các yếu tố thuộc

nhân khẩu học/ phát triển kinh tế - xã hội Nghiên cứu biến động sử

dụng đất ở các nước đang phát triển đã chứng minh rằng, công việc nghiên cứu các vấn đề xã hội không gian giúp tìm hiểu lịch sử phát

triển và nguyên nhân gốc rễ của các vấn đề kinh tế - xã hội đang diễn ra

[61, 99] Các nghiên cứu chứng minh dữ liệu viễn thám và GIS như là những loại dữ liệu và công cụ hiệu quả nhất để nghiên cứu thành lập bản đồ theo dõi sự thay đổi dân số dựa trên các bản đồ biến động lớp phủ/sử dụng đất nhằm xác định mối quan hệ giữa chúng [21, 28, 53]

1.3.2 Sử dụng phương pháp hồi quy dựa trên phân tích thống kê để xác định quan hệ giữa biến động sử dụng đất và thay đổi dân số các khu vực nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam

Phương pháp phân tích hồi quy thường được sử dụng khi xác định quan hệ tương quan giữa các biến phụ thuộc và một số biến độc lập Rất nhiều tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong thập kỷ qua bằng cách sử dụng kỹ thuật thống kê của phân tích hồi quy dựa trên tập dữ liệu được tích hợp bởi dữ liệu khảo sát thực địa, dữ liệu vệ tinh và dữ liệu điều tra dân số [27] Ưu điểm của các mô hình hồi quy trong phân tích thống kê cho phép chúng ta nhanh chóng nhận diện mối quan hệ giữa các biến và cũng cho phép xác định mức độ quan hệ giữa các biến

1.4 Tình hình nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất và

Footer Page 7 of 161.

các yếu tố nhân khẩu học ở Việt Nam

Thực tế cho thấy vấn đề chuyển đổi nhân khẩu học của Việt Nam đang diễn ra rất mạnh mẽ và có vai trò thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội cho mỗi vùng miền Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu tập trung vào hướng này còn rất hạn chế, thực sự chưa có nghiên cứu nào xem xét và đề cập đến vấn đề cơ hội dân số vàng và sự gia tăng nhanh chóng số lượng hộ gia đình hạt nhân có tác động như thế nào đến việc sử dụng các tài nguyên thiên nhiên môi trường, trong đó có đất đai Các báo cáo chủ yếu tồn tại dạng nghiên cứu đơn lẻ (chủ yếu nghiên cứu ở dạng xã hội học thuần túy), kết quả đưa ra mang tính định tính, thiếu định lượng, thiếu về mặt nghiên cứu

và xem xét mối quan hệ trên không gian và thời gian xảy ra như thế nào

1.5 Quan điểm nghiên cứu của luận án

1.6 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Biến động SDĐ Gia tăng

số hộ gia đình

Gia tăng tỷ trọng dân số

trong độ tuổi lao động

Thay đổi mục đích SDĐ theo hướng có thu nhập kinh tế cao hơn

Tăng cơ sở hạ tầng, đất vui chơi giải trí, bệnh viện, trường học và đất ở

Hiện trạng

SDĐ Biến động SDĐ

Xác định mối quan

hệ giữa biến động SDĐ và NKH

Dự báo biến động SDĐ

Viễn thám

quy Logistic + Markov

+ Cellular Automata

Mô hình hóa

Phân tích thống kê

Phân vùng đối tượng K-NN

Định hướng

đối tượng

Mô hình hồi quy

Header Page 8 of 161.

Footer Page 8 of 161.

Chương 2 ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT

VÀ SỰ THAY ĐỔI CÁC YẾU TỐ NHÂN KHẨU HỌC KHU VỰC

HUYỆN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH 2.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu của luận án

2.2 Xác định và đánh giá quá trình biến động sử dụng đất tại Giao Thủy từ dữ liệu ảnh vệ tinh

2.2.1 Thành lập hiện trạng sử dụng đất khu vực Giao Thủy, Nam Định

Các bước cơ bản của quá trình thành lập hiện trạng sử dụng đất từ dữ liệu vệ tinh bao gồm các bước cơ bản [43]:

1 Lựa chọn loại dữ liệu ảnh viễn thám;

2 Xác định và lựa chọn các lớp sử dụng đất phù hợp;

3 Tiền xử lý hình ảnh;

4 Lựa chọn phương pháp phân loại phù hợp;

5 Lựa chọn phương pháp đánh giá độ chính xác kết quả phân loại

Khi chiết xuất thông tin sử dụng đất từ chuỗi ảnh viễn thám đa thời gian, vấn đề lẫn phổ của cùng một lớp đối tượng ở trên các thời điểm ảnh khác nhau gây ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của kết quả phân loại sẽ dẫn đến việc xác định biến động sử dụng đất không chính xác do đó luận án đã tìm hiểu và ứng dụng phương pháp phân loại dựa trên vùng thực địa (Per -field classification) nhằm giải quyết vấn đề không đồng nhất về môi trường

và khắc phục sự lẫn phổ trong cùng một lớp trên các ảnh đa thời gian, tuy nhiên phương pháp này cần phải có dữ liệu vector số chuẩn xác về ranh giới của các đối tượng trên thực địa nên luận án đã kết hợp với phương pháp phân loại định hướng đối tượng (Object - oriented classification) để tạo ra kết quả vector số chuẩn, cuối cùng để chiết tách thành công đối tượng đất xây dựng ở

Footer Page 9 of 161.

khu vực nông thôn luận án tiếp tục kết hợp với thuật toán K - Láng giềng gần nhất (K - Nearest Neighbors)

a Tổng quan phương pháp phân loại theo hướng đối tượng

Quá trình phân loại ảnh vệ tinh theo phương pháp theo hướng đối tượng được tiến hành trên các bước cơ bản sau:

Bước 1: Hiển thị và quản lý dữ liệu

Bước 2: Trộn các kênh ảnh và tăng cường chất lượng ảnh

Bước 3: Phân mảnh ảnh và xem các đặc trưng của đối tượng ảnh

Bước 4: Thiết lập chú giải cho phân loại

Bước 5: Thiết lập quy tắc và tiến hành phân loại

Bước 6: Chỉnh sửa kết quả bằng tay

Bước 7: Đánh giá kết quả và xuất kết quả

b Phương pháp phân loại theo vùng thực địa

Về bản chất, phương pháp phân loại theo vùng thực địa là sự tích hợp

dữ liệu phổ với dữ liệu vector Trong đó, dữ liệu vector là ranh giới các đối tượng trên thực địa, các ranh giới này được xác định từ các phương pháp như: đo đạc trực tiếp ngoài thực địa; số hóa từ bản đồ; từ ảnh viễn thám Phương pháp này được thực hiện dựa trên hai bước chính:

Bước 1 Xác định ranh giới các đối tượng trên thực địa;

Bước 2 Tích hợp ranh giới các đối tượng trên thực địa với ảnh viễn thám

ở các thời điểm để chiết xuất thông tin về sử dụng đất

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cung cấp các phương tiện và công cụ để thực hiện phương pháp phân loại này thông qua việc tích hợp các dữ liệu vector và raster [46, 69]

c Lý thuyết phương pháp phân loại theo thuật toán K - NN

* Thuật toán K-NN:

Header Page 10 of 161.

Footer Page 10 of 161.

- Xác định giá trị tham số K (số láng giềng gần nhất), tham số K càng lớn thì kết quả phân nhóm đối tượng càng có độ tin cậy cao hơn

- Tính khoảng cách giữa đối tượng cần phân lớp với tất cả các đối tượng trong bộ mẫu (dữ liệu đã được chắc chắn xếp vào một nhóm lớp cụ thể)

- Thuật toán sẽ sắp xếp khoảng cách theo thứ tự tăng dần và ưu tiên xác định K láng giềng gần nhất với đối tượng cần phân nhóm

- Lấy tất cả các đặc trưng của K - láng giềng gần nhất đã xác định

- Dựa vào phần lớn sự tương đồng với các đặc trưng của K - láng giềng gần nhất để xác định nhóm cho đối tượng đang cần phân lớp

d Quy trình tích hợp phương pháp phân loại theo hướng đối tượng và phương pháp phân vùng thực địa với thuật toán phân loại K - láng giềng gần nhất nhằm giải đoán ảnh Landsat TM và OLI của khu vực nghiên cứu

K=1

X ϵ nhóm (-)

K=2

X không thuộc nhóm nào

K=3

X ϵ nhóm (+)

Hình 2.1: Xác định nhóm cho đối tượng cần phân loại dựa trên thuật toán K-NN

Footer Page 11 of 161.

Kết quả phân loại HTSDDD năm 2009

Ảnh năm 2009

Cắt ảnh theo ranh giới nghiên cứu

Xử lý số (Phân loại định hướng đối tượng)

Đánh giá độ chính xác kết quả phân loại

Xây dựng bộ quy tắc

Xây dựng các chỉ số

Copy các đối tượng không thay đổi

Hiện trạng sử dụng đất

1989, 1995, 1999, 2005, 2009, 2013

Chồng xếp lên trên ảnh các năm khác

Kết quả phân loại hiện trạng sử dụng đất

2.2.2 Đánh giá quá trình biến động sử dụng đất khu vực huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định

2.2.2.1 Biến động sử dụng đất trên không gian giai đoạn 1989 - 2013

2.2.2.2 Biến động sử dụng đất huyện Giao Thủy theo thời gian trong giai đoạn nghiên cứu

Đất cói 0%

Đất NTTS

88%

Đất MN 77%

13%

Đất RMN 20%

61%

Đất muối 85%

14%

Đất CSD 18%

22%

Đất lúa 91%

Đất XD

Vườn tạp 58%

6%

41%

3%

Footer Page 13 of 161.

2.2.2.3 Xu hướng biến động sử dụng đất khu vực Giao Thủy, Nam Định

giai đoạn 1989 - 2013

2.3 Diễn biến phát triển nhân khẩu khu vực Giao Thủy, Nam Định

2.3.1 Quy mô hộ và quy mô dân số

Hình 2.3: a) Sự biến thiên của quy mô dân số; b) Sự gia tăng số hộ ở Giao Thủy

Header Page 14 of 161.

Footer Page 14 of 161.

Hình 2.4: Sự biến động mật độ hộ gia đình trên không gian các xã thuộc huyện Giao Thủy giai đoạn 1989 - 2009

Hình 2.6: Sự biến động tỷ trọng dân số trong độ tuổi lao động trên không gian các xã thuộc huyện Giao Thủy giai đoạn 1989-2009

2.3.4 Tỷ lệ sinh, tỷ lệ chết và tỷ lệ tăng tự nhiên dân số

2.3.5 Lao động, việc làm

Chương 3 XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA BIẾN ĐỘNG

SỬ DỤNG ĐẤT VÀ MỘT SỐ YẾU TỐ NHÂN KHẨU HỌC TẠI

KHU VỰC HUYỆN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH 3.1 Phương pháp phân tích thống kê trong xác định mối quan hệ giữa

sự biến động sử dụng đất với một số yếu tố nhân khẩu học

3.1.1 Phương pháp tương quan tuyến tính

3.1.2 Phương pháp hồi quy tuyến tính

2.3.3 Cơ cấu dân số theo giới tính và theo nhóm tuổi

Header Page 16 of 161.

Footer Page 16 of 161.