ứng dụng ảnh viễn thám nghiên cứu biến động đất đô thị của thành phố vinh, tỉnh nghệ an

Mục tiêu của nghiên cứu này là theo dõi sự biến động đất đô thị của thành phố Vinh bằng công nghệ viễn thám.. Do đó, việc nhận biết và khoanh định các vùng đô thị của thành phố Vinh cần

Ngành: Quản lý Đất đai Lớp: Cao học QLĐĐ

Giảng viên: TS Nguyễn Văn Tân Học viên: Nguyễn Thanh Phong

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

VIỄN THÁM

CHUYÊN ĐỀ:

ỨNG DỤNG ẢNH VIỄN THÁM NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐÔ THỊ CỦA THÀNH PHỐ VINH, TỈNH NGHỆ AN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 1/2013

****************

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Tốc độ của quá trình đô thị hoá ở thành phố Vinh diễn ra khá nhanh Ðất canh tác bị thu hẹp đáng kể nhường chỗ cho các khu công nghiệp, các khu dân cư và các công trình công cộng

Nghiên cứu biến động đất đô thị nhằm mục đích theo dõi xu hướng phát triển

vùng đất ven đô của thành phố Mục tiêu của nghiên cứu này là theo dõi sự biến động đất đô thị của thành phố Vinh bằng công nghệ viễn thám Dữ liệu viễn

thám với đặc điểm đa thời gian, xử lý ngắn và phủ trùm khu vực rộng là một công cụ hữu hiệu cho việc theo dõi biến động hiện trạng sử dụng đất, nói chung,

và đất đô thị nói riêng

Khi đề cập đến nguyên nhân phát triển đô thị, sự phát triển kinh tế song hành

với gia tăng dân số là nguyên nhân chủ đạo [1]

Gia tăng dân số là một trong những nguyên nhân thúc đẩy quá trình đô thị hóa

ở thành phố Vinh Các số liệu thống kê cho thấy khuynh hướng gia tăng dân số

đi kèm với sự mở rộng ranh giới nội thị Từ vài năm gần đây, dân số thành phố Vinh đã có nhiều thay đổi do sự thay đổi cơ cấu dân số

Bảng 1 Tình hình cơ bản của thành phố Vinh

Năm Diện tích (ha) Đơn vị hành chính Tổng số dân (người)

1976 5487,383 10 xã, 5 khu phố 101.435

1992 5 xã, 12 phường 184.753

2000 5 xã, 13 phường 216.304

2005 6751 5 xã, 15 phường 237.206

Nguồn: Phòng thống kê TP Vinh.

II VÙNG NGHIÊN CỨU

Thành phố Vinh thuộc tỉnh Nghệ An, được giới hạn trong khung tọa

độ: 18o38’50”-18o43’38” B và 105o56’30” -105o49’50” Đ, có diện tích đất tự nhiên là 6751 ha, trong đó đất nông nghiệp chiếm 49%, đất ở chiếm 13,4%, đất

lâm nghiệp chiếm 1,6%, đất chuyên dùng chiếm 28,5%, đất chưa sử dụng chiếm 1,6% [5]

III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Xét về đặc điểm phản xạ và đặc điểm độ xám trên dữ liệu viễn thám, đối

tượng đất đô thị được nhận biết như đối tượng đất trống [2] Do đó, việc nhận

biết và khoanh định các vùng đô thị của thành phố Vinh cần được xác định bằng tiêu chí pháp nhân hành chính, nghĩa là việc phân loại các đối tượng đô thị sẽ dựa trên định nghĩa về đô thị theo nghị định số 72/2001/NĐ-CP ngày 05/10/2001 của Chính phủ về việc phân loại đô thị và cấp quản lý đô thị [4] Để

đạt được mục tiêu đề ra, ngoài việc tìm hiểu các khái niệm về đô thị (khái niệm,

chức năng, không gian…) và phương pháp nghiên cứu viễn thám trong theo dõi biến động là tạo ảnh chéo (crossing image) từ hai ảnh đã phân loại [2], các dữ liệu ảnh vệ tinh tại một số thời điểm chụp vùng nghiên cứu (năm 1992, 2000,

2005) đã được xử lý bằng các phương pháp chọn mẫu luận giải thông qua phân

loại bằng mắt thường, phân loại có kiểm định, phân tích sau phân loại, điều tra thực địa và áp dụng phương pháp thành lập bản đồ

Những phương pháp trên được lựa chọn dựa trên cơ sở: sự xê dịch bình đồ không gian; bức xạ của “đất đô thị” trên ảnh viễn thám [2]; tách các thông tin cần thiết trên tư liệu viễn thám thông qua phân loại

Hình 1 Sơ đồ xử lý dữ liệu viễn thám theo dõi biến động đất đô thị TP Vinh

Phần mềm ENVI 4.2 đã được sử dụng để tiến hành phân loại ảnh vệ tinh ENVI là một phần mềm xử lý ảnh viễn thám mạnh, với các đặc điểm chính như: + Hiển thị phân tích ảnh với nhiều kiểu dữ liệu;

+ Môi trường giao diện thân thiện;

+ Cho phép làm việc với từng kênh phổ riêng lẻ hoặc toàn bộ ảnh

1 Phương pháp phân loại có kiểm định

Thuật toán sử dụng trong phân loại có kiểm định là phân loại theo xác suất cực đại (maximum likelihood) Việc lựa chọn tập mẫu được tiến hành thông qua

hợp với những hiểu biết về vùng nghiên cứu [2] Thành phố Vinh là một vùng

có tình trạng sử dụng đất manh mún, trên một pixel ảnh có thể bao gồm nhiều loại đối tượng khác nhau; ở một số nơi, các đối tượng khác nhau có giá trị phổ giống nhau là những khó khăn để có một kết quả phân loại chính xác

2 Đánh giá chính xác độ phân loại

Hệ số Kappa = A/B, trong đó:

A = số pixel phân loại đúng - số pixel phân loại sai

B = tổng số pixel được phân loại

Khi Kappa = 1: độ chính xác phân loại là tuyệt đối

Ngoài hệ số Kappa, độ chính xác trong phân loại số còn được đánh giá dựa vào ma trận sai số, hay ma trận nhầm lẫn Ma trận này so sánh trên cơ sở từng loại một

IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Kết quả phân loại

Kết quả phân loại được chiết xuất từ phần mềm Envi 4.2 như Bảng 2:

Bảng 2 Kết quả đánh giá độ chính xác (%) sau phân loại ảnh Landsat 1992

Hệ số Kappa = 0,7200 Lớp Mặt nước Đất xây dựng Thực vật Đất dân cư Đất trống

Mặt nước 95,40 2,16 0,56 0,00 0,00

Đất xây dựng 2,69 60,79 0,43 11,37 4,07 Thực vật 1,79 3,30 86,98 3,09 18,51

Đất dân cư 0,11 26,40 10,42 80,35 8,55

Đất trống 0,00 7,36 1,62 5,19 68,87

Tổng 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Bảng 3 Kết quả đánh giá độ chính xác (%) sau phân loại ảnh Landsat 2000

Hệ số Kappa = 0,6821 Lớp Mặt nước Đất xây dựng Thực vật Đất dân cư Đất trống

Mặt nước 97,45 0,27 0,00 0,05 0,00

Đất xây dựng 1,84 41,33 0,99 11,08 0,25 Thực vật 0,71 0,53 81,67 5,94 27,41

Đất dân cư 0,00 52,00 8,27 80,29 1,02

Tổng 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Bảng 4 Kết quả đánh giá độ chính xác (%) sau phân loại ảnh SPOT 2005

Hệ số Kappa = 0,9024 Lớp Mặt nước Đất xây dựng Thực vật Đất dân cư Đất trống

Mặt nước 97,88 0,00 2,04 0,00 0,00

Đất xây dựng 0,88 96,39 2,38 12,36 0,84 Thực vật 1,23 0,00 83,70 0,00 10,06

Đất dân cư 0,02 1,93 0,00 86,71 3,63

Đất trống 0,00 1,68 11,88 0,93 85,47

Tổng 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

2 Bàn luận sau khi phân loại

Đối với 2 ảnh Landsat năm 1992 và năm 2000 có độ phân giải trung bình

(28,5 m) thì độ chính xác phân loại chưa cao Tỷ lệ sai lẫn giữa các mẫu khá cao, có tỷ lệ sai lẫn lên tới 52%, giữa các cặp đối tượng có sự lẫn phản xạ phổ:

đất trống với thực vật, đất dân cư và thực vật Với ảnh SPOT năm 2005 có độ

phân giải 10 m thì độ chính xác sau phân loại tốt hơn so với hai ảnh Landsat

1992 và 2000, tỷ lệ sai lẫn giữa các mẫu giảm đáng kể Tồn tại tỷ lệ sai lẫn giữa cặp đối tượng thực vật và đất trống, cao nhất là 11,88%

Mục đích nghiên cứu chủ yếu là phân tích sự thay đổi đất đô thị theo thời gian Sau khi phân loại xong với 5 lớp đối tượng: dân cư, đất xây dựng, thực vật,

đất trống và mặt nước với độ chính xác tương đối thì tiến hành xếp nhóm các

đối tượng: dân cư, đất xây dựng vào nhóm đất đô thị; các đối tượng: thực vật,

mặt nước, đất trống vào nhóm đất khác Qua đó, sự biến động của đất đô thị

theo từng thời điểm được xác định rõ ràng hơn về mặt không gian Cụ thể ở đây

là sự tăng diện tích đất đô thị tại các năm 2000 và 2005 so với năm 1992 Điều này cũng nói lên là đất trống, mặt nước hay thực vật đã được thay thế bởi sự phát triển của dân cư hay đất đô thị

3 Kết quả biến động đất đô thị

Biến động đô thị được đánh giá bằng phương pháp xây dựng bảng chéo từ các kết quả phân loại Các dữ liệu ảnh vệ tinh hiện có chỉ cho phép xây dựng được các bản đồ hiện trạng lớp phủ trong các năm 1992, 2000 và 2005 Vì vậy đánh giá biến động đô thị vùng nghiên cứu cũng chỉ được tiến hành qua các giai đoạn

tương ứng là 1992-2000, 2000-2005 và 1992-2005 Kết quả đánh giá biến động

cho phép theo dõi diễn tiến theo thời gian và không gian của loại hình đô thị Đất

đô thị và loại hình Đất khác (không phải đô thị) trong vùng nghiên cứu Từ

chuỗi dữ liệu là các kết quả phân loại hiện trạng các năm 1992, 2000, 2005, đã tiến hành chồng ghép, thành lập bản đồ tổng quan về sự phát triển đất đô thị cho thành phố Vinh

Các kết quả được chiết xuất trực tiếp trên phần mềm Envi 4.2 như ở Bảng 5

Bảng 5 Kết quả biến động đất đô thị TP Vinh giai đoạn 1992-2000

Đất đô thị Đất khác

Tại thời điểm năm 1992 19,7% (1131,9 ha) 79,9% (4584,9 ha)

Tại thời điểm năm 2000 67,3% (1431,6 ha) 32,6% (694,6 ha)

Biến đổi 20,6% (439,0 ha) - 7,7% (- 2471,7 ha)

Hình 2 Bản đồ biến động đất đô thị của TP Vinh giai đoạn 1992 - 2000

Kết quả thống kê cho thấy tốc độ đô thị hoá phát triển bình thường trong giai

đoạn 1992-2000 Diện tích đô thị, đất thổ cư phát triển thêm 20,6 % tương đương 439,0 ha Các loại đất khác giảm 7,742% (2471,7 ha) Khảo sát trên thực địa, ta thấy diện tích đất thổ cư mở rộng về phía bắc, phía đông, phía tây của

thành phố

Bảng 6 Kết quả biến động đất đô thị TP Vinh giai đoạn 2000-2005

Đất đô thị Đất khác

Tại thời điểm năm 2000 43,9% (2324,2 ha) 55,8% (2956,7 ha) Tại thời điểm năm 2005 89% (2284,0 ha) 10,9% (280,7 ha)

Biến đổi 79,71% (2046,4 ha) - 38,4% (- 2033,5 ha)

Kết quả thống kê cho thấy tốc độ đô thị hoá trong giai đoạn 2000-2005 khá cao Diện tích đô thị, đất thổ cư phát triển thêm 79,71%, tương đương 2046,4 ha Khảo sát trên thực địa ta thấy, về không gian, xu hướng chung mở rộng về phía

đông và phía ĐB của thành phố vẫn thể hiện rõ nét

Bảng 7 Kết quả biến động đất đô thị TP Vinh giai đoạn 1992-2005

Đất đô thị Đất khác

Tại thời điểm năm 1992 48,7% (1796,1 ha) 50,7% (2909,3 ha) Tại thời điểm năm 2005 84,4% (2796,5 ha) 15,4% (328,4 ha)

Biến đổi 16,1% (2470,1 ha) - 43,0% (- 2471,2 ha) Ngoài ra, phía tây và phía bắc cũng thể hiện xu thế mở rộng của thành phố

Trong 14 năm (1992-2005), tốc độ đô thị hoá ở thành phố Vinh phát triển khá

cao Diện tích đất đô thị mở rộng thêm là 16,06%, tương đương với 2470,1 ha,

đồng thời đó là sự giảm diện tích của các loại hình đất khác 43,04%, tương đương với 2471,2 ha Kết quả của bản đồ biến động kết hợp với khảo sát thực địa cho thấy rằng phạm vi của đô thị chủ yếu vẫn phát triển về phía bắc và ĐB

thành phố Các khu dân cư vẫn phát triển bám theo các trục giao thông chính Tuy nhiên, vẫn tồn tại sự phát triển manh mún, tự phát ở vùng phía tây của thành phố

Hình 3 Bản đồ biến động đất đô thị của TP Vinh giai đoạn 2000-2005

Hình 4 Bản đồ biến động đất đô thị của TP Vinh giai đoạn 1992-2005

V KẾT LUẬN.

1 Áp dụng các định nghĩa về đô thị trong xử lý ảnh viễn thám là điều cần thiết Nếu không rõ khái niệm “đô thị” mà các nhà quản lý đưa ra thì các đối

tượng đô thị chỉ là tập hợp các pixel có các đặc trưng phổ phản xạ của đất không

có thực vật Việc áp dụng định nghĩa “đô thị” theo cách hiểu hành chính sẽ cần thiết cho việc chỉ số hoá các biến động trên không gian của các pixel được nhận dạng là đất đô thị sau quá trình phân loại ảnh số và là tiêu chí quan trọng trong

đánh giá biến động đa thời gian

Các dữ liệu sử dụng trong bài báo này có độ phân giải không gian rất khác nhau (10 m, 28,5 m) và là nguyên nhân chính của sự khác nhau về độ chính xác của kết quả phân loại

2 Trong 14 năm qua (1992-2005), thành phố Vinh phát triển về không gian

theo hai hướng chính: về phía bắc, đông bắc Vùng nội thành và ngoại vi thành

phố có sự tăng lên đáng kể mật độ dân cư, thể hiện rõ ràng ảnh hưởng của quá trình tăng dân số tới quá trình biến động đô thị Diện tích đất mở rộng thêm 16,06% tương đương với 2470,1 ha, đồng thời sự giảm diện tích của các loại hình đất khác là 43,04% tương đương với 2471,2 ha

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Leaf M., 2003 Nghèo đô thị - Những bài học kinh nghiệm quốc tế Lưu trữ

ĐH Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.

2 Nguyễn Ngọc Thạch, 2005 Cơ sở viễn thám Nxb ĐHQG Hà Nội Hà Nội.

3 Văn phòng Chính phủ, 2001 Nghị đinh số 72/2001/NĐ-CP ngày

05/10/2001 của Chính phủ về việc phân loại đô thị và cấp quản lý đô thị

4 Website: http://www Vinhcity gov Vn.

5 Nguyễn Ngọc Phi, Tạp chí địa chất Số 310/ tháng 1-2/2009.