Ứng dụng viễn thám GIS và CA markov vào giám sát quy hoạch sử dụng đất tỉnh thái nguyên

DANH MỤC BẢNGBảng 3.1: Hệ thống chú giải của ảnh lớp phủ mặt đất...41 Bảng 3.2: Bảng ma trận biến đổi diện tích lớp phủ giai đoạn 2007 - 2013...45 Bảng 3.3: Bảng ma trận biến đổi diện tí

Hà Nội – Năm 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Phạm Chinh Thảo

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT

QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Phạm Chinh Thảo

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT

QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý

Mã số: 8440211.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS BÙI QUANG THÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, em đã nhậnđược sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của các Thầygiáo, Cô giáo, anh chị em, bạn bè đồng nghiệp và gia đình

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy Cô giáo trường Đại học Khoa học

Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và đặc biệt là các Thầy Cô giáo trực tiếp giảngdạy các chuyên đề của toàn khóa học đã tạo điều kiện, đóng góp ý kiến cho emtrong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn thạc sĩ

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Bùi Quang Thành –người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Với thời gian nghiên cứu còn hạn chế, luận văn không tránh khỏi nhữngthiếu sót, em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của Thầy giáo,

Cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 7

1.Tính cấp thiết của đề tài 7

2.Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 8

3.Phạm vi nghiên cứu của đề tài 8

4.Phương pháp nghiên cứu 8

5.Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài 9

6.Cấu trúc luận văn 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT PHỤC VỤ GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT VÀ MÔ HÌNH HOÁ 10

1.1.Cơ sở khoa học về biến động lớp phủ mặt đất 10

1.1.1 Khái niệm lớp phủ mặt đất 10

1.1.2 Phân loại lớp phủ 10

1.1.3 Biến động lớp phủ 12

1.2.Viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ 13

1.2.1 Viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ 13

1.2.2 GIS trong đánh giá biến động lớp phủ 16

1.2.3 Phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ 19

1.3.Mô hình hóa biến động lớp phủ 20

1.3.1 Mô hình CA – Markov 20

1.3.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 23

CHƯƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN 27

2.1.Điều kiện tự nhiên 27

2.1.1 Vị trí địa lý 27

2.1.2 Địa hình 28

2.1.3 Khí hậu - Thuỷ văn 29

2.1.4 Địa chất 30

2.1.5 Tài nguyên thiên nhiên 31

2.2.Điều kiện kinh tế - xã hội 36

2.2.1 Dân số và lao động 36

2.2.2 Cơ cấu kinh tế 37

2.2.3 Cơ sở hạ tầng 37

2.2.4 Đời sống - xã hội 38

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CA-MARKOV TRONG DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ TỈNH THÁI NGUYÊN 40

3.1 Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2007-2019 40

3.1.1 Sơ đồ quy trình các bước đánh giá biến động 40

3.1.2 Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các năm 2007, 2013, 2019 41 3.1.3 Ứng dụng phân tích biến động lớp phủ vào giám sát quy hoạch sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên 48

3.2 Ứng dụng phân tích chuỗi Markov và mang tự động CA dự báo biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên 51

3.2.1 Quy trình các bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất 51

3.2.2 Xây dựng mô hình biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên 51

3.2.3 Xây dựng mô hình dự báo biến động lớp phủ tỉnh Thái Nguyên dựa vào mô hình CA-Markov 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất 14

Hình 1.2: Bản chất của mạng tự động 22

Hình 2.1: Bản đồ hành chính tỉnh Thái Nguyên 27

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình các bước đánh giá biến động 40

Hình 3.2: Ảnh Thái Nguyên năm 2013 được tổ hợp màu bởi các band 7,6,2 42

Hình 3.3: Giải đoán ảnh bằng phương pháp Maximum Likelihood 42

Hình 3.4: Ảnh phân loại lớp phủ tỉnh Thái Nguyên năm 2007 43

Hình 3.5: Ảnh phân loại lớp phủ tỉnh Thái Nguyên năm 2013 44

Hình 3.7: Ảnh biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2007 – 2013 46

Hình 3.8: Ảnh biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2013 – 2019 47

Hình 3.9: Biểu đồ biến động diện tích lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2007-2019 (đơn vị: pixel) 47

Hình 3.10: Ảnh biểu diện tích, cơ cấu các loại đất 49

Hình 3.11: Quy trình các bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất năm 2025 51 Hình 3.12: Quy trình phân cấp thích hợp 52

Hình 3.13: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Quần cư 53 Hình 3.14: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Quần cư .54

Hình 3.15: Ảnh khoảng cách thích hợp tới đường giao thông của lớp phủ Quần cư 55

Hình 3.16: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Nông nghiệp .56

Hình 3.17: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Nông nghiệp 57

Hình 3.18: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Lâm nghiệp .58

Hình 3.19: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Lâm nghiệp 59 Hình 3.20: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Đất trống 60

Hình 3.21: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Mặt nước.61 Hình 3.22: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Mặt nước

61

Hình 3.23: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Quần cư 63

Hình 3.24: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Nông nghiệp 63

Hình 3.25: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Đất trống 64

Hình 3.26: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Lâm nghiệp 64

Hình 3.27: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Mặt nước 65

Hình 3.28: Mô hình dự báo biến động lớp phủ mặt đất năm 2019 66

Hình 3.29: Kết quả kiểm chứng mô hình 66

Hình 3.30: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên năm 2025 67

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Hệ thống chú giải của ảnh lớp phủ mặt đất 41

Bảng 3.2: Bảng ma trận biến đổi diện tích lớp phủ giai đoạn 2007 - 2013 45

Bảng 3.3: Bảng ma trận biến đổi diện tích qua hai giai đoạn 2013 - 2019 46

Bảng 3.4: Lớp phủ mặt đất tương ứng cơ cấu các các loại đất tỉnh Thái Nguyên 49

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

CLEU Land Use and its Effects modelling

GEOMOD Geometry Modification Technology

GIS Geographic Information System

FAOLCC Food and Agriculture Organization Land Cover Classification

CORINE Coordination of information on the environment

MCE Multi-Criteria Evaluation

LULCC Land use land cover change

GDP Gross Domestic Product

HTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá có vai trò to lớn trong sự nghiệp pháttriển của mỗi quốc gia Với áp lực phát triển kinh tế xã hội, sự bùng nổ dân số và hiện trạng

sử dụng đất như hiện nay có thể thấy nguồn tài nguyên đất đai ngày càng suy thoái, khanhiếm Việt Nam sử dụng quy hoạch sử dụng đất đai là nền tảng tính toán, phân bổ hợp lý để

sử dụng nguồn lực tối đa từ đất đai, đồng thời bảo vệ được nguồn tài nguyên giới hạn này

Tuy nhiên, thực trạng quy hoạch sử dụng đất đai ở Việt Nam còn nhiều điểm bấtcập Chất lượng của nhiều quy hoạch còn thấp, thiếu đồng bộ trong sử dụng đất cũng nhưchưa đầy đủ căn cứ pháp lý thể hiện ở việc các quy hoạch phải điều chỉnh, bổ sung nhiềulần; thiếu tính khả thi, không đảm bảo nguồn lực đất đai để thực hiện Việc không đồng nhấtcác chỉ tiêu thống kê các loại đất dẫn đến việc đánh giá các chỉ tiêu thực hiện quy hoạchkhông đầy đủ, chính xác Hay công tác quản lý, kiểm tra, giám sát chưa chặt chẽ, thườngxuyên dẫn tới tình trạng vi phạm quy hoạch diễn ra phổ biến nhưng chưa được phát hiện và

xử lý kịp thời và gây thiệt hại không nhỏ về kinh tế

Thái Nguyên là một tỉnh ở đông bắc Việt Nam, tiếp giáp với thủ đô Hà Nội và làtỉnh nằm trong quy hoạch vùng thủ đô Hà Nội Thái Nguyên là một trung tâm kinh tế - xãhội lớn của khu vực đông bắc hay cả Vùng trung du và miền núi phía bắc Hiện nay, đã cóquy hoạch sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên đến năm 2035 Trong bối cảnh như vậy, việc môhình hoá dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên sẽ là nền tảng, cơ sở khoa họccho giám sát quy hoạch sử dụng đất tại tỉnh Thái Nguyên Nghiên cứu dự báo xu thế biếnđổi lớp phủ mặt đất có nhiều phương pháp tiếp cận như CLEU, GEOMOD Tuy nhiên,nghiên cứu này đã áp dụng mô hình CA-Markov để mô phỏng xu thế biến động lớp phủ dokhả năng mô phỏng, hiệu quả cao với dữ liệu khan hiếm, hiệu chuẩn đơn giản và có khảnăng tích hợp yếu tố hạn chế vào mô hình Mô hình CA-Markov là một trong những môhình được sử dụng phổ biến trong các bài toán mô hình hóa lớp phủ, mô hình này thay đổi

cả không gian và thời gian Mô hình CA-Markov kết hợp chuỗi automata và chuỗi Markov

để dự đoán xu hướng và đặc điểm của lớp phủ theo thời gian, là một trong những công

cụ hỗ trợ lập kế hoạch để

phân tích sự thay đổi theo thời gian và phân bố không gian của lớp phủ Ngoài ra, mô hìnhnày được sử dụng rộng rãi để mô tả đặc điểm của lớp phủ, độ che phủ của rừng, sự pháttriển đô thị, sự phát triển của nhà máy và mô hình quản lý lưu vực Điều này cũng quantrọng đối với việc thiết kế và hoạch định chính sách sử dụng đất và mục tiêu phát triển đấtbền vững.

Với các lý do trên, đề tài “ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN” đã được

Để hoàn thành được mục tiêu trên, các nhiệm vụ sau cần được thực hiện:

- Tổng quan các công trình đã nghiên cứu kết hợp viễn thám, GIS và mô hình CA – Markov trong dự báo biến đổi sử dụng đất

- Thu thập các tư liệu bản đồ, ảnh vệ tinh, ở các thời điểm khác nhau của tỉnh Thái Nguyên

- Xử lý ảnh viễn thám, xây dựng ảnh hiện trạng lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các giai đoạn 2007 – 2013, 2013 – 2019

- Mô hình hóa dự báo xu thế biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên năm 2025

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Phạm vi không gian: đề tài giới hạn nghiên cứu tại tỉnh Thái Nguyên

- Phạm vi thời gian: Nghiên cứu biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các năm 2007 – 2013 – 2019

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu

- Phương pháp viễn thám và GIS

- Phương pháp phân tích và mô hình hóa không gian

5 Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài

- Dữ liệu ảnh viễn thám và GIS bao gồm vệ tinh LANDSAT qua các giai đoạn, bản đồquy hoạch sử dụng đất và bản đồ địa hình, thổ nhưỡng của tỉnh Thái Nguyên

- Các tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tỉnh Thái Nguyên

- Các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng bài toán phân tích chuỗiMarkov và mô hình hóa Mạng tự động (Cellular Automata) nhằm nghiên cứu sự pháttriển không gian đô thị

6 Cấu trúc luận văn

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

Chương 1: Tổng quan về biến động lớp phủ mặt đất phục vụ giám sát quy hoạch sử dụng đất và mô hình hoá

Chương 2: Các nhân tố ảnh hưởng tới biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên Chương 3: Ứng dụng mô hình CA-Markov trong dự báo biến động lớp phủ tỉnh Thái Nguyên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT PHỤC VỤ

GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT VÀ MÔ HÌNH HOÁ

1.1 Cơ sở khoa học về biến động lớp phủ mặt đất

1.1.1 Khái niệm lớp phủ mặt đất

Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy) và các cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá,…) bao phủ bề mặt đất Nước, băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất

Lớp phủ mặt đất là trạng thái của bề mặt trái đất, là sự kết hợp của nhiều thành phần như thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc và chịu sự tác động của các nhân tố tự nhiên như nắng, gió, mưa bão và nhân tạo như khai thác đất để trồng trọt, xây dựng nhà cửa, công trình phục vụ cuộc sống của con người

Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng của chúng lại

có mối tương quan mật thiết Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử dụng đất và cáchoạt động kinh tế - xã hội xảy ra trên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụngđất cũng chính là đối tượng của lớp phủ, ví dụ như đất đô thị và đất nông nghiệp Một sốloại hình sử dụng đất khác như công viên theo góc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ, rừng câyhay các công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ thống phân loại lớp phủ mặt đấthiện hành đều phải xét đến khía cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hình lớp phủ nhân tạo cóthực phủ

Các thông tin về lớp phủ mặt đất được thu thập bằng hai phương pháp cơ bản là khảosát thực địa và phân tích dữ liệu viễn thám Khảo sát thực địa là phương pháp thu thập thôngtin truyền thống thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian Phân tích dữ liệu viễn thám làphương pháp hiện đại, cho phép chiết tách các thông tin lớp phủ mặt đất một cách nhanhchóng, hiệu quả và ít tốn kém

1.1.2 Phân loại lớp phủ

Để thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các thông tin lớp phủ mặt đất và đảmbảo tính thống nhất về nội dung thông tin, người ta đã xây dựng các hệ phân loại lớp phủmặt đất Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựa trên nguyên tắc sau:

- Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tựợng bề mặt thành cácnhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tượng như mặt nước, mặt đất, lớp phủthực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo.

- Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm cácloại ảnh vệ tinh như SPOT, LANDSAT, ảnh hàng không…

- Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đốitượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau

- Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn

- Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợp vớiviệc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu cầuthành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau

Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với điều kiện

tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực

Hệ phân loại FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land CoverClassification) vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa chi tiếtđến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảo sát ngoạinghiệp

Hệ phân loại CORINE (Coordination of information on the environment) dựa vàophần nào nguyên tắc của FAOLCC và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của Mỹ và Châu Âu

Cụ thể là:

* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính:

Cấp 1 (Level 1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ thực vật của bềmặt đất

Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1 theo đặc điểmngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất

Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2 theo tính chất

tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất Từ cấp 3 trở đi các đối tượng được phân chia chi tiếthơn tuỳ theo đặc điểm cưa đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu và mức độ chi tiết củabản đồ cần thành lập

* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp:

- Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của tráiđất là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt,mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu.

- Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật

- Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đốitượng cũng như khu vực nghiên cứu

1.1.3 Biến động lớp phủ

Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạngthái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môitrường xã hội

Biến động lớp phủ chính là sự thay đổi về loại hình lớp phủ tại cùng 1 khu vực hoặc

là sự thay đổi diện tích của loại hình lớp phủ đấy trong khoảng thời gian t

* Biến động về diện tích đối tượng (biến động về số lượng)

Giả sử cùng đối tượng A và thời điểm T1 có diện tích S1, ở thời điểm T2 có diệntích là S2 (đối tượng A thu nhận được từ hai ảnh vệ tinh có thời điểm chụp khác nhau), nhưvậy ta nói rằng A bị biến đổi diện tích ở thời điểm T1 so với T2 (sự biến đổi này có thểbằng nhau, nhỏ hơn hoặc lớn hơn) nếu ta dùng kỹ thuật để chồng xếp hai lớp thông tin nàythì phần diện tích của phần trùng nhau sẽ được gán giá trị cũ của đối tượng A, còn giá trịkhác sẽ là giá trị của phần biến động Giá trị biến động này là bao nhiêu, tăng hay giảm phụthuộc vào thuật toán được sử dụng

* Biến động về bản chất đối tượng

Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác nhau, diện tích A

ở tời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2 (M1, M2 là các giá trị phổ), ta sửdụng thuật toán chồng ghép hai lớp thông tin tại hai thời điểm T1, T2 sẽ xuất hiện giá trị Mkhác M1, M2 Giả sử diện tích A không đổi ta nói rằng có sự thay đổi về chất của A, trênthực tế đây là sự thay đổi loại hình lớp phủ mặt đất

* Phân tích vector biến động

Các đối tượng địa lý đơn giản hay phức tạp đều được qui thành 3 dạng: điểm (point),đường (line), vùng (polygon) Trong đó: điểm (point): thể hiện một phần tử dữ liệu gắn vớimột vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều Phương pháp phân

tích vector cho phép xác định và nghiên cứu xu thế biến động về chất của từng điểm trongkhông gian 2 hoặc n chiều Biến động vùng đất được thể hiện qua hai hình thức chính sau:

- Biến động về diện tích: biến động về diện tích thể hiện qua các thời gian khácnhau

- Biến động về loại hình đất đai: biến động về hiện trạng lớp phủ mặt đất thểhiện qua hai thời điểm khác nhau

Từ các tư liệu ảnh, tiến hành so sánh để có thông tin về sự biến động của đất đai theo nguyên tắc phân tích vector

1.2 Viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ

1.2.1 Viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ

a Khái quát về viễn thám

Viễn thám được xác định là một phương pháp nghiên cứu các đối tượng, hiện tượngbằng các thiết bị, đặt cách đối tượng một khoảng cách nào đó, không đòi hỏi tiếp xúc trựctiếp với đối tượng Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ nhưánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra đo đạc những đặc tính củađối tượng

Viễn thám được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin về đối tượng màkhông có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể Công nghệ viễn thám dựa trên những thành tựumới nhất của khoa học kĩ thuật cũng như công nghệ vũ trụ, công nghệ tin học Với mục tiêucung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan nhất

Những năm gần đây dưới sự phát triển của khoa học kĩ thuật, công nghệ viễn thámphát triển mạnh bởi những sự cải tiến về các vệ tinh chụp ảnh, thiết bị chụp ảnh và cácphương pháp chụp ảnh

b Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên mặt đất

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng cáccách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Đặc trưng phổ

sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bề mặt đất, nó

sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổhợp màu để giải đoán đối tượng

Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tượng trên mặt đất trong ảnh vệ tinh là dựavào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ (Hình 1.1) dưới đây thểhiện đặc tính phản xạ của các thành phần đất, nước và thực vật trên ảnh vệ tinh

Hình 1 1 Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đấtThông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng người ta thiết kếcác thiết bị thu nhận sao cho lại khoảng bước sóng đó các đối tượng có độ phản xạ phổ là

dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng này sự hấp thụ của khí quyển lànhỏ nhất

Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím( 0.3μm – 0.4μm), vùngánh sáng nhìn thấy( 0.4μm-0.7μm), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Trong tất

cả tài liệu cơ sở viễn thám, theo bước sóng sử dụng công nghệ viễn thám có thể chia làm banhóm chính:

- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt

- Viễn thám siêu cao tần

c Một số loại tư liệu viễn thám đang được sử dụng ở Việt Nam

Một hệ thống viễn thám nghiên cứu tài nguyên và môi trường bao gồm nhiều thành phần Về nguyên tắc các thành phần này có thể chia làm ba loại chính:

- Các vệ tinh viễn thám và các tàu vũ trụ có người điều khiển;

- Các máy bay có trang bị phòng thí nghiệm và máy đa phổ;

- Các trạm thu và xử lý thông tin mặt đất cố định hoặc lưu động cùng các khu vực Polygon Các vệ tinh nhân tạo đóng vai trò chủ đạo để thu thập thông tin

viễn thám mà chủ yếu là bằng phương pháp thu nhận năng lượng phản xạ từ cácđối tượng mặt đất và tạo ra các sản phẩm với các thể loại đa dạng: ảnh đa phổ,ảnh hồng ngoại nhiệt, ảnh rada,

Hiện nay, ở Việt Nam đang sử dụng nhiều loại tư liệu ảnh viễn thám khác nhau chocác mục đích nghiên cứu và quản lý tài nguyên thiên nhiên, thành lập các loại bản đồ phục

vụ công tác quản lý kinh tế xã hội Ảnh vệ tinh quang học với nhiều ưu điểm như hình ảnhquen thuộc với con người, dễ giải đoán, kỹ thuật tương đối dễ phát triển trên nền các côngnghệ chụp ảnh hiện hành nên đã nhanh chóng được chấp nhận và ứng dụng rộng rãi Cácloại ảnh quang học như Landsat, SPOT, Aster, IKONOS, QuickBird đã trở nên quen thuộc

và phổ biến trên toàn thế giới Trong công tác thành lập các loại bản đồ lớp phủ bằng côngnghệ viễn thám sử dụng ảnh quang học đã được đưa vào các quy phạm tương đối hoànchỉnh

d Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám trong nghiên cứu lớp phủ

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, hiện nay tư liệu ảnh vệ tinh đã và đang đượcứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môitrường Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám có thể kể ra là:

- Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (Landsat180km × 180km, SPOT, ASTER 60km×60km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát trênnhững khu vực rộng lớn cùng một lúc;

- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiêncứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau;

- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau do đó cho phép nghiên cứu

bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau Ví dụ như các loại ảnh có

độ phân giải siêu cao như SPOT 5, IKONOS, QuickBird, ảnh hàng không để nghiêncứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diệntích phủ trùm lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ởmức vùng hay khu vực;

- Khả năng chụp lặp hay còn gọi là độ phân giải thời gian Do đặc điểm quỹ đạocủa vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại được vịtrí trên mặt đất Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phéptheo dõi diễn biến của các sự vật hiện tượng diễn ra trên mặt đất

- Các dữ liệu được thu nhận ở dạng số nên tận dụng được sức mạnh xử lý củamáy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin như hệ thống thông tinđịa lý (GIS).

Do những đặc tính hết sức ưu việt kể trên ảnh viễn thám đã trở thành một công cụkhông thể thiếu được trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môitrường nói chung và việc chiết tách các thông tin lớp phủ nói riêng, nhất là ở những vùngkhó tiếp cận như các vùng núi cao, biên giới, hải đảo

1.2.2 GIS trong đánh giá biến động lớp phủ

a Khái niệm về GIS

Hệ thông tin địa lý (GIS) là công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật,hiện tượng thực trên Trái Đất Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thôngthường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đóphép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ Những khả năngnày phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụngrộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch địnhchiến lược)

b Cấu trúc của GIS

Một hệ thống thông tin địa lý bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và

bộ quy định ở cấp độ tổ chức Các hợp phần này phải được hợp nhất tốt để phục vụ cho việc

sử dụng GIS được hiệu quả

Phần cứng: phần cứng của GIS được xem là phần cố định mà bằng mắt thường ta có

thể dễ dàng thấy được Nó bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi

- Máy tính có thể là máy có bất kỳ kích thước nào và có thể do nhiều hãng sảnxuất với cấu hình khác nhau Tuy nhiên, máy tính có cấu hình mạnh là điều mongmuốn để sử dụng trong GIS

- Các thiết bị ngoại vi bao gồm bản số hóa, máy quét, máy in và máy vẽ Cácthiết bị này cũng hết sức đa dạng về kích cỡ, kiểu dáng, tốc độ xử lý và độ phân giải

do các hãng khác nhau sản xuất Chúng được kết nối với máy tính để được thực hiệnviệc nhập và xuất dữ liệu

Phần mềm: có khả năng lưu trữ, xử lý, phân tích, tính toán, hiển thị các dữ liệu theo

yêu cầu của người sử dụng Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phầnmềm có 4 nhóm tối thiểu chức năng sau đây:

- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau;

- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính;

- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian - thời gian;

- Hiển thị và trình bày thông tin dưới dạng khác nhau, với các biện pháp khácnhau

Cơ sở dữ liệu

- Khái niệm dữ liệu địa lý: Đặc điểm dữ liệu trong các thông tin địa lý khác biệtvới dữ liệu ở các hệ thống thông tin khác (ngân hàng, thư viện, quản lý khách hàng hàngkhông, y tế ) ở chỗ chúng bao gồm cả thông tin về vị trí không gian (dữ liệu không gian),thậm chí cả các mối liên hệ topo không gian và các thông tin mô tả tính chất (dữ liệu thuộctính) các vật thể trong hệ thống dữ liệu Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS

là : dữ liệu không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữliệu và có quan hệ chặt chẽ với nhau

Con người: là yếu tố quyết định sự thành công trong tiến trình kiến tạo hệ thống và

tính hữu hiệu của hệ thống trong tiến trình khai thác vận hành Trong hệ thống thông tin địa

lý, con người sẽ làm việc trên 3 vị trí cũng là 3 cấp có chức năng khác nhau: quản trị, kỹthuật GIS, kỹ thuật chuyên ngành

Chính sách quản lý: đây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động

của hệ thống Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý để tổ chức hoạtđộng hệ thống GIS một cách có hiệu quả phục vụ người sử dụng thông tin Để hoạt độngthành công, hệ thống GIS phải được đặt trong một khung tổ chức phù hợp và có nhữnghướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích dữ liệu, đồng thời có thể pháttriển hệ thống GIS theo nhu cầu

c Các chức năng của GIS trong việc xây dựng biến động lớp phủ

Với sự phát triển của các kĩ thuật tiên tiến thực chất là ứng dụng máy vi tính và cácphần mềm chuyên dụng (GIS Software) hiện nay việc thành lập, xử lý và biên tập

bản đồ được thực hiện ở tất cả các cơ quan đo đạc bản đồ và các bộ tài nguyên và môitrường.

Để thành lập bản đồ số bằng GIS thì cơ sở dữ liệu có thể lấy từ nhiều nguồn như: sốliệu điều tra đo đạc trực tiếp ngoài thực địa, bản đồ số, bản đồ giấy, số liệu thống kê, tư liệuviễn thám Sản phẩm đầu ra của GIS là bản đồ số, nó dễ dàng cập

nhật và khai thác thông tin thuận lợi nhờ sự trợ giúp của máy tính

Ngày nay, thì GIS được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như Địa chất, Địa lý,Trắc địa bản đồ, Quy hoạch đô thị, Bảo vệ môi trường đều quan tâm tới GIS và khai thácchúng với những mục đích riêng biệt bởi vì: GIS là một hệ thống tự động quản lý lưu trữ,tìm kiếm dữ liệu chuyên ngành với sự phát triển của máy tính đặc biệt chúng có khả năngbiến đổi dữ liệu mà những công việc này không thể thực hiện bằng các phương pháp thô sơ.GIS có khả năng chuẩn hóa ngân hàng dữ liệu để có thể đưa vào các hệ thống xử lý khácnhau, do đó phát triển khả năng khai thác dữ liệu GIS có khả năng biến đổi dữ liệu để đápứng những bài toán cụ thể cần đươc giải quyết GIS có thể cung cấp những thông tin mớinhất và chính xác nhất cho người sử dụng cùng với khả năng dự đoán diễn biến theo thờigian Đồng thời GIS cho sự biến dạng thông tin là ít nhất

d Kết hợp tư liệu viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ biến động lớp phủ

Sự kết hợp giữa viễn thám và GIS là hết sức cần thiết, vì nhiều thông tin hữu íchcho quá trình phân loại dường như có sẵn trong cơ sở dữ liệu của GIS như mô hình số độcao (DEM), các mô hình sinh thái thực vật, các mô hình của các yếu tố kinh tế xã hội vàrất nhiều loại bổ trợ khác Ngược lại tư liệu viễn thám lại là nguồn thông

tin đầu vào rất quý giá cho cơ sở dữ liệu của GIS trong việc hỗ trợ ra quyết định và dự báotình huống, bởi vì nguồn thông tin này có khả năng cập nhật nhanh trên một diện tích rộnglớn Trên thực tế, việc kết hợp giữa hai công nghệ này đã mở ra khả năng ứng dụng rộngrãi chúng trong rất nhiều lĩnh vực của ngành kinh tế quốc dân và mang lại hiệu quả vô cùng

to lớn Để việc liên kết dữ liệu được thuận lợi, các dữ liệu thông tin địa lý cần được lưu trữdưới dạng số và được cùng đưa về một hệ tọa độ đồng nhất Các dữ liệu số phải ở dạng cókhả năng cho phép chồng phủ lên nhau, nghĩa là tương đối đồng nhất về hình học Nhưvậy về cơ bản liên kết dữ liệu được thực hiện thông

qua hai dạng dữ liệu của cơ sở dữ liệu trong GIS và công việc này gọi là tổ hợp dữ liệu

viễn thám với GIS, đây là quá trình tiếp theo của xử lý ảnh nhằm cho ra các kết quả theoyêu cầu, hoặc cho ra các thông tin để tiếp tục phân tích.

Kết hợp giữa viễn thám và GIS cho phép chúng ta có thể xử lý đồng thời cả ảnh vàbản đồ để nhận biết hiện trạng và thống kê theo dõi được sự biến động lớp phủ mặt đất Đócũng là sự liên kết không thể tách rời nhau theo xu thế phát triển của khoa học công nghệngày nay

1.2.3 Phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ

Theo dõi biến động tài nguyên và môi trường đã trở thành một ứng dụng quan trọngđược nghiên cứu nhiều trong kỹ thuật viễn thám Có nhiều phương pháp viễn thám và GIS

sử dụng ảnh viễn thám để nghiên cứu biến động lớp phủ: trừ ảnh, ảnh tỷ số, phân loại ảnh,

… đặc biệt là phương pháp NDVI (NDVI differencing) và sau phân loại (post classification)

là hai phương pháp được ứng dụng nhiều nhất (J.A Richards

- 2012)

a Phương pháp phân loại ảnh viễn thám

Phương pháp phân loại ảnh được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp phânloại dựa trên điểm ảnh Phương pháp phân loại dựa trên điểm ảnh là phương pháp phổ biếntrong suốt thập kỷ qua

Phương pháp bao gồm phân loại có kiểm định và phân loại không có kiểm định dựa trênđặc trưng phổ của từng pixel đơn lẻ như đặc trưng về số lượng kênh phổ, đặc trưng về giátrị độ xám trung bình, giá trị độ xám cực đại và cực tiểu, phương sai hay độ lệch chuẩn

Một số thuật toán phân loại thường được sử dụng trong phương pháp phân loại cókiểm định là phương pháp xác suất cực đại (maximun likelihood), phương pháp khoảng cáchtối thiểu (minimun distance), phương pháp phân loại hình hộp (parallelpiped) Trong nghiêncứu này sử dụng phương pháp phân loại xác suất cực đại chiết tách thông tin lớp phủ bề mặt.Phương pháp này xem xét phân phối các điểm ảnh có cùng độ xám được nhóm thành vàomột lớp

Ảnh phân loại được sử dụng để phân tích biến động lớp phủ sau phân loại

b Phương pháp phân tích biến động sau phân loại

Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất, dễ thực hiện

Từ kết quả phân loại ảnh viễn thám khu vực Thái Nguyên năm 2007, 2013 và 2019 tatiến hành chồng xếp hai ảnh phân loại năm 2007 và 2013, 2013 và 2019 để xác định vùng vàdiện tích lớp phủ bị biến đổi.

Sử dụng công cụ Crosstab trong phần mềm Idrisi để so sánh các pixel ảnh và tạo raảnh biến động lớp phủ tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2007 – 2013 và 2013 – 2019

1.3 Mô hình hóa biến động lớp phủ

1.3.1 Mô hình CA – Markov

a Chuỗi Markov

Trong toán học, một xích Markov hay chuỗi Markov (đặt theo tên nhà toán học ngườiNga Andrei Andreyevich Markov), là một quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạc với tính chấtMarkov Trong một quá trình như vậy, quá khứ không liên quan đến việc tiên đoán tương lai

mà việc đó chỉ phụ thuộc theo kiến thức về hiện tại

Xích Markov là một dãy X1, X2, X3, gồm các biến ngẫu nhiên Tập tất cả các giátrị có thể có của các biến này được gọi là không gian trạng thái S, giá trị của Xn là trạng tháicủa quá trình (hệ) tại thời điểm n

Nếu việc xác định (dự đoán) phân bố xác suất có điều kiện của Xn+1 khi cho biếtcác trạng thái quá khứ là một hàm chỉ phụ thuộc Xn thì:

P(X_{n+1}=x|X_0, X_1, X_2, \ldots, X_n) = P(X_{n+1}=x|X_n), trong đó x là một trạngthái nào đó của quá trình (x thuộc không gian trạng thái S) Đó là thuộc tính Markov

Một cách đơn giản để hình dung một kiểu chuỗi Markov cụ thể là qua một automathữu hạn (finite state machine) Nếu hệ ở trạng thái y tại thời điểm n thì xác suất mà hệ sẽchuyển tới trạng thái x tại thời điểm n+1 không phụ thuộc vào giá trị của thời điểm n mà chỉphụ thuộc vào trạng thái hiện tại y Do đó, tại thời điểm n bất kỳ, một xích Markov hữu hạn

có thể được biểu diễn bằng một ma trận xác suất, trong đó phần tử x, y có giá trị bằngP(X_{n+1}=x|X_n=y), và độc lập với chỉ số thời gian n (nghĩa là để xác định trạng thái kếtiếp, ta không cần biết đang ở thời điểm nào mà chỉ cần biết trạng thái ở thời điểm đó là gì).Các loại xích Markov hữu hạn rời rạc này còn có thể được biểu diễn bằng đồ thị cóhướng, trong đó các cung được gắn nhãn bằng

xác suất chuyển từ trạng thái tại đỉnh (vertex) đầu sang trạng thái tại đỉnh cuối của cung đó.

Trong ứng dụng xây dựng dự báo biến động lớp phủ, chuỗi Markov sẽ xây dựng matrận chuyển đổi từ loại lớp phủ này này sang loại hình lớp phủ khác Chuỗi Markov xác địnhchính xác diện tích lớp phủ được ước tính sẽ thay đổi từ ngày gần nhất đến ngày dự đoán

b Mạng tự động ( Cellular Automata) và khả năng ứng dụng trong đánh giá biến động

sử dụng lớp phủ mặt đất

- Khái niệm: Mạng tự động (Cellular automata) không phải là khái niệm mới.Khái niệm này được xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1940 trong lĩnh vực khoa học máytính Von Neumann and Ulam được biết đến là những người đầu tiên đưa ra khái niệmnày Sau đó Conway phát triển tiếp khái niệm này trong lĩnh vực máy tính và chế tạoRobot nhưng tại thời điểm đó, việc áp dụng khái niệm này chưa hoàn toàn thành công

do hạn chế về tốc độ tính toán của máy tính điện tử Mặc dù khái niệm mạng tự độngxuất phát từ lĩnh vực khoa học máy tính nhằm phát triển Robot, hiện nay khái niệmđược ứng dụng rộng rãi trong nhiều chuyên ngành khoa học như Vật lý, Toán học, Khoahọc tự nhiên, GIS, viễn thám,…

- Hiện nay, hầu hết các công nghệ GIS đều có những hạn chế trong việc môhình hóa sự thay đổỉ của cảnh quan theo thời gian, nhưng việc tích hợp mạng tự động

và GIS đã tạo nên khả năng ứng dụng lớn hơn và rộng rãi hơn Những hạn chế của GISbao gồm: khả năng hạn chế để đưa ra các mô hình động lực không gian, hạn chế trongviệc tích hợp chiều thời gian vào các mô hình Trong việc tích hợp GIS và mạng tựđộng, mạng tự động có thể cung cấp động cơ phân tích nhằm cung cấp một khungmềm dẻo cho việc lập trình và chạy của mô hình động lực không gian

Bản chất của mạng tự động

- Mạng tự động dựa trên nền tảng raster (cell) và tình trạng hay trạng thái củacác raster dựa vào quy luật chuyển đổi đơn giản, the Automaton Cellular Automata là

mô hình động tích hợp chiều không gian với thời gian

- Mạng tự động bao gồm 5 nhân tố chính được mô tả như sau:

+ Không gian raster (Cell space): không gian raster được tạo nên bởi một tập hợpcác raster đơn lẻ Về lý thuyết, những raster này có thể ở bất cứ dạng hình học

nào Tuy nhiên, hầu hết các mạng tự động đều được thiết kế theo hình mạng lưới (grid)thông thường, điều này làm cho mạng tự động rất giống với dạng dữ liệu raster thường đượcdùng phổ biến trong GIS

+ Tình trạng Cell (Cell states): Tình trạng/trạng thái của một cell có thể thể hiện giátrị không gian, ví dụ như các loại hình sử dụng đất khác nhau

+ Bước thời gian (Time steps): Một mạng tự động sẽ tham gia vào tần suất xuất hiệnvới các bước thời gian khác nhau Tại mỗi bước thời gian, các cell sẽ được cập nhật giá trịdựa trên các quy luật chuyển tiếp

+ Quy luật chuyển tiếp (Transition rules): Quy luật là cốt lõi của mạng tự động Mộtquy luật chuyển tiếp thường quy định tình trạng/trạng thái của cell trước và sau khi đượccập nhật dựa trên điều kiện của tình trạng/trang thái của các cell xung quanh

Hình 1.2: Bản chất của mạng tự động

- Cell xung quanh: Mỗi cell có 2 cell xung quanh - trường hợp mạng tự động 1chiều Đối với mạng tự động 2 chiều, có 2 cách thức để định nghĩa các cell xungquanh Von Neumann cho rằng có 4 cell xung quanh, còn theo quan điểm của Moorecho rằng có đến 8 cell xung quanh

Mạng tự động trong dự báo biến động biến động lớp phủ: dự báo lớp phủ tại thờiđiểm tương lai dựa trên một tập hợp các quy tắc có tính kết hợp hiện trạng lớp phủ, lớpphủ lân cận, và các thông tin khác trong quá khứ và hiện tại

Mô hình không gian kết hợp CA-Markov sẽ cho ta thấy được sự thay đổi sử dụng đất dựavào tốc độ thay đổi giữa hai hay nhiều lớp, vị trí của sự thay đổi cho một hoặc

nhiều lớp, hoặc tỷ lệ và vị trí của sự thay đổi giữa hai hay nhiều lớp Mô hình này đượckiểm tra bằng các khoảng thời gian vừa qua và sẽ đưa ra giả thuyết về các yếu tố tác độngtới sự thay đổi Đầu ra là khả năng của mỗi pixel chuyển đổi cho một lớp phủ nhất định tạimột thời gian không xác định

1.3.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

a Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới

Việc sử dụng mô hình CA-Markov vào nghiên cứu và dụ báo biến đổi lớp phủ/sửdụng đất đã được áp dụng vào các nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ 20

Năm 1994, Michael R Muller và John Middleton (Viện Nghiên cứu Môi trường và

Đô thị, Đại học Brock) đã nghiên cứu “ Một mô hình Markov cho thay đổi sử dụng đấttrong khu vực Niagara, Ontario, Canada” Một chuỗi Markov được sử dụng như là một môhình ngẫu nhiên để thực hiện so sánh những thay đổi sử dụng đất giữa khoảng thời gian rờirạc mở rộng 1935-1981 Các mô hình Markov đã đưa ra hai kết luận chính về sự thay đổi sửdụng đất ở đô thị của khu vực Niagara 1 Sự đô thị hóa đất nông nghiệp là việc thay đổi sửdụng đất chiếm ưu thế 2 Một sự 'trao đổi' liên tục xảy ra giữa các loại đất rừng và nôngnghiệp tuy ít ảnh hưởng đến giá trị thuần của đất rừng nhưng có thể làm giảm giá trị sinhthái lâu dài còn lại của khu vực tự nhiên ở Niagara

Năm 2012, nhóm tác giả Hadi Memarian , Siva Kumar Balasundram, Jamal BinTalib, Christopher Teh Boon Sung, Alias Mohd Sood, Karim Abbaspour của trường đại họcPutra Malaysia đã đưa ra kết quả của công trình nghiên cứu “Xác nhận hữu hiệu của môhình CA-Markov cho mô phỏng sử dụng đất và thay đổi lớp phủ trong lưu vực Langat,Malaysia” Tính phù hợp của mô hình CA-Markov trong sử dụng đất và thay đổi lớp phủ đãđược điều tra tại các lưu vực sông Langat, Selangor, Malaysia Mô hình CA-Markov đã chothấy một hiệu suất sử dụng đất kém và mô phỏng sử dụng đất trong tương lai và quá trìnhthay đổi lớp phủ trong khu vực nghiên cứu

Năm 2013, nghiên cứu “Áp dụng một mô hình lai Cellular Automaton - MarkovModel (CA-Markov) trong dự đoán thay đổi sử dụng đất tại khu vự thoát nước lưu vực sôngSaddle Creek, Florida” của nhóm tác giả Praveen Subedi, Kabiraj Subedi, Bina Thapa(Florida) đã sử dụng dữ liệu không-thời gian để nghiên cứu khả

năng ứng dụng của mô hình lai (CA- Markov) trong việc dự đoán thay đổi sử dụng đất ởkhu vực nghiên cứu Chỉ số Kappa giữa sử dụng đất thực tế và dự đoán của mô hình chothấy một mức độ chấp nhận được về độ chính xác của dự đoán Điều này chứng minh tínhphù hợp của các mô hình dự báo sự thay đổi trong sử dụng đất trong nghiên cứu Mô hình đã

dự đoán một sự gia tăng đáng chú ý trong khu vực đô thị (47,3% đến 49,4%) và các phươngtiện giao thông vận tải (3,7% đến 5%) từ năm 2006 đến năm 2015 Ngược lại, khu vực nôngnghiệp được dự đoán sẽ giảm từ 14,4% lên 12,3% trong giai đoạn này

Nhóm tác giả Solomon Hishe, Woldeamlak Bewket, Jan Nyssen & James Lyimo đã

có nghiên cứu “Phân tích sự thay đổi sử dụng đất trong quá khứ và mô hình tương lai dựatrên CA-Markov ở Thung lũng Trung Suluh, Bắc Ethiopia” vào năm 2017 Bài viết nàyđánh giá sự thay đổi đất sử dụng đất (LULC) trong quá khứ và mô phỏng sự thay đổi trongtương lai bằng cách sử dụng hình ảnh Landsat ở phía bắc Ethiopia Phương pháp phân loạiđược giám sát với thuật toán maximum likelihood đã được sử dụng để phát hiện các thay đổitrong quá khứ bằng phần mềm ENVI 5.3 Ngoài ra, mô hình Cellular Automata (CA) -Makrov đã được sử dụng để mô phỏng từ năm 2015 đến năm 2030 Trong giai đoạn 1985 -

2015, kết quả thống kê cho thấy đất nông nghiệp tăng 32,3 km 2 (19,2%) và độ lún bằng51,6 km 2 (345,2%) Hầu hết sự gia tăng đã đạt được từ đất cây bụi cho thấy sự suy giảm61,8 km2 (49,4%) Tuy nhiên, trong mô hình mô phỏng năm 2030, đã dự đoán sự gia tăngđất cây bụi (47,08 km2 ) và đất cỏ tăng 12,38 km2 Việc xem xét các yếu tố kinh tế xã hội

và sinh lý trong mô hình mô phỏng dẫn đến xu hướng khác biệt so với thay đổi LULC sẽ hỗtrợ cho các nhà quản lý và nhà quy hoạch sử dụng đất

Năm 2018, nhóm tác giả Rahel Hamad , Heiko Balzter và Kamal Kolo đã công bốnghiên cứu “Dự đoán thay đổi sử dụng đất / thay đổi độ che phủ đất bằng mô hình CA-Markov theo hai kịch bản khác nhau”.Nghiên cứu sử dụng ảnh Landsat 5TM đa thời gianđược chụp vào những năm 1993,1998, 2003 và 2008 và Landsat 8 chụp năm 2017 để phântích và dự đoán sự phân bố theo thời gian của việc sử dụng đất / lớp phủ mặt đất thuộc cácloại trong Vùng lõi Hacheurd-Sakran (HSCZ) của Vườn quốc gia ở khu vực Kurdistan củaIraq Mục đích của bài viết này là tìm hiểu động lực học của

lớp phủ trong HSCZ để đánh giá vị trí lớp phủ thay đổi có liên quan đến xảy ra theo

hai giả định kinh doanh thông thường (BAU) khác nhau Hai kịch bản đã được đưa ra trongnghiên cứu hiện tại Kịch bản đầu tiên, giải quyết giả định BAU để chỉ ra điều gì sẽ xảy ranếu xu hướng trong năm 1993-1998-2003 tiếp tục diễn ra cho đến năm 2023 dưới các lệnhtrừng phạt của UnitedNations (UN) đối với Iraq vẫn còn tiếp tục và đặc biệt là khu vựcKurdistan, kéo dài từ năm 1990 đến năm 2003 Trong khi đó, kịch bản thứ hai thể hiện giảđịnh BAU để cho thấy điều gì sẽ xảy ra nếu xu hướng trong năm 2003 -2008-2017 phải tiếptục cho đến năm 2023, sau khi kết thúc lệnh trừng phạt của Liên Hợp Quốc Thay đổi lớpphủ được mô phỏng đến năm 2023 bằng mô hình Cellular Automata (CA) -Markovchaintheo hai kịch bản khác nhau (Iraq bị bao vây và Iraq sau khi bao vây) Bốn lớp phủ đượcphân loại từ Landsat bằng Rừng ngẫu nhiên (RF) Phương pháp chuỗi CA-Markov trongTerrset được áp dụng dựa trên các xu hướng trước đây của việc thay đổi sử dụng đất nước từnăm 1993 đến năm 1998 cho kịch bản đầu tiên và từ năm 2003 đến 2008 cho kịch bản thứhai Theo mô hình này, dự đoán các lớp phủ cho năm 2023 được tạo ra Những thay đổigiữa các kịch bản trong hai điều kiện khác nhau đã được định lượng cũng như phân tíchkhông gian Ngoài ra, kết quả cho thấy xu hướng về các khu vực ổn định và đồng nhất trong

6 năm tới trong kịch bản thứ hai

b Tổng quan các công trình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam cũng đã có các công trình nghiên cứu áp dụng mô hình CA- Markovvào dự báo biến động lớp phủ/sử dụng đất

Năm 2017, nhóm tác giả của trường Đại học Cần Thơ đã có nghiên cứu “Ứng dụng

hệ thông tin địa lý và chuỗi Markov trong đánh giá biên động và dự báo nhu cầu sử dụng đấtđai” Nghiên cứu được thực hiện nhằm ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) và các thuậttoán để đánh giá biến động sử dụng đất đai, dự báo nhu cầu đất đai cho phát triển kinh tế-xãhội, nghiên cứu điển hình tại thành phố Cà Mau, tỉnh Cà Mau Phương pháp GIS và chuỗiMarkov được sử dụng chính trong nghiên cứu này Số liệu được tổng hợp, phân tích vàđánh giá bằng phương pháp thống kê mô tả Kết quả cho thấy, biến động đất đai giai đoạn2005-2015 lên đến 54,2% diện tích tự nhiên Nhu cầu đất đai theo dự báo của chuỗi Markovcho thấy, diện tích đất sản xuất nông nghiệp sẽ giảm để chuyển sang đất ở, đất chuyêndùng và nuôi trồng thủy sản Nghiên

cứu đã chứng minh khả năng hỗ trợ của công nghệ GIS và chuỗi Markov trong việc ra quyếtđịnh, quy hoạch sử dụng bền vững tài nguyên đất đai.

Năm 2018, nhóm tác giả Nguyễn Thị Thanh Hương và Ngô Thị Thùy Phương(trường Đại học Tây Nguyên) đã công bố bài báo “Dự báo thay đổi sử dụng đất/ thảm phủ(LULC) ở huyện Tuy Đức, tỉnh Đăk Nông dựa vào ảnh vệ tinh và mô hình Markov Chain

và Cellular Automata” trên tạp chí Journal of Vietnamese Environment Nghiên cứu đã phântích LULCC trong thời gian qua dựa vào các bản đồ sử dụng đất và thảm phủ (LULC) đãđược phân loại từ một loạt ảnh vệ tinh đa phổ được thu chụp vào năm 2003, 2006, 2009 (ảnhSPOT 5) Những thay đổi LULC theo thời gian và không gian trong khu vực được phân loạithành đất nông nghiệp với cây dài ngày, cây ngắn ngày, thổ cư, trảng cỏ cây bụi, rừng tựnhiên, rừng trồng và mặt nước Dựa trên sự thay đổi này theo thời gian, LULC tiềm năngcho năm 2023 đã được dự báo bằng cách sử dụng mô hình CA-Markov Kết quả dự báoLULCC năm 2023 đã cho thấy tổng diện tích rừng bị mất khoảng 9,031 ha chiếm 50%trong tổng số diện tích thay đổi Điều này chủ yếu là do chuyển đổi từ rừng tự nhiên sangcanh tác nông nghiệp (chiếm 28%), trảng cỏ cây bụi (12%) và khu dân cư (9%) Kết quả chothấy việc chuyển đổi rừng cần phải được kiểm soát và quản lý tốt và một kế hoạch sử dụngđất hợp lý cần được xây dựng trong sự hài hòa với bảo tồn tài nguyên rừng

Ngoài ra còn nhiều nghiên cứu về ứng dụng mô hình CA-Markov trong đánh giábiến động và dự báo thay đổi lớp phủ như Ví dụ như của Trần Anh Tuấn, Dư Vũ Việt Quân(2009) “Ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov và Mạng tự động đánh giá, dự báo biếnđộng lớp phủ mặt đất huyện Triệu Phong, Tỉnh Quảng Trị” Hay luận án thạc sĩ của Hà MinhCường (2010) “Nghiên cứu biến đổi đất đô thị thành phố Hà Nội với sự trợ giúp của ViễnThám và hệ thông tin địa lý”…

CHƯƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT

TỈNH THÁI NGUYÊN 2.1 Điều kiện tự nhiên

2.1.1 Vị trí địa lý

Thái Nguyên là một tỉnh miền núi nằm trong vùng trung du miền núi Bắc Bộ Phíabắc Thái Nguyên giáp tỉnh Bắc Kạn; phía nam giáp thành phố Hà Nội; phía đông giáp cáctỉnh Lạng Sơn, Bắc Giang; phía tây giáp các tỉnh Tuyên Quang, Vĩnh Phúc

Hình 2.1: Bản đồ hành chính tỉnh Thái NguyênTỉnh Thái Nguyên có tọa độ địa lí từ 21°20’ đến 22°03’ vĩ độ bắc và từ 105°52’ đến106°14’ kinh độ đông Từ bắc xuống nam dài 43 phút vĩ độ (80km), từ tây sang đông rộng

46 phút kinh độ (85km)

Diện tích tự nhiên toàn tỉnh là 3.531,71km2, chiếm 1,07% diện tích tự nhiên cả nước

và dân số năm 2011 là 1.139.444 người, bằng 1,35% dân số cả nước

Vị trí địa lí của tỉnh Thái nguyên vừa mang ý nghĩa là cửa ngõ phía bắc của thủ đô

Hà Nội, vừa là cầu nối giữa vùng núi Đông Bắc với vùng Đồng bằng sông Hồng

Vị trí địa lí đã tạo thuận lợi cho việc giao lưu kinh tế-xã hội giữa Thái Nguyên với các tỉnhvùng Đông Bắc, Đồng bằng sông Hồng và các tỉnh thành khác trong cả nước Nhờ vị trí nhưvậy, Thái Nguyên có thể phát huy những lợi thế sẵn có của một tỉnh nhiều tiềm năng để trởthành một trung tâm kinh tế, văn hóa, giáo dục-đào tạo của các tỉnh miền núi phía Bắc

2.1.2 Địa hình

Địa hình Thái Nguyên ít bị chia cắt hơn so với các tỉnh miền núi khác trong vùngTrung du - Miền núi (TD-MN) Bắc Bộ Độ cao trung bình ở các huyện của tỉnh dao động từ30m đến 300m (trên mực nước biển); thấp dần từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông Cácdãy núi cao gồm dãy núi Bắc Sơn và Tam Đảo Đỉnh cao nhất thuộc dãy Tam Đảo có độ cao1.592 m

Về kiểu địa hình địa mạo: được chia thành 3 vùng rõ rệt:

- Vùng núi: bao gồm nhiều dãy núi cao ở phía Bắc chạy theo hướng Bắc Nam

và Tây Bắc - Đông Nam và dãy Tam Đảo kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam.Vùng này tập trung ở huyện Võ Nhai, Đại Từ, Định Hóa và một phần của huyện PhúLương Địa hình cao, chia cắt phức tạp do quá trình Karst phát triển mạnh, có độ cao

từ 500 - 1.000 m, độ dốc thường 250 - 350

- Vùng đồi cao, núi thấp: là vùng chuyển tiếp giữa vùng núi cao phía Bắc vàvùng đồi gò đồng bằng phía Nam thuộc Đại Từ, Nam Phú Lương và Đồng Hỷ Địahình gồm các dãy núi thấp đan chéo với các dải đồi cao tạo thành các bậc thềm lớn vànhiều thung lũng Độ cao trung bình từ 100 - 300 m, độ dốc thấp thường từ 150 - 250

- Vùng đồi gò: bao gồm vùng đồi thấp và đồng bằng phía Nam của tỉnh Địahình tương đối bằng, xen giữa các đồi bát úp dốc thoải là các khu đất bằng Vùng nàytập trung ở huyện Phú Bình, Phổ Yên, một phần các huyện Đồng Hỷ, Phú Lương và

TX Sông Công, TP Thái Nguyên có độ cao trung bình từ 30 – 50 m, độ dốc thườngdưới 100

Địa hình tỉnh Thái Nguyên khá đa dạng, đặc biệt là cảnh quan đồi núi chiếm phầnlớn diện tích của tỉnh, làm cho mật độ dân cư có sự phân hoá giữa vùng núi với vùng đồngbằng và đô thị Địa hình tỉnh Thái Nguyên thuận lợi cho việc phát triển nông-lâm nghiệp,xây dựng các công trình công nghiệp và giao thông

2.1.3 Khí hậu - Thuỷ văn

bố tương đối đều cho các tháng trong năm

Do địa hình thấp dần từ vùng núi xuống trung du và đồng bằng theo hướng bắc- nam,nên có thể thấy sự khác biệt theo lãnh thổ mức độ lạnh khác nhau Vùng lạnh nhiều ở phíabắc huyện Võ Nhai; vùng lạnh vừa ở các huyện Định Hoá, Phú Lương, nam Võ Nhai; Vùng

ấm ở các huyện Đại Từ, Đồng Hỷ, Phú Bình, Phổ Yên, thành phố Thái Nguyên và thị xãSông Công

Lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1500-2500 mm, cao nhất là vào tháng VIII

và thấp nhất vào tháng I Khoảng 87% lượng mưa tập trung vào mùa mưa, (từ tháng V đếntháng X) trong đó riêng lượng mưa tháng VIII chiếm gần 30% tổng mưa cả năm, nênthường gây ra lũ lụt Vào mùa khô, đặc biệt là tháng XII, lượng mưa trong tháng chỉ bằng0,5% lượng mưa cả năm

Theo không gian, lượng mưa tập trung nhiều ở huyện Đại Từ, thành phố TháiNguyên, trong khi đó vùng phía tây các huyện Võ Nhai, Phú Lương mưa tập trung ít hơn

Tỉnh Thái Nguyên có độ ẩm khá cao, trừ tháng I, các tháng còn lại độ ẩm tương đốiđều cao trên 80%

-Về thời tiết đặc biệt:

Thái Nguyên là tỉnh chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc Mỗi lần gió mùa ĐôngBắc tràn về, nhiệt độ thường hạ xuống đột ngột và hay có giông đi kèm nhất là vào thời kìđầu (tháng IX-X) và cuối (tháng IV-V) Tuy nhiên do có hệ thống núi cánh cung Bắc Sơn vàNgân Sơn che chắn nên Thái Nguyên ít chịu ảnh hưởng lớn của gió mùa Đông Bắc

Thời tiết nồm, độ ẩm lên tới trên 90%; ở Thái Nguyên mỗi năm có tới 25-30 ngàynồm, riêng tháng III có tới 12 ngày

Tháng XII và tháng I hàng năm có thể xuất hiện thời tiết sương muối ảnh hưởng đến

sự phát triển của cây trồng

Thái Nguyên ở xa biển nên hàng năm ảnh hưởng của bão cũng giảm hơn (ở ven biểntốc độ của gió bão có thể đạt tới 40-50 m/s, tới Thái Nguyên chỉ còn khoảng 20 m/s)

- Ảnh hưởng của khí hậu tới sản xuất

Nhìn chung, điều kiện khí hậu của tỉnh Thái Nguyên tương đối thuận lợi cho việcphát triển một hệ sinh thái đa dạng và bền vững, có giá trị đối với nông-lâm nghiệp Tuyvậy, vào mùa mưa với lượng mưa tập trung lớn nên thường sảy ra lũ quét ở một số triền đồinúi và lũ lụt ở số khu vực dọc theo lưu vực sông Cầu và sông Công

b Thuỷ văn

- Mạng lưới sông ngòi

Tỉnh Thái Nguyên có 2 sông chính chảy qua đó là sông Cầu và sông Công Ngoài racòn có sông Rong bắt nguồn từ vùng núi huyện Võ Nhai đổ vào lưu vực sông Thương ởhuyện Hữu Lũng tỉnh Lạng Sơn

Sông Cầu nằm trong hệ thống sông Thái Bình, có lưu vực rộng 6030 km2, bắt nguồn

từ huyện Chợ Đồn tỉnh Bắc Kạn, chảy theo hướng tây bắc-đông nam Lưu lượng mùa lũ:

3500 m3/s, mùa kiệt: 7,5m3/s Sông Cầu có nhiều phụ lưu, những phụ lưu chính đều nằmtrong phạm vi tỉnh Thái Nguyên như sông Chu, sông Du ở hữu ngạn, ở tả ngạn có sôngNghinh Tường, sông Khe Mo, sông Huống Thượng Trên sông Cầu có đập Thác Huốnggiữ nước tưới cho 24.000 ha lúa 2 vụ của các huyện Phú Bình (Thái Nguyên) và Hiệp Hoà,Tân Yên (Bắc Giang)

Sông Công dài 96km, có lưu vực rộng 951km2, bắt nguồn từ vùng núi Ba Lá huyệnĐịnh Hoá, chảy dọc theo chân dãy núi Tam Đảo Sông Công hội với sông Cầu ở điểm cựcnam huyện Phổ Yên, tỉnh Thái Nguyên Lượng nước sông Công khá dồi dào do chẩy quakhu vực có lượng mưa nhiều nhất tỉnh

2.1.4 Địa chất

Trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên có 35 hệ tầng, phức hệ địa chất với nhiều loại đá khácnhau Các hệ tầng này phần lớn có dạng tuyến và phân bố theo nhiều hướng khác nhau Phầnlớn các hệ tầng nằm ở phía Bắc của tỉnh có hướng thiên về Đông Bắc - Tây

Nam, trong khi các hệ tầng ở phía Nam của tỉnh lại thiên về hướng Tây Bắc - Đông Nam.Các hệ tầng có chứa đá vôi (các hệ tầng Đồng Đăng, Bắc Sơn) tập trung chủ yếu ở vùngĐông Bắc của Tỉnh, không thành khối liên tục mà xen kẽ với các tầng khác nhau như: SôngHiến, Lạng Sơn, Bắc Bun

Vùng Tây Bắc của Tỉnh (huyện Định Hoá) có hệ tầng Phố Ngữ, chiếm tỷ lệ diệntích lớn với các loại đá phổ biến là phiến sét, sét, sét silic, cát bột kết Chiếm diện tích lớn

ở vùng phía Nam là các hệ tầng Tam Đảo, hệ tầng Nà Khuất, hệ tầng Hà Cối với nhiều loại

- Đất núi chiếm 48,1% diện tích tự nhiên, có độ cao trên 200m, hình thành do

sự phong hóa trên các đá macma, đá biến chất và đá trầm tích Đất núi thích hợp vớiviệc phát triển lâm nghiệp nhưng cũng thích hợp để trồng các cây đặc sản, cây ăn quả

- Đất đồi chiếm 24,5% diện tích tự nhiên, chủ yếu hình thành trên cát kết, bộtkết và một phần phù sa cổ kiến tạo với độ cao từ 50-200m, có độ dốc từ 5-20m Đây làvùng đất xen kẽ giữa nông nghiệp và lâm nghiệp Đất đồi rất phù hợp đối với cây côngnghiệp, đặc biệt là cây chè và một số cây ăn quả lâu năm khác

- Đất ruộng chiếm 12,4% diện tích đất tự nhiên, phần lớn có độ phì thấp, songđây là vùng đất chủ yếu để trồng cây lương thực của tỉnh Thái Nguyên

- Đất chưa sử dụng hiện còn 15,0% diện tích tự nhiên, phần lớn trong số này cókhả năng sử dụng cho lâm nghiệp

b Tài nguyên khoáng sản

Thái Nguyên nằm trong vùng sinh khoáng Đông Bắc Việt Nam, thuộc vành đai sinhkhoáng Thái Bình Dương Hiện có 34 loại hình khoáng sản, phân bố tập trung ở các huyệnĐồng Hỷ, Võ Nhai, Phú Lương, Đại Từ Khoáng sản ở Thái Nguyên có thể chia thành 4nhóm:

+ Nhóm nhiên liệu:

Bao gồm than mỡ, than đá, phân bố tập trung ở Phú Lương, Đại Từ:

- Than mỡ: chất lượng tương đối tốt, có trữ lượng tiềm năng khoảng 15 triệutấn, trong đó trữ lượng thăm dò khoảng 8,5 triệu tấn (lớn nhất Việt nam) tập trung chủyếu ở các mỏ Phấn Mễ, Làng Cẩm, Âm Hồn

- Than đá: có trữ lượng tìm kiếm và thăm dò khoảng 90 triệu tấn (lớn thứ 2trong cả nước sau khu mỏ than Quảng Ninh) tập trung chủ yếu ở các mỏ Khánh Hoà,

Bá Sơn, Núi Hồng

+ Nhóm khoáng sản kim loại:

Bao gồm kim loại đen như sắt, mangan, ti tan và kim loại mầu như chì, kẽm, đồng, niken,nhôm, thiếc, vonfram, altimoan, vàng, thuỷ ngân

- Kim loại đen:

* Sắt: có tới 41 mỏ và điểm quặng, có trữ lượng khoảng trên 50 triệu tấn, hàm lượng Fe: 58,8-61,8%, được xếp vào loại chất lượng tốt, phân bố chủ yếu ở Đồng Hỷ

* Titan: có 21 mỏ và điểm quặng, phân bố chủ yếu ở bắc Đại Từ, tổng trữ lượng thăm dò đạt xấp xỉ 18 triệu tấn

* Ngoài ra Thái Nguyên còn có nhiều mỏ và điểm quặng mangan-sắt, trữ lượng thăm dò khoảng 5 triệu tấn

- Kim loại mầu:

* Thiếc, vonfram là khoáng sản có nhiều tiềm năng ở Thái Nguyên Mỏ thiếc ởPhục Linh, Núi Pháo (Đại Từ) tổng trữ lượng khoảng 13.600 tấn Vonfram ở khu vực ĐáLiền có qui mô lớn với trữ lượng khoảng 28.000 tấn

* Chì-kẽm ở Làng Hích, Thần Sa (Võ Nhai) và Đại Từ, qui mô các điểm mỏnhỏ, phân bố không tập trung, trữ lượng ước khoảng 12 triệu tấn

* Ngoài ra trên địa bàn tỉnh ở nhiều nơi còn tìm thấy vàng, đồng, niken, thuỷngân…trữ lượng các loại này tuy không lớn nhưng rất có ý nghĩa về mặt kinh tế

+ Nhóm khoáng sản phi kim loại

Có pyrit, barit, phôtphorit, graphit… trong đó đáng chú ý nhất là phôtphorit với tổng trữlượng đạt khoảng 60.000 tấn

+ Nhóm khoáng sản vật liệu xây dựng

* Sét xi măng có trữ lượng khoảng 84,6 triệu tấn Ngoài ra Thái Nguyên còn có sét làm gạch ngói; cát dùng để sản xuất thuỷ tinh thông thường; cát, sỏi dùng cho xâydựng

* Nguồn đá carbonnat bao gồm đá vôi xây dựng, đá vôi làm xi măng có ở nhiềunơi Riêng đá vôi xây dựng có trữ lượng xấp xỉ 100 tỉ m3.

Tài nguyên khoáng sản của tỉnh Thái Nguyên phong phú về chủng loại, trong đó cónhiều loại có ý nghĩa trong vùng và với cả nước như: sắt, than (đặc biệt là than mỡ) Điềunày tạo nên lợi thế trong việc phát triển các ngành công nghiệp khai khoáng, công nghiệpluyện kim, góp phần đưa Thái Nguyên trở thành một trong những trung tâm công nghiệpluyện kim lớn

c Tài nguyên nước

* Tài nguyên nước mặt

Thái Nguyên là một tỉnh có mạng lưới sông suối khá dày đặc, mật độ sông suối bìnhquân 1,2 km/km2 Trong đó có 2 con sông lớn là sông Cầu và sông Công cùng rất nhiều hệthống sông ngòi nhỏ khác

- Sông Cầu

Sông Cầu nằm trong hệ thống sông Thái Bình có diện tích lưu vực 6.030 km2 bắtnguồn từ huyện Chợ Đồn (Bắc Kạn) chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam Tổng lượngnước sông Cầu khoảng 4,5 tỷ m3, chiều dài khoảng 290 km,

độ cao bình quân lưu vực: 190 m, độ dốc bình quân 16,1%, chiều rộng lưu vực trung bình:

31 km, mật độ lưới sông 0,95 km/km², hệ số uốn khúc 2,02 và lưu lượng trung bình 153 m³/s

Hệ thống thuỷ nông của con sông này có khả năng tưới cho 24 nghìn ha lúa hai vụcủa huyện Phú Bình và các huyện Hiệp Hoà, Tân Yên của tỉnh Bắc Giang

- Sông Công

Sông Công là phụ lưu cấp I của sông Cầu Sông Công có diện tích lưu vực 951 km2bắt nguồn từ vùng núi Ba Lá huyện Định Hoá chạy dọc theo chân núi Tam Đảo, nằm trongvùng mưa lớn nhất của tỉnh Thái Nguyên

Toàn bộ chiều dài của sông Công đều nằm trọn trên địa phận tỉnh Thái Nguyên Dòngsông đã được ngăn lại ở Đại Từ tạo thành hồ Núi Cốc có mặt nước rộng khoảng 25 km2 vớisức chứa lên tới 175 triệu m3 nước Hồ này có thể chủ động điều hoà dòng chảy, chủ độngtưới tiêu cho 12 nghìn ha lúa hai vụ màu, cây công nghiệp và cung cấp nước sinh hoạt cho

TP Thái Nguyên và TX Sông Công

Sông Công chảy theo hướng Tây Bắc Đông Nam và nhập vào sông Cầu tại HươngNinh - Hợp Thịnh - Bắc Giang Lưu vực sông Công có độ cao trung bình 224m, độ dốc27,3% rất cao so với các sông khác.

Tổng lượng nước sông Công vào khoảng 794.106m3, lưu lượng trung bình năm25m3/s và modul dòng chảy năm vào khoảng 26l/s.km2

Sông Chu bắt nguồn từ xã Bảo Linh huyện Định Hoá chảy theo hướng Tây Bắc

- Đông Nam đến Định Thông chuyển hướng Tây Nam - Đông Bắc sang địa phận Bắc Kạnqua Tân Dương lại chuyển hướng Tây Bắc Đông Nam hợp lưu với sông Cầu ở huyện ChợMới Diện tích lưu vực sông Chu khoảng 437km2 độ cao trung bình của lưu vực 206m, độdốc 16,2%

- Sông Nghinh Tường

Sông Nghinh Tường bắt nguồn từ độ cao 550m tại phía Tây huyện Bắc Sơn (LạngSơn), chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam đến xã Cúc Đường huyện Võ Nhai, chuyểnhướng Đông Nam Tây Bắc và hợp lưu với sông Cầu

Con sông này dài 46km, độ cao trung bình 290m, độ dốc 12.9%, mật độ lưới sông1.05km/km2, diện tích lưu vực 465km2

Ngoài ra, tỉnh Thái Nguyên còn nhiều sông nhỏ khác thuộc hệ thống sông Kỳ Cùng

và hệ thống sông Lô Theo đánh giá của các cơ quan chuyên môn thì trên các con sôngnhánh chảy trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên có tiềm năng thuỷ điện kết hợp với thuỷ lợi quy

mô nhỏ

- Các hồ chứa nước

Thái Nguyên có gần 5000 ha hồ ao, trong đó, có gần 200 hồ nhân tạo do đắp đập ngăn dòngchảy, lấy nước làm thuỷ lợi để phục vụ cho sản xuất nông nghiệp Hồ Núi Cốc

trên sông Công là hồ lớn và quan trọng nhất trên địa bàn tỉnh Hồ có diện tích mặt nướcrộng khoảng 25 km2, có sức chứa đủ để tưới tiêu cho hàng nghìn ha đất nông nghiệp và chia

sẻ một phần nước cho sông Cầu

Nhìn chung, tài nguyên nước mặt của tỉnh Thái Nguyên tương đối thuận lợi về cácmặt để có thể phát triển một hệ sinh thái đa dạng và bền vững, thuận lợi cho phát triển cácngành nông, lâm nghiệp nói chung Tuy vậy, vào mùa mưa với lượng mưa tập trung lớnthường xảy ra tai biến về sụt lở, trượt đất, lũ quét ở một số triền đồi núi và lũ lụt ở khu vựcdọc theo lưu vực sông Cầu và sông Công

* Tài nguyên nước ngầm

Theo các tài liệu khảo sát địa chất thuỷ văn (ĐCTV) và tìm kiếm thăm dò trên địaphận tỉnh Thái Nguyên, nước dưới đất tồn tại dưới dạng lỗ hổng các trầm tích Đệ tứ (Q) vàphức hệ chứa nước khe nứt

Phức hệ chứa nước khe nứt

Nước khe nứt và khe nứt karst: chiếm 70% diện tích toàn tỉnh Các thành tạo cácbonat cómức độ chứa nước tốt, độ cứng cao, nhiều mạch lộ có lưu lượng rất lớn như Hồ Mắt Rồnglưu lượng vài trăm l/s Nước khe nứt đều nhạt thuộc loại nước trung tính có thể làm nguồncấp nước Điều kiện về nguồn nước Thái Nguyên tương đối thuận lợi cho khai thác nướcngầm, nhìn chung chất lượng tốt, có trữ lượng nước ngầm khá lớn, khoảng 3 tỷ m3, đảm bảophục vụ cho yêu cầu sinh hoạt của nhân dân