ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CÁC CHỈ SỐ KHÔNG GIAN<br />
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG GIAO THÔNG ĐẾN<br />
QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA HÀ NỘI<br />
<br />
TS. Lê Thị Minh Phương<br />
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội<br />
<br />
Tóm tắt<br />
Tốc độ đô thị hóa diễn ra rất mạnh mẽ tại các đô thị lớn nói chung và tại<br />
Việt Nam nói riêng, đặc biệt là thành phố Hà Nội. Quá trình đô thị hóa tại Hà Nội<br />
gia tăng nhanh chóng và quá trình kiểm soát mức độ mở rộng đô thị chưa tốt. Có<br />
nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa trong đó việc phát triển<br />
giao thông là một trong những yếu tố chính. Trong giai đoạn 1990 – đến 2012 giao<br />
thông Hà Nội phát triển rất mạnh mẽ kéo theo tốc độ đô thị hóa tăng cao do có các<br />
quyết định mở rộng đô thị và quy hoạch phát triển tổng thể thành phố. Các nghiên<br />
cứu về đô thị hóa tại Hà Nội trước đây đã nêu được sự ảnh hưởng của phát triển<br />
giao thông đến quá trình đô thị hóa nhưng mới chỉ dừng lại ở phân tích không gian<br />
chứ quá trình phát triển đất đô thị chưa được định lượng. Bài báo này chỉ ra được<br />
phương pháp tích hợp ảnh viễn thám GIS và các chỉ số không gian để phân tích,<br />
định lượng sự ảnh hưởng của vành đai giao thông, các trục giao thông chính đến<br />
quá trình đô thị hóa tại Hà Nội. Kết quả về phân tích không gian và định lượng cho<br />
thấy, tốc độ phát triển đất đô thị, đô thị hóa diễn ra với tốc độ cao bám dọc theo<br />
các vành đai giao thông và các trục đường chính trong giai đoạn nghiên cứu. Kết<br />
quả nghiên cứu này là thông tin hữu ích phục vụ công tác quy hoạch và định hướng<br />
quy hoạch đặc biệt trong bối cảnh Hà Nội đang phát triển thành đô thị thông minh.<br />
Từ khóa: viễn thám, GIS, chỉ số không gian, đô thị hóa<br />
1. Giới thiệu<br />
Đô thị hóa là sự mở rộng của đô thị được tính theo tỉ lệ phần trăm giữa số<br />
dân đô thị hay diện tích đô thị trên tổng số dân hay diện tích của một vùng, khu<br />
vực. Nó cũng có thể tính theo tỉ lệ gia tăng của hai yếu tố đó theo thời gian. Đô<br />
thị hóa là quá trình phát triển được thể hiện qua quá trình phát triển dân số, mật<br />
độ dân số, mở diện tích đất xây dựng...(các yếu tố này được đặc trưng bởi các<br />
chỉ số không gian như: tổng diện tích lớp đất đô thị; mật độ cạnh đô thị; chỉ số<br />
mảnh lớn nhất; số lượng mảnh đô thị; chỉ số về mức độ liền kề của các mảnh đô<br />
thị; mật độ mảnh đô thị.<br />
Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng các tư liệu khác nhau như bản đồ địa chính,<br />
điều tra dân số, tính biến động đất đô thị thông qua ảnh viễn thám và GIS đã chỉ ra<br />
được các yếu tố ảnh hưởng đến đô thị hóa. Các nghiên cứu đó mới chỉ dừng lại ở<br />
việc phân tích biến đổi không gian chứ chưa định lượng sự biến đổi đó theo thời<br />
<br />
318<br />
gian. Đặc biệt đây là hướng nghiên cứu mới sử dụng tích hợp viễn thám GIS và các<br />
chỉ số không gian để nghiên cứu ảnh hưởng của phát triển giao thông đến quá trình<br />
đô thị hóa tại Hà Nội.<br />
Viễn thám là một khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một đối tượng,<br />
một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được<br />
bằng các phương tiện quan sát từ xa. Ứng dụng viễn thám vào công tác nghiên cứu về<br />
đô thị rất phổ biến, được dùng cho cả những nước phát triển và đang phát triển.<br />
Phương pháp phân loại ảnh viễn thám phục vụ công tác nghiên cứu về đô<br />
thị hóa hiện nay đa phần sử dụng phương pháp phân loại định hướng đối tượng<br />
trên phần mềm eCognition.<br />
Hệ thống thông tin địa lý có vai trò lớn trong công tác nghiên cứu đô thị hóa<br />
có rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng GIS để nghiên cứu đô thị hóa ở các nước khác<br />
nhau trên thế giới. Trong các nghiên cứu đó, GIS đóng một vai trò quan trọng là<br />
công cụ trung chuyển kết quả phân loại ảnh làm cơ sở cho công tác tính toán các chỉ<br />
số không gian để phân tích quá trình đô thị hóa tại khu vực nghiên cứu.<br />
Hệ thống thông tin địa lý kết hợp với phân tích fractal là công cụ hữu ích để<br />
nghiên cứu quá trình đô thị hóa, giá trị của các chỉ số sau khi tính toán và phân tích<br />
giúp ta hiểu được mối quan hệ không gian giữa các đối tượng trong đô thị, các biến đổi<br />
giá trị của các chỉ số chỉ ra được đặc điểm, quá trình hình thành quá trình đô thị hóa..<br />
Các chỉ số đô thị thường được sử dụng để định lượng hình dạng, mẫu<br />
dạng của các mảnh đô thị, các chỉ số đô thị được hình thành từ cuối những năm<br />
1980. Kết hợp đo đạc giữa lí thuyết về thông tin và hình học Fractal dựa trên<br />
việc phân loại mảnh đặc trưng cơ bản của mảnh đô thị. Các mảnh được xác<br />
định là một mảnh đồng nhất cho một cảnh cụ thể ví dụ như đất công nghiệp,<br />
công viên hay vùng dân cư có mật độ cao. Chỉ số đô thị được sử dụng để định<br />
lượng tính đồng nhất của mỗi một mảnh đô thị riêng biệt, hoặc của tất cả các<br />
mảnh thuộc về các nhóm đất đô thị.<br />
2. Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu<br />
Trong giai đoạn 1990 -2012 có các quy hoạch tổng thể về quy hoạch giao<br />
thông thành phố Hà Nội, có các thay đổi về ranh giới hành chính mở rộng đô thị<br />
dẫn đến tốc độ đô thị hóa gia tăng mạnh mẽ. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của giao<br />
thông đến đô thị hóa, tác giả đã lựa chọn giai đoạn này để làm nổi bật được sự ảnh<br />
hưởng của hệ thống giao thông đến quá trình đô thị hóa. Các dữ liệu và phương<br />
pháp nghiên cứu, xử lý số liệu được dùng trong bài báo được trình bày dưới đây:<br />
- Về không gian và thời gian nghiên cứu: Từ giai đoạn 1991-2008, Hà Nội có<br />
quyết đinh mở rộng thành phố vì vậy nghiên cứu này chọn 13 quận huyện của Hà Nội<br />
cụ thể gồm 9 quận: Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa, Hai Bà Trưng, Cầu Giấy, Tây<br />
319<br />
Hồ, Thanh Xuân, Hoàng Mai, Long Biên và 4 huyện: Từ Liêm, Thanh Trì, Gia Lâm,<br />
Đông Anh; và chọn giai đoạn nghiên cứu từ 2009 – 2012 để thể hiện rõ sự biến động<br />
giao thông và quá trình đô thị hóa.<br />
Bốn ảnh viễn thám khu vực Hà nội được lựa chọn cho giai đoạn 1990 đến<br />
2012 bao gồm 03 ảnh Landsat và 01 ảnh Spot ( bảng 1). Sử dụng phương pháp phân<br />
loại định hướng đối tượng trên phần mềm eCognition để phân loại lớp đất phủ trên<br />
ảnh vệ tinh Landsat 1993, 2000, 2007 và ảnh Spot 2012, quy trình xử lý ảnh được thể<br />
hiện chi tiết trong bài báo ( hình 1). Khi phân loại ảnh vệ tinh, lớp đất phủ trên các<br />
ảnh vệ tinh được phân loại theo 3 nhóm như sau: đất đô thị, mặt nước, và đất khác.<br />
Bảng 1. Ảnh vệ tinh<br />
Loại dữ liệu Ngày chụp Độ phân giải (m) Khu vực<br />
Landsat TM 27/12/1993 30 Hà Nội<br />
Landsat ETM 17/09/2000<br />
Hà Nội<br />
Landsat 7 ETM+ 8/11/2007<br />
Spot 4 16/9/ 2012 20 Hà Nội<br />
Quy trình<br />
phân loại ảnh vệ<br />
tinh được thể hiện<br />
trong sơ đồ dưới<br />
đây:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
320<br />
Hình 1. Quy trình xử lý ảnh viễn thám<br />
Kết quả phân loại ảnh viễn thám được đánh giá độ chính xác theo quy định và<br />
kết quả có độ tin cậy cao.<br />
Kết quả phân phân loại dùng để làm cơ sở cho các tính toán tốc độ phát triển đô<br />
thị. Khi có kết quả phân loại ảnh viễn thám, lớp đất đô thị được tách ra kết hợp với lớp<br />
giao thông. Các vành đai giao thông và các trục giao thông chính chuyển về định dạng<br />
shapefile và đưa vào cơ sở dữ liệu GIS.<br />
Hai lớp thông tin này được xử lý trên phần mềm Arcmap để phân tích biến động<br />
không gian quá trình đô thị hóa.<br />
Các đường vành đai giao thông và các trục giao thông chính là huyết mạch<br />
trong đô thị, giao thông mở ra đến đâu thì đô thị mở ra đến đó, và trong rất nhiều khu<br />
vực khi giao thông vẫn đang còn trong qui hoạch thì các khu đô thị bám đường đã xuất<br />
hiện. Trong nghiên cứu này các vành đai giao thông 02 và 03 và các trục giao thông<br />
chính được lựa chọn như sau:<br />
- Giải Phóng - Ngọc Hồi;<br />
- Nguyễn Văn Cừ - Hà Huy Tập - Ngô Gia Tự;<br />
- Nguyễn Văn Linh - Nguyễn Đức Thuận;<br />
- Phạm Văn Đồng - Thăng Long Nội Bài;<br />
- Trần Duy Hưng - Đại lộ Thăng Long;<br />
- Quốc lộ 3;<br />
- Xuân Thủy - Cầu Giấy - Quốc lộ 2.<br />
Hệ thống giao thông và lớp đất đô thị được tính toán trên phần mềm ArcMap<br />
dưới lệnh buffer dọc theo vành đai và các trục giao thông chính là 1 km để khảo sát sự<br />
thay đổi sử dụng đất đô thị. Việc lựa chọn 1 km để tính sự ảnh hưởng của giao thông<br />
quá trình đô thị hoá được căn cứ trên nguyên tắc thiết kế quy hoạch giao thông tại Việt<br />
Nam. Các vành đai giao thông và các trục giao thông chính được đưa vào dưới dạng<br />
shapefile được lấy sang hai bên là 1 km để nghiên cứu tốc độ đô thị hóa, sử dụng kết<br />
quả phân loại đất đô thị quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính để tính<br />
toán các chỉ số không gian (hình 2)<br />
Bộ chỉ số không gian dùng để tính toán tốc độ đô thị hóa theo vành đai giao thông:<br />
CA - tổng diện tích lớp đất đô thị;<br />
<br />
321<br />
ED - mật độ cạnh đô thị;<br />
LPI- chỉ số mảnh lớn nhất;<br />
NP - số lượng mảnh đô thị;<br />
IJI - chỉ số về mức độ liền kề của các mảnh đô thị;<br />
PD - mật độ mảnh đô thị.<br />
Các chỉ số không gian này được tính toán định lượng trên phần mềm<br />
Fragtats, sau đó xuất kết quả ra phần mềm exel để phân tính tính toán.<br />
Thông qua giá trị và sự biến thiên về giá trị của nhóm chỉ số này cho phép<br />
phân tích được quá trình hình thành và phát triển đất đô thị, đặc tính các đối tượng<br />
đô thị, tốc độ mở rộng đô thị, mật độ xây dựng. Quá trình tính các chỉ số không gian<br />
được thể hiện qua sơ đồ sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Quy trình tính toán các chỉ số không gian<br />
<br />
<br />
322<br />
3. Kết quả và phân tích kết quả<br />
Kết quả phân loại đất đô thị trên ảnh vệ tinh quanh vành đai giao thông và<br />
các trục giao thông chính:<br />
1993 2000<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2007 2012<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Biến động đất đô thị quanh vành đai và các trục giao thông<br />
Kết quả thu được sau khi tính toán các chỉ số đô thị<br />
Kết quả tính toán biến động các chỉ số cho các giai đoạn 1993 - 2000;<br />
2000 - 2007; 2007 - 2012 cho phép chỉ ra sự thay đổi tốc độ đô thị hóa ở dọc các<br />
tuyến giao thông và dọc các vành đai giao thông được trình bày dưới đây:<br />
Biến đổi chỉ số diện tích (CA)<br />
Diện tích đất đô thị quanh các vành đai tăng nhanh chóng trong giai đoạn<br />
nghiên cứu. Tại các vành đai và trục giao thông chỉ số CA của toàn bộ giai đoạn<br />
nghiên cứu (từ 1993-2012) là từ 4131 ha tăng lên 13522.14, nghĩa là tăng hơn 4 lần.<br />
Một cách chi tiết hơn, giai đoạn từ 1993 đến 2000 diện tích đất đô thị tăng gần<br />
50% (từ 4131.12 lên 6181.36 ha), giai đoạn từ 2000 đến 2007 tăng hơn 100% (từ<br />
6181.36 lên 12693.8 ha), và giai đoạn thứ 3 chỉ tăng gần 10% (từ 12693.8 lên 13522.14<br />
ha). Nguyên nhân giai đoạn 3 tăng thấp hơn cả là vì các tuyến đường cũng như các trục<br />
giao thông này đều được xây dựng trong hai giai đoạn trước và đất đô thị gần như phủ<br />
kín nên đến giai đoạn 2007-2012 không còn nhiều diện tích dành cho đất đô thị.<br />
Biến đổi chỉ số NP<br />
Chỉ số NP trong giai đoạn 2000-2007 có xu hướng tăng, nhưng đến năm 2012<br />
<br />
323<br />
lại quay về tương đương với năm 1993, diện tích đất đô thị thì tăng hơn 4 lần cho<br />
thấy các mảnh đô thị đã xuất hiện thêm, đất đô thị bị chia nhỏ. Cụ thể, tại bảng (4.1)<br />
cho thấy chỉ số NP từ 1993 đến 2000 tăng từ 122 đến 161, chỉ số này tiếp tục tăng<br />
trong giai đoạn 2000 đến 2007 lên đến 232, tăng gấp gần 2 lần so với năm 1993. Chỉ<br />
số này giảm dần xuống còn 126 trong giai đoạn 2007 đến 2012. Chỉ số này tăng trong<br />
giai đoạn trước năm 2007 là do tốc độ đô thị hóa mạnh, đất đô thị bị phân mảnh và<br />
xuất hiện nhiều mảnh đô thị mới, giai đoạn từ 2007 đến 2012 thì các mảnh này giảm<br />
chứng tỏ các mảnh đô thị nở ra và tiến gần sát nhập thành các mảnh đô thị lớn hơn.<br />
Biến đổi chỉ số LPI<br />
Chỉ số LPI tăng khá mạnh cụ thể tại bảng (4.1) cho thấy tăng 1993 đến 2012<br />
tăng từ 7.6699 lên 28.4098, nghĩa là tăng gấp gần 4 lần. Kết quả tính toán cho thấy<br />
giai đoạn từ 2000 đến 2007 là tăng mạnh hơn giai đoạn từ 1993 - 2000 và 2007 -<br />
2012 cụ thể từ 2000 - 2007 tăng từ 13.6901 đến 23.3325, còn giai đoạn 1993-2000<br />
và 2007 - 2012 thì có mức độ tăng tương đương khoảng hơn 6000. Việc gia tăng chỉ<br />
số LPI liên quan đến sự lan tỏa của các mảnh đô thị nhỏ và hợp chúng lại thành<br />
những mảnh đô thị lớn, bên cạnh đó cũng có sự phát triển đất đô thị xung quanh các<br />
mảnh đô thị đã tồn tại trước đó. Nói một cách khác thì đô thị được mở rộng từ các<br />
mảnh nhỏ và phân mảnh, sau đó các mảnh đô thị được xây dựng mở rộng liên kết<br />
với đô thị chính và đô thị nhân lõi.<br />
Biến đổi chỉ số PD<br />
Kết quả tính toán chỉ số PD quanh vành đai giao thông và các trục giao<br />
thông chính cho thấy có biến đổi trong giai đoạn nghiên cứu. Mật độ các mảnh đô<br />
thị quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính tăng trong giai đoạn<br />
nghiên cứu (bảng 4.1).<br />
Biến đổi chỉ số ED<br />
Một chỉ số khác cũng dùng để tính toán mức độ mở rộng đất đô thị quanh vành<br />
đai giao thông và các trục giao thông chính là chỉ số ED. Kết quả cho thấy tổng chiều<br />
dài của các cạnh trong mảnh đô thị gia tăng đồng nghĩa đất đô thị bị phân mảnh. Theo<br />
(bảng 4.1) chỉ số ED trong giai đoạn 1993 - 2000 tăng từ 16.916 đến 23.922, giai đoạn<br />
2000 - 2007 ED tăng từ 23.922 lên 36.245, giai đoạn 2007 - 2012 giảm từ 36.245<br />
xuống 35.735. Kết quả này cho thấy việc mở rộng đất đô thị quanh vành đai giao thông<br />
và các trục giao thông chính tăng mạnh và bị phân mảnh nhiều nhất trong giai đoạn<br />
2000-2007, đến giai đoạn 2007-2012 mức độ phân mảnh giảm dần.<br />
Biến đổi chỉ số IJI<br />
IJI là chỉ số cuối cùng được tính toán cho khu vực vành đai giao thông và các<br />
trục giao thông chính. Chỉ số này thể hiện mức độ liền kề giữa các mảnh đô thị với<br />
<br />
324<br />
nhau. Theo kết quả tính toán tại (bảng 4.1) thì chỉ số IJI tăng dần. Cụ thể, trong giai<br />
đoạn 1993 -2012 chỉ số này tăng từ 42.0185 đến 64.2586. Cũng với xu thế tăng<br />
trong giai đoạn 2000- 2007 như các chỉ số khác, chỉ số IJI trong giai đoạn này tăng<br />
tới khoảng 30% (từ 45.2533 đến 57.9103). Giai đoạn từ 1993 - 2000 và từ 2007 -<br />
2012 tăng khoảng 10%. Việc ra tăng chỉ số IJI liên quan đến tốc độ đô thị hóa từ<br />
các mảnh đô thị, các mảnh đô thị nở ra hoặc xuất hiện thêm các mảnh đô thị mới<br />
chính là nguyên nhân làm cho các mảnh đô thị gần nhau hơn.<br />
Bảng 2. Chỉ số không gian của vành đai giao thông và các trục giao thông chính<br />
<br />
Các chỉ số không gian<br />
Năm<br />
CA NP PD LPI ED IJI<br />
1993 4131.12 122 0.4501 7.6689 16.916 42.0185<br />
2000 6181.36 161 0.5936 13.6901 23.922 45.2533<br />
2007 12693.8 232 0.8557 23.3325 36.245 57.9103<br />
2012 13522.14 126 0.4649 28.4098 35.735 64.2586<br />
Đánh giá chung:<br />
Quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính luôn xuất hiện quá<br />
trình đô thị hóa với tốc độ mạnh thể hiện thông qua việc gia tăng chỉ số diện tích đất<br />
đô thị (CA). Tại bảng 2 diện tích tăng mạnh nhất trong giai đoạn 2000 - 2007, từ<br />
2007 đến 2012 tốc độ tăng chậm hơn. Nguyên nhân của việc gia tăng đất đô thị<br />
quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính là do trong giai đoạn nghiên<br />
cứu Hà Nội thực hiện hàng loạt các dự án tăng cường cơ sở mặt bằng, và các vành<br />
đai giao thông cũng như các trục giao thông chính được xây dựng. Cụ thể như các<br />
đường vành đai 02,03, các trục đường giao thông chính như các đường quốc lộ, hệ<br />
thống cơ sở hạ tầng được nâng cấp và mở rộng để đáp ứng quá trình đô thị hóa.<br />
Thay đổi các chỉ số quanh các vành đai giao thông và các trục giao thông<br />
chính chính là bằng chứng cho đô thị hóa diễn ra tại đây. Điều này cho thấy quá<br />
trình đô thị hóa phát triển mạnh bám theo hệ thống giao thông. Có thể kết luận vành<br />
đai giao thông và các trục giao thông chính ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa.<br />
4. Kết luận<br />
Tích hợp viễn thám, GIS và các chỉ số không gian là phương pháp mới phù<br />
hợp, có độ tin cậy cao để nghiên cứu quá trình đô thị hóa, nêu rõ được quá trình mở<br />
rộng đô thị về mặt không gian, thời gian và định lượng được quá trình đô thị hóa.<br />
Bộ chỉ số được lựa chọn đủ để đánh giá được mối quan hệ của các đối tượng<br />
đô thị trong không gian của khu vực nghiên cứu. Nhóm chỉ số trong bài báo có quan<br />
<br />
325<br />
hệ, ảnh hưởng lẫn nhau khi phân tích kết hợp nhóm chỉ số này đã thấy rõ quá trình<br />
đô thị hóa của Hà Nội. Bộ chỉ số này là công cụ hữu ích để miêu tả, định lượng sự<br />
thay đổi cấu trúc không gian đô thị, các mảnh đô thị. Nó còn làm sáng tỏ các yếu tố<br />
ảnh hưởng, tác động đến quá trình đô thị hóa Hà Nội. Giá trị biến thiên của các chỉ<br />
số này dùng làm cơ sở để đánh giá và định hướng qui hoạch về mặt không gian.<br />
Xác định được hệ thống giao thông bao gồm các vành đai giao thông và các<br />
trục giao thông chính là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa<br />
Tài liệu tham khảo<br />
1. Bộ Xây dựng (2008), Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về qui hoạch xây dựng.<br />
2. Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên<br />
3. Phạm Sỹ Liêm (2013), "Nâng cao hiệu quả quản lí phát triển đô thị theo qui<br />
hoạch", Hội thảo quản lí xây dựng đô thị theo qui hoạch, Hà Nội<br />
4. Griffith.J.S (2001), "Object-Oriented Method to Classify the Land Use and<br />
Land Cover in San Antonio using eCognition Object-Oriented Image Analysis<br />
Introduction"<br />
5. Hai.P.M, Yamaguchi.Y (2008), "Characterizing the urban growth of Ha Noi,<br />
Nagoya and Sahnhai City using remote sensing and spatial metrics",<br />
Geoscience and Remote Sensing Symposium,5, pp.1-25<br />
6. Herold.M (2004), "Remote Sensing and Spatial Metrics for Mapping and<br />
Modeling of Urban Structures and Growth Dynamics", Ph.D. Thesis,<br />
University of California, USA.<br />
7. Herold.M, Joseph Scepan, Keith C Clarke (2002), "The use of remote sensing<br />
and landscape metrics to describe structures and changes in urban land uses",<br />
Environment and Planning A, 34, pp.1443-1458<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
326<br />