Ứng dụng viễn thám, gis và các chỉ số không gian nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống giao thông đến quá trình đô thị hóa Hà Nội

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