Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ viễn thám và GIS trong dự báo sự biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:197

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu công nghệ viễn thám và GIS trong dự báo sự biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh" nhằm lựa chọn được mô hình dự báo biến động bề mặt không thấm trong tương lai tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng công nghệ viễn thám và Hệ thông tin địa lý kết hợp các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ viễn thám và GIS trong dự báo sự biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN TÙNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG DỰ BÁO SỰ BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN TÙNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG DỰ BÁO SỰ BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS NGUYỄN VĂN TRUNG 2. PGS.TS VŨ XUÂN CƯỜNG Hà Nội - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu trình bày trong luận án được phản ánh hoàn toàn trung thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận án chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tác giả luận án Phạm Văn Tùng
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................x MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................4 6. Những điểm mới của luận án ..................................................................................5 7. Luận điểm bảo vệ ....................................................................................................5 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .............................................................5 9. Cơ sở tài liệu thực hiện luận án ...............................................................................6 10. Cấu trúc luận án ....................................................................................................6 11. Lời cảm ơn ............................................................................................................6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................8 1.1. Tổng quan về bề mặt không thấm ........................................................................8 1.1.1. Khái niệm ..........................................................................................................8 1.1.2. Ảnh hưởng của bề mặt không thấm đến môi trường ........................................9 1.2. Đô thị hóa và sự thay đổi diện tích bề mặt không thấm.....................................15
iii 1.2.1. Hiện trạng đô thị hóa trên thế giới và ở Việt Nam ..........................................15 1.2.2. Biến động diện tích bề mặt không thấm .........................................................18 1.3. Khả năng ứng dụng viễn thám và GIS trong giám sát biến động bề mặt không thấm ...........................................................................................................................23 1.4. Các phương pháp chiết xuất thông tin bề mặt không thấm từ dữ liệu viễn thám ...................................................................................................................................26 1.4.1. Phương pháp phân loại truyền thống ..............................................................26 1.4.2. Phương pháp sử dụng các chỉ số phổ ..............................................................28 1.4.3. Phương pháp phân loại sử dụng trí tuệ nhân tạo .............................................32 1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................33 1.5.1. Trên thế giới ....................................................................................................33 1.5.2. Trong nước ......................................................................................................42 1.6. Luận giải những vấn đề cần nghiên cứu ............................................................45 1.7. Tiểu kết chương 1 ..............................................................................................47 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS ..................................................................................49 2.1. Đặc điểm khu vực nghiên cứu............................................................................49 2.1.1. Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................50 2.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ................................................................................51 2.1.3. Đặc điểm đô thị hóa ở Thành phố Hồ Chí Minh.............................................52 2.2. Nghiên cứu lựa chọn các nhân tố ảnh hưởng đến sự biến động bề mặt không thấm ...................................................................................................................................54 2.2.1. Lựa chọn bộ dữ liệu bổ sung ...........................................................................54
iv 2.2.2. Đánh giá tương quan giữa bộ dữ liệu bổ sung và dữ liệu cơ sở......................56 2.3. Cơ sở khoa học phương pháp chiết xuất các lớp dữ liệu bổ sung cho mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm........................................................................59 2.3.1. Mật độ che phủ thực vật ..................................................................................59 2.3.2. Nhiệt độ bề mặt ...............................................................................................62 2.3.3. Độ cao .............................................................................................................64 2.3.4. Khoảng cách tới đường giao thông .................................................................65 2.3.5. Khoảng cách tới thủy hệ..................................................................................67 2.3.6. Dữ liệu mật độ dân cư .....................................................................................69 2.3.7. Khoảng cách tới công trình đặc biệt ...............................................................71 2.4. Cơ sở khoa học phương pháp phân loại bề mặt không thấm từ dữ liệu viễn thám ...................................................................................................................................72 2.4.1. Thuật toán xác suất cực đại .............................................................................73 2.4.2. Thuật toán Random Forest ..............................................................................75 2.4.3. Thuật toán Support Vector Machine ...............................................................76 2.4.4. Thuật toán Classification and Regression Tree...............................................77 2.5. Mô hình Cellular Automata và các kỹ thuật học máy mô phỏng sự thay đổi bề mặt không thấm .........................................................................................................78 2.5.1. Mô hình Cellular Automata ............................................................................78 2.5.2. Mạng nơ ron nhân tạo (ANN) .........................................................................80 2.6.3. Hồi quy Logistic (LR) .....................................................................................84 2.6. Sơ đồ mô hình dự báo sự biến động mặt không thấm .......................................86 2.7. Tiểu kết chương 2 ..............................................................................................91
v CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ..............................................................93 3.1. Đặc điểm dữ liệu sử dụng ..................................................................................93 3.1.1. Dữ liệu viễn thám ............................................................................................93 3.1.2. Dữ liệu khác ....................................................................................................96 3.2. Kết quả phân loại bề mặt không thấm từ ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian .......97 3.2.1. Kết quả phân loại sử dụng thuật toán RF ........................................................97 3.2.2. Kết quả phân loại sử dụng thuật toán SVM ..................................................100 3.2.3. Kết quả phân loại sử dụng thuật toán CART ................................................104 3.2.4. Kết quả phân loại sử dụng thuật toán Maximum Likelihood .......................108 3.2.5. Đánh giá và lựa chọn phương pháp phân loại phù hợp ................................112 3.3. Kết quả dự báo phân bố bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh .................................................................................................................................115 3.3.1. Kết quả dự báo biến động bề mặt không thấm năm 2020.............................115 3.3.2. Đánh giá và hoàn thiện mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm ..118 3.3.3. Kết quả dự báo biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh trong tương lai .........................................................................................................120 3.4. Tiểu kết chương 3 ............................................................................................131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................133 1. Kết luận ...............................................................................................................133 2. Kiến nghị .............................................................................................................134 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................135 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................136 Tiếng Việt ................................................................................................................136
vi Tiếng Anh ................................................................................................................139 Website ....................................................................................................................152 PHỤ LỤC ................................................................................................................154 Phụ lục 1. Giao diện và mã code phân loại bề mặt không thấm trên nền tảng Google Earth Engine (GEE) ................................................................................................154 Phụ lục 2. Thông tin về các điểm dùng để so sánh kết quả dự báo phân bố bề mặt không thấm năm 2025 và bản đồ quy hoạch đến năm 2025 ...................................168
vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ tiếng anh Tên đầy đủ tiếng việt ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo CA Cellular Automata CART Classification and Regression Phân loại và cây hồi quy Tree CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao EBBI Enhanced Built-up and Bareness Chỉ số đất xây dựng và đất Index trống tăng cường ETM+ Enhanced Thematic Mapper Plus Bộ cảm biến ETM+ GIS Geographical Information Hệ thông tin địa lý System LST Land surface temperature Nhiệt độ bề mặt MIR Middle Infrared Hồng ngoại trung MSI MultiScanner Instrument Thiết bị quét đa phổ NDBI Normalized Difference Built-up Chỉ số khác biệt đất xây dựng Index NDVI Normalized Difference Chỉ số khác biệt thực vật Vegetation Index NDWI Normalized Difference Water Chỉ số khác biệt nước Index NIR Near Infrared Cận hồng ngoại OLI Operational Land Image Bộ cảm biến OLI RF Random Forest Rừng ngẫu nhiên SRTM Space Shuttle Radar Topography Mission SVM Support Vector Machine Máy hỗ trợ vector SWIR Shortware Infrared Hồng ngoại sóng ngắn TIR Thermal Infrared Hồng ngoại nhiệt TM Thematic Mapper Bộ cảm biến TM UHI Urban Heat Island Đảo nhiệt đô thị UI Urban Index Chỉ số đô thị
viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các thế hệ vệ tinh Landsat ........................................................................25 Bảng 1.2. Đặc điểm các kênh phổ ảnh vệ tinh Landsat 8/9 [153] ............................25 Bảng 2.1. Giá trị tương quan của các lớp dữ liệu bổ sung ........................................58 Bảng 2.2. Đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat ..................................................62 Bảng 2.3. Diện tích, dân số và mật độ dân số năm 2021 khu vực Thành phố Hồ Chí Minh phân theo quận/huyện ......................................................................................70 Bảng 3.1. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán RF đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 .........................................................................................98 Bảng 3.2. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán RF đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 .........................................................................................98 Bảng 3.3. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán RF đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 .......................................................................................100 Bảng 3.4. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán RF đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 .......................................................................................100 Bảng 3.5. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán SVM đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 .......................................................................................102 Bảng 3.6. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán SVM đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 .......................................................................................102 Bảng 3.7. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán SVM đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 .......................................................................................104 Bảng 3.8. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán SVM đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 .......................................................................................104 Bảng 3.9. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán CART đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 ................................................................................106
ix Bảng 3.10. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán CART đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 ................................................................................106 Bảng 3.11. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán CART đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 ................................................................................107 Bảng 3.12. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán CART đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 ................................................................................108 Bảng 3.13. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán xác suất cực đại đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 ..................................................................109 Bảng 3.14. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán xác suất cực đại đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 ..................................................................110 Bảng 3.15. Ma trận sai số khi phân loại bằng thuật toán xác suất cực đại đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 ..................................................................111 Bảng 3.16. Độ chính xác khi phân loại bằng thuật toán xác suất cực đại đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 ..................................................................112 Bảng 3.17. Độ chính xác tổng thể và chỉ số Kappa của các thuật toán phân loại đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2010 .....................................................112 Bảng 3.18. Độ chính xác tổng thể và chỉ số Kappa của các thuật toán phân loại đối với ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2015 .....................................................112 Bảng 3.19. Các tham số sử dụng trong thuật toán ANN .........................................116 Bảng 3.20. Các tham số sử dụng trong thuật toán hồi quy Logistic .......................117 Bảng 3.21. Diện tích của các đối tượng giai đoạn 2010 - 2025 ..............................122 Bảng 3.22. Diện tích biến động của các đối tượng giai đoạn 2020 - 2025 và 2025 - 2030 .........................................................................................................................129
x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô tả về bề mặt không thấm [151] .............................................................8 Hình 1.2. So sánh khả năng thấm nước của bề mặt không thấm và bề mặt thấm [46] ...................................................................................................................................10 Hình 1.3. Định lượng hóa khả năng thấm nước của bề mặt không thấm và bề mặt thấm [49] ...................................................................................................................10 Hình 1.4. So sánh dòng chảy bề mặt đối với các bề mặt khác nhau khi lượng mưa đạt 3 inch [152] ...............................................................................................................11 Hình 1.5. Tác động của sự gia tăng bề mặt không thấm đến chất lượng nước khu vực hồ Dianchi (Trung Quốc) [78] ..................................................................................13 Hình 1.6. Nhiệt độ bề mặt các khu vực với lớp phủ bề mặt khác nhau [26] ............14 Hình 1.7. Dự báo tỉ lệ dân cư đô thị tại các nước ở châu Á đến năm 2050 [84] ......17 Hình 1.8. Thay đổi diện tích đất xây dựng ở thủ đô Ấn Độ giai đoạn 1972 - 2014 [105] ..........................................................................................................................19 Hình 1.9. Thay đổi diện tích đất xây dựng khu vực Quảng Đông-Hồng Kông-Ma Cao (Trung Quốc) giai đoạn 1987 – 2017 từ dữ liệu ảnh Landsat [75] ...........................20 Hình 1.10. Biến động diện tích bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 1989 - 2019 [9] ..........................................................................................22 Hình 1.11. Biến động diện tích bề mặt không thấm khu vực thành phố Thanh Hóa giai đoạn 2015 - 2021 [87] ........................................................................................23 Hình 1.12. Phân loại đất trống đô thị từ các chỉ số khác nhau trong nghiên cứu của Nguyen Trong Can và cộng sự (2021) [116] ............................................................30 Hình 1.13. Kết quả phân loại đất trống bằng chỉ số NDLI giai đoạn 2007 – 2013 trong nghiên cứu của Li và cộng sự (2017) [72] ................................................................31
xi Hình 1.14. Kết quả phân loại đất trống bằng chỉ số BI khu vực thành phố Bắc Kinh (Trung Quốc) trong nghiên cứu của Lin và cộng sự (2005)[74] ..............................32 Hình 1.15. Mật độ bề mặt không thấm ở một số thành phố lớn trên thế giới [44] ...35 Hình 1.16. So sánh kết quả phân loại bề mặt không thấm bằng phương pháp MSMT_RF và một số bố dữ liệu khác [132] ............................................................36 Hình 1.17. Dự báo phân bố bề mặt không thấm khu vực Milwaukee, Wisconsin đến năm 2050 [73] ...........................................................................................................40 Hình 1.18. Biến động bề mặt không thấm khu vực thành phố Cần Thơ giai đoạn 2000 - 2020 [15] .................................................................................................................44 Hình 2.1. Vị trí địa lý Thành phố Hồ Chí Minh........................................................49 Hình 2.2. Gia tăng diện tích đất đô thị ở Thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 1990 – 2015 [130] .................................................................................................................53 Hình 2.3. Mô tả mối quan hệ tương quan giữa 2 lớp dữ liệu ....................................56 Hình 2.4. Chỉ số thực vật NDVI khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, chiết xuất từ dữ liệu ảnh Landsat 8 ngày 23/2/2020 ...........................................................................61 Hình 2.5. Kết quả xác định lớp dữ liệu mật độ che phủ thực vật khu vực Thành phố Hồ Chí Minh từ ảnh Landsat 8 ngày 23/2/2020........................................................61 Hình 2.6. Kết quả xác định lớp dữ liệu nhiệt độ bề mặt khu vực Thành phố Hồ Chí Minh từ ảnh vệ tinh Landsat ngày 23/2/2020 sau khi chuẩn hóa về thang giá trị 0-1 ...................................................................................................................................63 Hình 2.7. Lớp dữ liệu độ cao xây dựng từ CSDL nền địa lý quốc gia tỉ lệ 1:50 000 khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sau khi chuẩn hóa về thang giá trị 0-1 ................65 Hình 2.8. Lớp dữ liệu khoảng cách tới đường giao thông khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sau khi chuẩn hóa về thang giá trị 0-1 .............................................................66 Hình 2.9. Lớp dữ liệu khoảng cách tới đường giao thông khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sau khi được phân vùng ...................................................................................67
xii Hình 2.10. Lớp dữ liệu khoảng cách tới thủy hệ khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sau khi chuẩn hóa về thang giá trị 0-1 .............................................................................68 Hình 2.11. Lớp dữ liệu khoảng cách tới thủy hệ khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sau khi được phân vùng ...................................................................................................69 Hình 2.12. Lớp dữ liệu mật độ dân cư khu vực Thành phố Hồ Chí Minh Minh sau khi chuẩn hóa về thang giá trị 0-1 ...................................................................................71 Hình 2.13. Lớp dữ liệu khoảng cách tới công trình đặc biệt khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sau khi chuẩn hóa về thang giá trị 0-1 ......................................................72 Hình 2.14. Cơ sở khoa học thuật toán phân loại xác suất cực đại ............................74 Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý phân loại bằng thuật toán RF .......................................76 Hình 2.16. Nguyên lý hoạt động của thuật toán phân loại SVM ..............................76 Hình 2.17. Mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán phân loại CART ..................77 Hình 2.18. Định nghĩa vùng lân cận Moore và Neumann trong mô hình Cellular Automata hai chiều ...................................................................................................79 Hình 2.19. Kiến trúc của mạng nơ ron nhân tạo .......................................................81 Hình 2.20: Mô hình toán học của một nút xử lý trong mạng nơ ron nhân tạo .........82 Hình 2.21. Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu của mạng nơ ron nhân tạo ........................83 Hình 2.22. Mô tả hàm hồi quy Logistic ....................................................................85 Hình 2.23. Sơ đồ quy trình công nghệ xây dựng mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm từ dữ liệu viễn thám và GIS ..................................................................88 Hình 3.1. Ảnh vệ tinh Landsat TM ngày 11/2/2010 .................................................93 Hình 3.2. Ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI_TIRS ngày 9/02/2015 ...................................94 Hình 3.3. Ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI_TIRS ngày 23/2/2020 ...................................94 Hình 3.4. Chỉ số NDBI xác định từ ảnh Landsat năm 2010 .....................................95
xiii Hình 3.5. Chỉ số NDBI xác định từ ảnh Landsat năm 2015 .....................................96 Hình 3.6. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2010 bằng thuật toán RF ...................................................................................97 Hình 3.7. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2015 bằng thuật toán RF ...................................................................................99 Hình 3.8. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2010 bằng thuật toán SVM..............................................................................101 Hình 3.9. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2015 bằng thuật toán SVM..............................................................................103 Hình 3.10. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2010 bằng thuật toán CART............................................................................105 Hình 3.11. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2015 bằng thuật toán CART............................................................................107 Hình 3.12. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2010 bằng thuật toán Maximum Likelihood ...................................................109 Hình 3.13. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2015 bằng thuật toán Maximum Likelihood ...................................................111 Hình 3.14. So sánh độ chính xác phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh từ ảnh Landsat năm 2010 ..................................................................113 Hình 3.15. So sánh độ chính xác phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực thành phố Hồ Chí Minh từ ảnh Landsat năm 2015 ..................................................................114 Hình 3.16. Kết quả dự báo phân bố bề mặt không thấm năm 2020 khu vực Thành phố Hồ Chí Minh bằng mô hình CA kết hợp với thuật toán ANN ................................116 Hình 3.17. Kết quả dự báo phân bố bề mặt không thấm năm 2020 khu vực Thành phố Hồ Chí Minh bằng mô hình CA kết hợp với thuật toán hồi quy Logistic ..............118
xiv Hình 3.18. Kết quả phân loại lớp phủ/sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2020 bằng thuật toán RF .................................................................................119 Hình 3.19. Kết quả dự báo phân bố bề mặt không thấm khu vực thành phố Hồ Chí Minh năm 2025 bằng mô hình CA kết hợp với thuật toán ANN ............................121 Hình 3.20. Phân bố bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2025 bằng mô hình CA kết hợp với thuật toán ANN sau khi gộp các lớp ......................123 Hình 3.21. Bản đồ quy hoạch sử dụng đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2025 .........................................................................................................................124 Hình 3.22. Vị trí các điểm lấy mẫu nhằm so sánh kết quả dự báo phân bố bề mặt không thấm năm 2025 và bản đồ quy hoạch năm 2025 ..........................................125 Hình 3.23. Kết quả dự báo phân bố bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2030 bằng mô hình CA kết hợp với thuật toán ANN ............................127 Hình 3.24. Phân bố bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh năm 2030 bằng mô hình CA kết hợp với thuật toán ANN sau khi gộp các lớp ......................128 Hình 3.25. Biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh ........129 giai đoạn 2020 – 2025 .............................................................................................129 Hình 3.26. Biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh ........130 giai đoạn 2025 – 2030 .............................................................................................130
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bề mặt không thấm là các bề mặt do con người tạo ra, bao gồm các loại bề mặt ngăn chặn quá trình nước không thể xâm nhập vào đất, chẳng hạn như đường giao thông, vỉa hè, bãi đậu xe, mái nhà, v.v... Trong những năm gần đây, bề mặt không thấm đã nổi lên không chỉ là một chỉ số về mức độ đô thị hóa, mà còn là một chỉ số chính về chất lượng môi trường đô thị. Sự gia tăng bề mặt không thấm sẽ dẫn đến sự gia tăng về quy mô, thời gian và cường độ của dòng chảy trong đô thị. Gia tăng diện tích bề mặt không thấm sẽ tác động và gây ô nhiễm nguồn nước, bao gồm các tác nhân gây bệnh, các chất độc hại gây ô nhiễm nước mặt và nước ngầm. Ngoài ra, sự gia tăng này cũng sẽ làm giảm diện tích thảm thực vật trong các khu đô thị. Sự xuất hiện với mức độ dày đặc trên không gian của bề mặt không thấm có thể ảnh hưởng đáng kể đến khí hậu đô thị bằng cách thay đổi luồng nhiệt hợp lý và tiềm ẩn nguy cơ gây gia tăng nhiệt độ đô thị dẫn đến hiện tượng đảo nhiệt tại các đô thị [75], [123]. Do đó, thông tin các bản đồ phân bố không gian của khu vực bề mặt không thấm là thực sự cần thiết cho việc lập thiết kế, quy hoạch, quản lý và bảo vệ tài nguyên môi trường đô thị. Kỹ thuật viễn thám vệ tinh đã trở thành phương pháp ưu việt trong quan trắc, lập bản đồ phân bố và ước tính diện tích bề mặt không thấm do tính đa thời gian, đa phổ, đa nguồn dữ liệu và diện tích nghiên cứu trên khu vực rộng. Các nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã minh chứng được sự thành công của việc sử dụng phương pháp viễn thám là công cụ hữu hiệu cho việc chiết xuất thông tin về đặc điểm, sự phân bố và sự thay đổi của các bề mặt không thấm trong các khu đô thị. Đặc biệt, dữ liệu viễn thám đa thời gian có thể cho phép xác định sự thay đổi của các bề mặt không thấm trong những khoảng thời gian từ trong quá khứ cho đến hiện tại một cách hệ thống và có tính đồng nhất cao. Bên cạnh đó, công nghệ GIS với khả năng phân tích dữ liệu không gian mạnh cho phép định lượng, phân tích, mô hình hóa sự biến đổi của bề mặt không thấm để đưa ra xu thế, và có thể xác định được tốc độ của sự thay
2 đổi các yếu tố này và đưa ra được dự báo về bức tranh phát triển của các khu đô thị lớn trong tương lai. Mặc dù đã có một số nghiên cứu trong nước đề cập đến vấn đề này, tuy nhiên các nghiên cứu chỉ mới tập trung phân loại bề mặt không thấm từ ảnh viễn thám và xác định các biến động giữa các thời điểm khác nhau. Một số nghiên cứu cũng đánh giá mối quan hệ giữa sự thay đổi nhiệt độ bề mặt khu vực đô thị và sự gia tăng diện tích bề mặt không thấm bằng dữ liệu viễn thám và GIS, trong đó chứng minh rằng, sự gia tăng diện tích bề mặt không thấm là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự gia tăng nhiệt độ bề mặt đô thị. Cho đến nay, chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam sử dụng công nghệ viễn thám và GIS nhằm mô hình hóa sự biến động bề mặt không thấm và dự báo sự gia tăng bề mặt không thấm ở các đô thị về cả diện tích và không gian. Đặc biệt ở hai thành phố lớn của nước ta là thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, do quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ nên sự mở rộng diện tích bề mặt không thấm là nhanh nên ảnh hưởng rất lớn đến quá trình thoát nước bề mặt khi có lượng mưa lớn. Điều này gây ra hậu quả tiêu cực đến các hoạt động của con người và môi trường sống ở các đô thị lớn. Với thực trạng trên, nghiên cứu sinh đã đề xuất đề tài luận án “Nghiên cứu công nghệ viễn thám và GIS trong dự báo sự biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh”. Kết quả nhận được trong luận án nhằm áp dụng thử nghiệm tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, ngoài ra mô hình dự báo cũng có thể áp dụng cho các khu vực đô thị khác trong cả nước. Có thể nhận định, đề tài luận án được đề xuất có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và thể hiện sự cần thiết phải nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm lựa chọn được mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm trong tương lai tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng công nghệ viễn thám và Hệ thông tin địa lý kết hợp các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo.
3 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên, trong luận án tiến hành nghiên cứu các nội dung cụ thể sau:  Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: quá trình đô thị hóa ở Việt Nam, ảnh hưởng của sự gia tăng bề mặt không thấm đến môi trường đô thị, các phương pháp chiết xuất thông tin bề mặt không thấm từ dữ liệu viễn thám, tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về dự báo biến động bề mặt không thấm;  Cơ sở khoa học xây dựng mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm từ dữ liệu viễn thám và hệ thông tin địa lý;  Phân tích đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu;  Xây dựng các lớp dữ liệu đầu vào cho mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm;  Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong phân loại ảnh viễn thám; Thực nghiệm phân loại bề mặt không thấm từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat bằng các phương pháp khác nhau: phân loại truyền thống, phân loại dựa trên các kỹ thuật học máy. Lựa chọn phương pháp phân loại có độ chính xác cao nhất áp dụng cho khu vực nghiên cứu;  Thử nghiệm và lựa chọn mô hình, xây dựng bản đồ dự báo biến động bề mặt không thấm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh;  Phân tích, đánh giá kết quả. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là bề mặt không thấm và các mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm trên cơ sở kết hợp dữ liệu viễn thám, hệ thông tin địa lý và các kỹ thuật học máy. - Phạm vi khoa học của đề tài tập trung vào phân tích, đánh giá, thử nghiệm nhằm đề xuất được mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm phù hợp với điều kiện cụ thể khu vực nghiên cứu.
4 - Phạm vi không gian của đề tài là khu vực Thành phố Hồ Chí Minh. - Phạm vi thời gian: trong luận án sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat giai đoạn 2010 - 2020, bao gồm 03 cảnh ảnh năm 2010, 2015 và 2020 để mô hình hóa và dự báo biến động bề mặt không thấm các năm 2025, 2030. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp, phân tích và đánh giá các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý kết hợp phương pháp mô hình hóa trong xây dựng mô hình giám sát và dự báo biến động bề mặt không thấm; Phương pháp viễn thám: Xử lý dữ liệu ảnh viễn thám quang học Landsat đa thời gian trên nền tảng điện toán đám mây Google Earth Engine (GEE) nhằm chiết tách các lớp dữ liệu chuyên đề (nhiệt độ bề mặt, lớp phủ...) phục vụ phân loại bề mặt không thấm và xây dựng mô hình dự báo sự biến động bề mặt không thấm; Phương pháp GIS: sử dụng trong xây dựng các lớp dữ liệu chuyên đề (độ dốc, độ cao, bản đồ quy hoạch sử dụng đất, khoảng cách đến đường giao thông, khoảng cách đến hệ thống thủy văn...) và thành lập bản đồ hiện trạng, bản đồ dự báo biến động bề mặt không thấm khu vực thành phố Hồ Chí Minh; Phương pháp mô hình hóa: kết hợp sử dụng mô hình Cellular Automata và các kỹ thuật học máy (ANN, hồi quy Logistic) để mô hình hóa xu thế phát triển bề mặt đô thị. Quá trình thực hiện trên module MOLUSCE trong phần mềm QGIS 2.18; Phương pháp phân tích thống kê: sử dụng nhằm đánh giá tương quan giữa các lớp dữ liệu đầu vào và phân bố bề mặt không thấm trên cơ sở thuật toán Pearson trong phần mềm QGIS 2.18; Kỹ thuật lập trình: sử dụng ngôn ngữ lập trình Java trên nền tảng điện toán đám mây Google Earth Engine nhằm thu thập, tiền xử lý, xử lý dữ liệu viễn thám khu vực nghiên cứu. Xây dựng công cụ xử lý dữ liệu viễn thám và GIS trên nền tảng GEE phục vụ xây dựng mô hình giám sát và dự báo biến động bề mặt không thấm.