Xem mẫu
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
MÔ HÌNH HÓA SỬ DỤNG ĐẤT ĐAI ỨNG DỤNG HÀM LOGISTIC
Nguyễn Hữu Cƣờng, Nguyễn Hoàng Phƣợng Ly
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh,
236B Lê Văn Sỹ, phường 1, quận Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh
Email: nhcuong@hcmunre.edu.vn
TÓM TẮT
Các công trình nghiên cứu biến động sử dụng được công bố thành hai hướng chính: (i) Các mô
hình mô phỏng được xây dựng dựa trên tiếp cận của phương pháp tế bào tự động; (ii) Các mô hình
sử dụng ảnh viễn thám. Phương pháp này không thành công trong giải thích hành vi của con người
dẫn đến biến động sử dụng đất. Phương pháp phân tích thống kê với hàm logistic cho phép nghiên
cứu mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất và các yếu tố tác động, nó cho phép đánh giá biến
động cơ cấu sử dụng đất một cách chặt chẽ hơn và toàn diện hơn.
Từ khóa: Biến động sử dụng đất đai, mô hình hóa, đất nông nghiệp, hàm logistic.
1. GIỚI THIỆU
Do nhu cầu trong công tác lập quy hoạch sử dụng đất đai ngày càng đòi hỏi có độ tin cậy cao
và cần thiết phải dựa vào các cơ sở khoa học để ra quyết định, thay vì dựa vào kinh nghiệm thuần
túy của nhà quy hoạch. Do vậy, cần có thêm nhiều công cụ hỗ trợ song song với các phương pháp
đã và đang sử dụng. Trong đó, mô hình hóa biến động sử dụng đất đai bằng ngôn ngữ toán học đóng
vai trò quan trọng.
Hiện nay, các công trình nghiên cứu biến động sử dụng đất trên thế giới nói chung và Việt
Nam nói riêng thường được công bố thành hai hướng chính. (i) Các mô hình mô phỏng được xây
dựng dựa trên tiếp cận của phương pháp tế bào tự động (Cellular Automata). Tế bào tự động là một
mô hình toán học, trong đó hành vi của một hệ thống được tạo ra bởi một tập hợp các quy tắc xác
định hoặc xác suất để xác định trạng thái rời rạc của một tế bào dựa trên trạng thái của các tế bào
lân cận. Tuy nhiên, mô hình được giả định trên cảnh quan đơn giản với tương tác của các yếu tố
không đồng nhất khác như quy hoạch, trung tâm việc làm, các yếu tố môi trường. Mô hình chưa
phân tích được phản ứng của người sử dụng đất với những thay đổi trong chế độ chính sách. (ii)
Các mô hình sử dụng ảnh viễn thám. Phương pháp này không thành công trong giải thích hành vi
của con người dẫn đến biến động sử dụng đất. Verburg and Veldkamp (2001) cho rằng, một phương
pháp nghiên cứu duy nhất không đủ để đáp ứng cho phân tích biến động sử dụng đất. Thay vào đó,
cần một chuỗi các phương pháp được liên kết và tích hợp chặt chẽ theo tuần tự không gian và thời
gian. Theo Muller and Munroe (2007), ngoài việc sử dụng mô hình và các trường hợp nghiên cứu
để kiểm chứng sự thay đổi sử dụng đất thì phân tích thống kê là công cụ mạnh do khả năng kiểm
định giả thuyết, xếp hạng các yếu tố, kiểm tra tính nghiêm ngặt của giả thuyết. Tuy nhiên quá trình
xử lý đòi hỏi kết hợp dữ liệu không gian, thời gian và cấp độ phân tích vì vậy nó vẫn còn những trở
ngại và thách thức để đạt được kết quả tốt nhất.
Sự tích hợp các phương pháp phân tích thống kê, phân tích không gian và mô hình hóa không
gian là một giải pháp mới trong nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất và các yếu tố
tác động, nó cho phép đánh giá biến động cơ cấu sử dụng đất một cách chặt chẽ hơn và toàn diện
hơn. Qua đó, có thể giám sát hiệu quả hơn sự biến động sử dụng đất theo không gian và thời gian,
301
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
xác định chính xác nguyên nhân và đặc biệt là lượng hóa được ảnh hưởng của các yếu tố đến cơ cấu
biến động sử dụng đất.
2. CÁC TIẾP CẬN LÝ THUYẾT VỀ SỬ DỤNG ĐẤT ĐAI VÀ TRIỂN VỌNG
MÔ HÌNH HÓA
Trong các nghiên cứu về sử dụng đất đai, các học giả đã dựa trên những cách tiếp cận lý thuyết
khác nhau. Nhóm lý thuyết kinh tế vùng và đô thị truyền thống và nhóm lý thuyết xã hội học truyền
thống chiếm ưu thế trong các nghiên cứu.
Với cách tiếp cận kinh tế truyền thống, trọng tâm được đặt lên những quyết định kinh tế hợp
lý, hay nói cách khác - sự tối đa hóa lợi ích. Vào đầu thế kỷ 19, Von Thunen (1826) lý giải vị trí đất
nông nghiệp phụ thuộc vào khoảng cách đến trung tâm và giá đất. Theo ông, cường độ nông nghiệp
giảm dần khi tăng khoảng cách đến trung tâm. Cách giải thích này là nền tảng cho các lý giải về
việc sử dụng đất đai trong mối quan hệ với các điều kiện tự nhiên - xã hội. Mô hình của Von
Thunen dựa trên những điều kiện đồng nhất ban đầu ở tất cả mọi vị trí nên có hình dạng những
vòng tròn đồng tâm - trung tâm thị trường. Sau đó mô hình được điều chỉnh, đưa vào sự khác biệt
về năng suất đất đai, giá cả, giao thông vận tải, chi phí và nhiều trung tâm, làm cho sự phân tích trở
nên phức tạp hơn nhưng về cơ bản vẫn dựa trên chi phí vận chuyển. Các nghiên cứu khác đã được
phát triển trên nền tảng mô hình Von Thunen ở những phạm vi đa dạng hơn. Trong sử dụng đất đai
đô thị, Alonso (1964) lý giải cấu trúc đô thị dựa trên khái niệm chức năng thầu thuê (bid-rent
function) cho mỗi đối tượng sử dụng đất. Tuy nhiên, lý thuyết Alonso chỉ lý giải cấu trúc đô thị dựa
trên giả định đơn cực (một trung tâm duy nhất). Do đó không phân tích và lý giải được các mối
quan hệ cho sự phát triển của các đô thị hiện đại. Với những nghiên cứu hiện đại, Paul Krugman
(1979) cho rằng các đối tượng sử dụng đất có xu hướng xác định vị trí sản xuất của mình ở những
nơi trung tâm đông đúc dân cư và vốn, vì tận dụng được lợi thế nhờ quy mô. Tuy nhiên, tập trung
hóa vốn và lao động không phải là khả năng duy nhất. Sự hạn chế tập trung hóa chính là ở chi phí
vận chuyển. Chi phí vận chuyển tới người tiêu dùng sẽ cao nếu như các hãng tập trung hóa ở một
khu vực nhất định trong quốc gia. Do đó, quyết định lựa chọn địa điểm sản xuất của các hãng phụ
thuộc vào tương quan giữa việc tận dụng lợi thế quy mô và việc tiết kiệm chi phí vận chuyển. Giảm
chi phí vận chuyển sẽ dẫn tới quá trình tập trung hóa và đô thị hóa.
Cách tiếp cận xã hội học truyền thống nhấn mạnh tầm quan trọng các ảnh hưởng xã hội, nhận
thức và các yếu tố cảm xúc trong việc lựa chọn không gian. Theo cách tiếp cận sinh thái thì “các
thành phố là những biểu hiện bên ngoài của quá trình cạnh tranh không gian và sự thích nghi của
các nhóm xã hội tương ứng với các cuộc đấu tranh sinh thái thích ứng môi trường được tìm thấy
trong thiên nhiên” (Cooke 1983). Các trạng thái cân bằng về không gian tại mỗi thời điểm được
hình thành từ các cuộc đấu tranh cho sự sống còn của các cộng đồng khác nhau, nơi mạnh nhất
chiếm những vị trí tốt nhất, trong khi phần yếu hơn chiếm không gian còn lại. Không gian luôn thay
đổi do các đối tượng luôn chuyển từ cộng đồng này sang cộng đồng khác. Mô hình vùng đồng tâm
(Burgess, 1925) mô tả cách tiếp cận này: trung tâm là vùng thương mại, dịch vụ; lần lượt tiếp theo
là các vùng dành cho dân cư nghèo, vùng cho công nhân, vùng dân cư cao cấp và ngoài cùng là
vùng dành cho phát triển đô thị và vệ tinh.
Cũng theo cách tiếp cận xã hội học, trường phái Berkeley (Melvin Webber, Donald Foley và
Stuart Chapin) giải thích “cấu trúc không gian là một sự phản ánh của cấu trúc xã hội và chuẩn mực
xã hội mới làm phát sinh thay đổi dạng không gian”. Lý thuyết cấu trúc đô thị Foley xây dựng dựa
trên khuôn khổ trật tự Talcott Parsons “đời sống xã hội là có cấu trúc và bao gồm 4 hệ thống: xã
hội, văn hóa, nhân cách và các hệ thống vật lý (Foley 1964, Cooke 1983). Các hệ thống này có mối
302
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
quan hệ đặc biệt với nhau mà trọng tâm là dựa trên các chuẩn mực xã hội. Các chuẩn mực này là
trừu tượng nhưng về cơ bản biểu hiện qua cấu trúc không gian. Webber, người đưa ra khái niệm
“cộng đồng mà không cần sự ở gần”, đã có những đóng góp giải thích không gian không những
trong một cộng đồng dân cư (đô thị) mà còn trên một phạm vi rộng lớn. Sự phát triển của công nghệ
thông tin đã “giải phóng cơ cấu không gian từ những khó khăn về địa điểm dưới tác dụng bởi các
mô hình liên kết địa phương và báo hiệu sự xuất hiện của một sự phát triển không gian vô sắc”.
Phương pháp tiếp cận cấu trúc thể chế nổi lên như một sự phản ứng với cách tiếp cận duy tâm
dựa vào hành vi con người để giải thích sự hình thành, vận động của không gian đô thị. Trường phái
này lý giải việc ra một hành vi quyết định lựa chọn không gian phải dựa trên sức mạnh ràng buộc.
Do đó, “phân tích các mô hình không gian phải được dựa vào nền kinh tế chính trị có liên quan”
(Johnston, 1982). Cách tiếp cận này tập trung vào phương thức sản xuất và ảnh hưởng của nó đến
cấu trúc không gian mà trong đó Nhà nước đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các xung
đột trong quá trình tích lũy vốn. Castells (1977) cho rằng có quyền tự chủ tương đối giữa ba cấp độ
(nền kinh tế, Nhà nước và hệ tư tưởng) và mối quan hệ giữa chúng ảnh hưởng đến cấu trúc không
gian đô thị. Các biểu hiện không gian của các nền kinh tế bao gồm: (a) không gian sản xuất - công
nghiệp và văn phòng, (b) không gian tiêu thụ - dịch vụ nhà ở và phúc lợi xã hội và (c) không gian
trao đổi - giao thông vận tải và mạng lưới thông tin liên lạc. Nhà nước cung cấp các dịch vụ cho tập
thể thông qua hệ thống kế hoạch của mình và kiểm soát chúng bằng cấu trúc không gian đô thị.
Lý thuyết vị thế, chất lượng và sự lựa chọn khác (Phê, 2000) đã “cố gắng giải quyết sự khác
biệt giữa các cách tiếp cận thị trường và phi thị trường, bằng cách đưa ra một hệ thống lập luận linh
hoạt hơn. Nó dựa trên các cơ sở xã hội của việc phân bố vị trí dân cư, được coi là có khả năng đưa
ra cách giải thích phù hợp hơn”. Theo đó, sự thay đổi cấu trúc không gian đô thị, đặc biệt các khu
dân cư, có thể xem như là “một sự chuyển dịch đồng thời dọc theo hai chiều, một chiều chứa đựng
những biến động lịch sử, trong khi chiều kia thể hiện đặc tính tương đối bền vững của môi trường
vật chất. Đó là vị thế nơi ở và chất lượng nhà ở”. Cách tiếp cận này đưa ra mô hình các khu dân cư
trong đô thị là những vành đai đồng tâm - một hay nhiều cực vị thế. Các vành đai này được tạo ra
bởi sự lựa chọn giữa vị thế mong muốn và chất lượng nhà ở phù hợp. Cách lý giải này thoạt đầu
nghĩ rằng dựa vào cách tiếp cận kinh tế truyền thống - dựa vào điểm trung tâm nhưng khi phân tích
sẽ thấy rõ sự khác biệt. Sự không tương đồng này chính là sự khác nhau về “vị trí trung tâm” - một
đại lượng được xem là bất biến và “vị thế trung tâm” - các yếu tố tạo nên trung tâm. Do đó, khi có
sự thay đổi trong xã hội thì các trung tâm sẽ dịch chuyển và kết quả là cấu trúc không gian cũng
biến đổi.
Mỗi lý thuyết, theo cách tiếp cận của mình, đều có những giá trị giải thích và kèm theo là
những thiếu sót. Theo đó, mỗi lý thuyết đều làm sáng tỏ một khía cạnh nào đó trong việc phân tích
mối quan hệ phức tạp giữa các yếu tố ảnh hưởng và kết quả về không gian. Sự khác nhau này không
những bắt nguồn từ các cách tiếp cận (kinh tế - xã hội, thể chế,…) mà còn ở quy mô không gian,
thời gian, tính đặc thù cho mỗi vùng miền. Ở cấp độ cao, lý thuyết giải thích mang tính trừu tượng
và để mô tả cơ chế hình thành, thay đổi (mô hình hóa) cũng là một thách thức. Do đó, triển vọng lựa
chọn cách tiếp cận/lý thuyết để mô hình hóa cần phải dựa trên các yếu tố: a) khả năng giải thích một
cách toàn diện sự thay đổi sử dụng đất và các yếu tố của nó theo các cấp độ không gian và thời gian,
b) tính khả thi xây dựng mô hình.
Các cách tiếp cận kinh tế học và xã hội học giải thích cấu trúc không gian dựa trên những luận
điểm mang tính bác bỏ lẫn nhau. Mặc dù cách tiếp cận kinh tế truyền thống mang tính cổ điển với
giả thiết hành vi con người là hoàn hảo, đối lập với cách tiếp cận còn lại, hành vi mỗi cá nhân, hay
rộng hơn mỗi tầng lớp, là khác nhau nhưng không thể phủ nhận những đóng góp về phương pháp
luận của cả hai. Vẫn biết rằng, việc đòi hỏi tồn tại một lý thuyết hoàn hảo là viển vông nhưng việc
303
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
lựa chọn một lý thuyết mang tính khả thi cao nhất là điều không thể không làm được. Lý thuyết vị
thế, chất lượng và sự lựa chọn khác với lập luận tiến bộ và linh hoạt, một mặt, bổ sung cho cách tiếp
cận kinh tế truyền thống với việc thay thế khái niệm vị trí trung tâm bằng các yếu tố tạo vị thế, mặt
khác, dựa trên các cơ sở xã hội để giải thích cấu trúc không gian. Trong lý thuyết ngoài tham số
chất lượng bao gồm các các yếu tố vật lý có thể đo đếm được thì việc lượng hóa yếu tố vị thế, được
định nghĩa “là một hình thức đo sự mong muốn về mặt xã hội gắn với nhà ở tại một địa điểm xác
định”, là điều đáng quan tâm. Với những cách tính toán hiện nay, việc lượng hóa tham số vị thế có
thể được thực hiện “thông qua việc ước tính một biến đại diện, bằng một quá trình sắp xếp thứ tự
hoặc bằng cách ước tính các giá cả suy ra của các thuộc tính liên quan tới vị thế, thông qua nhiều kỹ
thuật hồi quy khác nhau”.
3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LOGISTIC TRONG MÔ HÌNH HÓA BIẾN ĐỘNG
SỬ DỤNG ĐẤT ĐAI
Trong nghiên cứu, biến động sử dụng đất nghĩa là sự thay thế loại hình sử dụng này bằng loại
hình sử dụng đất khác. Các nghiên cứu thay đổi sử dụng đất thường xoay quanh câu hỏi trọng tâm
về mối quan hệ giữa sử dụng đất và các yếu tố làm thay đổi sử dụng đất. Thay đổi sử dụng đất bị tác
động bởi rất nhiều nhân tố có nguồn gốc khác nhau: yếu tố tự nhiên, phạm vi địa lý, thời gian và
cường độ. Các yếu tố ảnh hưởng tới biến động sử dụng đất có thể được phân chia thành hai loại:
- Nhân tố tác động của môi trường tự nhiên như khí hậu, thủy văn, thổ nhưỡng.
- Nhân tố tác động của con người như dân số, công nghệ, hệ thống chính trị và kinh tế, văn hóa
và tôn giáo, yếu tố dân tộc.
Như vậy, có thể thấy rằng thay đổi sử dụng đất là kết quả của hoạt động kinh tế - xã hội và
điều kiện tự nhiên trong quá trình khai thác, sử dụng của con người.
Để thấy rõ mối quan hệ tương hỗ giữa thay đổi sử dụng đất và các yếu tố ảnh hưởng, sử dụng
phương pháp truyền thống, đó là sử dụng phân tích tương quan và hàm hồi quy, nhờ phương pháp
này, hệ thống phức tạp với nhiều mối quan hệ qua lại, kết hợp với sự phụ thuộc vào cấp độ rất khó
mô tả một cách tổng quát nhưng có thể lượng hoá được.
Trong các phương pháp phân tích, mô hình hóa không gian thì hồi quy logistic thường được áp
dụng. Hồi quy logistic là phương pháp áp dụng cho những trường hợp biến phụ thuộc (Y) có kết
quả nhị phân. Trong hồi quy logistic, các biến độc lập X được sử dụng để xây dựng một phương
trình toán học có thể dự báo khả năng mà các biến Y có xác suất bằng 1.
Ln [ ] = B0 + B1X1 + B2X2 +...+ BiXi
Trong đó:
P (Y = 0) = P0: Xác suất xảy ra sự kiện.
P (Y = 1) = 1- P0: Xác xuất không xảy ra sự kiện.
Trong nghiên cứu biến động sử dụng đất, “sự kiện” tương ứng với “có biến đổi sử dụng đất”
và “không biến đổi sử dụng đất”.
Các biến độc lập Xi là các yếu tố tự nhiên, kinh tế - xã hội ảnh hưởng đến biến động sử dụng
đất (địa hình, địa chất, khoảng cách đến đường, giá đất,…).
Trong hồi quy logistic sử dụng phương pháp xác suất cực đại (maximum likelihood) để ước
tính các tham số của phương trình hồi quy nhằm cho giá trị tối đa hóa khả năng của các biến quan
304
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
sát. Độ phù hợp của mô hình được xác định thông qua R- squared (kí hiệu là R2) có giá trị trong
khoảng từ 0 đến 1.
Quy trình ứng dụng mô hình Logistic tích hợp với GIS để mô hình hóa biến động sử dụng đất
đai được thể hiện theo sơ đồ 1.
Bản đồ biến động sử
dụng đất đai
Biến phụ thuộc Biến độc lập
Lấy mẫu trong GIS
Phân tích hồi quy
logistic
Bản đồ tiềm năng Nhu cầu sử
chuyển đổi dụng đất
Bản đồ dự báo
biến động
Hình 1. Ứng dụng mô hình Logistic mô hình hóa biến động sử dụng đất đai.
Để có thể sử dụng được hàm hồi quy, việc trước tiên là phải tạo một bộ số liệu phù hợp. Tất cả
các bản đồ và số liệu được chuyển sang cấp ô lưới, tức là trên mỗi ô sẽ chứa đủ thông tin: loại sử
dụng đất, mật độ dân số, độ cao, độ dốc, khả năng tiếp cận,… Biến phụ thuộc trong phân tích là các
loại sử dụng đất khác nhau. Do đó biến phụ thuộc được biểu thị bằng số 1 (có) hoặc số 0 (không có)
trong mỗi ô lưới.
4. KẾT LUẬN
Để thấy rõ mối quan hệ tương hỗ giữa thay đổi sử dụng đất và các yếu tố ảnh hưởng chúng ta
sử dụng phân tích tương quan và hàm hồi quy logistic. Nhờ phương pháp này, hệ thống phức tạp
với nhiều mối quan hệ qua lại, kết hợp với sự phụ thuộc vào cấp độ rất khó mô tả một cách tổng
quát nhưng có thể lượng hoá được.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Veldkamp, Lambin (2001) - Editorial predicting land-use change, Agriculture, Ecosystems and
Environment, 1-6.
305
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
2. Azadi, H Ho, P Hasfiati (2011) - Agricultural land conversion drivers: A comparison between
less developed, developing and developed countries, Land Degradation & Development, 22 (6),
596-604.
3. Castella, Jean-Christophe, Pheng Kam Suan, Dinh Quang Dang, Verburg Peter H, Thai Hoanh
Chu (2007) - Combining top-down and bottom-up modelling approaches of land use/cover
change to support public policies: Application to sustainable management of natural resources
in northern Vietnam, Land Use Policy, 24 (3), 531-545.
4. E. F. Lambin, H. J. Geist, E Lepers (2003) - Dynamics of Land-Use and Land- cover change in
tropical regions, Annual Review of Environment and Resources, 28(1), 205-241.
5. P. H. Verburg, A. Veldkamp (2001) - The role of spatially explicit models in land-use change
research: a case study for cropping patterns in China, Agriculture Ecosystems and
Environment, 85, 177-190.
MODELLING LAND USE CHANGE USING LOGISTIC REGRESSION
Nguyen Huu Cuong, Nguyen Hoang Phuong Ly
Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment,
236B Le Van Sy, Ward 1, Tan Binh district, Ho Chi Minh city
Email: nhcuong@hcmunre.edu.vn
ABSTRACT
Studies about land use change are published in two main directions: (i) Simulation models are
based on the approach of cellular automation methods; (ii) Models using remote sensing images.
This method fails to explain human behavior that affects land use change. Statistical analysis
method with logistic function allows to study the relationship between land use change and impact
factors, which allows to assess change of land use structure in total.
Keywords: Land use change, modelling, agricultural land, logistic regression.
306
nguon tai.lieu . vn
