Luận án Nghiên cứu hình thái đô thị Hà Nội phục vụ định hướng qui hoạch dưới sự trợ giúp của viễn thám và GIS

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu hình thái đô thị Hà Nội phục vụ định hướng qui hoạch dưới sự trợ giúp của viễn thám và GIS

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THỊ MINH PHƯƠNG Nghiên Cứu Hình Thái Đô Thị Hà Nội Phục Vụ Định Hướng Qui Hoạch Dưới Sự Trợ Giúp Của Viễn Thám Và GIS Chuyên ngành : Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số : 62 44 02 14 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Phạm Văn Cự 2. TS. Đinh Thị Bảo Hoa HÀ NỘI - 2014
2. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận án “Nghiên cứu hình thái đô thị Hà Nội phục vụ định hướng qui hoạch dưới sự trợ giúp của viễn thám và hệ thông tin địa lý” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày .. tháng .. năm 2014 Tác giả luận án Lê Thị Minh Phương Lê Thị Minh Phương i
3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Phạm Văn Cự và TS. Đinh Thị Bảo Hoa, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận án. Với những lời chỉ dẫn, những tài liệu, sự tận tình hướng dẫn và những lời động viên của Thầy Cô đã giúp tôi vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Khoa Địa lý, Bộ môn Bản đồ Viễn thám và Trung tâm ICARGC đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình làm NCS. Tôi xin cảm ơn trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian cho tôi học NCS. Luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài " Tiếp cận không gian và các phương pháp định lượng áp dụng vào nghiên cứu hình thái phát triển đô thị Hà Nội" do NAFOSTED tài trợ và do PGS.TS Phạm Văn Cự chủ trì. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Bộ môn Bản đồ Viễn thám, các bạn đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến để luận án được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày .. tháng .. năm.......... Tác giả luận án Lê Thị Minh Phương ii
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu .......................................................................... 2 3. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 3 4. Những điểm mới của Luận án ................................................................................ 4 5. Luận điểm bảo vệ .................................................................................................... 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................ 5 7. Cơ sở tài liệu ........................................................................................................... 5 8. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 5 Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI ĐÔ THỊ ....................................................................................................................... 7 1.1. Tổng quan nghiên cứu hình thái đô thị ................................................................ 7 1.2. Điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu ........................... 24 1.3. Đất đô thị trong nghiên cứu hình thái khu vực Hà Nội ...................................... 29 1.4. Qui hoạch đô thị, định hướng qui hoạch đô thị Hà Nội qua các thời kì ................. 31 1.5. Vai trò của hình thái đô thị trong định hướng qui hoạch và quản lí đô thị ........ 44 1.6. Viễn thám, GIS và các chỉ số không gian trong nghiên cứu hình thái đô thị .... 46 1.7. Phương pháp và qui trình nghiên cứu ................................................................ 53 Chương 2: SỬ DỤNG VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI ĐÔ THỊ HÀ NỘI ............................................................................................................. 58 2.1. Tiếp cận phân loại định hướng đối tượng .......................................................... 58 2.2. Phân loại định hướng đối tượng ......................................................................... 59 2.3. Phân loại đất đô thị khu vực Hà Nội theo phương pháp phân loại định hướng đối tượng ................................................................................................................... 66 2.4. Đánh giá độ chính xác kết quả phân loại ........................................................... 78 Chương 3: TÍNH TOÁN CÁC CHỈ SỐ KHÔNG GIAN HÌNH THÁI ĐÔ THỊ HÀ NỘI ........................................................................................................ 88 3.1. Lựa chọn chỉ số không gian phân tích hình thái đô thị ................................. 88 iii
5. 3.2. Nhóm chỉ số không gian trong nghiên cứu hình thái đô thị Hà Nội .................. 94 3.3. Xử lí tính toán các chỉ số không gian trên kết quả phân loại ảnh .......................... 102 Chương 4: HÌNH THÁI ĐÔ THỊ HÀ NỘI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐÔ THỊ HÓA HÀ NỘI ........................................................................................... 115 4.1. Ảnh hưởng của vành đai giao thông và các trục giao thông chính đến quá trình đô thị hóa Hà Nội .................................................................................................... 115 4.2. Ảnh hưởng của khoảng cách đến trung tâm thành phố lên quá trình đô thị hóa Hà Nội ..................................................................................................................... 120 4.3. Ảnh hưởng của việc chuyển đổi ranh giới và nâng cấp hành chính đến quá trình đô thị hóa Hà Nội .................................................................................................... 124 4.4. Hình thái và qui luật phát triển hình thái đô thị Hà Nội .................................. 137 4.5. Dự báo xu hướng phát triển hình thái đô thị Hà Nội đến năm 2030 phục vụ công tác định hướng qui hoạch ............................................................................... 143 KẾT LUẬN 146 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ..149 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 150 iv
6. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AWMPF : Chiều Fractal của mảnh CA : Diện tích đất đô thị CBD : Trung tâm hành chính và thương mại của thành phố CSTT : Cơ sở tri thức ED : Chỉ số mật độ cạnh F : Hình học Fractal FD : Chiều Fractal GIS : Hệ thông tin địa lý IJI : Mức độ liền kề giữa các mảnh LPI : Chỉ số mảnh lớn nhất LSI : chỉ số hình dạng cảnh quan NCS : Nghiên cứu sinh NP : Số lượng mảnh NDVI : Chỉ số thực vật PD : Mật độ mảnh TCN : Trước công nguyên %LAND : Phần trăm cảnh quan PSSD : Kích thước độ lệch chuẩn mảnh v
7. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh các thông số khi phân loại dựa trên pixel và định hướng đối tượng ..... 49 Bảng 1.2. Các nhóm chỉ số Fragstats ........................................................................ 53 Bảng 2.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh khu vực Hà Nội ......................................................... 66 Bảng 2.2. Các lớp trong phân loại ảnh vệ tinh khu vực Hà Nội ............................... 69 Bảng 2.3. Kết quả khảo sát tại các khu vực nghiên cứu ........................................... 71 Bảng 2.4. Các chỉ số tham gia vào quá trình phân loại ............................................. 74 Bảng 2.5. Các yếu tố kỹ thuật và bộ qui tắc khi phân loại định hướng đối tượng ảnh vệ tinh ........................................................................................................................ 76 Bảng 2.6. Ma trận sai lẫn .......................................................................................... 81 Bảng 2.7. Giá trị số Kappa ........................................................................................ 84 Bảng 2.8. Hệ số Kappa kết quả phân loại ảnh đô thị Hà Nội ................................... 86 Bảng 3.1. Bảng so sánh các chỉ số không gian. ...................................................... 100 Bảng 3.2. Nhóm các quận huyện có cùng trạng thái............................................... 111 Bảng 3.3. Thông tin các quận mới thành lập trong giai đoạn nghiên cứu ....................... 112 Bảng 4.1. Chỉ số không gian của vành đai giao thông và các trục giao thông chính ..... 118 Bảng 4.2. Các chỉ số không gian khu vực cách điểm trung tâm 1km ..................... 121 Bảng 4.3.Các chỉ số không gian tại khu vực cách điểm trung tâm 3 km ................ 122 Bảng 4.4. Các chỉ số không gian khu vực cách điểm trung tâm 8km ..................... 123 Bảng 4.5. Các chỉ số không gian (CA,NP,LPI) c ủa các quận Hà Nội các quận năm 1993 .................................................................................................... 125 Bảng 4.6. Các chỉ số IIJ,ED,PD của các quận không có thay đổi .......................... 127 Bảng 4.7. Chỉ số CA, NP, LPI của các quận có thay đổi chức năng hành chính ... 128 Bảng 4.8. Chỉ số IJI,ED,PD của các quận có sự thay đổi chức năng hành chính ... 133 Bảng 4.9. Chỉ số CA, NP, LPI tại các huyện Hà Nội ............................................. 135 Bảng 4.10. Chỉ số IJI, ED, PD các huyện Hà Nội .................................................. 136 Bảng 4.11. Các chỉ số không gian khu vực Hà Nội ................................................ 139 vi
8. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 4 Hình 1.1.(a) Thành phố Mile - Hy Lạp mang đặc điểm thế kỉ V- TCN; (b) Thành phố Timgad truyền thống của đô thị cổ La Mã . ....................................................... 10 Hình 1.1.c. Mô hình thành phố Milano, Christinopolis, Neufbrisach theo dạng hình tròn .................................................................................................................. 10 Hình 1.3.(a) Quy hoạch thành phố Brasillia, (b) Quy hoạch thành phố Chandigarh, (c) Mô hình thành phố tuyến tính ............................................................................. 11 Hình 1.4. Thuyết vùng đồng tâm ............................................................................. 12 Hình 1.5. Thuyết khu vực ........................................................................................ 13 Hình 1.6. Thuyết đa nhân .......................................................................................... 14 Hình 1.7. Vành đai Luân Đôn của Patrick Abercrombie (1994) ............................. 15 Hình 1.8. Phương án Luân Đôn và các thành phố vệ tinh (1946) ............................ 15 Hình 1.9. Phương án phát triển không gian thành phố Mátxcơva của G.Bkrasin (1930) .. 16 Hình 1.10. Phương án phát triển không gian thành phố Mátxcơva của V.V.Kratju. 16 Hình 1.11. Mặt bằng phát triển Mátxcơva của G.E.Misenko .................................. 17 Hình 1.12. Sơ đồ các mô hình phát triển hệ thống dân cư đô thị ............................. 18 Hình 1.13. Các giai đoạn phát triển đô thị hóa tương ứng với các bước tăng trưởng kinh tế, tăng trưởng GDP/người. ............................................................................... 19 Hình 1.14. Sơ đồ quy hoạch Hà Nội thời kỳ 1956-1960 ......................................... 36 Hình 1.15. Sơ đồ quy hoạch chung thủ đô Hà Nội thời kỳ 1960-1964 ................... 38 Hình 1.16. Sơ đồ quy hoạch chung thủ đô Hà Nội thời kỳ 1968-1974 ................... 39 Hình 1.17. Sơ đồ quy hoạch chung thủ đô Hà Nội đến năm 2000 .......................... 40 Hình 1.18. Sơ đồ quy hoạch chung thủ đô Hà Nội đến năm 2010 .......................... 42 Hình 1.19. Sơ đồ quy hoạch chung Hà Nội đến năm 2020 ...................................... 43 Hình 1.20. Sơ đồ nghiên cứu chi tiết (1) ................................................................... 56 Hình 2.1. Phân cấp đối tượng và các mức liên kết .................................................... 60 Hình 2.2. Lựa chọn tỉ lệ khi phân mảnh ảnh (segment) ............................................ 61 Hình 2.3. Bối cảnh xác định phân loại đối tượng ảnh ............................................... 62 vii
9. Hình 2.4. Sự lẫn phổ và thông tin chưa trong một pixel (MicroImage Inc. 2004) ... 63 Hình 2.5. Quan hệ topo và khái niệm khoảng cách .................................................. 65 Hình 2.6. Sơ đồ qui trình phân loại ảnh vệ tinh theo phương pháp phân loại định hướng đối tượng ........................................................................................................ 67 Hình 2.7. Tăng cường chất lượng ảnh khu vực Hà Nội (chế độ Histogram) ............ 68 Hình 2.8. Vị trí các khu vực khảo sát ........................................................................ 70 Hình 2.9. Kết quả phân mảnh khi thay đổi các tham số ........................................... 71 Hình 2.10. Qui trình phân loại đất đô thị .................................................................. 72 Hình 2.11. Qui trình phân loại đất nông nghiệp, thực vật; mặt nước ....................... 73 Hình 2.12. Dùng chỉ số khoảng cách để tăng cường hỗ trợ việc lập bộ qui tắc và giải đoán ảnh .................................................................................................................... 75 Hình 2.13. Thiết lập bộ qui tắc trong phân loại ảnh Landsat 1993 ........................... 77 Hình 2.14. Kết quả phân loại đất đô thị trên ảnh viễn thám khu vực Hà Nội ........... 78 Hình 2.15a. Mẫu ngẫu nhiên ..................................................................................... 80 Hình 2.15b. Mẫu có hệ thống .................................................................................... 80 Hình 2.15c. Mẫu phân tầng ngẫu nhiên .................................................................... 80 Hình 2.15d. Mẫu phân tầng hệ thống không sắp xếp ................................................ 80 Hình 2.15e. Mẫu theo cụm ........................................................................................ 81 Hình 2.16. Một số hình ảnh trong quá trình kiểm định ............................................. 85 Hình 2.17. Các tuyến khảo sát thực địa .................................................................... 86 Hình 3.1. Mối liên hệ và mô hình hóa các không gian đô thị .................................. 89 Hình 3.2. Khảo sát lựa chọn chỉ số không gian trên kết quả phân loại ..................... 93 Hình 3.3. Chỉ số tổng diện tích đất đô thị (CA) ....................................................... 94 Hình 3.4. Số lượng mảnh đô thị ............................................................................... 95 Hình 3.5. Chỉ số mật độ mảnh .................................................................................. 96 Hình 3.6. Chỉ số mảnh lớn nhất ............................................................................... 97 Hình 3.7. Chỉ số thể hiện mức độ liền kề .................................................................. 98 Hình 3.8. Chỉ số mật độ cạnh .................................................................................... 99 Hình 3.9. Tính toán các chỉ số không gian tại các qui mô nghiên cứu ................... 103 viii
10. Hình 3.10. Sơ đồ tính toán trong phần mềm Fragstats............................................ 104 Hình 3.11. Vành đai giao thông và các trục giao thông chính ................................ 107 Hình 3.12. Khoảng cách đến điểm trung tâm Hồ Gươm ........................................ 108 Hình 3.13. Mối quan hệ giữa hình thái đô thị hóa và thay đổi chức năng hành chính ... 111 Hình 3.14. Các quận huyện của Hà Nội .................................................................. 113 Hình 4.1. Đất đô thị mở rộng theo đường giao thông ............................................. 115 Hình 4.2. Chỉ số CA quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính ...... 118 Hình 4.4.a. Thay đổi chỉ số LPI, ED, IJI quanh vành đai giao thông ..................... 119 và các trục giao thông chính.................................................................................... 119 Hình 4.4.b. Biến đổi hình thái tại các quận (phường - phường) tại Hà Nội ........... 125 Hình 4.5. Chỉ số CA tại các quận có trạng thái phường-phường ............................ 126 Hình 4.6. Biến đổi hình thái tại các quận mới (xã - phường) tại Hà Nội ................ 129 Hình 4.7.Thay đổi diện tích đất đô thị tại các quận, huyện Hà Nội ........................ 130 Hình 4.8. Chỉ số LPI tại các quận, huyện có trạng thái xã - phường ...................... 132 Hình 4.9. Biến đổi hình thái tại các huyện (xã - xã) tại Hà Nội ............................. 134 Hình 4.10. Thay đổi diện tích đất đô thị tại các huyện Hà Nội .............................. 135 Hình 4.11. Chỉ số CA khu vực Hà Nội ................................................................... 138 Hình 4.12. Thay đổi số lượng mảnh đô thị khu vực Hà Nội ................................... 139 Hình 4.13. Sơ đồ lan tỏa đất đô thị Hà Nội giai đoạn 1993-2012 ........................... 140 Hình 4.14. Bản đồ hình thái đô thị thành phố Hà Nội 1993 Hình 4.15. Bản đồ hình thái đô thị thành phố Hà Nội 2000 Hình 4.16. Bản đồ hình thái đô thị thành phố Hà Nội 2007 Hình 4.17. Bản đồ hình thái đô thị thành phố Hà Nội 2012 ix