Sử dụng ảnh LANDSAT đa thời nghiên cứu diễn biến đô thị hóa của thành phố Đà Nẵng phục vụ quy hoạch bảo vệ môi trường đô thị

1. Mở đầu

Trong Luật bảo vệ môi trường 2014, tại điều 9 khoản 1 có quy định một nội dung cơ bản của quy hoạch bảo vệ môi trường (QHBVMT) là " Đánh giá hiện trạng môi trường, dự báo xu thế diễn biến môi trường..."; Điều đó được hiểu rằng để có cơ sở khoa học cho QHBVMT cần phải nghiên cứu sự biến động của các thành phần môi trường, các dạng tài nguyên theo không gian và thời gian phát triển đô thị, từ đó dự báo xu thế diễn biến môi trường trong kỳ quy hoạch nhằm đưa ra phương án quy hoạch tốt nhất và giải pháp đáp ứng chính xác. Có thể có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện nhiệm vụ đặt ra này, trong số đó phương pháp viễn thám - GIS là công cụ chủ đạo.

Đà Nẵng là thành phố lớn trực thuộc Trung ương, trong thời kỳ đổi mới có tốc độ phát triển rất nhanh, từ một đô thị nhỏ bé trước kia của tỉnh Quảng Nam, ngày nay đã trở thành một thành phố công nghiệp, hiện đại với cơ sở hạ tầng đô thị khang trang, nằm trong tốp đầu của cả nước. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển đó, việc khai thác quá mức các dạng tài nguyên đất, nước, rừng... đã làm nảy sinh những vấn đề môi trường bức xúc, biểu hiện ở các chỉ số như tỷ lệ diện tích cây xanh, diện tích mặt nước, mức độ bê tông hóa, thay đổi trường nhiệt độ mặt đất v.v.., có thể cản trở sự phát triển bền vững của chính thành phố này. Nghiên cứu sự diễn biến tài nguyên và môi trường theo không gian đô thị nhằm theo dõi biến động không gian của hệ sinh thái đô thị, kiến trúc thành phố qua từng giai đoạn là một trong những giải pháp quan trọng giúp cho công tác quản lý đô thị có hiệu quả trước mắt cũng như lâu dài theo quy hoạch môi trường thành phố.

Viễn thám là một công cụ mạnh và hiện đại, cung cấp các dữ liệu không gian tổng quan và đa thời gian đã được ứng dụng nhiều trên thế giới như Masek et al. (1998); USGS (1999); Zhang and Guindon (2005); Milos et al., (2012)... Ở Việt Nam, sử dụng viễn thám để nghiên cứu quá trình đô thị hóa và các ảnh hưởng của chúng đến môi trường đô thị đã được tiến hành trong một số nghiên cứu tập trung tại các thành phố Hà Nội (Phạm Ngọc Đăng và nnk, 2000; Phạm Bách Việt, 2008) và tp. Hồ Chí Minh (Trần Thị Vân và nnk, 2011a,b). Bài viết này tập trung phân tích sự chuyển đổi từ diện tích lớp phủ thực vật sang diện tích bề mặt bê tông hóa trong quá trình mở rộng đô thị 25 năm qua nhằm tạo dựng căn cứ thực tiễn cho QHBVMT thành phố Đà Nẵng để đề xuất các giải pháp không gian môi trường phù hợp cho thành phố, hướng tới phát triển Đà Nẵng thành một “thành phố thân thiện với môi trường”.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Giới hạn vùng nghiên cứu

Vùng nghiên cứu được lựa chọn là 6 quận nội đô thành phố Đà Nẵng, bao gồm: Liên Chiểu, Thanh Khê, Hải Châu, Sơn Trà, Ngũ Hành Sơn và Cẩm Lệ, có tổng diện tích là 24.449 ha với số dân là 848.995 người (Tổng cục thống kê, 2012) (Hình1).

2.2. Dữ liệu ảnh sử dụng

Dữ liệu ảnh vệ tinh được sử dụng trong nghiên cứu là các ảnh LANDSAT TM, ETM và OLI đã qua xử lí ở cấp độ 1A, độ phân giải 30m, hệ quy chiếu UTM (WGS 84), múi 49. Ảnh được thu vào các ngày mùa khô 7/7/1990 (TM); 5/7/1995 (TM); 7/5/2000 (ETM); 13/5/2005 (TM); 12/6/2010 (TM); 22/5/2014 (OLI) với độ mây phủ thấp (< 10%), có thể phân biệt rõ các đối tượng lớp phủ bề mặt.

2.3. Phương pháp kỹ thuật

• Phương pháp xử lý ảnh:

Các ảnh Landsat được hiệu chỉnh khí quyển, loại bỏ nhiễu và tăng độ nét. Sau đó tiến hành phân loại lớp phủ mặt đất trên ảnh bằng thuật toán phân loại có kiểm định khoảng cách tối thiểu. Dựa trên đặc trưng phản xạ phổ của các loại đối tượng kết hợp căn cứ vào bản đồ hiện trạng sử dụng đất Thành phố Đà Nẵng năm 2010, năm loại lớp phủ chính được xác định, đó là: 1) các công trình xây dựng: bao gồm nhà cửa, đường giao thông, các khu công nghiệp... với bề mặt là bê tông nên còn gọi là mặt không thấm; 2) Thảm thực vật/cây xanh: bao gồm rừng, đất trồng lúa - hoa màu, cây xanh công cộng; 3) Mặt nước: gồm các khu vực sông, hồ, ao; 4) Khu vực đang xây dựng: là các khu công nghiệp, khu đô thị, khu tái định cư đang xây dựng với bề mặt được đổ bê tông và công trình xây dựng mật độ thấp; Khu vực đất trống: gồm các khu vực đất trống, đồi trọc, đất ao hồ bị san lấp hoặc các khu vực giải tỏa chưa được xây dựng. Hệ số Kappa để đánh giá độ chính xác của phép phân loại lần lượt là: 0.75; 0,78; 0,74; 0,70; 0,80; 0,90 đối với ảnh của các năm 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 và 2014.

• Phương pháp tính toán biến động:

Các kết quả phân loại ảnh được chuyển thành các lớp dữ liệu trong ArcGIS. Phương pháp chồng chập và tính toán biến động dựa vào bộ công cụ phân tích không gian được sử dụng để hiển thị sơ đồ phân bố và tính toán ma trận chuyển đổi các lớp phủ thành phố Đà Nẵng theo các khoảng thời gian 5 năm.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Sự mở rộng không gian đô thị Đà Nẵng giai đoạn 1990-2014

Các đô thị được thành lập và phát triển thông qua quá trình đô thị hóa, tức là quá trình phát triển về kinh tế, xã hội, văn hoá và không gian kiến trúc. Thông thường ở các khu vực đô thị, các quận hoặc các đơn vị hành chính cấp quận được sử dụng làm đơn vị nền tảng. Tuy nhiên, các quận thường có chiều hướng hình thành các ranh giới hành chính bất di bất dịch, do đó không phản ảnh được xu thế biến động không gian thực sự của vùng trung tâm đô thị. Trong nghiên cứu này, sự gia tăng các không gian tập trung với mật độ cao dân cư và các công trình xây dựng được biểu thị cho đô thị hóa. Kết quả phân loại từ ảnh LANDSAT cho thấy rõ sự gia tăng liên tục diện tích nhà ở và các công trình bê tông hóa khu vực nghiên cứu từ 4.485 ha (năm 1990) đến 4.759 ha (1995, tăng 5,76%), 5.232 ha (2000, tăng 9.04%) và 5.647 ha (2005, tăng 7,34%), sau đó đột ngột tăng cao lên 8.289 ha  (năm 2010, tăng 31,88%) và 8.634 ha (2014, tăng 4%) (Hình 2).

Theo không gian, có thể thấy đô thị hóa xảy ra đầu tiên ở quận Thanh Khê và phía bắc quận Hải Châu trong những năm đầu thập kỷ 90, sau đó mở rộng ở mức độ tập trung cao dần ra các vùng xung quanh. Từ năm 2010 đến nay, đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ hơn ở khu vực phía đông nam quận Liên Chiểu và tây nam quận Sơn Trà. Đây cũng là thời kỳ tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ của thành phố với tổng sản phẩm nội địa (GDP) tăng bình quân 11%/năm.

Kết quả phân loại cũng cho thấy trong 25 năm qua các lớp phủ cơ bản của thành phố Đà Nẵng có sự biến động rõ rệt theo không gian đô thị với biểu hiện gia tăng mạnh các vùng đất đang san lấp để tiến hành xây dựng tại khu vực phía nam thành phố. Từ đó cho phép dự báo rằng quá trình đô thị hóa sẽ diễn ra mạnh mẽ tại các quận Cẩm Lệ và Ngũ Hành Sơn trong thời gian tới.

3.2. Biến động các lớp phủ liên quan đến hiện trạng sử dụng đất

Hình 3 biểu diễn sự biến động diện tích các lớp đất phủ cơ bản của khu vực nghiên cứu theo thời gian. Theo đó, thời kỳ 1995 - 2000 là giai đoạn có hoạt động xây dựng diễn ra mạnh mẽ nhất với diện tích mặt đất xây dựng lên tới 2.823 ha (năm 1995) và 2.202 ha (năm 2000), chiếm từ 9,0% đến 11,5% tổng diện tích vùng. Đến năm 2014, diện tích đất đang xây dựng lại tăng từ 300 ha lên trên 1.000 ha, đặc biệt tập trung tại 2 quận Cẩm Lệ và Ngũ Hành Sơn báo hiệu một thời kỳ đô thị hóa mới nữa ở Đà Nẵng.

Ngược với sự phát triển về đất nhà ở, đất công trình đã xây dựng theo thời gian là sự suy giảm liên tục đáng kể diện tích lớp phủ thực vật: từ 16.000 ha (năm 1995) xuống 9.000 ha (năm 2014). Dù rằng trong phạm vi 6 quận trung tâm của thành phố Đà Nẵng, lớp phủ thực vật vẫn chiếm tỷ lệ cao (37%, năm 2014) nhờ có phần rừng được bảo tồn khá tốt ở phía bắc quận Liên Chiểu (đèo Hải Vân) và ở bán đảo Sơn Trà thì phần lớn các diện tích lớp phủ thực vật ở phía tây quận Liên Chiểu và Cẩm Lệ (trước là đất nông nghiệp) đã bị chuyển đổi thành đất nhà ở đô thị và đất xây dựng (Hình 2). Như vậy, trong  vòng 25 năm qua, tỷ lệ diện tích thảm thực vật của khu vực nghiên cứu liên tục giảm, đặc biệt giảm nhanh trong giai đoạn 2005 - 2014, từ 56% xuống còn 37% (Hình 3).

Diện tích mặt nước nhìn chung không có thay đổi nhiều, dao động trong khoảng 1.300 - 2.700 ha phụ thuộc và thời gian thu ảnh và chế độ thủy văn – hải văn của vùng.

Bảng 1 biểu diễn sự chuyển đổi của lớp phủ thực vật sang các lớp phủ khác của vùng nghiên cứu trong 25 năm qua, trong đó đặc biệt là sự chuyển đổi từ lớp phủ thực vật sang đất nhà ở đô thị (NDT) (22,4%) và đất san lấp mặt bằng (19,3%). Trong khi đó, tổng tỷ lệ diện tích 4 lớp phủ còn lại chuyển đổi thành lớp phủ thực vật chỉ là 14,8%. Đây là sự chuyển đổi đáng lưu ý vì nó minh chứng rằng quá trình đô thị hóa đã làm thay đổi đáng kể các điều kiện sinh thái đô thị, được thể hiện qua việc biến đổi không gian bề mặt của lớp phủ từ các hệ sinh thái tự nhiên sang môi trường chịu tác động bởi con người.

Hình 4 thể hiện sự chuyển đổi không gian lớp phủ thực vật sang các loại lớp phủ khác trong giai giai đoạn 1990 - 2015 của thành phố Đà Nẵng. Theo đó, sự biến đổi không gian lớp phủ thực vật ở bán đảo Sơn Trà và đèo Hải Vân là không đáng kể, trong khi đó diện tích thảm thực vật chuyển đổi sang đất nhà đô thị tập trung phần lớn ở phía đông quận Liên Chiểu và phía nam quận Hải Châu, quận Thanh Khê. Phần chuyển đổi từ lớp phủ thực vật thành đất đang xây dựng hoặc đất trống tập trung chủ yếu ở quận Ngũ Hành Sơn và quận Cẩm Lệ.

3.3. Biến động chỉ số không gian môi trường của thành phố

Theo các nghiên cứu xây dựng chỉ số chất lượng môi trường đô thị tại Việt Nam (Trần Quan Lộc và Phạm Khắc Liệu, 2012) thì chỉ số “diện tích cây xanh/đầu người” là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng môi trường và quy hoạch không gian đô thị. Dựa vào các số liệu thống kê dân số vùng nghiên cứu (chỉ tính số dân có hộ khẩu) có thể nhận thấy chỉ số “diện tích cây xanh/đầu người” của khu vực đã suy giảm nghiêm trọng từ năm 1995 là 39 m²/người giảm xuống còn 23,5 m²/người (năm 2005), 18 m²/người (năm 2010) và 15,36 m²/người (năm 2014) (Hình 5). Theo tiêu chuẩn thiết kế quy hoạch cây xanh sử dụng trong các đô thị của nước ta (TCXDVN 9257:2012) thì tỷ lệ này đã giảm xuống dưới mức tiêu chuẩn cho đô thị loại I và II: 20,4 - 24,5 m²/người. Trong khi đó, diện tích đất cây xanh tính trong tiêu chuẩn là diện tích đất trồng cây xanh công cộng (chỉ bao gồm cây xanh đường phố, cây xanh công viên, vườn hoa) còn trong bài viết này diện tích này được tính bằng tổng diện tích lớp phủ thực vật trong thành phố (bao gồm cả 2 phần rừng đã nêu ở trên). Như vậy, để tiến đến xây dựng một thành phố “thân thiện với môi trường”, bổ sung diện tích đất trồng cây xanh là một trong những nội dung quan trọng của QHBVMT của thành phố Đà Nẵng.

Gia tăng nhanh đất ở đô thị, đồng thời giảm mạnh tỷ lệ cây xanh của thành phố gây ra nhiều tác động xấu đến chất lượng môi trường sống của thành phố. Sự mở rộng và gia tăng mật độ bề mặt không thấm kéo theo các hậu quả như tăng nhiệt độ không khí của thành phố do hiện tượng bức xạ nhiệt của bê tông; gia tăng chất thải và vấn đề chôn lấp, xử lý chất thải ở các khu nhà đô thị tập trung cao; gia tăng tai biến ngập lụt; suy giảm chất lượng và khối lượng nguồn nước ngầm do mất bề mặt thấm nước tự nhiên. Cây xanh có vai trò đặc biệt trong việc điều chỉnh vi khí hậu của đô thị do hấp thụ ánh sáng, giảm nhiệt độ, giảm CO₂, tăng cường độ ẩm... Sự suy giảm diện tích cây xanh đô thị sẽ làm cho không khí thêm ngột ngạt, ô nhiễm khói bụi có nguy cơ phát tán và lan truyền mạnh mẽ hơn. Do vậy, QHBVMT đô thị nói chung và QHBVMT thành phố Đà Nẵng nói trên cần phải dựa trên cơ sở biến động của những diện tích này nhằm xây dựng giải pháp cân bằng sinh thái, bảo vệ cảnh quan và môi trường đô thị.

Kết luận

Quá trình đô thị hóa nhanh luôn gây ra nhiều vấn đề về môi trường và sinh thái, bài viết này nghiên cứu sự phát triển không gian đô thị và sự biến động của lớp phủ trên địa bàn thành phố Đà Nẵng trong 25 năm gần đây. Ứng dụng công nghệ viễn thám, trong đó sử dụng ảnh vệ tinh Landsat để nghiên cứu biến động không gian đô thị Đà Nẵng cho kết quả có độ chính xác cao, từ đó tạo ra cơ sở khoa học cho việc QHBVMT thành phố, hướng đến phát triển “thân thiện với môi trường”. Các kết quả thu được cho thấy trong 25 năm qua không gian đô thị Đà Nẵng được mở rộng gấp 2 lần , từ 4.485 ha vào năm 1990 đến 8.634 ha vào năm 2014. Biến động không gian các lớp phủ chính trong thành phố cho thấy 41,7 % diện tích đất trồng cây xanh đã bị chuyển đổi thành đất xây dựng và nhà ở đô thị, trong khi tỷ lệ cây xanh được phục hồi chỉ là 14.8 %. Hệ quả là chỉ số diện tích cây xanh trên đầu người của thành phố đã giảm xuống dưới mức TCXDVN 9257:2012. Để xây dựng Đà Nẵng thành một thành phố xanh, thân thiện với môi trường, trong QHBVMT Đà Nẵng nhất thiết phải chú trọng đến sự biến động của các không gian nói trên nhằm phát triển thành phố theo hướng bền vững hơn.

(Bài viết đã được đăng tải trên Tạp chí Môi trường, số tháng 8 năm 2015)

Tài liệu tham khảo

1. Cục thống kê thành phố Đà Nẵng. Niên giám thống kê 2012.
2. Phạm Bách Việt, 2008. Sử dụng kỹ thuật viễn thám và GIS xác định xu hướng phát triển không gian đô thị thành phố Hồ Chí Minh. Tạp chí Khoa học Trái đất & Môi trường, Tập 13, Số M1, 2010, 14-25.
3. Phạm Ngọc Đăng, Nguyễn Đình Dương và nnk, 2000. “Đánh giá diễn biến môi trường Hà Nội đến năm 2010, 2020 và đề xuất các giải pháp cải thiện môi trường”. Báo cáo tổng kết Đề tài KHCN 07.11  thuộc Chương trình Khoa học Nhà nước KHCN07 (1996-2000). Lưu trữ tại Bộ Khoa học và Công nghệ, 2000.
4. Trần Quang Lộc và Phạm Khắc Liệu, 2012. Nghiên cứu xây dựng chỉ số chất lượng môi trường đô thị (UEQI) và áp dụng cho một số đô thị tại Việt Nam. Tạp chí khoa học, Đại học Huế, Tập 74B, Số 5, (2012), 93-102.
5. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9257 : 2012 về Quy hoạch cây xanh sử dụng công cộng trong các đô thị - tiêu chuẩn thiết kế.
6. Trần Thị Vân, Hoàng Thái Lan, Lê Văn Trung, 2011a. Nghiên cứu thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị dưới tác động của quá trình đô thị hóa ở Thành Phố Hồ Chí Minh bằng phương pháp viễn thám.Tạp chí Các Khoa học về Trái Đất 9-2011, 33(3), 347-359.
7. Trần Thị Vân, 2011. Ứng dụng viễn thám và gis giám sát đô thị hóa Thành phố Hồ Chí Minh thể hiện qua các mặt không thấm. Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 14, số M1 – 2011, 65-77.
8. Masek, J. G.,  Lindsay, F. E. & Goward, S. N. (1998). Dynamics of urban growth in the Washington DC metropolitan area, 1973–1996, from LANDSAT observations. Int. J. Remote sensing, 2000 , vol. 21 , no. 18, 3473– 3486.
9. Moeller, M. S., Remote sensing for the monitoring of urban growth patterns.
10. Zhang, Z. & Guindon, B. (2005). Using LANDSAT data to assess land use conversion impacts arising from urbanization: the Canadian context. URS 2005, Session: Urban Development and Growth Patterns.