ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS và CA MARKOV vào GIÁM sát QUY HOẠCH sử DỤNG đất TỈNH THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT
QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT
QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 8440211.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2020


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, em đã nhận
được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy
giáo, Cô giáo, anh chị em, bạn bè đồng nghiệp và gia đình.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy Cô giáo trường Đại học Khoa học
Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và đặc biệt là các Thầy Cô giáo trực tiếp giảng
dạy các chuyên đề của toàn khóa học đã tạo điều kiện, đóng góp ý kiến cho em
trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn thạc sĩ.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Bùi Quang Thành –
người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Với thời gian nghiên cứu còn hạn chế, luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót, em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của Thầy giáo,
Cô giáo.
Em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 7
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài .............................................................. 8
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.................................................................................... 8
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................ 8
5. Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài ..................................................................................... 9
6. Cấu trúc luận văn ....................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT PHỤC VỤ
GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT VÀ MÔ HÌNH HOÁ ......................... 10
1.1. Cơ sở khoa học về biến động lớp phủ mặt đất ....................................................... 10
1.1.1. Khái niệm lớp phủ mặt đất ................................................................................. 10
1.1.2. Phân loại lớp phủ ............................................................................................... 10
1.1.3. Biến động lớp phủ .............................................................................................. 12
1.2. Viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ ......................................... 13
1.2.1. Viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ .................................................. 13
1.2.2. GIS trong đánh giá biến động lớp phủ ................................................................ 16
1.2.3. Phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ ................. 19

1.3. Mô hình hóa biến động lớp phủ............................................................................. 20
1.3.1. Mô hình CA – Markov ....................................................................................... 20
1.3.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................. 23
CHƯƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT
ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN..................................................................................... 27
2.1. Điều kiện tự nhiên................................................................................................. 27
2.1.1. Vị trí địa lý......................................................................................................... 27
2.1.2. Địa hình ............................................................................................................. 28
2.1.3. Khí hậu - Thuỷ văn ............................................................................................ 29
2.1.4. Địa chất.............................................................................................................. 30
2.1.5. Tài nguyên thiên nhiên ....................................................................................... 31
2.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ...................................................................................... 36
1


2.2.1. Dân số và lao động ............................................................................................. 36
2.2.2. Cơ cấu kinh tế .................................................................................................... 37
2.2.3. Cơ sở hạ tầng ..................................................................................................... 37
2.2.4. Đời sống - xã hội................................................................................................ 38
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CA-MARKOV TRONG DỰ BÁO BIẾN
ĐỘNG LỚP PHỦ TỈNH THÁI NGUYÊN ............................................................... 40
3.1. Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên
giai đoạn 2007-2019 .................................................................................................... 40
3.1.1. Sơ đồ quy trình các bước đánh giá biến động ..................................................... 40
3.1.2. Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các năm 2007, 2013,
2019 ............................................................................................................................ 41
3.1.3. Ứng dụng phân tích biến động lớp phủ vào giám sát quy hoạch sử dụng đất tỉnh
Thái Nguyên ................................................................................................................ 48
3.2. Ứng dụng phân tích chuỗi Markov và mang tự động CA dự báo biến động lớp phủ
mặt đất tỉnh Thái Nguyên ............................................................................................ 51

3.2.1. Quy trình các bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất ........................ 51
3.2.2. Xây dựng mô hình biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên .......................... 51
3.2.3. Xây dựng mô hình dự báo biến động lớp phủ tỉnh Thái Nguyên dựa vào mô hình
CA-Markov ................................................................................................................. 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 71

2


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất…………………...….. 14
Hình 1.2: Bản chất của mạng tự động……………………………………………….... 22
Hình 2.1: Bản đồ hành chính tỉnh Thái Nguyên…………………………………….... 27
Hình 3.1: Sơ đồ quy trình các bước đánh giá biến động……………………………… 40
Hình 3.2: Ảnh Thái Nguyên năm 2013 được tổ hợp màu bởi các band 7,6,2…...……. 42
Hình 3.3: Giải đoán ảnh bằng phương pháp Maximum Likelihood…………………...42
Hình 3.4: Ảnh phân loại lớp phủ tỉnh Thái Nguyên năm 2007…………………….......43
Hình 3.5: Ảnh phân loại lớp phủ tỉnh Thái Nguyên năm 2013……………………..… 44
Hình 3.7: Ảnh biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2007 – 2013………..………...… 46
Hình 3.8: Ảnh biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2013 – 2019……..…………..… 47
Hình 3.9: Biểu đồ biến động diện tích lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên giai đoạn
2007-2019 (đơn vị: pixel)……………………………………………………..……..... 47
Hình 3.10: Ảnh biểu diện tích, cơ cấu các loại đất……………………………………. 49
Hình 3.11: Quy trình các bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất năm
2025…………………………………………………………………………………….51
Hình 3.12: Quy trình phân cấp thích hợp……………………………………………. ..52
Hình 3.13: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Quần
cư……………………………………………………………………………………… 53
Hình 3.14: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ

Quần cư………………………………………………………………………………... 54
Hình 3.15: Ảnh khoảng cách thích hợp tới đường giao thông của lớp phủ Quần cư…..55
Hình 3.16: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Nông
nghiệp………………………………………………………………………………..... 56
Hình 3.17: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ
Nông nghiệp……………………………… ………………………………………….. 57
Hình 3.18: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Lâm
nghiệp……………………………………………… ………………………………… 58
Hình 3.19: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ
Lâm nghiệp………………………………… ………………………………………… 59
Hình 3.20: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Đất
trống………………………………………………… ……………………………….. 60
3


Hình 3.21: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Mặt
nước………………………………………………………………………..………….. 61
Hình 3.22: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Mặt
nước………..………………………………………………………………………….. 61
Hình 3.23: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Quần cư………….……….…… 63
Hình 3.24: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Nông nghiệp……………….….. 63
Hình 3.25: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Đất trống……………….……… 64
Hình 3.26: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Lâm nghiệp……………….…… 64
Hình 3.27: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Mặt nước……………….……… 65
Hình 3.28: Mô hình dự báo biến động lớp phủ mặt đất năm 2019…………..……….. 66
Hình 3.29: Kết quả kiểm chứng mô hình…………………………………….……….. 66
Hình 3.30: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên năm 2025………..………. 67

4

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Hệ thống chú giải của ảnh lớp phủ mặt đất .................................................. 41
Bảng 3.2: Bảng ma trận biến đổi diện tích lớp phủ giai đoạn 2007 - 2013 .................... 45
Bảng 3.3: Bảng ma trận biến đổi diện tích qua hai giai đoạn 2013 - 2019 .................... 46
Bảng 3.4: Lớp phủ mặt đất tương ứng cơ cấu các các loại đất tỉnh Thái Nguyên......... .49

5


DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
CA

Cellular Automata

CLEU

Land Use and its Effects modelling

GEOMOD

Geometry Modification Technology

GIS

Geographic Information System

FAOLCC

Food and Agriculture Organization Land Cover Classification

CORINE

Coordination of information on the environment

MCE

Multi-Criteria Evaluation

LULCC

Land use land cover change

GDP

Gross Domestic Product

WF

Weight Factor

HTSDĐ

Hiện trạng sử dụng đất

6


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá có vai trò to lớn trong sự nghiệp
phát triển của mỗi quốc gia. Với áp lực phát triển kinh tế xã hội, sự bùng nổ dân số và
hiện trạng sử dụng đất như hiện nay có thể thấy nguồn tài nguyên đất đai ngày càng
suy thoái, khan hiếm. Việt Nam sử dụng quy hoạch sử dụng đất đai là nền tảng tính
toán, phân bổ hợp lý để sử dụng nguồn lực tối đa từ đất đai, đồng thời bảo vệ được
nguồn tài nguyên giới hạn này.
Tuy nhiên, thực trạng quy hoạch sử dụng đất đai ở Việt Nam còn nhiều điểm
bất cập. Chất lượng của nhiều quy hoạch còn thấp, thiếu đồng bộ trong sử dụng đất
cũng như chưa đầy đủ căn cứ pháp lý thể hiện ở việc các quy hoạch phải điều chỉnh,
bổ sung nhiều lần; thiếu tính khả thi, không đảm bảo nguồn lực đất đai để thực hiện.
Việc không đồng nhất các chỉ tiêu thống kê các loại đất dẫn đến việc đánh giá các chỉ
tiêu thực hiện quy hoạch không đầy đủ, chính xác. Hay công tác quản lý, kiểm tra,
giám sát chưa chặt chẽ, thường xuyên dẫn tới tình trạng vi phạm quy hoạch diễn ra
phổ biến nhưng chưa được phát hiện và xử lý kịp thời và gây thiệt hại không nhỏ về
kinh tế.
Thái Nguyên là một tỉnh ở đông bắc Việt Nam, tiếp giáp với thủ đô Hà Nội và
là tỉnh nằm trong quy hoạch vùng thủ đô Hà Nội. Thái Nguyên là một trung tâm kinh
tế - xã hội lớn của khu vực đông bắc hay cả Vùng trung du và miền núi phía bắc. Hiện
nay, đã có quy hoạch sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên đến năm 2035. Trong bối cảnh
như vậy, việc mô hình hoá dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên sẽ là nền
tảng, cơ sở khoa học cho giám sát quy hoạch sử dụng đất tại tỉnh Thái Nguyên. Nghiên
cứu dự báo xu thế biến đổi lớp phủ mặt đất có nhiều phương pháp tiếp cận như CLEU,
GEOMOD... Tuy nhiên, nghiên cứu này đã áp dụng mô hình CA-Markov để mô
phỏng xu thế biến động lớp phủ do khả năng mô phỏng, hiệu quả cao với dữ liệu khan
hiếm, hiệu chuẩn đơn giản và có khả năng tích hợp yếu tố hạn chế vào mô hình. Mô
hình CA-Markov là một trong những mô hình được sử dụng phổ biến trong các bài
toán mô hình hóa lớp phủ, mô hình này thay đổi cả không gian và thời gian. Mô hình
CA-Markov kết hợp chuỗi automata và chuỗi Markov để dự đoán xu hướng và đặc
điểm của lớp phủ theo thời gian, là một trong những công cụ hỗ trợ lập kế hoạch để
7

phân tích sự thay đổi theo thời gian và phân bố không gian của lớp phủ. Ngoài ra, mô
hình này được sử dụng rộng rãi để mô tả đặc điểm của lớp phủ, độ che phủ của rừng,
sự phát triển đô thị, sự phát triển của nhà máy và mô hình quản lý lưu vực. Điều này
cũng quan trọng đối với việc thiết kế và hoạch định chính sách sử dụng đất và mục
tiêu phát triển đất bền vững.
Với các lý do trên, đề tài “ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV
VÀO GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN” đã được
thực hiện.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
a. Mục tiêu
Phân tích, dự báo biến đổi lớp phủ tỉnh Thái Nguyên làm cơ sở khoa học cho phương
án quy hoạch sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên trong tương lai.
b. Nhiệm vụ
Để hoàn thành được mục tiêu trên, các nhiệm vụ sau cần được thực hiện:
- Tổng quan các công trình đã nghiên cứu kết hợp viễn thám, GIS và mô hình CA –
Markov trong dự báo biến đổi sử dụng đất.
- Thu thập các tư liệu bản đồ, ảnh vệ tinh, ở các thời điểm khác nhau của tỉnh Thái
Nguyên.
- Xử lý ảnh viễn thám, xây dựng ảnh hiện trạng lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua
các giai đoạn 2007 – 2013, 2013 – 2019.
- Mô hình hóa dự báo xu thế biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên năm 2025.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Phạm vi không gian: đề tài giới hạn nghiên cứu tại tỉnh Thái Nguyên.
- Phạm vi thời gian: Nghiên cứu biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các
năm 2007 – 2013 – 2019.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp viễn thám và GIS

- Phương pháp phân tích và mô hình hóa không gian
8


5. Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài
- Dữ liệu ảnh viễn thám và GIS bao gồm vệ tinh LANDSAT qua các giai đoạn, bản đồ
quy hoạch sử dụng đất và bản đồ địa hình, thổ nhưỡng của tỉnh Thái Nguyên.
- Các tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tỉnh Thái Nguyên.
- Các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng bài toán phân tích chuỗi
Markov và mô hình hóa Mạng tự động (Cellular Automata) nhằm nghiên cứu sự phát
triển không gian đô thị.
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về biến động lớp phủ mặt đất phục vụ giám sát quy hoạch sử
dụng đất và mô hình hoá.
Chương 2: Các nhân tố ảnh hưởng tới biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên.
Chương 3: Ứng dụng mô hình CA-Markov trong dự báo biến động lớp phủ tỉnh Thái
Nguyên.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT PHỤC VỤ
GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT VÀ MÔ HÌNH HOÁ
1.1. Cơ sở khoa học về biến động lớp phủ mặt đất
1.1.1. Khái niệm lớp phủ mặt đất
Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc
thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy) và các
cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá,…) bao phủ bề mặt đất. Nước, băng,
đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất.

Lớp phủ mặt đất là trạng thái của bề mặt trái đất, là sự kết hợp của nhiều thành
phần như thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc và chịu sự tác động của các nhân tố tự nhiên
như nắng, gió, mưa bão và nhân tạo như khai thác đất để trồng trọt, xây dựng nhà cửa,
công trình phục vụ cuộc sống của con người.
Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng của
chúng lại có mối tương quan mật thiết. Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử
dụng đất và các hoạt động kinh tế - xã hội xảy ra trên bề mặt đất, chính vì vậy mà một
số loại hình sử dụng đất cũng chính là đối tượng của lớp phủ, ví dụ như đất đô thị và
đất nông nghiệp. Một số loại hình sử dụng đất khác như công viên theo góc độ lớp phủ
bao gồm thảm cỏ, rừng cây hay các công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ
thống phân loại lớp phủ mặt đất hiện hành đều phải xét đến khía cạnh sử dụng đất và
đưa vào loại hình lớp phủ nhân tạo có thực phủ.
Các thông tin về lớp phủ mặt đất được thu thập bằng hai phương pháp cơ bản là
khảo sát thực địa và phân tích dữ liệu viễn thám. Khảo sát thực địa là phương pháp thu
thập thông tin truyền thống thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian. Phân tích dữ
liệu viễn thám là phương pháp hiện đại, cho phép chiết tách các thông tin lớp phủ mặt
đất một cách nhanh chóng, hiệu quả và ít tốn kém.
1.1.2. Phân loại lớp phủ
Để thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các thông tin lớp phủ mặt đất và
đảm bảo tính thống nhất về nội dung thông tin, người ta đã xây dựng các hệ phân loại
lớp phủ mặt đất. Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựa trên
nguyên tắc sau:
10


- Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tựợng bề mặt thành các
nhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tượng như mặt nước, mặt đất, lớp phủ
thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo.
- Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm các
loại ảnh vệ tinh như SPOT, LANDSAT, ảnh hàng không…

- Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đối
tượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau.
- Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn.
- Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợp với
việc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu cầu
thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau.
Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với điều
kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực.
Hệ phân loại FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land Cover
Classification) vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa chi
tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảo sát
ngoại nghiệp.
Hệ phân loại CORINE (Coordination of information on the environment) dựa
vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của Mỹ và
Châu Âu.
Cụ thể là:
* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính:
Cấp 1 (Level 1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ thực vật
của bề mặt đất.
Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1 theo đặc
điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất.
Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2 theo tính
chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất. Từ cấp 3 trở đi các đối tượng được phân
chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm cưa đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu và
mức độ chi tiết của bản đồ cần thành lập.
* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp:
11


- Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của trái

đất là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt,
mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu.
- Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật.
- Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối
tượng cũng như khu vực nghiên cứu.
1.1.3. Biến động lớp phủ
Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một
trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng
như môi trường xã hội.
Biến động lớp phủ chính là sự thay đổi về loại hình lớp phủ tại cùng 1 khu vực
hoặc là sự thay đổi diện tích của loại hình lớp phủ đấy trong khoảng thời gian t.
* Biến động về diện tích đối tượng (biến động về số lượng)
Giả sử cùng đối tượng A và thời điểm T1 có diện tích S1, ở thời điểm T2 có
diện tích là S2 (đối tượng A thu nhận được từ hai ảnh vệ tinh có thời điểm chụp khác
nhau), như vậy ta nói rằng A bị biến đổi diện tích ở thời điểm T1 so với T2 (sự biến
đổi này có thể bằng nhau, nhỏ hơn hoặc lớn hơn) nếu ta dùng kỹ thuật để chồng xếp
hai lớp thông tin này thì phần diện tích của phần trùng nhau sẽ được gán giá trị cũ của
đối tượng A, còn giá trị khác sẽ là giá trị của phần biến động. Giá trị biến động này là
bao nhiêu, tăng hay giảm phụ thuộc vào thuật toán được sử dụng.
* Biến động về bản chất đối tượng
Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác nhau, diện
tích A ở tời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2 (M1, M2 là các giá trị
phổ), ta sử dụng thuật toán chồng ghép hai lớp thông tin tại hai thời điểm T1, T2 sẽ
xuất hiện giá trị M khác M1, M2. Giả sử diện tích A không đổi ta nói rằng có sự thay
đổi về chất của A, trên thực tế đây là sự thay đổi loại hình lớp phủ mặt đất.
* Phân tích vector biến động
Các đối tượng địa lý đơn giản hay phức tạp đều được qui thành 3 dạng: điểm
(point), đường (line), vùng (polygon). Trong đó: điểm (point): thể hiện một phần tử dữ
liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều. Phương pháp phân
12

tích vector cho phép xác định và nghiên cứu xu thế biến động về chất của từng điểm
trong không gian 2 hoặc n chiều. Biến động vùng đất được thể hiện qua hai hình thức
chính sau:
- Biến động về diện tích: biến động về diện tích thể hiện qua các thời gian khác
nhau.
- Biến động về loại hình đất đai: biến động về hiện trạng lớp phủ mặt đất thể
hiện qua hai thời điểm khác nhau.
Từ các tư liệu ảnh, tiến hành so sánh để có thông tin về sự biến động của đất đai
theo nguyên tắc phân tích vector.
1.2. Viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ
1.2.1. Viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ
a. Khái quát về viễn thám
Viễn thám được xác định là một phương pháp nghiên cứu các đối tượng, hiện
tượng bằng các thiết bị, đặt cách đối tượng một khoảng cách nào đó, không đòi hỏi
tiếp xúc trực tiếp với đối tượng. Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng
lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra đo
đạc những đặc tính của đối tượng.
Viễn thám được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin về đối tượng
mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể. Công nghệ viễn thám dựa trên những
thành tựu mới nhất của khoa học kĩ thuật cũng như công nghệ vũ trụ, công nghệ tin
học...Với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan nhất.
Những năm gần đây dưới sự phát triển của khoa học kĩ thuật, công nghệ viễn
thám phát triển mạnh bởi những sự cải tiến về các vệ tinh chụp ảnh, thiết bị chụp ảnh
và các phương pháp chụp ảnh.
b. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên mặt đất
Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng
các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Đặc
trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên

bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc trưng phổ và sắc,
tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng.
13


Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tượng trên mặt đất trong ảnh vệ tinh là
dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ. (Hình 1.1) dưới
đây thể hiện đặc tính phản xạ của các thành phần đất, nước và thực vật trên ảnh vệ
tinh.

Hình 1. 1. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất
Thông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng người ta
thiết kế các thiết bị thu nhận sao cho lại khoảng bước sóng đó các đối tượng có độ
phản xạ phổ là dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng này sự hấp
thụ của khí quyển là nhỏ nhất.
Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím( 0.3μm – 0.4μm),
vùng ánh sáng nhìn thấy( 0.4μm-0.7μm), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt.
Trong tất cả tài liệu cơ sở viễn thám, theo bước sóng sử dụng công nghệ viễn thám có
thể chia làm ba nhóm chính:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt
- Viễn thám siêu cao tần
c. Một số loại tư liệu viễn thám đang được sử dụng ở Việt Nam
Một hệ thống viễn thám nghiên cứu tài nguyên và môi trường bao gồm nhiều
thành phần. Về nguyên tắc các thành phần này có thể chia làm ba loại chính:
- Các vệ tinh viễn thám và các tàu vũ trụ có người điều khiển;
- Các máy bay có trang bị phòng thí nghiệm và máy đa phổ;
- Các trạm thu và xử lý thông tin mặt đất cố định hoặc lưu động cùng các khu
vực Polygon. Các vệ tinh nhân tạo đóng vai trò chủ đạo để thu thập thông tin
14

viễn thám mà chủ yếu là bằng phương pháp thu nhận năng lượng phản xạ từ các
đối tượng mặt đất và tạo ra các sản phẩm với các thể loại đa dạng: ảnh đa phổ,
ảnh hồng ngoại nhiệt, ảnh rada,...
Hiện nay, ở Việt Nam đang sử dụng nhiều loại tư liệu ảnh viễn thám khác nhau
cho các mục đích nghiên cứu và quản lý tài nguyên thiên nhiên, thành lập các loại bản
đồ phục vụ công tác quản lý kinh tế xã hội. Ảnh vệ tinh quang học với nhiều ưu điểm
như hình ảnh quen thuộc với con người, dễ giải đoán, kỹ thuật tương đối dễ phát triển
trên nền các công nghệ chụp ảnh hiện hành nên đã nhanh chóng được chấp nhận và
ứng dụng rộng rãi. Các loại ảnh quang học như Landsat, SPOT, Aster, IKONOS,
QuickBird... đã trở nên quen thuộc và phổ biến trên toàn thế giới. Trong công tác
thành lập các loại bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám sử dụng ảnh quang học đã
được đưa vào các quy phạm tương đối hoàn chỉnh.
d. Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám trong nghiên cứu lớp phủ
Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, hiện nay tư liệu ảnh vệ tinh đã và đang
được ứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo
vệ môi trường. Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám có thể kể ra là:
- Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (Landsat
180km × 180km, SPOT, ASTER 60km×60km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát
trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc;
- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên
cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau;
- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau do đó cho phép nghiên cứu
bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau. Ví dụ như các loại ảnh có
độ phân giải siêu cao như SPOT 5, IKONOS, QuickBird, ảnh hàng không để nghiên
cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diện
tích phủ trùm lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở
mức vùng hay khu vực;
- Khả năng chụp lặp hay còn gọi là độ phân giải thời gian. Do đặc điểm quỹ đạo

của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại được vị
trí trên mặt đất. Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép
theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tượng diễn ra trên mặt đất.
15


- Các dữ liệu được thu nhận ở dạng số nên tận dụng được sức mạnh xử lý của
máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin như hệ thống thông tin
địa lý (GIS).
Do những đặc tính hết sức ưu việt kể trên ảnh viễn thám đã trở thành một công
cụ không thể thiếu được trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và
môi trường nói chung và việc chiết tách các thông tin lớp phủ nói riêng, nhất là ở
những vùng khó tiếp cận như các vùng núi cao, biên giới, hải đảo.
1.2.2. GIS trong đánh giá biến động lớp phủ
a. Khái niệm về GIS
Hệ thông tin địa lý (GIS) là công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự
vật, hiện tượng thực trên Trái Đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu
thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý,
trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ.
Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS
có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự
đoán tác động và hoạch định chiến lược).
b. Cấu trúc của GIS
Một hệ thống thông tin địa lý bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con
người và bộ quy định ở cấp độ tổ chức. Các hợp phần này phải được hợp nhất tốt để
phục vụ cho việc sử dụng GIS được hiệu quả.
Phần cứng: phần cứng của GIS được xem là phần cố định mà bằng mắt thường
ta có thể dễ dàng thấy được. Nó bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi.
- Máy tính có thể là máy có bất kỳ kích thước nào và có thể do nhiều hãng sản
xuất với cấu hình khác nhau. Tuy nhiên, máy tính có cấu hình mạnh là điều mong

muốn để sử dụng trong GIS.
- Các thiết bị ngoại vi bao gồm bản số hóa, máy quét, máy in và máy vẽ. Các
thiết bị này cũng hết sức đa dạng về kích cỡ, kiểu dáng, tốc độ xử lý và độ phân giải
do các hãng khác nhau sản xuất. Chúng được kết nối với máy tính để được thực hiện
việc nhập và xuất dữ liệu.

16


Phần mềm: có khả năng lưu trữ, xử lý, phân tích, tính toán, hiển thị các dữ liệu
theo yêu cầu của người sử dụng. Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một
hệ phần mềm có 4 nhóm tối thiểu chức năng sau đây:
- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau;
- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin
thuộc tính;
- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán
tối ưu và mô hình mô phỏng không gian - thời gian;
- Hiển thị và trình bày thông tin dưới dạng khác nhau, với các biện pháp khác
nhau.
Cơ sở dữ liệu
- Khái niệm dữ liệu địa lý: Đặc điểm dữ liệu trong các thông tin địa lý khác biệt
với dữ liệu ở các hệ thống thông tin khác (ngân hàng, thư viện, quản lý khách hàng
hàng không, y tế...) ở chỗ chúng bao gồm cả thông tin về vị trí không gian (dữ liệu
không gian), thậm chí cả các mối liên hệ topo không gian và các thông tin mô tả tính
chất (dữ liệu thuộc tính) các vật thể trong hệ thống dữ liệu. Đặc điểm quan trọng trong
tổ chức dữ liệu của GIS là : dữ liệu không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu
trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu và có quan hệ chặt chẽ với nhau.
Con người: là yếu tố quyết định sự thành công trong tiến trình kiến tạo hệ thống
và tính hữu hiệu của hệ thống trong tiến trình khai thác vận hành. Trong hệ thống
thông tin địa lý, con người sẽ làm việc trên 3 vị trí cũng là 3 cấp có chức năng khác

nhau: quản trị, kỹ thuật GIS, kỹ thuật chuyên ngành.
Chính sách quản lý: đây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt
động của hệ thống. Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý để tổ
chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả phục vụ người sử dụng thông tin.
Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong một khung tổ chức phù
hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích dữ liệu,
đồng thời có thể phát triển hệ thống GIS theo nhu cầu.
c. Các chức năng của GIS trong việc xây dựng biến động lớp phủ
Với sự phát triển của các kĩ thuật tiên tiến thực chất là ứng dụng máy vi tính và
các phần mềm chuyên dụng (GIS Software) hiện nay việc thành lập, xử lý và biên tập
17


bản đồ được thực hiện ở tất cả các cơ quan đo đạc bản đồ và các bộ tài nguyên và môi
trường.
Để thành lập bản đồ số bằng GIS thì cơ sở dữ liệu có thể lấy từ nhiều nguồn
như: số liệu điều tra đo đạc trực tiếp ngoài thực địa, bản đồ số, bản đồ giấy, số liệu
thống kê, tư liệu viễn thám.... Sản phẩm đầu ra của GIS là bản đồ số, nó dễ dàng cập
nhật và khai thác thông tin thuận lợi nhờ sự trợ giúp của máy tính.
Ngày nay, thì GIS được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như Địa chất,
Địa lý, Trắc địa bản đồ, Quy hoạch đô thị, Bảo vệ môi trường đều quan tâm tới GIS và
khai thác chúng với những mục đích riêng biệt bởi vì: GIS là một hệ thống tự động
quản lý lưu trữ, tìm kiếm dữ liệu chuyên ngành với sự phát triển của máy tính đặc biệt
chúng có khả năng biến đổi dữ liệu mà những công việc này không thể thực hiện bằng
các phương pháp thô sơ. GIS có khả năng chuẩn hóa ngân hàng dữ liệu để có thể đưa
vào các hệ thống xử lý khác nhau, do đó phát triển khả năng khai thác dữ liệu. GIS có
khả năng biến đổi dữ liệu để đáp ứng những bài toán cụ thể cần đươc giải quyết. GIS
có thể cung cấp những thông tin mới nhất và chính xác nhất cho người sử dụng cùng
với khả năng dự đoán diễn biến theo thời gian . Đồng thời GIS cho sự biến dạng thông
tin là ít nhất.

d. Kết hợp tư liệu viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ biến động lớp phủ
Sự kết hợp giữa viễn thám và GIS là hết sức cần thiết, vì nhiều thông tin hữu
ích cho quá trình phân loại dường như có sẵn trong cơ sở dữ liệu của GIS như mô hình
số độ cao (DEM), các mô hình sinh thái thực vật, các mô hình của các yếu tố kinh tế
xã hội... và rất nhiều loại bổ trợ khác. Ngược lại tư liệu viễn thám lại là nguồn thông
tin đầu vào rất quý giá cho cơ sở dữ liệu của GIS trong việc hỗ trợ ra quyết định và dự
báo tình huống, bởi vì nguồn thông tin này có khả năng cập nhật nhanh trên một diện
tích rộng lớn. Trên thực tế, việc kết hợp giữa hai công nghệ này đã mở ra khả năng
ứng dụng rộng rãi chúng trong rất nhiều lĩnh vực của ngành kinh tế quốc dân và mang
lại hiệu quả vô cùng to lớn. Để việc liên kết dữ liệu được thuận lợi, các dữ liệu thông
tin địa lý cần được lưu trữ dưới dạng số và được cùng đưa về một hệ tọa độ đồng nhất.
Các dữ liệu số phải ở dạng có khả năng cho phép chồng phủ lên nhau, nghĩa là tương
đối đồng nhất về hình học. Như vậy về cơ bản liên kết dữ liệu được thực hiện thông
qua hai dạng dữ liệu của cơ sở dữ liệu trong GIS và công việc này gọi là tổ hợp dữ liệu
18


viễn thám với GIS, đây là quá trình tiếp theo của xử lý ảnh nhằm cho ra các kết quả
theo yêu cầu, hoặc cho ra các thông tin để tiếp tục phân tích.
Kết hợp giữa viễn thám và GIS cho phép chúng ta có thể xử lý đồng thời cả ảnh
và bản đồ để nhận biết hiện trạng và thống kê theo dõi được sự biến động lớp phủ mặt
đất. Đó cũng là sự liên kết không thể tách rời nhau theo xu thế phát triển của khoa học
công nghệ ngày nay.
1.2.3. Phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ
Theo dõi biến động tài nguyên và môi trường đã trở thành một ứng dụng quan
trọng được nghiên cứu nhiều trong kỹ thuật viễn thám. Có nhiều phương pháp viễn
thám và GIS sử dụng ảnh viễn thám để nghiên cứu biến động lớp phủ: trừ ảnh, ảnh tỷ
số, phân loại ảnh,… đặc biệt là phương pháp NDVI (NDVI differencing) và sau phân
loại (post classification) là hai phương pháp được ứng dụng nhiều nhất. (J.A Richards
- 2012)

a. Phương pháp phân loại ảnh viễn thám
Phương pháp phân loại ảnh được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp
phân loại dựa trên điểm ảnh. Phương pháp phân loại dựa trên điểm ảnh là phương
pháp phổ biến trong suốt thập kỷ qua.
Phương pháp bao gồm phân loại có kiểm định và phân loại không có kiểm định dựa
trên đặc trưng phổ của từng pixel đơn lẻ như đặc trưng về số lượng kênh phổ, đặc
trưng về giá trị độ xám trung bình, giá trị độ xám cực đại và cực tiểu, phương sai hay
độ lệch chuẩn.
Một số thuật toán phân loại thường được sử dụng trong phương pháp phân loại
có kiểm định là phương pháp xác suất cực đại (maximun likelihood), phương pháp
khoảng cách tối thiểu (minimun distance), phương pháp phân loại hình hộp
(parallelpiped). Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp phân loại xác suất cực đại
chiết tách thông tin lớp phủ bề mặt. Phương pháp này xem xét phân phối các điểm ảnh
có cùng độ xám được nhóm thành vào một lớp.
Ảnh phân loại được sử dụng để phân tích biến động lớp phủ sau phân loại.
b. Phương pháp phân tích biến động sau phân loại
Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất, dễ thực hiện.
19


Từ kết quả phân loại ảnh viễn thám khu vực Thái Nguyên năm 2007, 2013 và
2019 ta tiến hành chồng xếp hai ảnh phân loại năm 2007 và 2013, 2013 và 2019 để xác
định vùng và diện tích lớp phủ bị biến đổi.
Sử dụng công cụ Crosstab trong phần mềm Idrisi để so sánh các pixel ảnh và
tạo ra ảnh biến động lớp phủ tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2007 – 2013 và 2013 – 2019.
1.3. Mô hình hóa biến động lớp phủ
1.3.1. Mô hình CA – Markov
a. Chuỗi Markov
Trong toán học, một xích Markov hay chuỗi Markov (đặt theo tên nhà toán học
người Nga Andrei Andreyevich Markov), là một quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạc

với tính chất Markov. Trong một quá trình như vậy, quá khứ không liên quan đến việc
tiên đoán tương lai mà việc đó chỉ phụ thuộc theo kiến thức về hiện tại.
Xích Markov là một dãy X1, X2, X3,... gồm các biến ngẫu nhiên. Tập tất cả các
giá trị có thể có của các biến này được gọi là không gian trạng thái S, giá trị của Xn là
trạng thái của quá trình (hệ) tại thời điểm n.
Nếu việc xác định (dự đoán) phân bố xác suất có điều kiện của Xn+1 khi cho
biết các trạng thái quá khứ là một hàm chỉ phụ thuộc Xn thì:
P(X_{n+1}=x|X_0, X_1, X_2, \ldots, X_n) = P(X_{n+1}=x|X_n), trong đó x là một
trạng thái nào đó của quá trình (x thuộc không gian trạng thái S). Đó là thuộc tính
Markov.
Một cách đơn giản để hình dung một kiểu chuỗi Markov cụ thể là qua một
automat hữu hạn (finite state machine). Nếu hệ ở trạng thái y tại thời điểm n thì xác
suất mà hệ sẽ chuyển tới trạng thái x tại thời điểm n+1 không phụ thuộc vào giá trị của
thời điểm n mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại y. Do đó, tại thời điểm n bất kỳ,
một xích Markov hữu hạn có thể được biểu diễn bằng một ma trận xác suất, trong đó
phần tử x, y có giá trị bằng P(X_{n+1}=x|X_n=y), và độc lập với chỉ số thời gian n
(nghĩa là để xác định trạng thái kế tiếp, ta không cần biết đang ở thời điểm nào mà chỉ
cần biết trạng thái ở thời điểm đó là gì). Các loại xích Markov hữu hạn rời rạc này còn
có thể được biểu diễn bằng đồ thị có hướng, trong đó các cung được gắn nhãn bằng

20


xác suất chuyển từ trạng thái tại đỉnh (vertex) đầu sang trạng thái tại đỉnh cuối của
cung đó.
Trong ứng dụng xây dựng dự báo biến động lớp phủ, chuỗi Markov sẽ xây
dựng ma trận chuyển đổi từ loại lớp phủ này này sang loại hình lớp phủ khác. Chuỗi
Markov xác định chính xác diện tích lớp phủ được ước tính sẽ thay đổi từ ngày gần
nhất đến ngày dự đoán.
b. Mạng tự động ( Cellular Automata) và khả năng ứng dụng trong đánh giá biến động

sử dụng lớp phủ mặt đất
- Khái niệm: Mạng tự động (Cellular automata) không phải là khái niệm mới.
Khái niệm này được xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1940 trong lĩnh vực khoa học máy
tính. Von Neumann and Ulam được biết đến là những người đầu tiên đưa ra khái niệm
này. Sau đó Conway phát triển tiếp khái niệm này trong lĩnh vực máy tính và chế tạo
Robot nhưng tại thời điểm đó, việc áp dụng khái niệm này chưa hoàn toàn thành công
do hạn chế về tốc độ tính toán của máy tính điện tử. Mặc dù khái niệm mạng tự động
xuất phát từ lĩnh vực khoa học máy tính nhằm phát triển Robot, hiện nay khái niệm
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều chuyên ngành khoa học như Vật lý, Toán học,
Khoa học tự nhiên, GIS, viễn thám,…
- Hiện nay, hầu hết các công nghệ GIS đều có những hạn chế trong việc mô
hình hóa sự thay đổỉ của cảnh quan theo thời gian, nhưng việc tích hợp mạng tự động
và GIS đã tạo nên khả năng ứng dụng lớn hơn và rộng rãi hơn. Những hạn chế của GIS
bao gồm: khả năng hạn chế để đưa ra các mô hình động lực không gian, hạn chế trong
việc tích hợp chiều thời gian vào các mô hình. Trong việc tích hợp GIS và mạng tự
động, mạng tự động có thể cung cấp động cơ phân tích nhằm cung cấp một khung
mềm dẻo cho việc lập trình và chạy của mô hình động lực không gian.
Bản chất của mạng tự động
- Mạng tự động dựa trên nền tảng raster (cell) và tình trạng hay trạng thái của
các raster dựa vào quy luật chuyển đổi đơn giản, the Automaton. Cellular Automata là
mô hình động tích hợp chiều không gian với thời gian.
- Mạng tự động bao gồm 5 nhân tố chính được mô tả như sau:
+ Không gian raster (Cell space): không gian raster được tạo nên bởi một tập
hợp các raster đơn lẻ. Về lý thuyết, những raster này có thể ở bất cứ dạng hình học
21


nào. Tuy nhiên, hầu hết các mạng tự động đều được thiết kế theo hình mạng lưới (grid)
thông thường, điều này làm cho mạng tự động rất giống với dạng dữ liệu raster thường
được dùng phổ biến trong GIS.

+ Tình trạng Cell (Cell states): Tình trạng/trạng thái của một cell có thể thể hiện
giá trị không gian, ví dụ như các loại hình sử dụng đất khác nhau.
+ Bước thời gian (Time steps): Một mạng tự động sẽ tham gia vào tần suất xuất
hiện với các bước thời gian khác nhau. Tại mỗi bước thời gian, các cell sẽ được cập
nhật giá trị dựa trên các quy luật chuyển tiếp.
+ Quy luật chuyển tiếp (Transition rules): Quy luật là cốt lõi của mạng tự động.
Một quy luật chuyển tiếp thường quy định tình trạng/trạng thái của cell trước và sau
khi được cập nhật dựa trên điều kiện của tình trạng/trang thái của các cell xung quanh.

Hình 1.2: Bản chất của mạng tự động
- Cell xung quanh: Mỗi cell có 2 cell xung quanh - trường hợp mạng tự động 1
chiều. Đối với mạng tự động 2 chiều, có 2 cách thức để định nghĩa các cell xung
quanh. Von Neumann cho rằng có 4 cell xung quanh, còn theo quan điểm của Moore
cho rằng có đến 8 cell xung quanh.
Mạng tự động trong dự báo biến động biến động lớp phủ: dự báo lớp phủ tại
thời điểm tương lai dựa trên một tập hợp các quy tắc có tính kết hợp hiện trạng lớp
phủ, lớp phủ lân cận, và các thông tin khác trong quá khứ và hiện tại.
Mô hình không gian kết hợp CA-Markov sẽ cho ta thấy được sự thay đổi sử dụng đất
dựa vào tốc độ thay đổi giữa hai hay nhiều lớp, vị trí của sự thay đổi cho một hoặc
22