Ứng dụng viễn thám, GIS và các chỉ số không gian nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống giao thông đến quá trình đô thị hóa Hà Nội

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CÁC CHỈ SỐ KHÔNG GIAN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG GIAO THÔNG ĐẾN
QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA HÀ NỘI
TS. Lê Thị Minh Phương
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Tóm tắt
Tốc độ đô thị hóa diễn ra rất mạnh mẽ tại các đô thị lớn nói chung và tại
Việt Nam nói riêng, đặc biệt là thành phố Hà Nội. Quá trình đô thị hóa tại Hà Nội
gia tăng nhanh chóng và quá trình kiểm soát mức độ mở rộng đô thị chưa tốt. Có
nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa trong đó việc phát triển
giao thông là một trong những yếu tố chính. Trong giai đoạn 1990 – đến 2012 giao
thông Hà Nội phát triển rất mạnh mẽ kéo theo tốc độ đô thị hóa tăng cao do có các
quyết định mở rộng đô thị và quy hoạch phát triển tổng thể thành phố. Các nghiên
cứu về đô thị hóa tại Hà Nội trước đây đã nêu được sự ảnh hưởng của phát triển
giao thông đến quá trình đô thị hóa nhưng mới chỉ dừng lại ở phân tích không gian
chứ quá trình phát triển đất đô thị chưa được định lượng. Bài báo này chỉ ra được
phương pháp tích hợp ảnh viễn thám GIS và các chỉ số không gian để phân tích,
định lượng sự ảnh hưởng của vành đai giao thông, các trục giao thông chính đến
quá trình đô thị hóa tại Hà Nội. Kết quả về phân tích không gian và định lượng cho
thấy, tốc độ phát triển đất đô thị, đô thị hóa diễn ra với tốc độ cao bám dọc theo
các vành đai giao thông và các trục đường chính trong giai đoạn nghiên cứu. Kết
quả nghiên cứu này là thông tin hữu ích phục vụ công tác quy hoạch và định hướng
quy hoạch đặc biệt trong bối cảnh Hà Nội đang phát triển thành đô thị thông minh.
Từ khóa: viễn thám, GIS, chỉ số không gian, đô thị hóa
1. Giới thiệu
Đô thị hóa là sự mở rộng của đô thị được tính theo tỉ lệ phần trăm giữa số
dân đô thị hay diện tích đô thị trên tổng số dân hay diện tích của một vùng, khu
vực. Nó cũng có thể tính theo tỉ lệ gia tăng của hai yếu tố đó theo thời gian. Đô
thị hóa là quá trình phát triển được thể hiện qua quá trình phát triển dân số, mật
độ dân số, mở diện tích đất xây dựng...(các yếu tố này được đặc trưng bởi các
chỉ số không gian như: tổng diện tích lớp đất đô thị; mật độ cạnh đô thị; chỉ số

mảnh lớn nhất; số lượng mảnh đô thị; chỉ số về mức độ liền kề của các mảnh đô
thị; mật độ mảnh đô thị.
Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng các tư liệu khác nhau như bản đồ địa chính,
điều tra dân số, tính biến động đất đô thị thông qua ảnh viễn thám và GIS đã chỉ ra
được các yếu tố ảnh hưởng đến đô thị hóa. Các nghiên cứu đó mới chỉ dừng lại ở
việc phân tích biến đổi không gian chứ chưa định lượng sự biến đổi đó theo thời

318


gian. Đặc biệt đây là hướng nghiên cứu mới sử dụng tích hợp viễn thám GIS và các
chỉ số không gian để nghiên cứu ảnh hưởng của phát triển giao thông đến quá trình
đô thị hóa tại Hà Nội.
Viễn thám là một khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một đối tượng,
một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được
bằng các phương tiện quan sát từ xa. Ứng dụng viễn thám vào công tác nghiên cứu về
đô thị rất phổ biến, được dùng cho cả những nước phát triển và đang phát triển.
Phương pháp phân loại ảnh viễn thám phục vụ công tác nghiên cứu về đô
thị hóa hiện nay đa phần sử dụng phương pháp phân loại định hướng đối tượng
trên phần mềm eCognition.
Hệ thống thông tin địa lý có vai trò lớn trong công tác nghiên cứu đô thị hóa
có rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng GIS để nghiên cứu đô thị hóa ở các nước khác
nhau trên thế giới. Trong các nghiên cứu đó, GIS đóng một vai trò quan trọng là
công cụ trung chuyển kết quả phân loại ảnh làm cơ sở cho công tác tính toán các chỉ
số không gian để phân tích quá trình đô thị hóa tại khu vực nghiên cứu.
Hệ thống thông tin địa lý kết hợp với phân tích fractal là công cụ hữu ích để
nghiên cứu quá trình đô thị hóa, giá trị của các chỉ số sau khi tính toán và phân tích
giúp ta hiểu được mối quan hệ không gian giữa các đối tượng trong đô thị, các biến đổi
giá trị của các chỉ số chỉ ra được đặc điểm, quá trình hình thành quá trình đô thị hóa..
Các chỉ số đô thị thường được sử dụng để định lượng hình dạng, mẫu

dạng của các mảnh đô thị, các chỉ số đô thị được hình thành từ cuối những năm
1980. Kết hợp đo đạc giữa lí thuyết về thông tin và hình học Fractal dựa trên
việc phân loại mảnh đặc trưng cơ bản của mảnh đô thị. Các mảnh được xác
định là một mảnh đồng nhất cho một cảnh cụ thể ví dụ như đất công nghiệp,
công viên hay vùng dân cư có mật độ cao. Chỉ số đô thị được sử dụng để định
lượng tính đồng nhất của mỗi một mảnh đô thị riêng biệt, hoặc của tất cả các
mảnh thuộc về các nhóm đất đô thị.
2. Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu
Trong giai đoạn 1990 -2012 có các quy hoạch tổng thể về quy hoạch giao
thông thành phố Hà Nội, có các thay đổi về ranh giới hành chính mở rộng đô thị
dẫn đến tốc độ đô thị hóa gia tăng mạnh mẽ. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của giao
thông đến đô thị hóa, tác giả đã lựa chọn giai đoạn này để làm nổi bật được sự ảnh
hưởng của hệ thống giao thông đến quá trình đô thị hóa. Các dữ liệu và phương
pháp nghiên cứu, xử lý số liệu được dùng trong bài báo được trình bày dưới đây:
- Về không gian và thời gian nghiên cứu: Từ giai đoạn 1991-2008, Hà Nội có
quyết đinh mở rộng thành phố vì vậy nghiên cứu này chọn 13 quận huyện của Hà Nội
cụ thể gồm 9 quận: Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa, Hai Bà Trưng, Cầu Giấy, Tây

319


Hồ, Thanh Xuân, Hoàng Mai, Long Biên và 4 huyện: Từ Liêm, Thanh Trì, Gia Lâm,
Đông Anh; và chọn giai đoạn nghiên cứu từ 2009 – 2012 để thể hiện rõ sự biến động
giao thông và quá trình đô thị hóa.
Bốn ảnh viễn thám khu vực Hà nội được lựa chọn cho giai đoạn 1990 đến
2012 bao gồm 03 ảnh Landsat và 01 ảnh Spot ( bảng 1). Sử dụng phương pháp phân
loại định hướng đối tượng trên phần mềm eCognition để phân loại lớp đất phủ trên
ảnh vệ tinh Landsat 1993, 2000, 2007 và ảnh Spot 2012, quy trình xử lý ảnh được thể
hiện chi tiết trong bài báo ( hình 1). Khi phân loại ảnh vệ tinh, lớp đất phủ trên các
ảnh vệ tinh được phân loại theo 3 nhóm như sau: đất đô thị, mặt nước, và đất khác.

Loại dữ liệu
Landsat TM
Landsat ETM
Landsat 7 ETM+
Spot 4
Quy
phân loại
tinh được
trong sơ
đây:

320

Bảng 1. Ảnh vệ tinh
Ngày chụp
Độ phân giải (m)
27/12/1993
30
17/09/2000
8/11/2007
16/9/ 2012
20

Khu vực
Hà Nội
Hà Nội
Hà Nội
trình
ảnh
vệ

thể hiện
đồ dưới


Hình 1. Quy trình xử lý ảnh viễn thám
Kết quả phân loại ảnh viễn thám được đánh giá độ chính xác theo quy định và
kết quả có độ tin cậy cao.
Kết quả phân phân loại dùng để làm cơ sở cho các tính toán tốc độ phát triển đô
thị. Khi có kết quả phân loại ảnh viễn thám, lớp đất đô thị được tách ra kết hợp với lớp
giao thông. Các vành đai giao thông và các trục giao thông chính chuyển về định dạng
shapefile và đưa vào cơ sở dữ liệu GIS.
Hai lớp thông tin này được xử lý trên phần mềm Arcmap để phân tích biến động
không gian quá trình đô thị hóa.
Các đường vành đai giao thông và các trục giao thông chính là huyết mạch
trong đô thị, giao thông mở ra đến đâu thì đô thị mở ra đến đó, và trong rất nhiều khu
vực khi giao thông vẫn đang còn trong qui hoạch thì các khu đô thị bám đường đã xuất
hiện. Trong nghiên cứu này các vành đai giao thông 02 và 03 và các trục giao thông
chính được lựa chọn như sau:
- Giải Phóng - Ngọc Hồi;
- Nguyễn Văn Cừ - Hà Huy Tập - Ngô Gia Tự;
- Nguyễn Văn Linh - Nguyễn Đức Thuận;
- Phạm Văn Đồng - Thăng Long Nội Bài;
- Trần Duy Hưng - Đại lộ Thăng Long;
- Quốc lộ 3;
- Xuân Thủy - Cầu Giấy - Quốc lộ 2.
Hệ thống giao thông và lớp đất đô thị được tính toán trên phần mềm ArcMap
dưới lệnh buffer dọc theo vành đai và các trục giao thông chính là 1 km để khảo sát sự
thay đổi sử dụng đất đô thị. Việc lựa chọn 1 km để tính sự ảnh hưởng của giao thông
quá trình đô thị hoá được căn cứ trên nguyên tắc thiết kế quy hoạch giao thông tại Việt
Nam. Các vành đai giao thông và các trục giao thông chính được đưa vào dưới dạng

shapefile được lấy sang hai bên là 1 km để nghiên cứu tốc độ đô thị hóa, sử dụng kết
quả phân loại đất đô thị quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính để tính
toán các chỉ số không gian (hình 2)
Bộ chỉ số không gian dùng để tính toán tốc độ đô thị hóa theo vành đai giao thông:
CA - tổng diện tích lớp đất đô thị;

321


ED - mật độ cạnh đô thị;
LPI- chỉ số mảnh lớn nhất;
NP - số lượng mảnh đô thị;
IJI - chỉ số về mức độ liền kề của các mảnh đô thị;
PD - mật độ mảnh đô thị.
Các chỉ số không gian này được tính toán định lượng trên phần mềm
Fragtats, sau đó xuất kết quả ra phần mềm exel để phân tính tính toán.
Thông qua giá trị và sự biến thiên về giá trị của nhóm chỉ số này cho phép
phân tích được quá trình hình thành và phát triển đất đô thị, đặc tính các đối tượng
đô thị, tốc độ mở rộng đô thị, mật độ xây dựng. Quá trình tính các chỉ số không gian
được thể hiện qua sơ đồ sau:

Hình 2. Quy trình tính toán các chỉ số không gian

322


3. Kết quả và phân tích kết quả
Kết quả phân loại đất đô thị trên ảnh vệ tinh quanh vành đai giao thông và
các trục giao thông chính:
1993

2000

2007

2012

Hình 3. Biến động đất đô thị quanh vành đai và các trục giao thông
Kết quả thu được sau khi tính toán các chỉ số đô thị
Kết quả tính toán biến động các chỉ số cho các giai đoạn 1993 - 2000;
2000 - 2007; 2007 - 2012 cho phép chỉ ra sự thay đổi tốc độ đô thị hóa ở dọc các
tuyến giao thông và dọc các vành đai giao thông được trình bày dưới đây:
Biến đổi chỉ số diện tích (CA)
Diện tích đất đô thị quanh các vành đai tăng nhanh chóng trong giai đoạn
nghiên cứu. Tại các vành đai và trục giao thông chỉ số CA của toàn bộ giai đoạn
nghiên cứu (từ 1993-2012) là từ 4131 ha tăng lên 13522.14, nghĩa là tăng hơn 4 lần.
Một cách chi tiết hơn, giai đoạn từ 1993 đến 2000 diện tích đất đô thị tăng gần
50% (từ 4131.12 lên 6181.36 ha), giai đoạn từ 2000 đến 2007 tăng hơn 100% (từ
6181.36 lên 12693.8 ha), và giai đoạn thứ 3 chỉ tăng gần 10% (từ 12693.8 lên 13522.14
ha). Nguyên nhân giai đoạn 3 tăng thấp hơn cả là vì các tuyến đường cũng như các trục
giao thông này đều được xây dựng trong hai giai đoạn trước và đất đô thị gần như phủ
kín nên đến giai đoạn 2007-2012 không còn nhiều diện tích dành cho đất đô thị.
Biến đổi chỉ số NP
Chỉ số NP trong giai đoạn 2000-2007 có xu hướng tăng, nhưng đến năm 2012

323


lại quay về tương đương với năm 1993, diện tích đất đô thị thì tăng hơn 4 lần cho
thấy các mảnh đô thị đã xuất hiện thêm, đất đô thị bị chia nhỏ. Cụ thể, tại bảng (4.1)

cho thấy chỉ số NP từ 1993 đến 2000 tăng từ 122 đến 161, chỉ số này tiếp tục tăng
trong giai đoạn 2000 đến 2007 lên đến 232, tăng gấp gần 2 lần so với năm 1993. Chỉ
số này giảm dần xuống còn 126 trong giai đoạn 2007 đến 2012. Chỉ số này tăng trong
giai đoạn trước năm 2007 là do tốc độ đô thị hóa mạnh, đất đô thị bị phân mảnh và
xuất hiện nhiều mảnh đô thị mới, giai đoạn từ 2007 đến 2012 thì các mảnh này giảm
chứng tỏ các mảnh đô thị nở ra và tiến gần sát nhập thành các mảnh đô thị lớn hơn.
Biến đổi chỉ số LPI
Chỉ số LPI tăng khá mạnh cụ thể tại bảng (4.1) cho thấy tăng 1993 đến 2012
tăng từ 7.6699 lên 28.4098, nghĩa là tăng gấp gần 4 lần. Kết quả tính toán cho thấy
giai đoạn từ 2000 đến 2007 là tăng mạnh hơn giai đoạn từ 1993 - 2000 và 2007 2012 cụ thể từ 2000 - 2007 tăng từ 13.6901 đến 23.3325, còn giai đoạn 1993-2000
và 2007 - 2012 thì có mức độ tăng tương đương khoảng hơn 6000. Việc gia tăng chỉ
số LPI liên quan đến sự lan tỏa của các mảnh đô thị nhỏ và hợp chúng lại thành
những mảnh đô thị lớn, bên cạnh đó cũng có sự phát triển đất đô thị xung quanh các
mảnh đô thị đã tồn tại trước đó. Nói một cách khác thì đô thị được mở rộng từ các
mảnh nhỏ và phân mảnh, sau đó các mảnh đô thị được xây dựng mở rộng liên kết
với đô thị chính và đô thị nhân lõi.
Biến đổi chỉ số PD
Kết quả tính toán chỉ số PD quanh vành đai giao thông và các trục giao
thông chính cho thấy có biến đổi trong giai đoạn nghiên cứu. Mật độ các mảnh đô
thị quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính tăng trong giai đoạn
nghiên cứu (bảng 4.1).
Biến đổi chỉ số ED
Một chỉ số khác cũng dùng để tính toán mức độ mở rộng đất đô thị quanh vành
đai giao thông và các trục giao thông chính là chỉ số ED. Kết quả cho thấy tổng chiều
dài của các cạnh trong mảnh đô thị gia tăng đồng nghĩa đất đô thị bị phân mảnh. Theo
(bảng 4.1) chỉ số ED trong giai đoạn 1993 - 2000 tăng từ 16.916 đến 23.922, giai đoạn
2000 - 2007 ED tăng từ 23.922 lên 36.245, giai đoạn 2007 - 2012 giảm từ 36.245
xuống 35.735. Kết quả này cho thấy việc mở rộng đất đô thị quanh vành đai giao thông
và các trục giao thông chính tăng mạnh và bị phân mảnh nhiều nhất trong giai đoạn
2000-2007, đến giai đoạn 2007-2012 mức độ phân mảnh giảm dần.

Biến đổi chỉ số IJI
IJI là chỉ số cuối cùng được tính toán cho khu vực vành đai giao thông và các
trục giao thông chính. Chỉ số này thể hiện mức độ liền kề giữa các mảnh đô thị với

324


nhau. Theo kết quả tính toán tại (bảng 4.1) thì chỉ số IJI tăng dần. Cụ thể, trong giai
đoạn 1993 -2012 chỉ số này tăng từ 42.0185 đến 64.2586. Cũng với xu thế tăng
trong giai đoạn 2000- 2007 như các chỉ số khác, chỉ số IJI trong giai đoạn này tăng
tới khoảng 30% (từ 45.2533 đến 57.9103). Giai đoạn từ 1993 - 2000 và từ 2007 2012 tăng khoảng 10%. Việc ra tăng chỉ số IJI liên quan đến tốc độ đô thị hóa từ
các mảnh đô thị, các mảnh đô thị nở ra hoặc xuất hiện thêm các mảnh đô thị mới
chính là nguyên nhân làm cho các mảnh đô thị gần nhau hơn.
Bảng 2. Chỉ số không gian của vành đai giao thông và các trục giao thông chính
Các chỉ số không gian

Năm
CA

NP

PD

LPI

ED

IJI

1993

4131.12

122

0.4501 7.6689 16.916 42.0185

2000

6181.36

161

0.5936 13.6901 23.922 45.2533

2007

12693.8

232

0.8557 23.3325 36.245 57.9103

2012

13522.14 126

0.4649 28.4098 35.735 64.2586

Đánh giá chung:

Quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính luôn xuất hiện quá
trình đô thị hóa với tốc độ mạnh thể hiện thông qua việc gia tăng chỉ số diện tích đất
đô thị (CA). Tại bảng 2 diện tích tăng mạnh nhất trong giai đoạn 2000 - 2007, từ
2007 đến 2012 tốc độ tăng chậm hơn. Nguyên nhân của việc gia tăng đất đô thị
quanh vành đai giao thông và các trục giao thông chính là do trong giai đoạn nghiên
cứu Hà Nội thực hiện hàng loạt các dự án tăng cường cơ sở mặt bằng, và các vành
đai giao thông cũng như các trục giao thông chính được xây dựng. Cụ thể như các
đường vành đai 02,03, các trục đường giao thông chính như các đường quốc lộ, hệ
thống cơ sở hạ tầng được nâng cấp và mở rộng để đáp ứng quá trình đô thị hóa.
Thay đổi các chỉ số quanh các vành đai giao thông và các trục giao thông
chính chính là bằng chứng cho đô thị hóa diễn ra tại đây. Điều này cho thấy quá
trình đô thị hóa phát triển mạnh bám theo hệ thống giao thông. Có thể kết luận vành
đai giao thông và các trục giao thông chính ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa.
4. Kết luận
Tích hợp viễn thám, GIS và các chỉ số không gian là phương pháp mới phù
hợp, có độ tin cậy cao để nghiên cứu quá trình đô thị hóa, nêu rõ được quá trình mở
rộng đô thị về mặt không gian, thời gian và định lượng được quá trình đô thị hóa.
Bộ chỉ số được lựa chọn đủ để đánh giá được mối quan hệ của các đối tượng
đô thị trong không gian của khu vực nghiên cứu. Nhóm chỉ số trong bài báo có quan

325


hệ, ảnh hưởng lẫn nhau khi phân tích kết hợp nhóm chỉ số này đã thấy rõ quá trình
đô thị hóa của Hà Nội. Bộ chỉ số này là công cụ hữu ích để miêu tả, định lượng sự
thay đổi cấu trúc không gian đô thị, các mảnh đô thị. Nó còn làm sáng tỏ các yếu tố
ảnh hưởng, tác động đến quá trình đô thị hóa Hà Nội. Giá trị biến thiên của các chỉ
số này dùng làm cơ sở để đánh giá và định hướng qui hoạch về mặt không gian.
Xác định được hệ thống giao thông bao gồm các vành đai giao thông và các
trục giao thông chính là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa

Tài liệu tham khảo

1. Bộ Xây dựng (2008), Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về qui hoạch xây dựng.
2. Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
3. Phạm Sỹ Liêm (2013), "Nâng cao hiệu quả quản lí phát triển đô thị theo qui
hoạch", Hội thảo quản lí xây dựng đô thị theo qui hoạch, Hà Nội

4. Griffith.J.S (2001), "Object-Oriented Method to Classify the Land Use and
Land Cover in San Antonio using eCognition Object-Oriented Image Analysis
Introduction"

5. Hai.P.M, Yamaguchi.Y (2008), "Characterizing the urban growth of Ha Noi,
Nagoya and Sahnhai City using remote sensing and spatial metrics",
Geoscience and Remote Sensing Symposium,5, pp.1-25

6. Herold.M (2004), "Remote Sensing and Spatial Metrics for Mapping and
Modeling of Urban Structures and Growth Dynamics", Ph.D. Thesis,
University of California, USA.

7. Herold.M, Joseph Scepan, Keith C Clarke (2002), "The use of remote sensing
and landscape metrics to describe structures and changes in urban land uses",
Environment and Planning A, 34, pp.1443-1458

326