Laboratory Exercise No. 1 GIS & Makov Chain Model PHẦN CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 106 Laboratory Exercise No. 1 GIS & Makov Chain Model Chuyên đề 1 ỨNG DỤNG GIS & CHUỔI MAKOV TRONG VIỆC ĐÁNH GIÁ DIỄN BIẾN SỬ DỤNG ĐẤT Mục tiêu: 1) Ứng dụng GIS trong việc xây dựng bản đồ sử dụng đất, tài nguyên rừng; 2) Ứng dụng chuổi Makov & GIS trong việc xác định Ma trận chuyển đổi sử dụng đất, tài nguyên rừng; 3) Dự báo thay đổi sử dụng đất và tài nguyên rừng thông qua các mô hình tóan học. Tài liệu tham khảo (1) Nguyen Kim Loi, and N.Tangtham. . 2001. Effects of Land Cover and Large Reservoir Operation on Water Balance of the Chao Pharaya River Basin, Bangkok, Thailand. Kasetsart J. Nat. Sci. 32. p.234-244. (2) Nguyen Kim Loi. 2002. Effect of Land Use/ Land Cover Changes and Practices on Sediment Contribution to the Tri An Reservoir of Dong Nai Watershed, Vietnam. M.Sc. Thesis, Graduate School, Kasetsart University, Bangkok, Thailand. 113p. (3) Nguyễn Kim Lợi .2002. Tiếp cận mô hình hóa trong nghiên cứu thay đổi sư dụng đất tại lưu vực sông Đồng Nai. Tập san Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp, số 1/2002. Đại học Nông Lâm TPHCM. p.34-40. (4) Nguyễn Kim Lợi .2004. Anh hưởng của sự thay đổi các kiểu sử dụng đất đến bồi lắng lòng hồ Trị An của lưu vực sông Đồng Nai.Tạp chí Khoa học đất, Số đặc biệt 20/2004, Hà Nội. (5) Nguyen Kim Loi. 2002. Integration of Linear Programming and GIS Land Allocation for Quality of Life: A Case Study in Dong Nai Watershed, Vietnam. Seminar, Kasetsart J. (Nat.Sci.) 35. Bangkok, Thailand. P.511-519. (6) Nguyen Kim Loi., and N. Tangtham. 2004. Decision support system for sustainable watershed management in Dong Nai watershed – Vietnam: Conceptual framework a proposed research techniques. Paper presented in Forest and Water in Warm Humid Asia, IUFRO Workshop, July 10-12, 2004 Kota Kinabalu, Malaysia. (7) Nguyen Kim Loi. and N. Tangtham. 2004. Decision support system for sustainable watershed management in Dong Nai watershed – Vietnam: Applying Linear Programming Technique for Land Allocation. Paper presented in International Environmental Modelling and Software Society iEMSs 2004 International Conference . Complexity and Integrated Resources Management Session. 14-17 June 2004 University of Osnabrck, Germany. Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 107 Laboratory Exercise No. 1 GIS & Makov Chain Model (8) Nguyen Kim Loi., and N. Tangtham. 2005. Decision support system for sustainable watershed management in Dong Nai watershed – Vietnam. Paper presented in International Seminar on “Synergistic Approach to Appropriate Forestry Technology for Sustaining Rainforest Ecosystem”, March 7 - 9, 2005, Bintulu Kinabalu, Malaysia. Vật liệu cần chuẩn bị: 1) Bản đồ sử dụng đất 2) Máy tính với các phần mềm hỗ trợ: Arc View, Arc GIS,… Các kiến thức căn bản 1. Chuổi Makov 1.1 Xác định sự thay đổi các kiểu sử dụng đất dựa trên cơ sở của mô hình Markov Chain. Mô hình Markov Chain đã được ứng dụng để xác định khả năng thay đổi các kiểu sử dụng đất dựa trên sự tiến triển các kiểu sử dụng đất và các nhân tố ảnh hưởng đến sự thay đổi. Tổng quát hóa của mô hình được minh họa như sau: Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 108 = [V 1 , V 2 , . . . , V 5 ] 2 Laboratory Exercise No. 1 GIS & Makov Chain Model Các kiểu sự dụng đất ở thời điểm t o Các kiểu sự dụng đất ở thời điểm t 1 Với γ ij : là xác suất thay đổi được xác định từ việc “Overlay” bản đồ sử dụng đất tại 2 thời điểm khác nhau. Để dự đoán phân bố các kiểu sử dụng đất khác nhau vào các thời điểm tiếp theo có thể ứng mô hình Markov Chain như sau: Đây có thể được viết lại dưới dạng tổng quát hóa của ma trận như sau: [V 1, V 2, . . . , V 5 ] * 1 1.2. Ứng dụng mô hình toán học để dự báo sự thay đổi các kiểu sử dụng đất trong tương lai Dự báo về sự thay đổi các kiểu sử sự đất theo thời gian theo phương trình toán học sau: dA/dt = A * r Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 109 γ 11 , γ 12 , γ 13 , . . . γ 15 γ 21 , γ 22 , γ 23 , . . . γ 25 . . . γ 51 , γ 52 , γ 53 , . . . γ 55 γ 51 γ 55 γ 53 γ 54 γ 52 (1)Lâm nghiệp (2)Nông nghiệp (3)Đô thị (4)Đất trống (5)Đất chuyên dùng (1)Lâm nghiệp (2)Nông nghiệp (3)Đô thị (4)Đất trống (5)Đất chuyên dùng γ 12 γ 11 γ 13 γ 14 Tỉ lệ các kiểu sử dụng đất ở thời điểm thứ nhất Ma trận về xác suất của sự thay đổi các kiểu sử dụng đất Tỉ lệ các kiểu sử dụng đất ở thời điểm thứ hai * = Laboratory Exercise No. 1 GIS & Makov Chain Model dA/A = r * dt A t = A o * (1+r) t (1) r : Tỉ lệ thay đổi của các kiểu sử dụng đất trong khoảng thời gian thu thập số liệu. A o : Diện tích của kiểu sử dụng đất tại thời điểm thứ nhất A t : Diện tích của kiểu sử dụng đất tại thời điểm t. 1.3. Mô hình hóa về sự thay đổi các kiểu sử dụng đất tại lưu vực sông Đồng Nai Như đã đề cập ở trên, mục đích của nghiên cứu nhằm phát triển mô hình về sự thay đổi các kiểu sử dụng đất (LUCC) tại lưu vực sông Đồng Nai nhằm ứng dụng mô hình này để dự báo hướng LUCC trong tương lai. Sự thay đổi các kiểu sử dụng đất được xem như là một hàm số do bởi những hoạt động của con người trong lưu vực. Hàm số đó được xác định bởi sự thay đổi các kiểu sử dụng đất và có thể được mô hình hóa bởi một phương trình tóan học như sau: LUCC = f(sự biến động về dân số, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội trong lưu vực, sự nhận thức của người dân, chính sách xã hội) (2) Thuật ngữ “Patch” (P) được sử dụng nhằm đại diện cho sự xuất hiện của các kiểu sử dụng đất, được mô tả như sau: P 1 = Đất lâm nghiệp P 2 = Đất nông nghiệp P 3 = Khu vực dân cư P 4 = Đất trống P 5 = Đất chuyên dùng. Sự thay đổi về sử dụng đất của mỗi “Patch” theo thời gian dựa trên cơ sở sự tác động giữa sự biến động về dân số, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội trong lưu vực, sự nhận thức của người dân trong lưu vực và chính sách xã hội. Trong nghiên cứu này, tại thời điểm t 1 , diện tích của mỗi một “Patch” là một hàm số với biến là diện tích của mỗi “Pacth” với hệ số c i , có thể được viết như sau: (AP 1 ) t1 = c 1 AP 1(to) (3) (AP 2 ) t1 = c 2 AP 2(to) (4) (AP 3 ) t1 = c 3 AP 3(to) (5) ( AP 4 ) t1 = c 4 AP 4(to) (6) (AP 5 ) t1 = c 5 AP 5(to) (7) Trong đó: c 1 , c 2, . . . c 5 : hệ số LUCC; t = thời gian; AP 1 , … AP 5 : diện tích của P 1 , . . . P 5 Phương trình (3) đến (7), có thể được tổng quát hóa như sau: (AP n ) (t+1) = c n AP n (t) (8) Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 110 Laboratory Exercise No. 1 GIS & Makov Chain Model Tại thời điểm các năm 1990, 1995 và 2000, diện tích của lưu vực có thể được viết như sau: 1990: A (t1) = AP 1 (t1) + AP 2 (t1) + AP 3 (t1) + AP 4 (t1) + AP 5 (t1) (9) 1995: A (t2) = AP 1 (t2) + AP 2 (t2) + AP 3 (t2) + AP 4 (t2) + AP 5 (t2) (10) 2000: A (t3) = AP 1 (t3) + AP 2 (t3) + AP 3 (t3) + AP 4 (t3) + AP 5 (t3) (11) A (t1) = A (t2) = A (t3) tổng diện tích của khu vực nghiên cứu. Trong chuyên đề này, khoảng giữa thời gian t o và t 1 , sự thay đổi giữa các “Patch” là một ma trận được trình bày trong Bảng 1. Bảng 1. Ma trận về thay đổi các kiểu sử dụng đất trong khoảng thời gian t o đến t 1 t o t 1 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 1 γ 11 γ 12 γ 13 γ 14 γ 15 P 2 γ 21 γ 22 γ 23 γ 24 γ 25 P 3 γ 31 γ 32 γ 33 γ 34 γ 35 P 4 γ 41 γ 42 γ 43 γ 44 γ 45 P 5 γ 51 γ 52 γ 53 γ 54 γ 55 Sự thay đổi của “Patch” P 1 khoảng giữa thời gian t o đến t 1 , có thể được viết như sau: (AP 1 ) t1 = c 1 AP 1(to) = AP 1( to) – γ 12 AP 1(to) – γ 13 AP 1 (to) – γ 14 AP 1 (to) – γ 15 AP 1(to) + γ 21 AP 2 (to) + γ 31 AP 3 (to) + γ 41 AP 4 (to) + γ 51 AP 5 (to) (12) Tương tự như trên,sự thay đổi của “Patch” P 2 , P 3 , P 4 , P 5 , khoảng giữa thời gian t o - t 1 , có thể được viết như sau: D’;/ (AP 2 ) t1 = c 2 AP 2(to) = AP 2( to) ) – γ 21 AP 2(to) – γ 23 AP 2 (to) – γ 24 AP 2 (to) – γ 25 AP 2(to) + γ 12 AP 1 (to) + γ 32 AP 3 (to) + γ 42 AP 4 (to) + γ 52 AP 5 (to) (13) (AP 3 ) t1 = c 3 AP 3(to) = AP 3( to) – γ 31 AP 3(to) – γ 32 AP 3 (to) – γ 34 AP 3 (to) – γ 35 AP 3(to) + γ 13 AP 1 (to) + γ 23 AP 2 (to) + γ 43 AP 4 (to) + γ 53 AP 5 (to) (14) (AP 4 ) t1 = c 4 AP 4(to) = AP 4( to) – γ 41 AP 4(to) – γ 42 AP 4 (to) – γ 43 AP 4 (to) – γ 45 AP 4(to) + γ 14 AP 1 (to) + γ 24 AP 2 (to) + γ 34 AP 3 (to) + γ 54 AP 5 (to) (15) (AP 5 ) t1 = c 5 AP 5(to) = AP 5( to) – γ 51 AP 5(to) – γ 52 AP 5 (to) – γ 53 AP 5 (to) – γ 54 AP 5(to) + γ 15 AP 1 (to) + Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 111 Laboratory Exercise No. 1 GIS & Makov Chain Model γ 25 AP 2 (to) + γ 35 AP 3 (to) + γ 45 AP 4 (to) (16) Với (AP i ) t1 = diện tích của “Patch” P i tại thời điểm t 1 . (AP 1 ) to = diện tích của “Patch” P i tại thời điểm t o . c i = hệ số thay đổi của “Patch” P i γ ij = hệ số thay đổi các kiểu sử dụng đất, chỉ ra khả năng thay đổi từ “Patch” P i đến “Patch” P j . Phương trình (12) “dấu (+)” chỉ sự chuyển đổi từ Patch “P 2 , P 3 , P 4 , P 5 ” đến Patch P 1 , và “dấu (-)” chỉ sự chuyển đổi từ Patch P 1 đến Patch “P 2 , P 3 , P 4 , P 5 ”. Những phương trình khác tương tự “dấu (+)” và “dấu (-) giải thích sự chuyển đổi theo γ ij và AP i . Nội dung thực hiện: - Cơ sở dữ liệu GIS về bản đồ sử dụng đất; - Từ Bản đồ sử dụng đất của các giai đọan khác nhau, Hãy xác định Ma trận chuyển đổi sử dụng đất. - Dựa vào ma trận chuyển đổi, đánh giá diễn biến sử dụng đất, tài nguyên rừng (Đánh giá kể cả phần chính sách…) - Trên cơ sở ma trận chuyển đổi, hãy dự báo thay đổi sử dụng đất trong tương lai. - Nhưng thuận lợi & khó khăn của phương pháp này. - Các kiến nghị và đề xuất Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 112 . No. 1 GIS & Makov Chain Model Chuyên đề 1 ỨNG DỤNG GIS & CHUỔI MAKOV TRONG VIỆC ĐÁNH GIÁ DIỄN BIẾN SỬ DỤNG ĐẤT Mục tiêu: 1) Ứng dụng GIS trong việc. việc xây dựng bản đồ sử dụng đất, tài nguyên rừng; 2) Ứng dụng chuổi Makov & GIS trong việc xác định Ma trận chuyển đổi sử dụng đất, tài nguyên rừng; 3)