Diện tích đô thị (urban land area) là quy mô không gian bề mặt đất được xác định cho một đô thị, được tiếp cận theo hai phạm trù ranh giới cốt lõi: ranh giới hành chính pháp lý (toàn bộ diện tích tự nhiên thuộc quyền quản lý hành chính của chính quyền đô thị, bao gồm cả khu vực nội thị và vùng ngoại thị) và diện tích hình thái vật thể hay vết chân đô thị (phạm vi các bề mặt không thấm nước, công trình kiến trúc xây dựng và mạng lưới hạ tầng kỹ thuật nhân tạo kết nối liên tục phục vụ các chức năng đô thị hoá). Đây là chỉ số không gian trung tâm phản ánh mức độ mở rộng vật chất, sự chuyển dịch cơ cấu sử dụng đất nông nghiệp và áp lực của con người lên hệ sinh thái tự nhiên.
Khái niệm, ranh giới và phương pháp đo đạc không gian đô thị
Trong quy hoạch vùng và địa lý nhân văn, việc phân định ranh giới diện tích đô thị quyết định tính chính xác của các phân tích chính sách và mật độ dân cư. Diện tích đô thị theo ranh giới hành chính được phân định bằng các văn bản pháp quy nhằm phục vụ việc phân cấp quản lý nhà nước, thu ngân sách và tổ chức dịch vụ công; ranh giới này thường bao trùm cả những diện tích đất nông nghiệp, mặt nước, đồi rừng hoặc các vùng sinh thái bán tự nhiên chưa bị biến đổi. Ngược lại, diện tích đất xây dựng đô thị hay vết chân đô thị chỉ bao gồm các bề mặt bị nhân tạo hoá không thấm nước như đường sá, nhà ở, nhà xưởng và công trình công cộng.
Sự phát triển của công nghệ quan sát Trái Đất và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã cho phép các nhà khoa học định lượng diện tích đô thị toàn cầu một cách độc lập với ranh giới hành chính. Nghiên cứu của Schneider và cộng sự (2010) trên tạp chí Remote Sensing of Environment đã sử dụng dữ liệu cảm biến MODIS với độ phân giải không gian 500 m để xây dựng bản đồ lớp phủ đất đô thị toàn cầu. Schneider và cộng sự (2010) chỉ ra rằng tổng diện tích đất đô thị toàn cầu chỉ chiếm dưới 0,5% tổng diện tích đất liền của Trái Đất. Dù chiếm tỷ lệ diện tích bề mặt rất nhỏ trên quy mô hành tinh, các vùng đất xây dựng đô thị lại là nơi tập trung mật độ cao nhất các hoạt động kinh tế - xã hội và quá trình biến đổi sinh thái.
Để đánh giá sự khác biệt giữa các hệ thống dữ liệu viễn thám trong việc xác định diện tích đất đô thị, bảng dưới đây tổng hợp các đặc tính kỹ thuật cơ bản của các nguồn dữ liệu phổ biến:
| Bộ dữ liệu vệ tinh | Độ phân giải không gian | Phương pháp trích xuất | Ưu điểm và phạm vi ứng dụng |
|---|---|---|---|
| MODIS Urban Extent (Schneider và cs., 2010) | 500 m | Cây quyết định có giám sát (Supervised Decision Trees) | Bao quát toàn cầu liên tục, nhất quán về mặt thời gian, phù hợp cho mô hình hoá vĩ mô. |
| Landsat Global Human Settlement (GHSL) | Độ phân giải trung bình | Học máy và phân tích kết cấu hình ảnh không gian | Độ phân giải trung bình, nhận diện tốt các dải phát triển đô thị dọc tuyến giao thông. |
| Sentinel-2 WorldCover | Độ phân giải cao | Mạng nơ-ron tích chập và quang phổ đa dải | Độ chi tiết cao, phân tách được các mảng xanh xen kẽ và công trình đơn lẻ trong đô thị nén. |
Quy luật và động lực mở rộng diện tích đô thị toàn cầu
Quá trình mở rộng diện tích đất đô thị trong nhiều thập niên qua phản ánh những tương tác phức tạp giữa tăng trưởng kinh tế, gia tăng dân số và chính sách phát triển hạ tầng. Nghiên cứu phân tích tổng hợp của Seto và cộng sự (2011) trên tạp chí PLOS ONE từ 180 công trình bao quát 326 khu vực nghiên cứu giai đoạn 1970–2000 chỉ ra rằng trên quy mô toàn cầu, diện tích đất đô thị mở rộng bình quân nhanh hơn tốc độ tăng dân số đô thị. Tuy nhiên, xu thế này có sự phân hoá rõ rệt theo từng khu vực địa lý:
- Khu vực Bắc Mỹ: Tỷ lệ mở rộng đất đô thị so với tốc độ tăng trưởng dân số đạt mức cao nhất (đạt mức cao vượt trội), phản ánh mô hình phát triển đô thị dàn trải phụ thuộc hoàn toàn vào xe hơi cá nhân và mật độ nhà ở thấp.
- Khu vực duyên hải Đông Á: Tốc độ gia tăng diện tích đất xây dựng đô thị diễn ra nhanh chóng, được dẫn dắt chủ yếu bởi tăng trưởng tổng sản phẩm nội địa (GDP) và sự bùng nổ của các khu công nghiệp, thương mại ven đô.
- Khu vực Ấn Độ và Nam Á: Tốc độ tăng trưởng dân số đô thị lại vượt qua tốc độ mở rộng diện tích đất đô thị, dẫn đến xu hướng nén mật độ dân cư và gia tăng áp lực lên hệ thống hạ tầng sẵn có.
- Khu vực châu Phi: Động lực mở rộng không gian đô thị bị chi phối áp đảo bởi tốc độ tăng dân số tự nhiên và dòng người di cư từ nông thôn, diễn ra trong bối cảnh chuyển dịch kinh tế còn chậm.
Các động lực kinh tế và thể chế then chốt thúc đẩy diện tích đất đô thị tiếp tục mở rộng bao gồm sự phát triển của hệ thống đường cao tốc liên vùng, nhu cầu tiêu dùng diện tích sàn ở tăng theo mức sống và cơ chế thu ngân sách địa phương từ việc chuyển đổi đất nông nghiệp sang đất dự án thương mại.
Dự báo xu hướng và hệ luỵ sinh thái môi trường
Các mô hình viễn thám và kịch bản kinh tế đưa ra những dự báo quan trọng về xu thế mở rộng diện tích đất đô thị trong tương lai. Nghiên cứu dự báo của Seto và cộng sự (2012) trên tạp chí PNAS tính toán rằng diện tích đất đô thị toàn cầu đến năm 2030 có thể tăng thêm 1,2 triệu km2 so với mức nền năm 2000. Mức tăng này sẽ khiến tổng diện tích đất đô thị toàn cầu năm 2030 gấp gần ba lần diện tích đô thị tích luỹ của nhân loại tính đến năm 2000, tạo áp lực trực tiếp lên các điểm nóng đa dạng sinh học và các bể chứa carbon rừng tự nhiên.
Ở tầm nhìn dài hạn, nghiên cứu của Angel và cộng sự (2011) trên tạp chí Progress in Planning chỉ ra rằng diện tích đất đô thị tại các nước đang phát triển có thể tăng mạnh từ mức khoảng 300.000 km2 năm 2000 lên mức dao động trong khoảng 1,1 đến 1,6 triệu km2 vào năm 2050 nếu xu hướng giảm mật độ đô thị bình quân tiếp tục duy trì. Sự chuyển đổi diện tích đất tự nhiên thành đất xây dựng gây ra nhiều hệ luỵ môi trường nghiêm trọng:
- Mất đất sản xuất nông nghiệp màu mỡ: Do các đô thị lớn trong lịch sử thường hình thành tại các đồng bằng châu thổ phì nhiêu, quá trình mở rộng diện tích đô thị trực tiếp bê tông hoá những diện tích đất trồng trọt có năng suất sinh học cao nhất, làm giảm quỹ đất canh tác bền vững.
- Gia tăng hiệu ứng đảo nhiệt đô thị: Việc thay thế thảm thực vật tự nhiên bằng bê tông và nhựa đường làm thay đổi cán cân bức xạ nhiệt, hấp thụ nhiệt lượng mặt trời vào ban ngày và tỏa nhiệt chậm vào ban đêm, đẩy nhiệt độ bề mặt đô thị lên cao hơn đáng kể so với vùng nông thôn kế cận.
- Gia tăng nguy cơ ngập úng cục bộ: Sự gia tăng diện tích bề mặt không thấm nước làm triệt tiêu khả năng ngấm tự nhiên của nước mưa vào tầng nước ngầm, làm tăng mạnh hệ số dòng chảy mặt và làm quá tải hệ thống thoát nước khi xuất hiện các trận mưa cực đoan.
Chiến lược quản trị và kiểm soát không gian đô thị bền vững
Để tối ưu hoá việc sử dụng diện tích đất và kiềm chế hiện tượng đô thị tràn lan, giới quy hoạch quốc tế đã đề xuất nhiều khung giải pháp quản trị không gian:
Trường phái thành phố nén (Compact City) chủ trương tăng cường mật độ sử dụng đất, khuyến khích tái thiết các khu đất bỏ hoang trong lõi đô thị cũ và phát triển các khu phức hợp đa chức năng nhằm giảm thiểu khoảng cách di chuyển hàng ngày của cư dân. Đi đôi với thành phố nén là mô hình phát triển định hướng giao thông công cộng (TOD), tập trung các cụm dân cư và thương mại mật độ cao xung quanh các nhà ga đường sắt đô thị hoặc trục giao thông công cộng khối lượng lớn.
Bên cạnh đó, công cụ ranh giới tăng trưởng đô thị (Urban Growth Boundary) và vành đai xanh được áp dụng nhằm tạo ra rào cản pháp lý bảo vệ các vùng đệm sinh thái xung quanh thành phố, ngăn chặn sự xâm lấn tự phát của các dự án bất động sản vào đất nông nghiệp và rừng phòng hộ.
Tại Việt Nam, quá trình chuyển đổi không gian nông thôn - đô thị diễn ra đặc biệt sôi động tại các đô thị lớn. Nghiên cứu của Mauro (2020) trên tạp chí ISPRS International Journal of Geo-Information sử dụng chuỗi dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat để lập bản đồ quá trình đô thị hoá vùng ven của Hà Nội, chỉ ra sự chuyển dịch nhanh chóng của đất nông nghiệp sang đất công nghiệp và khu dân cư mới. Thực tiễn này đặt ra nhiều thách thức phức tạp trong việc kiểm soát diện tích đất mở rộng, đòi hỏi quy hoạch phân khu phải đồng bộ với việc xây dựng khung hạ tầng kỹ thuật và giữ gìn các hành lang xanh tiêu thoát lũ tự nhiên dọc các lưu vực sông.
Những thách thức kỹ thuật và vấn đề khoa học còn mở
Mặc dù công nghệ quan sát Trái Đất ngày càng phát triển, việc định lượng và quản trị diện tích đô thị vẫn đối mặt với các vấn đề học thuật mở:
- Sự khác biệt về ngưỡng định nghĩa trên ảnh viễn thám: Các sản phẩm vệ tinh khác nhau sử dụng các ngưỡng phần trăm bề mặt không thấm nước khác nhau để gán nhãn một pixel là "đất đô thị", dẫn đến sự chênh lệch đáng kể trong các con số thống kê quy mô diện tích đô thị toàn cầu giữa các nghiên cứu.
- Nghịch lý giữa nén đô thị và thích ứng vi khí hậu: Việc nén chặt diện tích xây dựng giúp giảm tiêu thụ năng lượng di chuyển nhưng lại làm suy giảm tỷ lệ đất dành cho công viên cây xanh và không gian trữ nước mặt, đòi hỏi các mô hình cân bằng sinh thái tinh vi.
- Cấu trúc vùng chuyển tiếp nông thôn - đô thị phức tạp: Các khu vực ven đô tại các nền kinh tế đang phát triển thường có hình thái sử dụng đất xen cài phân mảnh giữa sản xuất nông nghiệp, làng nghề và tiểu thủ công nghiệp, gây khó khăn cho việc phân loại tự động và quản lý trật tự xây dựng.