دوره 13، شماره 25 - ( بهار و تابستان 1401 1401 )
جلد 13 شماره 25 صفحات 144-133 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
Zarei M, Zandi R, Naemitabar M. Assessment of Flood Occurrence Potential using Data Mining Models of Support Vector Machine, Chaid and Random Forest (Case study: Frizi watershed). jwmr. 2022; 13 (25) :133-144
URL: http://jwmr.sanru.ac.ir/article-1-1140-fa.html
URL: http://jwmr.sanru.ac.ir/article-1-1140-fa.html
زارعی مهدی، زندی رحمان، ناعمی تبار مهناز. ارزیابی پتانسیل وقوع سیل با استفاده از مدل های داده کاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز فریزی). پژوهشنامه مديريت حوزه آبخيز. 1401; 13 (25) :144-133
مرکز پژوهشی علوم جغرافیایی و مطالعات اجتماعی-دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
چکیده: (143 مشاهده)
چکیده مبسوط
مقدمه و هدف: سیل مانند سایر پدیدههای هیدرولوژیکی یک پدیده غیر قطعی است که در هر زمان و مکان احتمال وقوع آن وجود داشته و تحت تاثیر عوامل مختلف اقلیمی، مشخصات فیزیکی حوضه، وضعیت پوشش گیاهی و کاربری اراضی و دخالتهای انسانی است. تعیین سهم هر یک از پارامترها بر میزان بروز سیل مهم است. در حال حاضر، با ارتقای سامانه های اطلاعات جغرافیایی (GIS)، روشهای سنجش از دور (RS) و ماشین یادگیری (ML) میتوان مدل سازی بسیار دقیقی از احتمال وقوع سیلاب انجام داد. با این وجود، ساخت این مدلها نیازمند دانش دقیق و اصولی از فرآیند وقوع سیل، بررسی پارامترهای موثر در شکلگیری سیل، درک چگونگی تأثیر هر پارامتر بر ایجاد سیل و انتخاب و توسعه مدل مناسب و ارزیابی آن است. با توجه به اهمیت تعیین مناطق مستعد وقوع سیل در مناطق مختلف به خصوص حوضه های واقع در مناطق خشک و نیمه خشک همچون منطقه مورد مطالعه، تحقیق حاضر به منظور ارزیابی خطرپذیری سیل با استفاده از مدلهای داده کاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی در این منطقه هدفگذاری شده است.
مواد و روش‌ها: در پژوهش حاضر جهت بررسی خطر وقوع سیل از مدلهای دادهکاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی استفاده شده است. به طور کلی هدف از ارائه مدلهای داده کاوی رسیدن به یک تخمین معقول و دقیق از پیشبینی مکانی وقوع سیل، مقایسه کارایی مدلها و انتخاب مناسبترین روش برای تهیه نقشه ارزیابی حساسیت سیل میباشد. در این پژوهش از اطلاعات مختلف همچون نقشه توپوگرافی مقیاس1:50000 جهت استخراج خطوط تراز، نقشه زمین شناسی مقیاس 1:100000، نقشه خاک تهیه شده توسط اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان خراسان رضوی، تصویر مدل رقومی ارتفاع (DEM) با قدرت تفکیک مکانی 12/5 متر، تصاویر ماهوارهای گوگل ارث، داده های هواشناسی بارانسنجی دوره آماری 20 ساله (98-78) ایستگاههای اندرخ، اولنگ اسدی، سد کارده، مارشک، بلغور، گوش بالا، آل، چناران، مغان، چکنه علیا، آبقد فریزی، تلغور، قدیر آباد و کبکان استفاده شده است. طبقات ارتفاعی، شیب، جهت شیب، شبکه های زهکشی و آبراهه های اصلی، تحدب سطح زمین از روی تصویر DEM و خطوط تراز استخراج گردیدند. کاربری اراضی منطقه از روی تصاویر ماهوارهای گوگل ارث مربوط به سال 2020 و به روش طبقه بندی نظارت شده تهیه گردید. نقشه پوشش گیاهی منطقه نیز بر اساس شاخص NDVI و از روی تصاویر ماهوارهای لندست 8 سال 2018 تهیه گردید.
یافته‌ها: عامل ارتفاع نقش کلیدی در کنترل جهت حرکت سیل و عمق سطح آب دارد. در ارتفاع 2000 متر و بیشتر با افزایش ارتفاع پتانسیل سیل خیزی در منطقه مورد مطالعه افزایش می یابد. بر اساس نتایج در بین کاربریهای حوضه مورد مطالعه، اراضی آبی و باغی به علت نفوذ بیشتر، رواناب کمتری تولید نموده و کمتر مستعد سیل خیزی میباشند. در منطقه مطالعاتی در شیب 60 درجه به دلیل افزایش شیب، زمان تأخیر حوضه کم، میزان نفوذ آب در خاک کم و در نتیجه حجم سیلاب و رواناب سطحی افزایش خواهد یافت. کلاس 0/0120-0/0074 بیشترین تاثیر را در وقوع سیلاب حوضه دارد. دامنه های شمالی، شمال غربی و غربی به دلیل دریافت بارش زیاد، ماندگاری طولانی مدت برف و داشتن رطوبت دارای پتانسیل سیلخیزی می باشد. در منطقه مورد مطالعه بارش بیش از 250 میلی متر بیشترین تأثیر را در رخداد سیلاب دارا است. در منطقه مورد مطالعه خاک مزیک به دلیل نفوذپذیری نسبتا کم باعث تولید رواناب بیشتر و ایجاد سیل می شود. بر اساس نتایج طبقات شاخص رطوبت توپوگرافی در منطقه مورد مطالعه کلاس 359/99-268/38 تاثیر زیادی در وقوع سیلاب داشته است. در منطقه مورد مطالعه مناطق مقعر در ایجاد سیل تأثیر زیادی دارد به این دلیل که مهمترین و موثرترین فاکتورها در وقوع سیل شیب و انحنا زمین میباشد. در حال حاضر قابلیت پیش بینی حساسیت سیلاب منطقه مطالعاتی با استفاده از سطح زیر منحنی مورد بررسی قرار گرفت و از مقدار AUC، درصد نرخ موفقیت و قابلیت پیش بینی هر دو در پژوهش حاضر 16 سناریو با ترکیب پارامترهای مختلف به عنوان ورودی مدل ایجاد شدند .نتایج این تحقیق نشان میدهد که در مدل ماشین بردار پشتیبان خطی با بهترین سناریو M3 با بالاترین ضریب همبستگی 0/972 و کمترین مقدار 0/538=MAE، در مدل جنگل تصادفی بهترین سناریو M10 با بالاترین ضریب همبستگی 0 /961و کمترین مقدار خطا 0/685=MAE، در مدل درخت تصمیم نوع چاید بهترین سناریو M8 با بالاترین ضریب همبستگی 0/954 و کمترین مقدار خطا 0/723= MAE بوده است.
نتیجه گیری: به طور کلی بر اساس نتایج تحقیق حاضر طبقات با پتانسیل سیلخیزی کم و متوسط بیشتر در بخشهای شرقی و جنوبی حوضه قرارگرفتهاند به طوری که در بخش شرقی حوضه به علت شیب کم و نفوذپذیری مناسب خطر سیل خیزی متوسط می باشد. بر اساس نتایج به دلیل وجود کاربریهای مرتعی فقیر در نیمه غربی و شمال غربی حوضه بیشترین پتانسیل سیل خیزی مشاهده شده قرار دارند. همچنین نتایج نشان داد قسمتهای شمالی و غربی حوضه که از نظر زمینشناسی و لیتولوژی دارای سازندهای سطحی مانند مارن، رس و سیلت بوده و ضریب نفوذپذیری آنها بسیار کم و پوشش گیاهی ناچیز دارن، از پتانسیل بالایی در بروز سیلاب برخوردار هستند. در این پژوهش ارزیابی مدلها با استفاده از ضریب همبستگی (R) و مقادیر میانگین قدر مطلق خطا (MAE) صورت گرفت. بررسی نتایج مدلها نشان داد که به ترتیب مدل های ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی با سناریوی M3، M8 و M10 با بیشترین میزان همبستگی و کمترین خطای میانگین، از دقت بالایی در برآورد خطر وقوع سیل در منطقه مطالعاتی برخوردار هستند. علاوه بر این، به منظور ارزیابی مدل های ارائه شده از مساحت زیر منحنی (ROC) استفاده شد. بر این اساس این مقادیر هم در داده های تعلیمی و هم در داده های آموزشی در الگوریتم (SVM) و مدل الگوریتم نوین جنگل تصادفی دارای نتایج دقیقتری میباشد. این نتیجه بیانگر این مطلب است که هر دو مدل از نظر صحت و اعتبار مدلسازی مورد تأیید قرار گرفتهاند.
مقدمه و هدف: سیل مانند سایر پدیدههای هیدرولوژیکی یک پدیده غیر قطعی است که در هر زمان و مکان احتمال وقوع آن وجود داشته و تحت تاثیر عوامل مختلف اقلیمی، مشخصات فیزیکی حوضه، وضعیت پوشش گیاهی و کاربری اراضی و دخالتهای انسانی است. تعیین سهم هر یک از پارامترها بر میزان بروز سیل مهم است. در حال حاضر، با ارتقای سامانه های اطلاعات جغرافیایی (GIS)، روشهای سنجش از دور (RS) و ماشین یادگیری (ML) میتوان مدل سازی بسیار دقیقی از احتمال وقوع سیلاب انجام داد. با این وجود، ساخت این مدلها نیازمند دانش دقیق و اصولی از فرآیند وقوع سیل، بررسی پارامترهای موثر در شکلگیری سیل، درک چگونگی تأثیر هر پارامتر بر ایجاد سیل و انتخاب و توسعه مدل مناسب و ارزیابی آن است. با توجه به اهمیت تعیین مناطق مستعد وقوع سیل در مناطق مختلف به خصوص حوضه های واقع در مناطق خشک و نیمه خشک همچون منطقه مورد مطالعه، تحقیق حاضر به منظور ارزیابی خطرپذیری سیل با استفاده از مدلهای داده کاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی در این منطقه هدفگذاری شده است.
مواد و روش‌ها: در پژوهش حاضر جهت بررسی خطر وقوع سیل از مدلهای دادهکاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی استفاده شده است. به طور کلی هدف از ارائه مدلهای داده کاوی رسیدن به یک تخمین معقول و دقیق از پیشبینی مکانی وقوع سیل، مقایسه کارایی مدلها و انتخاب مناسبترین روش برای تهیه نقشه ارزیابی حساسیت سیل میباشد. در این پژوهش از اطلاعات مختلف همچون نقشه توپوگرافی مقیاس1:50000 جهت استخراج خطوط تراز، نقشه زمین شناسی مقیاس 1:100000، نقشه خاک تهیه شده توسط اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان خراسان رضوی، تصویر مدل رقومی ارتفاع (DEM) با قدرت تفکیک مکانی 12/5 متر، تصاویر ماهوارهای گوگل ارث، داده های هواشناسی بارانسنجی دوره آماری 20 ساله (98-78) ایستگاههای اندرخ، اولنگ اسدی، سد کارده، مارشک، بلغور، گوش بالا، آل، چناران، مغان، چکنه علیا، آبقد فریزی، تلغور، قدیر آباد و کبکان استفاده شده است. طبقات ارتفاعی، شیب، جهت شیب، شبکه های زهکشی و آبراهه های اصلی، تحدب سطح زمین از روی تصویر DEM و خطوط تراز استخراج گردیدند. کاربری اراضی منطقه از روی تصاویر ماهوارهای گوگل ارث مربوط به سال 2020 و به روش طبقه بندی نظارت شده تهیه گردید. نقشه پوشش گیاهی منطقه نیز بر اساس شاخص NDVI و از روی تصاویر ماهوارهای لندست 8 سال 2018 تهیه گردید.
یافته‌ها: عامل ارتفاع نقش کلیدی در کنترل جهت حرکت سیل و عمق سطح آب دارد. در ارتفاع 2000 متر و بیشتر با افزایش ارتفاع پتانسیل سیل خیزی در منطقه مورد مطالعه افزایش می یابد. بر اساس نتایج در بین کاربریهای حوضه مورد مطالعه، اراضی آبی و باغی به علت نفوذ بیشتر، رواناب کمتری تولید نموده و کمتر مستعد سیل خیزی میباشند. در منطقه مطالعاتی در شیب 60 درجه به دلیل افزایش شیب، زمان تأخیر حوضه کم، میزان نفوذ آب در خاک کم و در نتیجه حجم سیلاب و رواناب سطحی افزایش خواهد یافت. کلاس 0/0120-0/0074 بیشترین تاثیر را در وقوع سیلاب حوضه دارد. دامنه های شمالی، شمال غربی و غربی به دلیل دریافت بارش زیاد، ماندگاری طولانی مدت برف و داشتن رطوبت دارای پتانسیل سیلخیزی می باشد. در منطقه مورد مطالعه بارش بیش از 250 میلی متر بیشترین تأثیر را در رخداد سیلاب دارا است. در منطقه مورد مطالعه خاک مزیک به دلیل نفوذپذیری نسبتا کم باعث تولید رواناب بیشتر و ایجاد سیل می شود. بر اساس نتایج طبقات شاخص رطوبت توپوگرافی در منطقه مورد مطالعه کلاس 359/99-268/38 تاثیر زیادی در وقوع سیلاب داشته است. در منطقه مورد مطالعه مناطق مقعر در ایجاد سیل تأثیر زیادی دارد به این دلیل که مهمترین و موثرترین فاکتورها در وقوع سیل شیب و انحنا زمین میباشد. در حال حاضر قابلیت پیش بینی حساسیت سیلاب منطقه مطالعاتی با استفاده از سطح زیر منحنی مورد بررسی قرار گرفت و از مقدار AUC، درصد نرخ موفقیت و قابلیت پیش بینی هر دو در پژوهش حاضر 16 سناریو با ترکیب پارامترهای مختلف به عنوان ورودی مدل ایجاد شدند .نتایج این تحقیق نشان میدهد که در مدل ماشین بردار پشتیبان خطی با بهترین سناریو M3 با بالاترین ضریب همبستگی 0/972 و کمترین مقدار 0/538=MAE، در مدل جنگل تصادفی بهترین سناریو M10 با بالاترین ضریب همبستگی 0 /961و کمترین مقدار خطا 0/685=MAE، در مدل درخت تصمیم نوع چاید بهترین سناریو M8 با بالاترین ضریب همبستگی 0/954 و کمترین مقدار خطا 0/723= MAE بوده است.
نتیجه گیری: به طور کلی بر اساس نتایج تحقیق حاضر طبقات با پتانسیل سیلخیزی کم و متوسط بیشتر در بخشهای شرقی و جنوبی حوضه قرارگرفتهاند به طوری که در بخش شرقی حوضه به علت شیب کم و نفوذپذیری مناسب خطر سیل خیزی متوسط می باشد. بر اساس نتایج به دلیل وجود کاربریهای مرتعی فقیر در نیمه غربی و شمال غربی حوضه بیشترین پتانسیل سیل خیزی مشاهده شده قرار دارند. همچنین نتایج نشان داد قسمتهای شمالی و غربی حوضه که از نظر زمینشناسی و لیتولوژی دارای سازندهای سطحی مانند مارن، رس و سیلت بوده و ضریب نفوذپذیری آنها بسیار کم و پوشش گیاهی ناچیز دارن، از پتانسیل بالایی در بروز سیلاب برخوردار هستند. در این پژوهش ارزیابی مدلها با استفاده از ضریب همبستگی (R) و مقادیر میانگین قدر مطلق خطا (MAE) صورت گرفت. بررسی نتایج مدلها نشان داد که به ترتیب مدل های ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی با سناریوی M3، M8 و M10 با بیشترین میزان همبستگی و کمترین خطای میانگین، از دقت بالایی در برآورد خطر وقوع سیل در منطقه مطالعاتی برخوردار هستند. علاوه بر این، به منظور ارزیابی مدل های ارائه شده از مساحت زیر منحنی (ROC) استفاده شد. بر این اساس این مقادیر هم در داده های تعلیمی و هم در داده های آموزشی در الگوریتم (SVM) و مدل الگوریتم نوین جنگل تصادفی دارای نتایج دقیقتری میباشد. این نتیجه بیانگر این مطلب است که هر دو مدل از نظر صحت و اعتبار مدلسازی مورد تأیید قرار گرفتهاند.
نوع مطالعه: پژوهشي |
موضوع مقاله:
بلايای طبيعی (سيل، خشکسالی و حرکت های توده ای)
دریافت: 1399/12/6 | ویرایش نهایی: 1401/4/8 | پذیرش: 1400/2/13 | انتشار: 1401/4/8
دریافت: 1399/12/6 | ویرایش نهایی: 1401/4/8 | پذیرش: 1400/2/13 | انتشار: 1401/4/8
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
