ارزیابی خطر رخداد سیل در مناطق سیل‌خیز با بکارگیری مدل‌های احتمالاتی و یادگیری ماشین مطالعه موردی: حوزه آبخیز قره‌سو و گرگانرود استان گلستان

نویسنده

کارشناس ارشد مهندسی نقشه برداری گرایش سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)

چکیده

سیل یکی از مخرب‌ترین بلایای طبیعی با پیامدهای اجتماعی، اقتصادی و زیست محیطی است که امروزه روش‌های یادگیری ماشین و احتمالاتی به منظور مدل‌سازی و پیش‌بینی آن توسعه داده شده‌اند. اهداف این پژوهش اولویت‌بندی عوامل مؤثر، پهنه‌بندی و پیش‌بینی حساسیت نسبت به رخداد سیل با استفاده از مدل‌های رگرسیون بردار پشتیبان (SVR) و وزن شاهد بیزین (WOE) و معرفی مناسب‌ترین آن‌ها در حوزه‌ی قره‌سو و گرگان‌رود استان گلستان می‌باشد. نقشه پراکنش رخداد سیل بر اساس 368 مکان با تعداد تکرار 782 رخداد سیل بر اساس اطلاعات موجود، بازدید میدانی و بررسی تصاویر گوگل ارث در بازه زمانی قبل و بعد از سیلاب تهیه شد. از این تعداد 70 درصد (258 نقطه) به عنوان داده‌های آموزشی و 30 درصد (110 نقطه) به عنوان داده‌های آزمایشی به ترتیب برای اجرا و اعتبارسنجی مدل به طور تصادفی انتخاب و تقسیم شدند. در مرحله بعد از 15عامل زمین‌شناسی، هیدرولوژیک، مورفومتریک حوزه به همراه داده‌های اقلیم (به عنوان متغیر مستقل) و به منظور پهنه‌بندی و مدل‌سازی استفاده شد. ارتباط بین عوامل موثر و رخدادهای سیل با استفاده از نسبت فراوانی، کمی و وزن‌دار شدند. به منظور بررسی همپوشانی اطلاعاتی عوامل موثر، با استفاده از تحلیل رگرسیون چند متغیره خطی، استقلال داده‌ها مورد آزمون قرار گرفت. نقشه‌های پهنه‌بندی حساسیت حاصل از اجرای دو مدل با استفاده از سطح زیر منحنی ویژگی عملکرد گیرنده (AUC-ROC) مورد ارزیابی، اعتبارسنجی و مقایسه قرار گرفتند. نتایج بررسی عوامل موثر در هر دو مدل متفقاً نشان داد، عوامل کاربری اراضی، ارتفاع و پوشش گیاهی به ترتیب تاثیر به‌سزایی در رخداد سیلاب داشته‌اند و بخش زیادی (بیش از 80%) از سیل‌های رخداده در کلاس حساسیت خیلی زیاد و زیاد قرار می‌گیرد. نتایج ارزیابی طبقه‌بندی و اعتبارسنجی مدل‌ها نشان داد AUC-ROC برای میزان موفقیت مدل‌های رگرسیون بردار پشتیبان و وزن شاهد به ترتیب 92/0 و 88/0 است. بنابراین، نتایج مدل رگرسیون بردار پشتیبان نسبت به مدل وزن شاهد دقت بیشتری دارد. نقشه‌های پهنه‌بندی حساسیت به سیل حاصل از این پژوهش می‌تواند مبنای برنامه‌ریزی و مدیریت بحران ناشی از رخداد سیل قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Flood risk assessment in flood prone areas using probabilistic models and machine learning case study: Gharesu and Gorganroud Watersheds, Golestan Province

نویسنده [English]

  • Mohammad Ali Sadri
چکیده [English]

Flooding is one of the most destructive natural disasters with social, economic and environmental consequences, and machine learning and probabilistic methods have been developed to model and predict it. The objectives of this study are to prioritize the effective factors, zoning and predicting the sensitivity to flood events using support vector regression (SVR) and weighted Bayesian evidence (WOE) models and to introduce the most appropriate ones in the Gharesu and Gorganroud basins of Golestan province. A flood event distribution map was prepared based on 368 locations with a repetition of 782 flood events based on available information, field visits and Google Earth images in the period before and after the flood. Of this number, 70 percent (258 points) were randomly selected and divided as training data and 30 percent (110 points) as test data for model implementation and validation, respectively. In the next stage, 15 geological, hydrological, and morphometric factors of the basin were used along with climate data (as independent variables) for zoning and modeling. The relationship between the influencing factors and flood events was quantified and weighted using frequency ratios. In order to examine the information overlap of the influencing factors, the independence of the data was tested using linear multivariate regression analysis. The sensitivity zoning maps obtained from the implementation of the two models were evaluated, validated, and compared using the area under the receiver operating characteristic curve (AUC-ROC). The results of the investigation of the influencing factors in both models unanimously showed that land use, elevation, and vegetation factors had a significant impact on flood occurrence, respectively, and a large portion (more than 80%) of the floods occurred in the very high and high sensitivity classes. The results of the classification and validation of the models showed that the AUC-ROC for the success rate of the support vector regression and weighted control models were 0.92 and 0.88, respectively. Therefore, the results of the support vector regression model are more accurate than the weighted control model. The flood susceptibility zoning maps obtained from this study can be used as a basis for planning and crisis management due to flood events.