基于空间数据库和机器学习的滑坡敏感性评价

来源 :新疆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kitty1973
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我国地质灾害问题具有突发、多发、频发的特点,尤其在山区地质灾害特点就更加突出。其中滑坡灾害在众多的地质灾害中占主要部分,并严重威胁当地群众的生命和临近农牧业的生产安全。此外基础设施往往也遭受严重破坏,直接影响区域生态可持续发展和必要的经济社会活动。本研究以新疆新源县为研究对象,该县特殊复杂的地形地貌,加之降雨丰富且黄土分布广泛,使其地质灾害频发。新源县又以农牧、旅游服务为主,地质灾害频发不仅危害当地居民和来往游客的生命财产安全,同时严重影响新源县的经济发展。因此深入研究新源县滑坡灾害敏感性,不仅为滑坡灾害的防护和监测提供必要的前期科学依据,同时还可减少灾害带来的经济损失。我们以新源县历史滑坡分布数据为基础,对滑坡样点在不同滑坡影响因子上的分布、不同模型在滑坡敏感性建模中的对比和潜在滑坡敏感性区域分析等方面展开探讨分析,回答了新源县哪些人类活动区受滑坡影响大的问题并获得以下结论:(1)本文选择坡度、坡向、高程、标准曲率、平面曲率、剖面曲率、距断层距离、归一化植被指数、岩组、距河流距离、年均降雨量、距道路距离、黄土分布、土地分类、地形湿度指数和汇流动力指数,共16个滑坡因子。通过随机采样使非滑坡采样数量与滑坡数量一致,从而克服非平衡问题。总结滑坡影响因子与滑坡之间的关系,并归纳了研究区内滑坡分布规律:滑坡集中分布在高程为1395-1732米,坡度13.759°-27.38°,年均降雨量550-650mm,NDVI为0.231-0.352范围内;并分布在黄土区域,林地、草地以及互层状较软弱砂岩、泥岩、砾岩为主的碎屑岩组区域。对于距道路距离、距河流距离以及距断层距离而言,整体上滑坡发生的概率随着三者的距离的增大而减小,反之增大。(2)基于逻辑回归、随机森林和Cat Boost三个模型对新源县滑坡影响因子贡献性进行分析研究。在逻辑回归模型的分析结果中,NDVI、距河流距离、坡度、高程、距断层距离、年均降雨量和剖面曲率对滑坡发生有重要影响,其中NDVI和距河流距离影响最大。对于随机森林的滑坡敏感性评价结果,高程对滑坡发生有极高的重要性,随后分别是距断层距离、坡度、黄土分布和年均降雨量;而在Cat Boost滑坡敏感性评价结果中,滑坡影响因子重要性排名为:高程>坡度>距断层距离>距道路距离>年均降雨量。因此,综合以上三种模型识别的因子重要性关系中,坡度、高程、距断层距离、年均降雨量在三个模型中均被识别为重要贡献因子,但NDVI、距河流距离、剖面曲率、黄土分布和距道路距离的贡献性存在差异。(3)对比分析了逻辑回归、随机森林、Cat Boost的新源县滑坡敏感性制图精度,得出以下结论:三个模型均具有良好的预测能力。在训练集上逻辑回归、随机森林、Cat Boost模型成功率曲线的AUC值分别为0.917、0.939和0.997,在测试集上逻辑回归、随机森林、Cat Boost模型预测率曲线的AUC值分别为0.900、0.918和0.920。整体上Cat Boost要略优于逻辑回归和随机森林模型。三个模型在敏感性等级划分上均具有可靠性,在高和极高等级划分占总面积百分比中,三者结果基本一致。逻辑回归在高和极高等级划分占总面积百分比结果为23%,其余两种模型均为22%。逻辑回归模型是滑坡敏感性评价中最常见的模型,而Cat Boost模型具有简单快捷的过程以及可靠的等级划分,不仅保证敏感性分析的预测精度,还能保留区域敏感性制图的细节,为快速化区域滑坡敏感性制图提供了新的方法。(4)基于高分辨率的Sentinel-2遥感数据计算SAVI、MDNWI、NDBI指数,并叠合成新的指数影像,利用得到的新指数影像与POI数据相结合进行建筑用地的分类提取。研究结果表明:将POI数据与指数影像结合可有效提取建筑用地信息。此外,利用提取的建筑用地信息与滑坡敏感性等级划分图进行叠加分析发现,新源县那拉提景区、坎苏村、喀拉苏村、喀拉苏村、东方红农场六大队等旅游景点、村庄和农牧场是潜在滑坡影响区域。为当地潜在滑坡影响区域监测提供科学依据与支持,同时为灾害响应部门提供决策参考。
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