ارزیابی و مقایسه روش‌های یادگیری ماشین در پهنه‌بندی خطر سیل استان ایلام با تلفیق داده‌های توپوگرافی، هواشناسی و سنجش‌ازدور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه نقشه برداری، دانشکده عمران، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
2 گروه نقشه برداری، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.
چکیده
سیل یکی از مهم‌ترین مخاطرات طبیعی است که می‌تواند خسارات گسترده جانی، اقتصادی و محیطی ایجاد کند. شناسایی مناطق مستعد و تهیه نقشه پهنه‌بندی خطر سیل از جمله راهکارهای غیرسازه‌ای مؤثر در مدیریت و کاهش پیامدهای این پدیده است. هدف این پژوهش، ارزیابی و مقایسه روش‌های یادگیری ماشین در پهنه‌بندی خطر سیل استان ایلام با تلفیق داده‌های توپوگرافی، هواشناسی و سنجش‌ازدور است. برای این منظور، 12 متغیر مؤثر شامل ارتفاع رقومی، شیب، انحنا، جهت شیب، تجمع جریان، فاصله از رودخانه، جنس خاک، کاربری اراضی، حداکثر بارش، شاخص قدرت جریان، شاخص رطوبت توپوگرافی و شاخص نرمال‌شده تفاوت پوشش گیاهی مورد استفاده قرار گرفت. لایه بارش حداکثر با استفاده از مدل WRF و پهنه‌های سیل‌زده با پردازش تصاویر راداری Sentinel-1 مربوط به قبل و بعد از سیل آبان 1394 استخراج شدند. سپس 1000 نقطه به‌صورت تصادفی انتخاب و چهار روش رگرسیون چندگانه خطی، ماشین بردار پشتیبان، درخت تصمیم و مدل ترکیبی Bagged با استفاده از اعتبارسنجی متقابل 10 بخشی ارزیابی شدند. مقادیر RMSE برای این چهار روش به‌ترتیب 0.471، 0.322، 0.466 و 0.427 به دست آمد که نشان‌دهنده بهترین برازش مدل ماشین بردار پشتیبان بود. با این حال، دقت شناسایی نقاط سیل‌زده برای مدل‌های مذکور به‌ترتیب 52، 62، 54 و 75 درصد و دقت تشخیص نقاط غیرسیل نیز به‌ترتیب 78، 91، 79 و 87 درصد بود. بنابراین، مدل ترکیبی Bagged با وجود خطای برازش بیشتر نسبت به ماشین بردار پشتیبان، به دلیل توان بالاتر در شناسایی نقاط سیل‌زده و ایجاد تعادل مناسب در تفکیک نقاط سیل و غیرسیل، قابل‌اعتمادترین مدل برای تهیه نقشه نهایی خطر سیل تشخیص داده شد. بررسی پهنه‌های پرخطر نیز نشان داد که این مناطق عمدتاً دارای ارتفاع و شیب کم و پوشش گیاهی ضعیف هستند. نتایج پژوهش قابلیت تلفیق داده‌های مکانی، هواشناسی و سنجش‌ازدور با الگوریتم‌های یادگیری ماشین را برای پهنه‌بندی خطر سیل در مقیاس استانی نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation and Comparison of Machine Learning Methods for Flood Hazard Mapping in Ilam Province Using Integrated Topographic, Meteorological, and Remote Sensing Data

نویسندگان English

Mousa Saei 1
Omid Ghaffari Aliabad 2
1 Geodesy and Geometric Engineering, University of Zanjan,
2 Department of Geomatics, Faculty of Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
چکیده English

Flooding is one of the major natural hazards that can cause substantial human, economic, and environmental losses. Identifying flood-prone areas and producing flood hazard maps are among the effective non-structural measures for flood risk management and mitigation. This study aimed to evaluate and compare machine learning methods for flood hazard zoning in Ilam Province, Iran, through the integration of topographic, meteorological, and remote sensing data. Twelve flood-conditioning variables were considered, including digital elevation, slope, curvature, aspect, flow accumulation, river proximity, soil texture, land use/land cover, maximum precipitation, Stream Power Index (SPI), Topographic Wetness Index (TWI), and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). The maximum precipitation layer was generated using the WRF model, while flooded areas were extracted through the processing of Sentinel-1 radar images acquired before and after the October 2015 flood event. Subsequently, 1,000 randomly distributed sample points were selected, and four models, namely Multiple Linear Regression, Support Vector Machine (SVM), Decision Tree, and Bagged Ensemble, were evaluated using 10-fold cross-validation. The RMSE values obtained for these models were 0.471, 0.322, 0.466, and 0.427, respectively, indicating the best fitting performance for the SVM model. However, the correct classification rates of flooded points were 52%, 62%, 54%, and 75%, respectively, while the corresponding accuracies for non-flooded points were 78%, 91%, 79%, and 87%. Although the SVM model achieved the lowest prediction error, the Bagged Ensemble model showed the highest capability for identifying actual flooded locations while maintaining a suitable balance between flooded and non-flooded classification. Therefore, the Bagged Ensemble model was considered the most reliable method for producing the final flood hazard map. Analysis of high-hazard areas also indicated that these zones were mainly characterized by low elevation, gentle slopes, and sparse vegetation cover. Overall, the results demonstrate the applicability of integrating geospatial, meteorological, and remote sensing information with machine learning algorithms for flood hazard zoning at the provincial scale.

کلیدواژه‌ها English

Flood
Flood hazard zoning
Machine learning
Support Vector Machine
Bagged Ensemble

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 05 شهریور 1405