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确定性系数与随机森林模型在云南芒市滑坡易发性评价中的应用

郑迎凯 陈建国 王成彬 程潭武

郑迎凯, 陈建国, 王成彬, 程潭武. 确定性系数与随机森林模型在云南芒市滑坡易发性评价中的应用[J]. 地质科技通报, 2020, 39(6): 131-144. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0616
引用本文: 郑迎凯, 陈建国, 王成彬, 程潭武. 确定性系数与随机森林模型在云南芒市滑坡易发性评价中的应用[J]. 地质科技通报, 2020, 39(6): 131-144. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0616
Zheng Yingkai, Chen Jianguo, Wang Chengbin, Chen Tanwu. Application of certainty factor and random forests model in landslide susceptibility evaluation in Mangshi City, Yunnan Province[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2020, 39(6): 131-144. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0616
Citation: Zheng Yingkai, Chen Jianguo, Wang Chengbin, Chen Tanwu. Application of certainty factor and random forests model in landslide susceptibility evaluation in Mangshi City, Yunnan Province[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2020, 39(6): 131-144. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0616

确定性系数与随机森林模型在云南芒市滑坡易发性评价中的应用

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0616
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2017YFC0601500

国家重点研发计划项目 2017YFC0601500

中国地质调查局地质调查项目 2016008121

国土资源部公益性行业科研专项项目 201511079-02

详细信息
    作者简介:

    郑迎凯(1994-), 男, 现正攻读矿产普查与勘探专业硕士学位, 主要从事地学信息处理方面的研究工作。E-mail:zhengyingkai@163.com

    通讯作者:

    陈建国(1964-), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事地球探测与信息技术、GIS应用与三维地学建模等方面的教学与科研工作。E-mail:jgchen@cug.edu.cn

  • 中图分类号: P642.22

Application of certainty factor and random forests model in landslide susceptibility evaluation in Mangshi City, Yunnan Province

  • 摘要: 编制科学的滑坡易发性分区图,可以有效降低灾害带来的损失。以云南省芒市为研究区,利用确定性系数模型(certainty factor,简称CF)方法计算各个因子的敏感值,作为随机森林(random forests,简称RF)的分类数据,选取合适的训练数据和最优化的模型参数进行模型预测,从而对研究区进行滑坡易发性评价分区。采用频率比方法将连续性因子离散化,从而通过确定性系数计算因子不同区间的滑坡易发性,同时利用CF先验模型,对研究区负样本进行选取。通过计算袋外误差得到最优化的RF参数,随后利用RF模型对研究区模型进行训练及预测。绘制ROC曲线和三维遥感影像对预测模型结果分别进行定量和定性评价,结果表明,所得到的模型精度为91%,优于随机抽样得到的结果。最后,采用平均基尼不纯度减少和平均准确度下降两种计算方法计算、评价了研究区各个因子的重要性。基于以上对研究区进行的滑坡易发性评价结果,可以为该区灾害风险评估和管理提供依据。

     

  • 图 1  随机森林算法示意图

    Figure 1.  Random forest algorithm

    图 2  研究区地理位置及滑坡点示意图(Landsat 8,真彩色合成)

    Figure 2.  Geographical location and landslide point of the study area

    图 3  连续因子分级曲线

    Figure 3.  Grading curves of continuity factor

    图 4  研究区滑坡影响因子图

    a.岩性;b.地貌;c.坡度;d.坡向;e.高程;f.剖面曲率;g.断层缓冲距;h.道路缓冲距;i.地形起伏度;j.植被覆盖度

    Figure 4.  Landslide influencing factors of the study area

    图 5  基于CF模型的非滑坡点抽样图

    Figure 5.  Non-landslide point sampling based on CF model

    图 6  不同特征数下RF模型的袋外误差(OOB error)分布

    Figure 6.  OOB error distribution of RF models with different characteristics number

    图 7  OOB误差迭代图

    Figure 7.  OOB error iteration

    图 8  基于CF-RF模型预测结果

    a.研究区易发性概率图;b.研究区易发性分级图

    Figure 8.  Prediction results based on CF-RF model

    图 9  ROC曲线结果

    Figure 9.  Results of ROC curve

    图 10  易发区叠加三维遥感影像

    Figure 10.  Stacking 3D remote sensing images in vulnerable areas

    图 11  典型滑坡验证

    Figure 11.  Typical landslide validation

    图 12  各因子重要性分布图

    Figure 12.  Distribution of importance of factors

    表  1  数据类别及特性

    Table  1.   Data categories and features

    数据类型 空间分辨率和比例尺 数据用途
    GF-1 多光谱8 m,全色2 m 对道路进行补充和校正
    Landsat 8 多光谱30 m,全色15 m 通过计算NDVI,计算植被覆盖度
    地形图 1:50 000 生成数字地形高程(digital elevation model,简称DEM),计算坡度、坡向等
    地质图 1:50 000 提取地层岩性
    构造纲要图 1:50 000 提取断层
    地貌图 1:50 000 提取研究区地貌
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    表  2  各因子离散化结果

    Table  2.   Discretization results of factors

    因子 离散化
    地貌类型 湖积台地地丘地形、火山锥地形、垄背槽谷地形、山间河谷冲积平原、岩溶中山峡谷地形、中山中切割地形、中山中切割陡坡地形、中山中切割垄状地形
    岩性 薄-中层状较坚硬碎屑岩岩组、薄-中层状弱风化碳酸盐岩岩组、薄-中层状较软中等风化碎屑岩岩组、薄层状强风化变质岩岩组、块状较软强风化花岗岩岩组、块状弱风化花岗岩岩组、松散类土体、中厚层状弱风化变质岩岩组、中厚层状坚硬碳酸盐岩岩组
    坡度/(°) [0, 9],(9, 18],(18, 21],(21, 30],(30, 68]
    坡向 北、东北、东、东南、南、西南、西、西北
    高程/m [528,900],(900, 1 200],(1 200, 1 600],(1 600, 2 000],(2 000, 2 865]
    断层缓冲距/m [0, 300],(300, 600],(600, 900],(900, 1 200],(1 200, 1 500],(1 500, +∞]
    道路缓冲距/m [0, 300],(300, 600],(600, 900],(900, 1 200],(1 200, +∞]
    剖面曲率 [-3, -1.5],(-1.5, -0.5],(-0.5, 0],(0, 1],(1, 3]
    植被覆盖度 [0, 0.3],(0.3, 0.5],(0.5, 0.75],(0.75, 0.9],(0.9, 1.0]
    地形起伏度/m [0, 10],(10, 30],(30, 40],(40, 70],(70, 170]
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    表  3  多重共线性检查

    Table  3.   Multicollinearity check

    因子 坡度 地质构造 岩性 地貌 海拔 坡向 剖面曲率 植被覆盖度 地形起伏度 道路
    容忍度T 0.776 0.934 0.711 0.665 0.743 0.831 0.969 0.810 0.752 0.988
    方差膨胀因子VIF 1.289 1.071 1.407 1.505 1.346 1.204 1.032 1.234 1.331 1.012
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    表  4  混淆矩阵

    Table  4.   Confusion matrix

    数量/个 预测 分类误差/%
    0 1
    实际 0 316 1 3
    1 15 91 14
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    表  5  易发性结果分区统计

    Table  5.   Regional statistics of susceptibility results

    易发性等级 滑坡点/个 分级栅格数 分级滑坡比例/% 分级栅格比例/% 滑坡比率
    低易发区 4 141 923 1.13 47.74 0.023 7
    较低易发区 38 64 075 10.76 21.55 0.499 4
    中易发区 95 46 742 26.91 15.72 1.711 6
    较高易发区 99 28 904 28.05 9.72 2.884 5
    高易发区 117 15 639 33.14 5.26 6.300 5
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  • 收稿日期:  2019-10-24

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