Iranian Jornal of Watershed Management Science&Engineering

fa کاربرد الگوریتم یادگیری ماشین بیشینه آنتروپی در پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش حوزه آبخیز کرگانه، استان لرستان Application of maximum entropy machine learning algorithm in landslide hazard zoning in Karganeh Watershed, Lorestan Province تخصصي Special پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">مقدمه اشکال بسیاری از خطرات طبیعی و فاجعه‌های مربوطه که شامل زمین‌لرزه، آتشفشان، سونامی، زمین‌لغزش، سیل، فرسایش خاک و غیره در سراسر جهان رخ می‌دهند. در میان این خطرات طبیعی، زمین‌لغزش‌ها یکی از وحشتناک‌ترین و پرتکرارترین اتفاقات در سراسر جهان هستند. هر سال، زمین‌لغزش‌ها خسارات گسترده‌ای از لحاظ جانی و مالی را به همراه دارند که شامل تخریب جنگل‌ها، زمین‌های کشاورزی حاصلخیز، مناطق سکونتی و شبکه‌های ارتباطی به علاوه گردشگری می‌شود. همچنین تغییرات در سطح زمین نیز نتیجه زمین‌لغزش‌های ویرانگر هستند. ایران با انواع مختلفی از تهدیدات و فاجعه‌های طبیعی روبرو شده است، از جمله فرسایش شدید خاک که به پیشرفت سیلاب‌های معمولی، سیلاب‌های عظیم و زمین‌لغزش منجر می‌شود. بنابراین، به دلیل رخدادهای متعدد زمین‌لغزش و خسارات مالی گسترده، این واقعه به عنوان یکی از فاجعه‌های کشور ایران شناخته شده است و حدود 500 میلیارد تومان خسارت مالی ایجاد کرده است. ارزیابی حساسیت به زمین‌لغزش می‌تواند به برنامه‌ریزان در مدیریت نهایی آلودگی محیطی و منابع طبیعی در پیشگیری از خسارات احتمالی و در نهایت توسعه فعالیت‌های اقتصادی در حوزه آبخیز کمک کند. روش‌های برنامه‌ریزی‌شده همزمان از ایده‌های ظرفیت و حقیقت زمین استفاده می‌کنند. روش‌های برنامه‌ریزی‌شده هم از دیدگاه متخصصین و هم از واقعیت‌های زمینی در زمان مشابه استفاده می‌کنند. این می‌تواند به عنوان یک روش کاملاً جدید برای مشکلات پهنه‌بندی زمین لغزش در نظر گرفته شود. هدف از این مطالعه پهنه‌بندی خطر وقوع زمین لغزش با استفاده از الگوریتم حداکثر آنتروپی (ME) و مقایسه اثربخشی این روش در مکان‌یابی حساسیت وقوع زمین لغزش در حوزه آبخیز کرگانه، استان لرستان است. مواد و روش‌ها حوزه آبخیز کرگانه بین طول جغرافیایی"59 '23 °48 تا "24 '44 °48 شرقی و عرض جغرافیایی "12 '25 °33 تا "۱۲ '۳۷ 33°  شمالی با مساحتی حدود 2/294 کیلومتر مربع در غرب استان لرستان قرار دارد. این حوضه یکی از زیرحوضه‌های اصلی رودخانه کرخه است. یکی از مهم‌ترین مراحل ارزیابی حساسیت زمین لغزش، شناسایی و تهیه نقشه پراکنش زمین‌لغزش‌های موجود در حوزه آبخیز است. این نقشه از طریق تلفیق اطلاعات مرتبط با زمین‌لغزش‌ها و از طریق تجزیه و تحلیل داده‌های سنجش از دور و تکنیک‌های GIS تهیه شده است. برای این منظور، لایه نقشه پراکنش زمین لغزش در حوضه تهیه و به صورت تصادفی به دو مجموعه برای آموزش مدل (70 درصد) و اعتبارسنجی مدل (30 درصد) تفکیک شد. همچنین 16 عامل مؤثر در وقوع زمین‌لغزش در این حوضه با امکان بررسی منابع و استفاده از آزمون‌های تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA)، Tolerance و آزمون VIF انتخاب شدند. لایه‌های رقومی عوامل موثر در سیستم اطلاعات جغرافیایی تهیه شد. در مرحله بعد نقشه خطر زمین لغزش بر اساس روش ماشین بیشینه آنتروپی (ME) تهیه شد. برای ارزیابی دقت مدل‌سازی و مقایسه کارایی روش، از شاخص سطح زیر منحنی تشخیص عملکرد نسبی (ROC) استفاده شد. بر اساس نتایج نمودار حداکثر احتمال، زمین شناسی، کاربری اراضی و شیب، بهترین عوامل مهم تأثیرگذار بر وقوع زمین‌لغزش در حوزه آبخیز کرگانه هستند. نتایج و بحث نقشه پراکنش زمین لغزش حاکی از وجود 95 زمین لغزش پراکنده در حوضه آبخیز کرگانه بود. مساحت کل زمین‌لغزش‌های رخداده 635 هکتار (23/2 درصد مساحت حوزه آبخیز) است. بر اساس نتایج شاخص  PCA، ضریب KMO  برابر با 61/0 محاسبه شد که نشان‌گر همبستگی لازم بین متغیرهای ورودی برای انجام تحلیل مؤلفه‌های اصلی است. از بین 19 عامل به عنوان تعداد متغیرهای مورد بررسی در ارزیابی خطر زمین لغزش، با در نظر گرفتن مقدار ویژه بالاتر از یک، تعداد دو مؤلفه اصلی اول بررسی شد. نتایج نشان داد که این دو مؤلفه اصلی نزدیک به 67 درصد از تغییرات را بیان می‌کنند. پس از بررسی، شیب، جهت شیب، طبقات ارتفاعی، زمین‌شناسی، فاصله از رودخانه، فاصله از جاده، فاصله از گسل، شاخص قدرت رودخانه  (SPI)، شاخص رطوبت توپوگرافی (TWI) و شاخص طول شیب  (LS)، توپوگرافی شاخص موقعیت  (TPI)، شاخص زبری توپوگرافی (TRI) و شاخص اندازه‌گیری ناهمواری برداری  (VRM)، کاربری اراضی، فاصله از روستا و میزان بارندگی به‌عنوان مؤثرترین عوامل وقوع زمین لغزش در حوزه آبخیز کرگانه انتخاب شدند. براساس نمودار شاخص کاپا، عوامل زمین شناسی، کاربری اراضی، شیب، شاخص زبری توپوگرافی  (TRI)، طول شیب و جهت شیب مهم‌ترین پارامترهای تاثیرگذار هستند. سطح زیر منحنی (AUC) بر اساس منحنی تشخیص عملکرد نسبی نشان‌دهنده دقت خوب (AUC=0.787) در مرحله اعتبارسنجی است. با در نظر گرفتن نتایج روش حداکثر آنتروپی، حدود 28 درصد از حوزه آبخیز کرگانه در کلاس خطر زیاد و بسیار زیاد وقوع زمین‌لغزش قرار دارد. نتیجه‌گیری در این تحقیق سعی شد از تمامی عوامل مؤثر در ارزیابی حساسیت زمین لغزش در حوزه آبخیز کرگانه استفاده شود. برای تعیین رابطه بین عوامل مؤثر بر وقوع زمین لغزش و تعیین مؤثرترین عوامل از آنالیز مؤلفه اصلی (PCA)، Tolerance و VIF استفاده شد. ظرفیت حمل آبراهه در واقع تاثیر توپوگرافی بر فرسایش را تعیین می‌کند. هر چه شیب بیشتر باشد، ظرفیت حمل رسوب بیشتر می‌شود و شرایط لغزش در حاشیه آبراهه افزایش می یابد. افزایش در شاخص زبری توپوگرافی (TRI) نشان‌دهنده برآمدگی و فعالیت غیر زمین‌ساختی است. تغییر کاربری از مرتع به دیم و راه‌سازی در حوزه آبخیز کرگانه در سال‌های اخیر به شدت انجام شده و نشان‌دهنده نقش مهم عوامل انسانی در زمین‌لغزش در مقایسه سایر عوامل در این حوزه آبخیزشده است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده از این مدل، 4/50 درصد از مساحت حوضه در کلاس حساسیت بسیار کم و کم، 6/21 درصد در کلاس حساسیت متوسط و 28 درصد در سطح منطقه‌ای با حساسیت بالا و بسیار بالا قرار دارد. افزایش این شاخص منجر به ناهمواری بیشتر سطح و افزایش شیب می‌شود که شرایط زا برای وقوع زمین‌لغزش‌ها را مستعدتر می‌کند. اجرای برنامه‌های مدیریت زمین‌لغزش بر اساس نتایج این تحقیق در حوزه آبخیز کرگانه می‌تواند مشکلات ناپایداری دامنه را حل کند.</div> <div style="text-align: justify;">Introduction Numerous forms of natural dangers and related tragedies containing earthquakes, volcanic eruptions, tsunamis, cloud burst, floods, soil erosion etc. happening the world and amongst such troubling natural hazards landslides are the awful types of greatest recurrent occurrences all everywhere the world. Every year, landslides have affected huge damages of life and stuff, concluded the damages of forests, fruitful cultivated land, habitation area, and network communication in addition to tourist adverts. Additionally, alteration of the earth surface is also responsible for devastating landslides. Iran has confronted numerous categories of natural threats and disasters, for example severe soil erosion concluded gully expansion, vulgar floods, and disturbing landslides. So, because of the numerous occurrences of landslides and huge financial damages have develop national disasters of Iran. The landslide event in Iran has caused about 500 billion financial damages. Landslide susceptibility assessment be able to assistance the planners for final management of environmental squalor and natural resources from delicate damages and eventually development of economic action of this watershed area. The planned methods use both the capability thoughts and ground fact at the like time. This could be taken as a brand-new methodology toward landslide zoning difficulties. The goal of the study is to zonate the hazard of landslide occurrence using maximum entropy (ME) algorithm and compare the effectiveness of this method in locating the sensitivity of landslide occurrence in Karganeh Watershed, Lorestan Province. Materials and Methods Karganeh Watershed is located between 33° 25′ 12″ to 33° 37′ 12″ latitude and 48° 23′ 59″ to 48° 44′ 24″ longitude, occupying about 294.2 sq km in the Lorestan Province, west of Iran. This watershed is one of the main sub basins of Karkheh River. One of the most important phases of landslide susceptibility assessment is to identify and prepare a distribution map of current landslides in the watershed. This map was prepared via assembly the information associated with landslides or via analyzing the data from remote sensing and GIS techniques. On behalf of this goal, the distribution map layer of landslides in the watershed was prepared and separated into two sets for model training (70%) and model validation (30%) randomly. Also, 16 causes disturbing the happening of landslides in this watershed were selected permitting to the review of sources and the usage of principal component analysis (PCA), Tolerance and VIF tests. Digital layers of effective factors in geographic information system were equipped. In the next step, the landslide risk map was equipped based on the maximum entropy machine (ME) method. So that evaluate the accurateness of the modeling and compare the efficiency of the method, the index of the area under the virtual performance recognition curve (ROC) was used. Established on the fallouts of the maximum likelihood diagram, geological, land use and slope are the best significant factors inducing the event of landslides in Karganeh Watershed. Results and Discussion Landslide inventory map indicated that there are 95 scattered landslides in the Karganeh Watershed. Exaggerated total area through landslide is 635 ha (2.23% of the watershed area). Based on the results of the PCA index, the KMO coefficient was calculated as 0.61, which confirms the necessary correlation between the input variables to perform principal component analysis. Among the 19 components as the number of variables investigated in landslide risk assessment, considering the eigenvalue higher than one, the number of the first two main components was investigated. The results showed that these two main components express nearly 67% of the changes. After investigation, slope, slope direction, elevation classes, geology, distance from the river, distance from the road, distance from the fault, river power index (SPI), topographic moisture index (TWI) and slope length index (LS), topographic position index (TPI), topographic roughness index (TRI) and vector roughness measurement index (VRM), land use, distance from the village, and rainfall were selected as the most effective factors of landslide occurrence in the Karganeh Watershed. According to the Kappa index diagram, geological indicators, land use, slope, topographic roughness index (TRI), slope length and slope direction are the most important influencing parameters. The area under the curve (AUC) based on the relative performance detection curve indicates good accuracy (AUC=0.787) in the validation stage. Permitting to the results of the maximum entropy method, about 28% of the Karganeh Watershed is in the high and very high hazard class of landslide happening. Conclusion In this study, it was tried to use all effective factors in order to evaluate landslide susceptibility in Karganeh Watershed. Principal component analysis (PCA), tolerance and VIF were used to determine the relationship between the factors influencing the occurrence of landslides and to determine the most effective factors. It is the carrying capacity of the waterway. It actually determines the effect of topography on erosion. The longer the slope is, the higher the sediment carrying capacity is, and the condition of landslides on the side of the waterway increases. An increase in the topographic roughness index (TRI) indicates uplift and nontectonic activity. Changing the rangeland to rain fed farming and road construction is completed severely in Karganeh Watershed throughout recent years and led to awarding great role of human factors on landslide in comparing other factors. Based on the results obtained from this model, 50.4% of the area of the basin is in the very low and low sensitivity class, 21.6% is in the medium sensitivity class, and 28% is in the high and very high sensitivity regional level. An increase in this index leads to more surface roughness and an increase in slope, which makes landslides more prone to occur.The implementation of landslide management programs based on the results of this research on the Karganeh Watershed can explain the difficulties of domain instability.</div> بیشینه آنتروپی, خطر وقوع زمین لغزش, شاخص ROC, مدیریت زمین‌لغزش Maximum entropy, Landslide hazard, ROC index, Landslide management 50 63 http://jwmsei.ir/browse.php?a_code=A-10-1551-1&slc_lang=fa&sid=1 Ebrahim Karimi Sangchini ابراهیم کریمی سنگچینی E.karimi64@gmail.com 100319475328460017666 100319475328460017666 Yes Agricultural Research Education and Extension Organization سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی استان لرستان، خرم آباد، ایران Ali Dastranj علی دسترنج dastranj66@gmail.com 100319475328460017667 100319475328460017667 No Agricultural Research Education and Extension Organization سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزیخراسان‌رضوی، مشهد Seyed Hossein Arami سید حسین آرامی arami1854@gmail.com 100319475328460017668 100319475328460017668 No Agricultural Research Education and Extension Organization سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی خوزستان، اهواز Samad Shadfar صمد شادفر shadfar@scwmri.ac.ir 100319475328460017669 100319475328460017669 No Agricultural Research Education and Extension Organization سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی تهران Iraj Vayskarami ایرج ویسکرمی irvayskarami@yahoo.com 100319475328460017670 100319475328460017670 No Agricultural Research Education and Extension Organization سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی لرستان، خرم آباد