基于OCSVM-RF耦合模型的雅江县地质灾害易发性评价.pdf

基于 耦合模型的雅江县地质灾害易发性评价吴巍炜吴雄辉(成都理工大学 地球科学学院四川 成都)收稿日期:作者简介:吴巍炜()男安徽合肥人硕士主要研究方向:机器学习方法在地学中的应用摘 要:地质灾害威胁着工农业安全生产及人民生命财产安全因此对地质灾害易发性进行高效率、高精度的评价尤为重要 以四川省雅江县为研究区机器学习方法为基础分别构 建 了 传 统 逻 辑 回 归 模 型、随 机 森 林 模 型 和 耦合模型对雅江县地质灾害易发性进行评价并制作雅江县地质灾害易发性分级图 同时使用 和 值对评价精度进行分析得到 值分别为:逻辑回归()随机森林()耦合模型()得出 耦合模型的评价精度明显高于传统机器学习模型 因此可以使用该耦合模型对地质灾害易发性进行评价为研究区的防灾减灾工作提供一定的理论参考关键词:地质灾害易发性单类支持向量机随机森林机器学习负样本中图分类号:文献标志码:文章编号:():/():.:()()().:引 言随着四川省山区经济的复苏人类生产建设活动频率增加同时由于山区本身气候条件复杂降雨量多于平原地区地震活动频繁 这些自然因素和人为因素在一定程度上增加了地质灾害发生的风险从而造成资源的大量损失地质灾害一般指滑坡、崩塌、泥石流和不稳定斜坡四种地质灾害一旦发生造成的损伤是不可逆的往往给人民生命和财产方面造成巨大损失 因此用一个科学的地质灾害易发性评价的研究方法会有效地提高对于地质灾害的预防效果尽可能地减少因地质灾害造成的损失 研究方法近年来使用机器学习方法对地质灾害易发性进行评价的研究越来越多 常见的机器学习方法有:逻辑回归、随机森林、支持向量机等 使用机器学习方法进行研究时往往会使用负样本数据即非地质灾害区域一个客观的、合理的负样本集合会显著提高机器学习模型的预测精度 因此本文使用 耦合模型对四川省雅江县地质灾害易发性进行评价使用 异常检测方法优化负样本选取使用 模型对研究区地质灾害进行预测并将预测结果和传统的逻辑回归、随机森林进行对比发现使用 耦合模型在预测的精度上明显高于、模型 (逻辑回归)是一种经典的多元统计分析方法它含有两种变量即自变量 和因变量 自变量 可以有多个但因变量 则是二分类变量即 只取 和 两个值 (单类支持向量机)是一种无监督学习算法该模型将数据样本通过核函数映射到高维特征空间使其具有更良好的聚集性在特征空间中求解一个最优超平面实现目标数据的分离 从而将数据集分为两类同时给出每个样本对应的评分即正常类和异常类正常类的标记值为 异常类的标记值为 (随机森林)模型是通过集成学习的 思想将多棵树集成的一种算法决策树是 的基本单元 其工作原理为:首先随机地从数据中采集一些样本然后使用决策树来训练提取的样本每个决策树都可以独立地执行最后整合所有决策树形成 算法用于分类和预测相比于其他传统机器学习方法 模型具有以下优点:在数据较多时预测精度高可接受数目较多的变量输入建模速度快 近年来利用 方法进行地质灾害易发性评价日益受到重视 模型在使用机器学习方法进行地质灾害易发性评价的过程中正样本(即已知地质灾害点)的收集和负样本(即未发生地质灾害点)的选取尤为重要 一般情况下由于地质灾害发生的客观性正样本数据是确定的 由于负样本自身具有不确定性因此负样本的选取策略是地质灾害易发性评价中研究的重点和难点 合理的负样本可以提高地质灾害易发性评价的精度也使最终的结果可解释性更强目前通常采取的负样本选取策略有:专家评价法该方法是利用专家的知识和经验选取地质灾害负样本点此方法主观性强随机选择法该方法随机生成多组负样本点选取精度最高的一组作为最终的结果此方法数据构建过程耗时且可解释性弱异常检测法该方法在研究区内生成大量的随机点然后利用异常检测算法将各点分为正常点和异常点同时进行评分 在异常点中选取评分低的作为负样本点 此方法最大限度地保证了负样本选取的客观性、可解释性 模型作为一种异常检测算法将数据集中的每个数据进行分类分类为正常数据和异常数据 将吉林省老土顶子小四坪地区作为研究区使用 模型选取负样本最终用受限玻尔兹曼机器方法对研究区的金矿成矿远景区进行了预测并证明最终的预测精度较高 耦合模型的优点是:优化了负样本的选取使得最终的预测精度得以提高 缺点是:模型检测异常值对于参数 的选取具有高依赖性但是参数 的选取一般是采取试错法增加了时间成本综合上述结论使用 模型对雅江县地质灾害易发性进行评价 评价的步骤为:获取雅江县地质灾害点数据选取地质灾害易发性评价指标在研究区内生成大量的随机点利用 方法选取可靠的非地质灾害点训练数据利用 模型中的分类功能将研究区分为地质灾害高、中、低和不易发生区 研究区概况及评价指标选取 研究区概况雅江县位于四川省西北部雅砻江中游甘孜藏族自治州的腹心地带是四川省林木业重要基地我国建立的西部生态屏障的重要组成部分 地理坐标:东经 北 纬 区 域 面 积 (见图)由于受地质条件、地震活动、降雨强烈和人类活动的共同影响区内地质灾害事件发生频繁危害严重曾发生滑坡堵塞雅砻江、泥石流吞没村社等重大地质灾害事件 综上雅江县降雨集中地形地貌及地质条件复杂、人类活动频繁经常性地发生地质灾害 评价指标体系在使用机器学习进行地质灾害易发性评价时除了负样本评价因子也需要进行选取 评价因子选取的不同也会对最终的预测精度产生影响 结合雅江县地质条件和气候条件选取高程、坡度、坡向、植被种类、年降雨量、距河流的距离作为评价指标同时将部分评价因子进行分级 地质灾害易发性评价 基于 模型的地质灾害易发性评价在进行 模型构建前需要生成负样本 在 年四川省雅江县地质灾害调查数据集中获取到地质灾害点共计 个即 个正样本点 因此在雅江县范围内随机生成 个点位作为负样本集将正负样本数据集合带入 模型中进行建模得到基于 模型的地质灾害易发性分区图(见图)图 研究区 高程及地质灾害空间分布图图 基于 模型的地质灾害易发性分区 基于 模型的地质灾害易发性评价使用 模型进行雅江县地质灾害易发性评价时负样本选取 节中随机生成的负样本点和已知灾害点组成样本数据集 将数据集带入 模型进行建模最终得到基于 模型的地质灾害易发性分区图(见图)基于 模型的地质灾害易发性评价 模型和直接使用、模型最大的区别就是 模型引入了负样本选取机制通过选取大量的随机点利用 进行异常检测得到异常值和异常值对应的评分评分越低该点为非地质灾害点的概率越大通过筛选可以得到最接近非地质灾害点的负样本集合在雅江县范围内随机生成 个点使用 模型提取 个负样本点将其和 个正样本点组合成新的样本数据集带入 模型得到基于 模型的地质灾害易发性分区图(见图)图 基于 模型的地质灾害易发性分区图 基于 模型的地质灾害易发性分区 模型预测精度的评价 曲线可以用来描述模型预测的精度同时结合 值进行判断 通过绘制的 曲线图(见图)可以得到 模型、模型、模型的 值分别为:因此得出结论 模型在预测精度上比传统的、模型更高说明该模型适合对于雅江县进行地质灾害易发性评价图 不同模型预测结果的 和 值 结 论)耦合模型的本质是优化负样本选取方法选取合理的负样本数据集并使用 模型对研究区进行灾害易发性评价 耦合模型对雅江县的地质灾害易发性评价的精度已经得到验证因此该模型同样可以用于类似的预测中例如成矿远景区预测、土壤饱和导水率预测等领域)使用 异常检测方法对样本数据集进行异常检测时参数 的设置是关键的一步 参数 决定了异常的上限即有多少数据点会被认为是异常点因此参数 的取值不同会影响 模型的性能从而影响最终灾害易发性评价的预测精度 本文使用 进行异常的提取但是对于参数 如何影响模型的性能怎样取值最合理还需要更进一步的研究:参 考 文 献:余华芬吴迪汪建光等.基于 的地质灾害早期识别与检测技术研究.地理空间信息():.():杜国梁杨志华袁颖等.基于逻辑回归 信息量的川藏交通廊道滑坡易发性评价.水文地质工程地质():刘坚李树林陈涛.基于优化随机森林模型的滑坡易发性评价.武汉大学学报(信息科学版)():武雪玲沈少青牛瑞卿.支持下应用 模型预测滑坡易发性.武汉大学学报(信息科学版)():郑迎凯陈建国王成彬等.确定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.地质科技通报():.():王德伟倪化勇陈绪钰等.年四川省雅江县地质灾害调查数据集.中国地质():王德伟倪化勇陈绪钰等.年四川省雅江县地质灾害调查数据集.吴常润角媛梅王金亮等.基于频率比 逻辑回归耦合模型的双柏县滑坡易发性评价.自然灾害学报():(上接第 页)混凝土护坡混凝土护坡的作用在于对基坑形成保护作用确定其位置后进行放坡开挖作业 混凝土护坡坡面需要利用钢筋网的方式加强混凝土坡面的稳固度与平稳性 当混凝土完成初凝后形成的交叉固定力能够对工程地质存在的问题加以弥补从而为后续的施工工序开展奠定基础 本工程采取的施工手段为混凝土喷射护坡技术混凝土强度为 在混凝土喷射施工过程中需要格外注意混凝土材料的配比一般情况下混凝土材料比例应为(水泥)(砂子)(石子)粗骨料粒径在 以下 混凝土喷射过程中形成的坡度厚度应在 左右可以利用加设保护层的方式在基坑顶部形成有效的混凝土护顶宽度保持在 左右 当混凝土护坡施工完成后需要实施检测基坑的各方面信息并加强数据检测 结 语深基坑桩基围护施工技术是工程建设时应用较广的施工技术之一在工程建设过程中会遇到地层变化问题、成孔质量问题、钢筋笼变形问题、灌注桩等方面的问题 在这种情况下相关施工人员就需要明确技术要点并加强人工挖孔桩、垂直度与成孔质量、钢筋笼质量、孔壁坍塌预防与旋喷桩质量等方面的控制力度促进工程的有序推进:参 考 文 献:周铮.复杂环境条件下的超深基坑围护结构、桩基及超高压旋喷桩加固工艺的综合建造技术.上海:上海市机械施工集团有限公司 李海锋.星湖城市广场二期商务楼项目深基坑围护结构施工关键技术.科学技术创新():刘翔.富水复合地层地下连续墙快速施工技术.工程技术研究():张彬李鹏吴一涵等.同一围护结构基坑工程中先浅后深施工的问题及技术应用/中国建筑业协会深基础与地下空间工程分会中国工程机械学会桩工机械分会中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.第十一届深基础工程发展论坛论文集.朱永建王秀英.一槽三笼技术在地铁车站围护结构地下连续墙施工中的应用研究.城市住宅():