پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RF
مقدمهفرسایش خندقی یکی از انواع فرسایش آبی است که سهم زیادی در تخریب اراضی دارد و به‌عنوان یکی از مهمترین مخاطرات محیطی در جهان و به‌خصوص در ایران شناخته شده است. در سال‌های اخیر، فن‌های یادگیری ماشینی و سامانه اطلاعات جغرافیایی در زمینه تعیین مناطق حساس به فرسایش خندقی دارای کارایی بالایی بودهان...
Saved in:
| Main Authors: | , , , , , |
|---|---|
| Format: | Article |
| Language: | fas |
| Published: |
Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI)
2023-06-01
|
| Series: | Muhandisī va mudirīyyat-i ābkhīz |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://jwem.areeo.ac.ir/article_127932_5d8e79a4d8710d75d70ab6448ba250c9.pdf |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| _version_ | 1832539869143891968 |
|---|---|
| author | امید اسدی نلیوان علیرضا رابط فرزانه وکیلی تجره مرضیه رمضانی محمد مومنی کهزاد حیدری |
| author_facet | امید اسدی نلیوان علیرضا رابط فرزانه وکیلی تجره مرضیه رمضانی محمد مومنی کهزاد حیدری |
| author_sort | امید اسدی نلیوان |
| collection | DOAJ |
| description | مقدمهفرسایش خندقی یکی از انواع فرسایش آبی است که سهم زیادی در تخریب اراضی دارد و به‌عنوان یکی از مهمترین مخاطرات محیطی در جهان و به‌خصوص در ایران شناخته شده است. در سال‌های اخیر، فن‌های یادگیری ماشینی و سامانه اطلاعات جغرافیایی در زمینه تعیین مناطق حساس به فرسایش خندقی دارای کارایی بالایی بودهاند و باعث افزایش دقت و سرعت در زمینه ارزیابی، پتانسیل فرسایش خندقی شده‌اند که این فن‌ها در تعیین عوامل موثر بر فرسایش خندقی نیز موثر بودهاند. اراضی لسی استان گلستان به‌دلیل عمق کافی و دانه‌بندی تقریبا یکنواخت سیلتی، استفاده مفرط، کشت در اراضی شیبدار و مدیریت غلط اراضی، فرسایش‌پذیری آبی بیشتری دارند، به طوری که همه انواع فرسایش را در این مناطق میتوان مشاهده کرد. متداول‌ترین نوع فرسایش در این مناطق، فرسایش خندقی است. حوزه آبخیز مورد مطالعه در استان گلستان، با افزایش زمین‌های دیم و رها شده، تغییر کاربری اراضی، حضور دام مازاد در جنگل‌ها و همچنین، افزایش جمعیت روبه‌رو است. لذا، این حوضه با افزایش حساسیت فرسایش خندقی مواجه است و باید مناطق دارای پتانسیل فرسایش خندقی شناسایی و مدیریت شوند. مواد و روش‌هاحوزه آبخیز مورد مطالعه با مساحت 222 هزار هکتار و دامنه ارتفاعی 58 تا 2168 متر، در شمال شرقی استان گلستان قرار دارد. میانگین بارندگی حوضه بین 224 تا 736 میلیمتر است. در این پژوهش، ابتدا موقعیت خندق‌ها از اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان گلستان دریافت شد. سپس، از مجموع 1127 موقعیت خندق، به‌صورت تصادفی 70 درصد به‌عنوان داده‌های آموزش و 30 درصد به‌عنوان داده‌های اعتبارسنجی طبقهبندی شدند. به‌منظور تعیین متغیرهای موثر در حساسیت فرسایش خندقی، 14 عامل شناسایی شد و در مرحله بعد تست همخطی بین متغیرها با استفاده از نرم‌افزار SPSS انجام شد. با استفاده از شاخص‌های ضریب تحمل و عامل تورم واریانس در صورت وجود همخطی بین متغیرها از روند مدلسازی حذف شدند. با توجه به اهمیت نقشه مدل رقومی ارتفاع و کاربرد آن در تهیه عوامل مختلف پژوهش حاضر، مدل رقومی ارتفاع (با اندازه سلول 12.5 متر) با استفاده از تصاویر ماهواره ALOS تهیه شد. لایه‌های شیب و جهت شیب با استفاده از مدل رقومی ارتفاع و به‌ترتیب از توابع Slope و Aspect تهیه شده‌اند. شاخص طول شیب در نرم‌افزار SAGA GIS، لایه‌های فاصله از آبراهه بر اساس نقشه آبراههها (استخراج از نرم‌افزار SAGA GIS) و فاصله از جاده بر اساس جاده‌های موجود و با استفاده از تابع فاصله اقلیدسی در نرم‌افزار ArcGIS تهیه شدند. لایه‌های تراکم آبراهه و تراکم جاده، بر اساس نقشه آبراههها و جاده‌های موجود در منطقه و با استفاده از تابع Line Density در نرم‌افزار ArcGIS بهدست آمدند. لایه سنگ‌شناسی از نقشه زمین‌شناسی منطقه (مقیاس 1:100000) استخراج شده است و لایه کاربری اراضی از اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان گلستان دریافت شد. نقشه بارندگی با استفاده از اطلاعات 35 ایستگاه باران‌سنجی تهیه شده است. ابتدا، میانگین بارندگی 26 ساله (دوره آماری مشترک) برای هر ایستگاه محاسبه شد و سپس، با استفاده از روش کریجینگ جهانی (به‌دلیل کمترین میزان RMSE) در نرم‌افزار ArcGIS پهنهبندی بارندگی انجام گرفت. لایه شاخص موقعیت توپوگرافیک، با استفاده از مدل رقومی ارتفاع و با کمک نرم‌افزار SAGA GIS تهیه شد. به‌منظور ارزیابی مدلها، از منحنی تشخیص عملکرد نسبی (ROC) جهت قدرت پیشبینی مدلها استفاده شد. نتایج و بحثنتایج نشان داد که بین متغیرها همخطی وجود ندارد و لذا، کلیه متغیرها در روند مدلسازی مورد استفاده قرار گرفتند. رابطه بین فرسایش خندقی و ارتفاع نشان داد که ارتفاعات پایینتر حساسیت بیشتری نسبت به ارتفاعات بالاتر دارند و نزدیک به آبراههها حساسیت فرسایش خندقی بیشتر است. نتایج نشان داد که با افزایش تراکم زهکشی، حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا میکند. همچنین، پادگانههای قدیمی، شیل و لسها بیشترین تاثیر را بر حساسیت فرسایش خندقی دارند. نتایج نشاندهنده کاهش حساسیت فرسایش خندقی با کاهش شاخص HAND است. در واقع این نتیجه بیانگر این است که در مناطقی که میزان سطوح اشباع در سطح حوزه آبخیز افزایش مییابد، احتمال وقوع و حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا میکند. نتایج نشان داد که در میان انواع کاربریها، مسیلها، مراتع فقیر و کاربری کشاورزی، دارای بیشترین حساسیت فرسایش خندقی هستند. این در حالی است که مناطق جنگلی دارای کمترین میزان حساسیت به این فرسایش بودهاند. نتایج نشان داد که در دامنه بارندگی 220 تا 420 میلیمتر، احتمال رخداد فرسایش خندقی افزایش پیدا کرده است و از دامنه 420 تا 500 میلیمتر، بالاترین میزان حساسیت را نشان داده است و با افزایش بارندگی از 500 میلیمتر، حساسیت فرسایش خندقی کاهش یافته است. از دلایل کاهش حساسیت فرسایش خندقی در بارندگیهای بالاتر میتوان به افزایش پوشش گیاهی و ایجاد شرایط مناسب برای زمینلغزشها اشاره کرد. نتایج نشان داد که عمق دره تا 235 متر، باعث افزایش احتمال فرسایش خندقی شده است و از 235 متر به بالا، باعث کاهش احتمال رخداد فرسایش شده است. نتایج نشان داد که نزدیک به جادهها میزان حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا میکند و این مورد اثرات جادهسازی و تشدید شرایط برای فرسایش خندقی را نشان میدهد. نتیجه‌گیریاین پژوهش با هدف تعیین عوامل موثر بر فرسایش خندقی و پهنهبندی توزیع مکانی آن در شمال شرق استان گلستان انجام شد. در این پژوهش، با در نظر گرفتن 14 عامل مهم و با استفاده از مدلهای جنگل تصادفی، شبکه عصبی مصنوعی و درخت رگرسیون و طبقهبندی، نقشه حساسیت وقوع فرسایش خندقی تهیه شد. با توجه به اینکه شناسایی مناطق دارای حساسیت فرسایش خندقی مبتنی بر روشهای سنتی و نظرات کارشناسی از دقت قابل قبولی برخوردار نیست، استفاده از روشهای نوین یادگیری ماشینی امری ضروری است. نتایج نشان داد که عوامل فاصله از جاده و کاربری اراضی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر حساسیت فرسایش خندقی هستند که مدیریت کاربری اراضی را از سوی انسان می‌طلبد. منحنی ROC، نشان داد که دقت مدلها در برآورد مناطق دارای حساسیت فرسایش خندقی در مرحله آزمون عالی (ANN)، و در مرحله آزمون و اعتبارسنجی خیلی خوب (RF و CART) بوده است که به معنای عملکرد عالی مدلها است. |
| format | Article |
| id | doaj-art-06e822398cc04061b65ebe2b362d7c85 |
| institution | Kabale University |
| issn | 2251-9300 2322-536X |
| language | fas |
| publishDate | 2023-06-01 |
| publisher | Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI) |
| record_format | Article |
| series | Muhandisī va mudirīyyat-i ābkhīz |
| spelling | doaj-art-06e822398cc04061b65ebe2b362d7c852025-02-05T08:24:59ZfasSoil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI)Muhandisī va mudirīyyat-i ābkhīz2251-93002322-536X2023-06-0115215517110.22092/ijwmse.2022.356379.1920127932پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RFامید اسدی نلیوان0علیرضا رابط1فرزانه وکیلی تجره2مرضیه رمضانی3محمد مومنی4کهزاد حیدری5دانش‌آموخته دکتری آبخیزداری، گروه آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایراناستادیار، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان زنجان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، زنجان، ایراندانشجوی دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایرانفارغ التحصیل کارشناسی مرتع و آبخیزداری، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و کویرشناسی، دانشگاه یزد، یزد، ایرانکارشناس آبخیزداری اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان البرز، البرز، ایراندانش‌آموخته دکتری آبخیزداری، گروه آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایرانمقدمهفرسایش خندقی یکی از انواع فرسایش آبی است که سهم زیادی در تخریب اراضی دارد و به‌عنوان یکی از مهمترین مخاطرات محیطی در جهان و به‌خصوص در ایران شناخته شده است. در سال‌های اخیر، فن‌های یادگیری ماشینی و سامانه اطلاعات جغرافیایی در زمینه تعیین مناطق حساس به فرسایش خندقی دارای کارایی بالایی بودهاند و باعث افزایش دقت و سرعت در زمینه ارزیابی، پتانسیل فرسایش خندقی شده‌اند که این فن‌ها در تعیین عوامل موثر بر فرسایش خندقی نیز موثر بودهاند. اراضی لسی استان گلستان به‌دلیل عمق کافی و دانه‌بندی تقریبا یکنواخت سیلتی، استفاده مفرط، کشت در اراضی شیبدار و مدیریت غلط اراضی، فرسایش‌پذیری آبی بیشتری دارند، به طوری که همه انواع فرسایش را در این مناطق میتوان مشاهده کرد. متداول‌ترین نوع فرسایش در این مناطق، فرسایش خندقی است. حوزه آبخیز مورد مطالعه در استان گلستان، با افزایش زمین‌های دیم و رها شده، تغییر کاربری اراضی، حضور دام مازاد در جنگل‌ها و همچنین، افزایش جمعیت روبه‌رو است. لذا، این حوضه با افزایش حساسیت فرسایش خندقی مواجه است و باید مناطق دارای پتانسیل فرسایش خندقی شناسایی و مدیریت شوند. مواد و روش‌هاحوزه آبخیز مورد مطالعه با مساحت 222 هزار هکتار و دامنه ارتفاعی 58 تا 2168 متر، در شمال شرقی استان گلستان قرار دارد. میانگین بارندگی حوضه بین 224 تا 736 میلیمتر است. در این پژوهش، ابتدا موقعیت خندق‌ها از اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان گلستان دریافت شد. سپس، از مجموع 1127 موقعیت خندق، به‌صورت تصادفی 70 درصد به‌عنوان داده‌های آموزش و 30 درصد به‌عنوان داده‌های اعتبارسنجی طبقهبندی شدند. به‌منظور تعیین متغیرهای موثر در حساسیت فرسایش خندقی، 14 عامل شناسایی شد و در مرحله بعد تست همخطی بین متغیرها با استفاده از نرم‌افزار SPSS انجام شد. با استفاده از شاخص‌های ضریب تحمل و عامل تورم واریانس در صورت وجود همخطی بین متغیرها از روند مدلسازی حذف شدند. با توجه به اهمیت نقشه مدل رقومی ارتفاع و کاربرد آن در تهیه عوامل مختلف پژوهش حاضر، مدل رقومی ارتفاع (با اندازه سلول 12.5 متر) با استفاده از تصاویر ماهواره ALOS تهیه شد. لایه‌های شیب و جهت شیب با استفاده از مدل رقومی ارتفاع و به‌ترتیب از توابع Slope و Aspect تهیه شده‌اند. شاخص طول شیب در نرم‌افزار SAGA GIS، لایه‌های فاصله از آبراهه بر اساس نقشه آبراههها (استخراج از نرم‌افزار SAGA GIS) و فاصله از جاده بر اساس جاده‌های موجود و با استفاده از تابع فاصله اقلیدسی در نرم‌افزار ArcGIS تهیه شدند. لایه‌های تراکم آبراهه و تراکم جاده، بر اساس نقشه آبراههها و جاده‌های موجود در منطقه و با استفاده از تابع Line Density در نرم‌افزار ArcGIS بهدست آمدند. لایه سنگ‌شناسی از نقشه زمین‌شناسی منطقه (مقیاس 1:100000) استخراج شده است و لایه کاربری اراضی از اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان گلستان دریافت شد. نقشه بارندگی با استفاده از اطلاعات 35 ایستگاه باران‌سنجی تهیه شده است. ابتدا، میانگین بارندگی 26 ساله (دوره آماری مشترک) برای هر ایستگاه محاسبه شد و سپس، با استفاده از روش کریجینگ جهانی (به‌دلیل کمترین میزان RMSE) در نرم‌افزار ArcGIS پهنهبندی بارندگی انجام گرفت. لایه شاخص موقعیت توپوگرافیک، با استفاده از مدل رقومی ارتفاع و با کمک نرم‌افزار SAGA GIS تهیه شد. به‌منظور ارزیابی مدلها، از منحنی تشخیص عملکرد نسبی (ROC) جهت قدرت پیشبینی مدلها استفاده شد. نتایج و بحثنتایج نشان داد که بین متغیرها همخطی وجود ندارد و لذا، کلیه متغیرها در روند مدلسازی مورد استفاده قرار گرفتند. رابطه بین فرسایش خندقی و ارتفاع نشان داد که ارتفاعات پایینتر حساسیت بیشتری نسبت به ارتفاعات بالاتر دارند و نزدیک به آبراههها حساسیت فرسایش خندقی بیشتر است. نتایج نشان داد که با افزایش تراکم زهکشی، حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا میکند. همچنین، پادگانههای قدیمی، شیل و لسها بیشترین تاثیر را بر حساسیت فرسایش خندقی دارند. نتایج نشاندهنده کاهش حساسیت فرسایش خندقی با کاهش شاخص HAND است. در واقع این نتیجه بیانگر این است که در مناطقی که میزان سطوح اشباع در سطح حوزه آبخیز افزایش مییابد، احتمال وقوع و حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا میکند. نتایج نشان داد که در میان انواع کاربریها، مسیلها، مراتع فقیر و کاربری کشاورزی، دارای بیشترین حساسیت فرسایش خندقی هستند. این در حالی است که مناطق جنگلی دارای کمترین میزان حساسیت به این فرسایش بودهاند. نتایج نشان داد که در دامنه بارندگی 220 تا 420 میلیمتر، احتمال رخداد فرسایش خندقی افزایش پیدا کرده است و از دامنه 420 تا 500 میلیمتر، بالاترین میزان حساسیت را نشان داده است و با افزایش بارندگی از 500 میلیمتر، حساسیت فرسایش خندقی کاهش یافته است. از دلایل کاهش حساسیت فرسایش خندقی در بارندگیهای بالاتر میتوان به افزایش پوشش گیاهی و ایجاد شرایط مناسب برای زمینلغزشها اشاره کرد. نتایج نشان داد که عمق دره تا 235 متر، باعث افزایش احتمال فرسایش خندقی شده است و از 235 متر به بالا، باعث کاهش احتمال رخداد فرسایش شده است. نتایج نشان داد که نزدیک به جادهها میزان حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا میکند و این مورد اثرات جادهسازی و تشدید شرایط برای فرسایش خندقی را نشان میدهد. نتیجه‌گیریاین پژوهش با هدف تعیین عوامل موثر بر فرسایش خندقی و پهنهبندی توزیع مکانی آن در شمال شرق استان گلستان انجام شد. در این پژوهش، با در نظر گرفتن 14 عامل مهم و با استفاده از مدلهای جنگل تصادفی، شبکه عصبی مصنوعی و درخت رگرسیون و طبقهبندی، نقشه حساسیت وقوع فرسایش خندقی تهیه شد. با توجه به اینکه شناسایی مناطق دارای حساسیت فرسایش خندقی مبتنی بر روشهای سنتی و نظرات کارشناسی از دقت قابل قبولی برخوردار نیست، استفاده از روشهای نوین یادگیری ماشینی امری ضروری است. نتایج نشان داد که عوامل فاصله از جاده و کاربری اراضی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر حساسیت فرسایش خندقی هستند که مدیریت کاربری اراضی را از سوی انسان می‌طلبد. منحنی ROC، نشان داد که دقت مدلها در برآورد مناطق دارای حساسیت فرسایش خندقی در مرحله آزمون عالی (ANN)، و در مرحله آزمون و اعتبارسنجی خیلی خوب (RF و CART) بوده است که به معنای عملکرد عالی مدلها است.https://jwem.areeo.ac.ir/article_127932_5d8e79a4d8710d75d70ab6448ba250c9.pdfاستان گلستانشبکه عصبی مصنوعیفرسایش آبکندییادگیری ماشینیroc |
| spellingShingle | امید اسدی نلیوان علیرضا رابط فرزانه وکیلی تجره مرضیه رمضانی محمد مومنی کهزاد حیدری پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RF Muhandisī va mudirīyyat-i ābkhīz استان گلستان شبکه عصبی مصنوعی فرسایش آبکندی یادگیری ماشینی roc |
| title | پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RF |
| title_full | پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RF |
| title_fullStr | پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RF |
| title_full_unstemmed | پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RF |
| title_short | پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای CART, ANN و RF |
| title_sort | پهنهبندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدلهای cart ann و rf |
| topic | استان گلستان شبکه عصبی مصنوعی فرسایش آبکندی یادگیری ماشینی roc |
| url | https://jwem.areeo.ac.ir/article_127932_5d8e79a4d8710d75d70ab6448ba250c9.pdf |
| work_keys_str_mv | AT ạmydạsdynlywạn phnhbndyḥsạsytfrsạysẖkẖndqybạạstfạdhạzmdlhạycartannwrf AT ʿlyrḍạrạbṭ phnhbndyḥsạsytfrsạysẖkẖndqybạạstfạdhạzmdlhạycartannwrf AT frzạnhwḵylytjrh phnhbndyḥsạsytfrsạysẖkẖndqybạạstfạdhạzmdlhạycartannwrf AT mrḍyhrmḍạny phnhbndyḥsạsytfrsạysẖkẖndqybạạstfạdhạzmdlhạycartannwrf AT mḥmdmwmny phnhbndyḥsạsytfrsạysẖkẖndqybạạstfạdhạzmdlhạycartannwrf AT ḵhzạdḥydry phnhbndyḥsạsytfrsạysẖkẖndqybạạstfạdhạzmdlhạycartannwrf |