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利用深度信念网络进行滑坡易发性评价

陈涛 钟子颖 牛瑞卿 刘桐 陈胜云

陈涛, 钟子颖, 牛瑞卿, 刘桐, 陈胜云. 利用深度信念网络进行滑坡易发性评价[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144
引用本文: 陈涛, 钟子颖, 牛瑞卿, 刘桐, 陈胜云. 利用深度信念网络进行滑坡易发性评价[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144
CHEN Tao, ZHONG Ziying, NIU Ruiqing, LIU Tong, CHEN Shengyun. Mapping Landslide Susceptibility Based on Deep Belief Network[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144
Citation: CHEN Tao, ZHONG Ziying, NIU Ruiqing, LIU Tong, CHEN Shengyun. Mapping Landslide Susceptibility Based on Deep Belief Network[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144

利用深度信念网络进行滑坡易发性评价

doi: 10.13203/j.whugis20190144
基金项目: 

国家自然科学基金 61601418

国家自然科学基金 62071439

祁连山国家公园青海研究中心开放课题 GKQ2019-01

湖南省自然资源调查与监测工程技术研究中心开放课题 2020-5

青海省地理空间信息技术与应用重点实验室开放课题 QHDX-2019-01

详细信息
    作者简介:

    陈涛,博士,副教授,主要从事遥感地质、高光谱遥感信息处理等方面的研究工作。taochen@cug.edu.cn

  • 中图分类号: P208

Mapping Landslide Susceptibility Based on Deep Belief Network

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 61601418

The National Natural Science Foundation of China 62071439

the Opening Foundation of Qilian Mountain National Park Research Center (Qinghai) GKQ2019-01

the Opening Foundation of Hunan Engineering and Research Center of Natural Resource Investigation and Monitoring 2020-5

the Opening Foundation of Geomatics Technology and Application Key Laboratory of Qinghai Province QHDX-2019-01

More Information
    Author Bio:

    CHEN Tao, PhD, associate professor, specializes in remote sensing geology, and hyperspectral remote sensing information processing. E-mail: taochen@cug.edu.cn

  • 摘要: 以三峡库区秭归县郭家坝镇为研究区,从多源数据中提取12类滑坡评价因子,在采用网格单元作为评价单元的基础上,利用深度信念网络(deep belief network,DBN)对该区域的滑坡易发性进行评价,生成了该区域的滑坡易发性分区图,并与浅层神经网络和传统的逻辑回归方法进行比较, 采用受试者工作特征曲线、总体精度和Kappa系数3种精度评价方法对结果进行评价。结果表明,基于深度信念网络的滑坡易发性评价模型具有较好的稳定性,其预测结果的曲线下面积、总体精度、Kappa系数在3个模型中最优,分别为0.95、90%和0.81,表明DBN在滑坡易发性评价中具有较好的预测能力。
  • 图  1  研究区位置及滑坡分布图

    Figure  1.  Location of Study Area and Landslides Distribution

    图  2  主要评价因子与滑坡占比相关性统计图

    Figure  2.  Correlation Statistics Between Main Causative Factors and Proportion of Landslides

    图  3  训练次数对均方差与分类误差的影响趋势图

    Figure  3.  Trend Graph of the Effect of Training Times on Mini-batch Mean Squared Error and Full-Batch Train Error

    图  4  基于DBN的滑坡易发性分区图

    Figure  4.  Landslide Susceptibility Map Based on DBN

    图  5  3种模型预测结果的ROC曲线图

    Figure  5.  ROC Curve for the Results of Landslide Susceptibility Mapping Based on Three Models

    表  1  实验数据及特性表

    Table  1.   Experimental Data and Characteristics

    数据来源 一级因子 二级因子
    地质图 地质条件 边坡结构
    工程岩组
    断层距离
    地形图 地形地貌 高程
    坡向
    坡度
    地表平面曲率
    地表剖面曲率
    水文条件 水系距离
    地形湿度指数
    中巴资源卫星 地表覆盖 植被覆盖度
    人类工程活动 道路距离
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    表  2  边坡结构划分类型表

    Table  2.   Classification of the Bed Rock-Slope Relationship

    类型 定义
    飘倾坡 |αβ|∈[0°, 30°)或|αβ|∈[330°, 360°), γ > 10°且δ > γ
    伏倾坡 |αβ|∈[0°, 30°)或|αβ|∈[330°, 360°), γ > 10°且δ < γ
    顺斜坡 |αβ|∈[30°, 60°)或|αβ|∈[300°, 330°)
    横向坡 |αβ|∈[60°, 120°)或|αβ|∈[240°, 300°)
    逆斜坡 |αβ|∈[120°, 150°)或|αβ|∈[210°, 240°)
    逆向坡 |αβ|∈[150°, 210°)
    注:α为斜坡坡向,β为岩层倾向,γ为岩层倾角,δ为斜坡坡度
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    表  3  离散型评价因子量化

    Table  3.   Quantization of Discrete Evaluation Factors

    评价因子 评价标准 危险性 评分值
    工程岩组 硬岩 不危险 1
    软岩 较重危险 2
    软硬相间岩 重度危险 3
    边坡结构 逆向坡 轻度危险 1
    逆斜坡 较重危险 2
    顺斜坡 重度危险 3
    伏倾坡 重度危险 4
    横向坡 极度危险 5
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    表  4  DBN模型稳定性分析表/%

    Table  4.   Stability Analysis of DBN/%

    实验次数 子样本均方误差 全样本训练误差 测试精度
    1 0.77 1.13 92.67
    2 0.94 0.73 90.77
    3 1.15 0.90 89.96
    4 0.94 0.83 93.51
    5 0.81 1.06 88.78
    平均值 0.92 0.93 91.14
    均方差 0.15 0.16 1.94
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    表  5  3种模型精度评价表

    Table  5.   Accuracy Assessment of Three Models

    混淆矩阵 逻辑回归模型 浅层神经网络模型 DBN模型
    滑坡 非滑坡 滑坡 非滑坡 滑坡 非滑坡
    实际滑坡 3 571 629 3 937 263 3 824 376
    实际非滑坡 1 247 2 953 756 3 444 437 3 763
    OA/% 78 88 90
    Kappa 0.55 0.76 0.81
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-27
  • 刊出日期:  2020-11-19

利用深度信念网络进行滑坡易发性评价

doi: 10.13203/j.whugis20190144
    基金项目:

    国家自然科学基金 61601418

    国家自然科学基金 62071439

    祁连山国家公园青海研究中心开放课题 GKQ2019-01

    湖南省自然资源调查与监测工程技术研究中心开放课题 2020-5

    青海省地理空间信息技术与应用重点实验室开放课题 QHDX-2019-01

    作者简介:

    陈涛,博士,副教授,主要从事遥感地质、高光谱遥感信息处理等方面的研究工作。taochen@cug.edu.cn

  • 中图分类号: P208

摘要: 以三峡库区秭归县郭家坝镇为研究区,从多源数据中提取12类滑坡评价因子,在采用网格单元作为评价单元的基础上,利用深度信念网络(deep belief network,DBN)对该区域的滑坡易发性进行评价,生成了该区域的滑坡易发性分区图,并与浅层神经网络和传统的逻辑回归方法进行比较, 采用受试者工作特征曲线、总体精度和Kappa系数3种精度评价方法对结果进行评价。结果表明,基于深度信念网络的滑坡易发性评价模型具有较好的稳定性,其预测结果的曲线下面积、总体精度、Kappa系数在3个模型中最优,分别为0.95、90%和0.81,表明DBN在滑坡易发性评价中具有较好的预测能力。

English Abstract

陈涛, 钟子颖, 牛瑞卿, 刘桐, 陈胜云. 利用深度信念网络进行滑坡易发性评价[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144
引用本文: 陈涛, 钟子颖, 牛瑞卿, 刘桐, 陈胜云. 利用深度信念网络进行滑坡易发性评价[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144
CHEN Tao, ZHONG Ziying, NIU Ruiqing, LIU Tong, CHEN Shengyun. Mapping Landslide Susceptibility Based on Deep Belief Network[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144
Citation: CHEN Tao, ZHONG Ziying, NIU Ruiqing, LIU Tong, CHEN Shengyun. Mapping Landslide Susceptibility Based on Deep Belief Network[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1809-1817. doi: 10.13203/j.whugis20190144
  • 滑坡是一种危害性很大的自然地质现象,在中国山区广泛发育,严重威胁人们的生命和财产安全[1-3]。因此,科学准确的滑坡易发性评价显得尤为重要。近年来,随着机器学习方法的发展,越来越多的国内外学者尝试利用机器学习方法进行滑坡易发性评价,如随机森林[4-6]、朴素贝叶斯[7-8]、决策树[9-11]、支持向量机[12-14]、神经网络[15-17]等方法。然而,滑坡易发性评价过程涉及类型多样、数目较多的评价因子,这些因子之间相互联系,又相互影响。前面所述模型往往无法更好地发掘因子之间的关系而导致不能得到理想的结果[18]。近年来,利用深度学习来分析挖掘滑坡易发性评价因子的特征已成为滑坡灾害研究的重要方向之一[19]

    本文所使用的深度信念网络(deep belief network,DBN),具有由多个受限玻尔兹曼机(restrict Boltzmann machine,RBM)叠加而成的特性,可以更好地反映因子之间的关系,从而获得更好的结果[20],其已成功地应用于影像特征提取[21]、影像识别[22]、语言识别[23]等多个领域。然而,即使DBN在其他领域表现良好,却很少被用于滑坡易发性评价。有研究表明,DBN能够使用多个RBM识别具有极端可变性的模式(例如目标识别),这反映了大多数图像的平移不变性[22],这种特性对于研究具有相同/类似地质背景的区域滑坡易发性评价具有很强的针对性。因此,本文利用深度信念网络对三峡库区秭归县郭家坝镇内的滑坡易发性进行评价,以探索其在滑坡易发性评价方面的应用效果。

    • 研究区位于湖北省宜昌市秭归县郭家坝镇(110°41'E~111°45'E,30°11'N~31°57'N),面积27 km2,海拔高度在140~950 m之间。研究区内历史滑坡37处,滑坡总面积为17 132.4 m 2,约占整个研究区面积的6.27%。其中,滑坡最小面积为58.7 m2,位于童庄河分岔口处;滑坡最大面积为1 873.4 m2,位于苏溪沟地区,且其约占滑坡总面积的10.9%;其余已知滑坡沿童庄河两岸分布。其中,7处滑坡位于童庄河西岸,其滑坡面积约占滑坡总面积的19.5%;5处滑坡位于童庄河分岔口南部区域,其滑坡面积约占滑坡总面积的8.3%;24处滑坡位于童庄河东侧,其滑坡面积占滑坡总面积的61.3%(见图 1)。

      图  1  研究区位置及滑坡分布图

      Figure 1.  Location of Study Area and Landslides Distribution

    • 研究区的基础数据主要包括研究区域1:5万比例尺地质图、1:1万比例尺地形图、一景中巴资源卫星数据(2004-04,轨道号04/65)、滑坡历史编录图以及野外记录的相关调查资料等。在已有数据基础上,本文利用ArcGIS软件对数据进行图像配准、栅格矢量化、地理校正、数据属性录入等处理,共提取出了滑坡的5类一级以及12类二级致灾因子(见表 1)。

      表 1  实验数据及特性表

      Table 1.  Experimental Data and Characteristics

      数据来源 一级因子 二级因子
      地质图 地质条件 边坡结构
      工程岩组
      断层距离
      地形图 地形地貌 高程
      坡向
      坡度
      地表平面曲率
      地表剖面曲率
      水文条件 水系距离
      地形湿度指数
      中巴资源卫星 地表覆盖 植被覆盖度
      人类工程活动 道路距离
    • DBN是由多个RBM叠加而成的深度神经网络。对于一个n层的DBN模型,可以构建可视层变量v与隐藏层变量h(k)(k=1, 2, 3…l)之间联合分布的模型,模型中每一个隐藏层单元的值只有两种状态,因此DBN模型整体的联合概率为:

      $$\begin{array}{*{20}{l}} \begin{array}{l} P\left( {v, {h^{\left( 1 \right)}}, {h^{\left( 2 \right)}} \cdots {h^{\left( l \right)}}} \right) = \\ \;\;\;\;\;\;P\left( {\left. v \right|{h^{\left( 1 \right)}}} \right)P\left( {{h^{\left( 1 \right)}}, {h^{\left( 2 \right)}}} \right) \cdots P\left( {\left. {{h^{\left( {l - 2} \right)}}} \right|{h^{\left( {l - 1} \right)}}} \right) \cdot \end{array}\\ {\;\;\;\;\;P\left( {\left. {{h^{\left( {l - 1} \right)}}} \right|{h^l}} \right)} \end{array}$$ (1)

      式中,$P\left( {v, {h^{\left( 1 \right)}}, {h^{\left( 2 \right)}} \cdots {h^{\left( l \right)}}} \right)$为DBN模型的整体联合概率;$v = h\left( 0 \right);P\left( {\left. {{h^{\left( k \right)}}} \right|{h^{\left( {k + 1} \right)}}} \right)$是第k层和k+1层之间的阶乘条件分布:

      $$P\left( {\left. {{h^{\left( k \right)}}} \right|{h^{\left( {k + 1} \right)}}} \right) = \mathop \prod \limits_i P\left( {\left. {h_i^{\left( k \right)}} \right|{h^{\left( {k + 1} \right)}}} \right)$$ (2)

      整个DBN过程包括7个步骤:

      1)网络初始化。假设节点的状态为sisj表示与节点i相连的节点j的状态,将模型中各个节点的状态、权重矩阵W进行随机初始化。

      2)随机输入一个样本到网络中,更新节点的状态sj,这些节点位于第一个隐含层。

      3)按照步骤2)计算出的隐含节点状态sj改变可见节点的状态s'i,计算公式为:

      $$s_i^\prime = {\varphi _i}\left( {\sum\limits_j {{w_{ij}}} {s_j} + \sigma {N_j}(0,1)} \right)$$ (3)
      $${\varphi _j}\left( {{x_j}} \right) = {\theta _L} + \left( {{\theta _H} - {\theta _L}} \right)\frac{1}{{1 + {{\rm{e}}^{\left( { - {a_j}{x_j}} \right)}}}}$$ (4)

      式中,wij代表从第i个节点到第j个节点的权重;Nj是一个平均值为0、方差为1的高斯随机变量;σ是一个0~1之间的常数;φ(x)是一个s型函数,θHθL分别是s型函数的上、下界;参数aj是一个噪声控制参数,表示s型函数的斜率,对于节点随机表现的程度和性质都有影响。

      4)依照步骤3)计算获得的可见节点的状态s'i再进行隐含层状态的更新,记作s'j,其计算公式为:

      $$s_j^\prime = {\varphi _j}\left( {\sum\limits_i {{w_{ij}}} s_i^\prime + \sigma {N_j}(0,1)} \right)$$ (5)

      5)随机选择一个样本,转到步骤2),假如这一次输入的样本已经被使用过,那么就计算权重的改变量Δwij和噪声参数的变化,改变权重矩阵和噪声控制的参数,计算公式为:

      $${w_{ij}}\left( {k + 1} \right) = {w_{ij}}\left( k \right) + {\rm{\Delta }}{w_{ij}}$$ (6)
      $${a_j}\left( {k + 1} \right) = {a_j}\left( k \right) + {\rm{\Delta }}{a_j}$$ (7)

      6)跳转到步骤2),进行新的一轮训练,当执行到预先设定的次数或者权重矩阵的变化足够小,即$\left\| {{\rm{\Delta }}\mathit{\boldsymbol{W}}\left( k \right) < \varepsilon } \right\|$时,训练停止。

      7)将第1个RBM得到的输出作为第2个RBM的输入,重复步骤1)~6),训练第2个RBM,直到构成DBN的所有RBM都训练完毕,DBN的训练结束。

    • 滑坡的发生受到多种因素的制约,本文通过研究区域的基础数据得到影响滑坡发育的因素有地质条件、地形地貌、水文条件、地表覆盖、人类工程活动等5个方面,并对滑坡易发性评价各因子与历史滑坡进行相关性统计分析。

    • 地质条件属于滑坡灾害的内部因素,往往起着决定性作用。本文通过地质图提取了边坡结构、工程岩组、断层距离这3个二级评价因子。其中,边坡结构是利用地质图和地形图,根据斜坡坡度、坡向和下伏地层岩层倾向、倾角这四者在空间上的相互关系而得到的。具体操作为:首先通过地质图反映的点源产状信息,在考虑区域地质构造影响的情况下,经网格插值计算得到空间连续分布的岩层倾向和倾角值;其次通过数字高程模型(digital elevation model,DEM)获取坡度和坡向值;最后利用ArcGIS的空间建模与分析功能实现了边坡结构信息的提取[24]。并且,在划分边坡结构类型时参考了原地质矿产部编写的《长江三峡工程库岸稳定性研究》报告[25]、国家“七五”重点科技攻关成果——《长江三峡重大地质与地震问题研究》[26]和文献[27]的研究成果,根据斜坡坡度、坡向和下伏地层岩层倾向、倾角这四者在空间上的相互关系,将研究区边坡结构类型划分为顺向飘倾坡、伏倾坡、顺斜坡、横向坡、逆斜坡和逆向坡6类[24]。其定量划分依据见表 2

      表 2  边坡结构划分类型表

      Table 2.  Classification of the Bed Rock-Slope Relationship

      类型 定义
      飘倾坡 |αβ|∈[0°, 30°)或|αβ|∈[330°, 360°), γ > 10°且δ > γ
      伏倾坡 |αβ|∈[0°, 30°)或|αβ|∈[330°, 360°), γ > 10°且δ < γ
      顺斜坡 |αβ|∈[30°, 60°)或|αβ|∈[300°, 330°)
      横向坡 |αβ|∈[60°, 120°)或|αβ|∈[240°, 300°)
      逆斜坡 |αβ|∈[120°, 150°)或|αβ|∈[210°, 240°)
      逆向坡 |αβ|∈[150°, 210°)
      注:α为斜坡坡向,β为岩层倾向,γ为岩层倾角,δ为斜坡坡度

      主要评价因子与滑坡占比相关性统计见图 2。由图 2(a)可知,研究区内滑坡主要发生于伏倾坡,占滑坡总数的64.88%,其次是逆斜坡,占18.14%,而顺斜坡中滑坡发生最少,仅占1.77%;由图 2(b)可知,软硬相间岩最易发生滑坡,占滑坡总数的94.58%,其次为软质岩,占3.42%,硬质岩最少,占2.00%;由图 2(c)可知,断层距离对滑坡发生的影响呈现先增加后降低的趋势。

      图  2  主要评价因子与滑坡占比相关性统计图

      Figure 2.  Correlation Statistics Between Main Causative Factors and Proportion of Landslides

    • 地形地貌因子是影响滑坡发生的关键因素,本文通过地形图提取DEM,并在此基础上提取了高程、坡向、坡度、地表平面曲率、地表剖面曲率等5个地形地貌因子。由图 2(d)可知,研究区内滑坡集中发生于高程小于400 m的靠近童庄河的区域范围当中,大于400 m的区域范围中未见滑坡发生;由图 2(e)可知,研究区域正西方向的滑坡发生最多,占滑坡总数的19.83%,正南方向的滑坡占滑坡总数的6.9%;由图 2(f)可知,坡度范围在10°~ 20°内的滑坡占41.1%,且滑坡在30°以下的坡度范围内发生频繁,占滑坡总数的85.48%,而坡度大于40°时发生的滑坡只占1.01%,这就说明坡度因子对于滑坡易发性的影响较大;由图 2(g)可知,滑坡主要发生于地表平面曲率在-1.41~0.29之间的区域,占滑坡总数的80.43%;由图 2(h)可知,滑坡主要发生于地表剖面曲率在-0.62~1.18之间的区域,占滑坡总数的83.73%。滑坡发生个数与地表曲率之间呈正态分布关系。

    • 研究区内的滑坡多由于强降雨和库水位周期性波动引起。本文利用DEM提取了水系距离、地形湿度指数等水文因子。由图 2(i)可知,研究区内的滑坡均发生于距离水系范围80 m以内的区域,距离越远的区域滑坡占比越小;由图 2(j)可知,滑坡极易发生于地形湿度指数为5~9的区域。其中地形湿度指数值为7的滑坡最多,占滑坡总数的24.32%。以地形湿度指数值7~8为中心,地形湿度指数对滑坡影响的分布也近似为正态分布。

    • 本文利用归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)反映地表覆盖信息。由图 2(k)可知,NDVI值< 0.1或 > 0.7的区域基本未见滑坡;在0.4~0.5范围内的区域极易发生滑坡,占滑坡总数的36.13%。滑坡个数随着NDVI值的增加呈现出先增加再减少的趋势,在NDVI值为0.5时达到峰值,随后随着NDVI值的增加而减少。

    • 研究区内受人类工程活动影响较强的斜坡区域常常是滑坡灾害多发区。利用中巴资源卫星提取道路距离等人类工程活动因子。由图 2(l)可知,滑坡占比随着道路距离的增加而减少,在距离道路60 m范围以外的区域没有已发生滑坡的记录,这与实际情况一致。

    • 在滑坡易发性分析问题当中,确定滑坡的评价单元是解决滑坡易发性评价的首要问题,这个评价单元也是最终制作易发性分区图的制图单元[28]。目前常用的滑坡易发性评价方法中,评价单元划分的方法有格网单元、地域子流域单元、斜坡单元、均一条件单元等4种[29-31]。根据前人研究结果及本文研究区情况[32],选择格网单元作为模型评价的最小单元。

      在地学空间分析中,评价单元尺度大小的不同会导致不同的尺度效应。在滑坡易发性研究中,不同格网所产生的误差会逐步传递,并最终影响预测结果。文献[33]采用不同的格网大小进行滑坡风险评价,以确定合适的格网单元,通过研究给出了一种计算适宜格网大小的经验公式:

      $$\begin{array}{l} {G_s} = 7.49 + 0.000{\rm{}}6S - 2.0 \times {10^{ - 9}}{S^2} + \\ \;\;\;\;\;\;\;2.9 \times {10^{ - 15}}{S^3} \end{array}$$ (8)

      式中,Gs为适宜格网大小;S为原始等高线数据精度的分母。

      本文将所有数据导入ArcGIS软件,利用其栅格分析功能对原始数据进行转换和重采样,格网单元大小为10 m×10 m,全局单元格共计229 491个,其中滑坡单元格13 977个,非滑坡单元格215 514个。

    • 提取出的滑坡评价因子包括了连续型评价因子和离散型评价因子。连续型评价因子可以直接用于回归模型参数的数值求解,但是离散型评价因子却很难被使用,需要对其进行有效的数据转换。在转换的时候,需要按照统一的标准对离散型评价因子进行量化。本文采用专家打分法并结合统计分析结果对离散型评价因子进行量化(见表 3),其他评价因子使用实际连续值。

      表 3  离散型评价因子量化

      Table 3.  Quantization of Discrete Evaluation Factors

      评价因子 评价标准 危险性 评分值
      工程岩组 硬岩 不危险 1
      软岩 较重危险 2
      软硬相间岩 重度危险 3
      边坡结构 逆向坡 轻度危险 1
      逆斜坡 较重危险 2
      顺斜坡 重度危险 3
      伏倾坡 重度危险 4
      横向坡 极度危险 5
    • 数据标准化(归一化)处理是机器学习与人工智能训练以前的一项基本的数据预处理工作,其目的在于统一不同数据的量级关系。本文利用Matlab中的Mapminmax归一化方法将滑坡评价因子数据归一化到[0, 1]区间内。

      在建立滑坡预测模型之前,需要选择合适的训练样本。对于带有空间属性的数据,在做统计分析时不但要考虑到其空间相关性,还要考虑其样本数量。样本数过少,将导致预测结果丢失重要信息;样本数量过多,不但难以去除样本间的空间相关性,而且增加了计算的难度。本文用全部的滑坡数据和相同数量的非滑坡数据随机选取30%形成训练样本集,70%作为验证样本集。

      在利用深度信念网络进行数据处理时,本文使用的开发语言为Matlab 2012B,使用的软件为ArcGIS 10.3。硬件配置为:I7-4710 CPU,16 GB内存,Windows 7 Pro操作系统。

      在使用DBN进行滑坡易发性评价时,将DBN三层网络的网络节点数分别设置为100、100和20,每次训练所选取的样本数设置为10。实验过程中,分别统计迭代500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000次时的子样本均方误差和全样本训练误差,分析其随训练次数增加的变化情况,结果见图 3

      图  3  训练次数对均方差与分类误差的影响趋势图

      Figure 3.  Trend Graph of the Effect of Training Times on Mini-batch Mean Squared Error and Full-Batch Train Error

      由趋势图(图 3)可以很明显地看出,DBN在滑坡易发性分析训练样本实验中整体表现出的总体趋势为:随着迭代次数的增加,均方差与分类误差逐步下降。当模型训练次数达到2 500次以上时,均方差与分类误差的值趋于稳定趋势,最终选定模型的迭代次数为2 500。

    • 利用训练好的DBN模型对研究区内所有评价单元进行计算,得到评价单元对应的概率值,利用自然间断点分区法将研究区滑坡易发性分为不易发区、低易发区、中易发区和高易发区4个区域,得到DBN模型滑坡易发性分区图(见图 4)。

      图  4  基于DBN的滑坡易发性分区图

      Figure 4.  Landslide Susceptibility Map Based on DBN

      图 4中可以明显看出,滑坡高易发区的轮廓基本上与历史滑坡区域重合,均沿童庄河两岸分布;远离河流地区为滑坡的低易发区和不易发区。

    • 本文为了试验DBN模型的稳定性,选取相同样本,在保持所有参数设置相同的条件下分别进行5次实验,得到子样本均方误差、全样本训练误差和测试精度3个指标的统计表(见表 4)。测试精度为每次实验中测试样本的测试精度。本文中的测试样本由随机选取的除了训练样本以外的30%滑坡点以及相同数量的非滑坡点组成。由表 4可知,本文构建的DBN模型在滑坡易发性评价中平均精度为91.14%,均方差为1.94%,稳定性较好。

      表 4  DBN模型稳定性分析表/%

      Table 4.  Stability Analysis of DBN/%

      实验次数 子样本均方误差 全样本训练误差 测试精度
      1 0.77 1.13 92.67
      2 0.94 0.73 90.77
      3 1.15 0.90 89.96
      4 0.94 0.83 93.51
      5 0.81 1.06 88.78
      平均值 0.92 0.93 91.14
      均方差 0.15 0.16 1.94
    • 为了比较分析DBN模型的预测结果,本文利用同样的训练数据和验证数据集,采用浅层神经网络模型和逻辑回归模型分别进行预测,并将3个方法的预测结果利用受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线线下面积(area under curve,AUC)、总体精度(overall accuracy,OA)和Kappa系数3种精度评价指标进行精度评价。这3个指标值越大,模型精度越高。

      图 5是3种模型预测结果所对应的ROC曲线图及其对应的AUC。横坐标X轴为1-特异性,也称为假阳性率(误报率),X轴越接近零准确率越高;纵坐标Y轴称为敏感性,也称为真阳性率,Y轴越大代表准确率越好。从图 5中可以看出,DBN模型的AUC最大,为0.95;其次为浅层神经网络模型,为0.92;逻辑回归模型最低,为0.86。

      图  5  3种模型预测结果的ROC曲线图

      Figure 5.  ROC Curve for the Results of Landslide Susceptibility Mapping Based on Three Models

      表 5为3种模型测试样本数据的混淆矩阵、OA及Kappa系数。由表 5可以得知,DBN模型的OA和Kappa系数均优于浅层神经网络模型和逻辑回归模型,表明DBN模型在滑坡易发性评价方面有着良好的表现。

      表 5  3种模型精度评价表

      Table 5.  Accuracy Assessment of Three Models

      混淆矩阵 逻辑回归模型 浅层神经网络模型 DBN模型
      滑坡 非滑坡 滑坡 非滑坡 滑坡 非滑坡
      实际滑坡 3 571 629 3 937 263 3 824 376
      实际非滑坡 1 247 2 953 756 3 444 437 3 763
      OA/% 78 88 90
      Kappa 0.55 0.76 0.81
    • 本文采用DBN模型对三峡库区秭归县郭家坝镇的滑坡易发性进行了定量评价,生成了该区域的滑坡易发性分区图。DBN将多个自限制玻尔兹曼机堆叠起来,将每一层学习得到的特征结果作为下一层的输入,从而提高滑坡易发性评价的精度。相较于浅层神经网络和传统的逻辑回归方法,利用ROC、OA和Kappa系数3种精度评价指标对结果进行精度评价。结果表明,DBN具有较好的稳定性,其AUC、OA、Kappa值在3种模型中最高,分别为0.95、90%和0.81,表明DBN在滑坡易发性评价中具有较好的预测能力。

参考文献 (33)

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