جغرافیا  (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)

جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)

ارزیابی و مقایسه مدل‌های یادگیری عمیق CNN و GMDH در پهنه‌بندی خطر سیلاب با رویکرد وزن‌دهی فازی (مطالعه موردی: حوضه کرگانرود در تالش)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار گروه جغرافیا، واحد چالوس، دانشگاه آزاد اسلامی، چالوس ایران
2 گروه جغرافیا ، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران
چکیده
سیلاب یکی از مهم‌ترین و مخرب‌ترین مخاطرات طبیعی است که هر ساله خسارات گسترده‌ای به منابع طبیعی، زیرساخت‌ها و سکونتگاه‌های انسانی وارد می‌کند. شناسایی و پهنه‌بندی مناطق مستعد سیلاب، نقش مهمی در مدیریت ریسک، برنامه‌ریزی کاربری اراضی و کاهش خسارات ناشی از این پدیده دارد. هدف این پژوهش، مدل‌سازی و پهنه‌بندی حساسیت سیلاب در حوضه آبریز گرگانرود با استفاده از تلفیق روش وزن شواهد فازی (Fuzzy-WofE) و الگوریتم‌های یادگیری عمیق CNN-sim و GMDH است. بدین منظور، ۱۴ عامل مؤثر شامل ارتفاع، شیب، بارش، فاصله از رودخانه، تراکم زهکشی، شاخص رطوبت توپوگرافی (TWI)، شاخص توان آبراهه (SPI)، شاخص پوشش گیاهی (NDVI)، شاخص رطوبت (NDMI)، انحنا، فاصله از جاده، لیتولوژی، کاربری اراضی و بافت خاک مورد بررسی قرار گرفت. پس از محاسبه وزن‌های اولیه به روش وزن شواهد و فازی‌سازی داده‌ها با روش Min-Max، لایه‌های اطلاعاتی به‌عنوان ورودی مدل‌های CNN-sim و GMDH مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج تحلیل وزن عوامل نشان داد که ارتفاع با وزن فازی ۱، بارش با وزن ۰٫۸۷۹۳ و شاخص توان آبراهه با وزن ۰٫۸۵۴۶ مهم‌ترین عوامل مؤثر بر وقوع سیلاب در منطقه هستند، در حالی که بافت خاک با وزن فازی صفر از فرآیند مدل‌سازی حذف شد. ارزیابی عملکرد مدل‌ها نشان داد که مدل CNN-sim با مقادیر دقت ۰٫۸۴۴۸، معیار F1 برابر ۰٫۸۵۲۵ و سطح زیر منحنی ROC معادل ۰٫۹۲۷۴ عملکرد بهتری نسبت به مدل GMDH با دقت ۰٫۶۲۰۷ و AUC برابر ۰٫۸۴۷۶ دارد. بررسی نقشه حساسیت سیلاب حاصل از مدل CNN-sim نشان داد که ۵۱٫۶۶ درصد از نقاط سیلابی تاریخی در کلاس «خیلی خطرناک» و ۲۱٫۶۷ درصد در کلاس «خطرناک» قرار گرفته‌اند. همچنین حدود ۷۳٫۳۳ درصد از رخدادهای سیلاب ثبت‌شده در دو طبقه خطرناک و خیلی خطرناک متمرکز شده‌اند که بیانگر توان بالای مدل در شناسایی مناطق مستعد سیلاب است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation and Comparison of CNN and GMDH Deep Learning Models for Flood Hazard Zonation Using a Fuzzy Weighting Approach (Case Study: the Karganrud Watershed, Talesh)

نویسندگان English

leila ebrahimi 1
Maraym Ilanloo 2
1 Department of Geography, Cha.C.Islamic Azad University, Chalous, Iran Email: Leyla.ebrahimi@iauc.ac.ir
2 گروه جغرافیا ، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران
چکیده English

Flood susceptibility mapping is one of the most effective approaches for flood risk management and reducing damages caused by flood events. The present study aimed to evaluate and compare the performance of the CNN-sim and GMDH models integrated with the Fuzzy-Weight of Evidence (Fuzzy-WofE) approach for flood susceptibility mapping in the Gorganrud watershed. Fourteen environmental factors, including elevation, rainfall, slope, lithology, land use, soil texture, drainage density, distance from rivers, distance from roads, curvature, Topographic Wetness Index (TWI), Stream Power Index (SPI), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), and Normalized Difference Moisture Index (NDMI), were used as conditioning variables. The Weight of Evidence (WofE) method was employed to determine the initial weights of the factors, and the resulting values were normalized using the Min–Max fuzzy membership function. The weighted variables were then used as inputs for the CNN-sim and GMDH models. The results indicated that elevation, rainfall, and SPI were the most influential factors in flood occurrence, with fuzzy weights of 1.000, 0.8793, and 0.8546, respectively, while soil texture had no significant contribution to flood susceptibility prediction. Model evaluation demonstrated that the CNN-sim model outperformed the GMDH model across all performance metrics. The CNN-sim model achieved an AUC of 0.9274, accuracy of 0.8448, precision of 0.8387, recall of 0.8667, and F1-score of 0.8525, whereas the GMDH model yielded an AUC of 0.8476 and accuracy of 0.6207. Analysis of the flood susceptibility map generated by CNN-sim showed that 51.66% of historical flood locations were situated within the very high susceptibility class and 21.67% within the high susceptibility class, confirming the strong predictive capability of the model.Overall, the findings demonstrate that integrating the Fuzzy-WofE approach with deep learning techniques significantly enhances flood susceptibility prediction accuracy.

کلیدواژه‌ها English

Flood, Flood Susceptibility Mapping
Fuzzy-Weight of Evidence, Korganrud Watershed

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 09 شهریور 1405