کاربرد الگوریتم یادگیری ماشین بیشینه آنتروپی در پهنه بندی خطر زمین لغزش حوزه آبخیز کرگانه، استان لرستان

اشکال بسیاری از خطرات طبیعی و فاجعه های مربوطه که شامل زمین لرزه، آتشفشان، سونامی، زمین لغزش، سیل، فرسایش خاک و غیره در سراسر جهان رخ می دهند. در میان این خطرات طبیعی، زمین لغزش ها یکی از وحشتناک ترین و پرتکرارترین اتفاقات در سراسر جهان هستند. هر سال، زمین لغزش ها خسارات گسترده ای از لحاظ جانی و مالی را به همراه دارند که شامل تخریب جنگل ها، زمین های کشاورزی حاصلخیز، مناطق سکونتی و شبکه های ارتباطی به علاوه گردشگری می شود. همچنین تغییرات در سطح زمین نیز نتیجه زمین لغزش های ویرانگر هستند. ایران با انواع مختلفی از تهدیدات و فاجعه های طبیعی روبرو شده است، از جمله فرسایش شدید خاک که به پیشرفت سیلاب های معمولی، سیلاب های عظیم و زمین لغزش منجر می شود. بنابراین، به دلیل رخدادهای متعدد زمین لغزش و خسارات مالی گسترده، این واقعه به عنوان یکی از فاجعه های کشور ایران شناخته شده است و حدود 500 میلیارد تومان خسارت مالی ایجاد کرده است. ارزیابی حساسیت به زمین لغزش می تواند به برنامه ریزان در مدیریت نهایی آلودگی محیطی و منابع طبیعی در پیشگیری از خسارات احتمالی و در نهایت توسعه فعالیت های اقتصادی در حوزه آبخیز کمک کند. روش های برنامه ریزی شده همزمان از ایده های ظرفیت و حقیقت زمین استفاده می کنند. روش های برنامه ریزی شده هم از دیدگاه متخصصین و هم از واقعیت های زمینی در زمان مشابه استفاده می کنند. این می تواند به عنوان یک روش کاملا جدید برای مشکلات پهنه بندی زمین لغزش در نظر گرفته شود. هدف از این مطالعه پهنه بندی خطر وقوع زمین لغزش با استفاده از الگوریتم حداکثر آنتروپی (ME) و مقایسه اثربخشی این روش در مکان یابی حساسیت وقوع زمین لغزش در حوزه آبخیز کرگانه، استان لرستان است.

حوزه آبخیز کرگانه بین طول جغرافیایی"59 '23 °48 تا "24 '44 °48 شرقی و عرض جغرافیایی "12 '25 °33 تا "12 '37 33°  شمالی با مساحتی حدود 2/294 کیلومتر مربع در غرب استان لرستان قرار دارد. این حوضه یکی از زیرحوضه های اصلی رودخانه کرخه است. یکی از مهم ترین مراحل ارزیابی حساسیت زمین لغزش، شناسایی و تهیه نقشه پراکنش زمین لغزش های موجود در حوزه آبخیز است. این نقشه از طریق تلفیق اطلاعات مرتبط با زمین لغزش ها و از طریق تجزیه و تحلیل داده های سنجش از دور و تکنیک های 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 موثر در وقوع زمین لغزش در این حوضه با امکان بررسی منابع و استفاده از آزمون های تحلیل مولفه های اصلی (PCA)، Tolerance و آزمون VIF انتخاب شدند. لایه های 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 مدل سازی 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 تاثیرگذار بر وقوع زمین لغزش 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 زمین لغزش های رخداده 635 هکتار (23/2 درصد مساحت حوزه آبخیز) است. بر اساس نتایج شاخص  PCA، ضریب KMO  برابر با 61/0 محاسبه شد که نشان گر همبستگی لازم بین متغیرهای ورودی برای انجام تحلیل مولفه های 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 مولفه اصلی اول بررسی شد. نتایج نشان داد که این دو مولفه اصلی نزدیک به 67 درصد از تغییرات را بیان می کنند. پس از بررسی، شیب، جهت شیب، طبقات ارتفاعی، زمین شناسی، 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 اندازه گیری ناهمواری برداری  (VRM)، کاربری اراضی، فاصله از روستا و میزان بارندگی به عنوان موثرترین 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 مهم ترین پارامترهای تاثیرگذار هستند. سطح زیر منحنی (AUC) بر اساس منحنی تشخیص عملکرد نسبی نشان دهنده 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 زمین لغزش قرار دارد.

در این تحقیق سعی شد از تمامی عوامل موثر در ارزیابی حساسیت زمین لغزش در حوزه آبخیز کرگانه استفاده شود. برای تعیین رابطه بین عوامل موثر بر وقوع زمین لغزش و تعیین موثرترین عوامل از آنالیز مولفه اصلی (PCA)، Tolerance و VIF استفاده شد. ظرفیت حمل آبراهه در واقع تاثیر توپوگرافی بر فرسایش را تعیین می کند. هر چه شیب بیشتر باشد، ظرفیت حمل رسوب بیشتر می شود و شرایط لغزش در حاشیه آبراهه افزایش می یابد. افزایش در شاخص زبری توپوگرافی (TRI) نشان دهنده برآمدگی و فعالیت غیر زمین ساختی است. تغییر کاربری از مرتع به دیم و راه سازی در حوزه آبخیز کرگانه در سال های اخیر به شدت انجام شده و نشان دهنده نقش مهم عوامل انسانی در زمین لغزش در مقایسه سایر عوامل در این حوزه آبخیزشده است. بر اساس نتایج به دست آمده 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 منطقه ای با حساسیت بالا و بسیار بالا قرار دارد. افزایش این شاخص منجر به ناهمواری بیشتر سطح و افزایش شیب می شود که شرایط زا برای وقوع زمین لغزش ها را مستعدتر می کند. اجرای برنامه های مدیریت زمین لغزش بر اساس نتایج این تحقیق در حوزه آبخیز کرگانه می تواند مشکلات ناپایداری دامنه را حل کند.