基于熵指數(shù)與隨機(jī)森林模型的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

白 志 剛，劉 啟 蒙，劉 瑜

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南，232001； 2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

0 引 言

滑坡是世界范圍內(nèi)發(fā)生次數(shù)最多的地質(zhì)災(zāi)害之一，根據(jù)緊急災(zāi)難數(shù)據(jù)庫(kù)(EM-DAT)的數(shù)據(jù)，近50 a全球因滑坡已造成39 320人死亡。中國(guó)70%的國(guó)土為山區(qū)，山體滑坡災(zāi)害范圍廣、發(fā)生頻率高，且逐年加劇。其中，降雨誘發(fā)滑坡分布最廣、發(fā)生頻率最高、破壞最嚴(yán)重。僅2019 年全國(guó)滑坡發(fā)生4 220 起，共造成 211 人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失 27.7 億元(2019全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào))。重慶作為中國(guó)最典型的山地城市，在全國(guó)70個(gè)崩塌、滑坡等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害城市中排名第一[1]。1950年以來(lái)，重慶共發(fā)生滑坡災(zāi)害16 554次，平均每年發(fā)生271次。如2020年7月15日，因持續(xù)強(qiáng)降雨，渝東北開(kāi)州區(qū)內(nèi)發(fā)生3起滑坡事故，事故共造成3人死亡、3人失聯(lián)，直接經(jīng)濟(jì)損失30萬(wàn)元。監(jiān)測(cè)和預(yù)警滑坡災(zāi)害已成為目前防治地質(zhì)災(zāi)害的首要問(wèn)題。

近年來(lái)隨著機(jī)器學(xué)習(xí)與GIS(Geographic Information System)的快速發(fā)展，對(duì)災(zāi)害的傳統(tǒng)勘測(cè)已逐步轉(zhuǎn)變到使用GIS與機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，GIS作為數(shù)據(jù)管理、空間分析和圖像輸出的強(qiáng)有力技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害的早期識(shí)別和定量分析領(lǐng)域。對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，如頻率比法[2]、層次分析[3]、IOE法[4]、機(jī)器學(xué)習(xí)[5]等等。Thi Ngo等[6]應(yīng)用CNN與RNN方法對(duì)伊朗全國(guó)進(jìn)行了滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，并分析對(duì)各模型方法的評(píng)價(jià)結(jié)果；Ftby等[7]運(yùn)用證據(jù)信權(quán)和機(jī)器學(xué)習(xí)分別對(duì)印度西南Ghats山脈和中國(guó)西安山區(qū)開(kāi)展了易發(fā)性評(píng)價(jià)；Moragues等[8]采用了AHP與WLC模型對(duì)North Branch of Argentino Lake地區(qū)進(jìn)行了滑坡易發(fā)性區(qū)劃，并對(duì)比分析了2種機(jī)器模型的評(píng)價(jià)結(jié)果。陳飛等[9]提出信息量與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相耦合的方法對(duì)江西省上猶縣進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)信息量-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)模型比單獨(dú)的信息量模型的評(píng)價(jià)精度提高了5.1%。黃發(fā)明等[10]以江西省寧都縣為例研究區(qū)，使用不同空間分辨率和訓(xùn)練測(cè)試集比例來(lái)預(yù)測(cè)滑坡易發(fā)性，結(jié)果表明15 m分辨率、9∶l訓(xùn)練測(cè)試集比例下預(yù)測(cè)精度最佳。

但現(xiàn)有對(duì)重慶的滑坡研究主要針對(duì)小范圍縣級(jí)行政區(qū)進(jìn)行滑坡評(píng)估。選取的研究區(qū)面積大小對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的性能評(píng)估同樣非常重要。Reichenbach等[11]分析了1983～2016年發(fā)表的565篇與滑坡敏感性評(píng)價(jià)相關(guān)的文獻(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)在之前的研究中多數(shù)研究區(qū)區(qū)域面積較小，大多在100 km2左右，對(duì)于大范圍防災(zāi)減災(zāi)難以起作用，因?yàn)檠芯繀^(qū)覆蓋范圍較小，這就導(dǎo)致自然因素降雨量大小在區(qū)域內(nèi)差異不明顯，造成機(jī)器學(xué)習(xí)中對(duì)降雨因素不敏感，隱形地忽視了降雨量對(duì)滑坡發(fā)生的影響，但當(dāng)研究區(qū)明顯擴(kuò)大時(shí)，自然因素降雨量的大小對(duì)滑坡發(fā)生的影響顯著增加[12]。同時(shí)傳統(tǒng)方法在GIS選取安全點(diǎn)時(shí)，采用隨機(jī)生成的方法，隨意性過(guò)大，無(wú)法做到選取的單元是真正的非滑坡單元，這會(huì)造成預(yù)測(cè)結(jié)果精度低，對(duì)災(zāi)害的擬合性差。熵指數(shù)與隨機(jī)森林模型常用單獨(dú)于滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)中，較少研究將其耦合使用。

鑒于此，本文選取3.4萬(wàn)km2的渝東北為研究區(qū)，選取坡向、降雨量、NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)等9種致災(zāi)因子，首次引入熵指數(shù)(Index of entropy，IOE)-隨機(jī)森林(Random Forest，RF)耦合的評(píng)價(jià)模式，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上使用ROC曲線(Receiver Operating Characteristic Curve)與AUC(Area Under Curve)對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行了分析與對(duì)比，從而找出最適合渝東北或類(lèi)似大范圍研究區(qū)的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)模型與誘發(fā)災(zāi)害的主要因子，提高滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的科學(xué)性、精確性和可靠性，為降低滑坡條件因子所造成的風(fēng)險(xiǎn)與當(dāng)?shù)鼗聻?zāi)害預(yù)防提供輔助依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渝東北位于中國(guó)的西南部(見(jiàn)圖1)，東經(jīng)107°13′～110°11′，北緯29°33′～32°12′。東與湖北省接壤，北接陜西省，西與四川省毗鄰，是重慶的東北“門(mén)戶”。這3.39萬(wàn)km2的區(qū)域頗為“特殊”——處于三峽庫(kù)區(qū)，渝東北地區(qū)包括梁平、城口、豐都、萬(wàn)州、墊江、忠縣、開(kāi)州、云陽(yáng)、奉節(jié)、巫山、巫溪等11個(gè)區(qū)縣[13]。渝東北總?cè)丝?24萬(wàn)，區(qū)域面積3.4萬(wàn)km2，占重慶市幅員面積的41.1%。

渝東北地貌造型各樣，海拔起伏較大，以山地、丘陵為主，山地面積占76%，丘陵占22%，河谷平壩僅占2%[14]，所以有“山城”之稱(chēng)。渝東北屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫16～18 ℃。年降水量較豐富，為1 000～1 350 mm，降雨時(shí)段多集中在 8～9月，占全年總降水量的70%左右。研究區(qū)內(nèi)東北部發(fā)育有大巴山?jīng)_斷-褶皺帶為一組向南西方向突出的弧形斷褶帶，常稱(chēng)南大巴山弧。渝東北出露的巖層為較單一的沉積巖，以碎屑巖為主，其次是碳酸鹽巖，基巖分布較為廣泛，松散巖罕見(jiàn)。其工程地質(zhì)條件明顯受3個(gè)因素控制：巖性、地貌和結(jié)構(gòu)。基巖的廣泛出露一方面是有利的；但另一方面，斜坡和薄弱的夾層分布較廣，在不同的結(jié)構(gòu)條件下，直接影響到整個(gè)地區(qū)的工程地質(zhì)效果。該地區(qū)受復(fù)雜的山地地貌、多變的巖性褶皺及庫(kù)區(qū)蓄水等人類(lèi)工程活動(dòng)及自然氣候影響，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁。

2 IOE-RF模型理論分析

2.1 熵指數(shù)(IOE)模型

熵表示一個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、無(wú)序性、不平衡性的程度。它是一種客觀賦權(quán)法，能深刻反映出指標(biāo)的區(qū)分能力，進(jìn)而確定權(quán)重，相對(duì)主觀賦權(quán)具有較高的可信度和精確度[15]。山體滑坡的熵是指各種因素對(duì)山體滑坡發(fā)展的影響程度。信息量越大，不確定性越小，反之亦然。因此，在滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)中，熵值可以用來(lái)計(jì)算致災(zāi)因子的客觀權(quán)重，再使用GIS使用圖層疊加功能劃分不同危險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)。具體計(jì)算步驟如下：

(1)

(2)

式中：因子亞類(lèi)中沒(méi)有發(fā)生滑坡的面積與整個(gè)研究區(qū)內(nèi)沒(méi)有滑坡的總面積的比值記做a，因子亞類(lèi)中滑坡的面積與整個(gè)研究區(qū)中滑坡總面積的比值記做b。由b/a確定計(jì)算出的概率比率值FRij，作為這個(gè)評(píng)價(jià)因子亞類(lèi)的量化取值。Pij表示頻率密度。

(3)

Hjmax=log2Sj

(4)

式中：Hj和Hjmax為熵值，Sj為影響因子的分類(lèi)數(shù)，Hjmax由Sj取對(duì)數(shù)得到。

(5)

Wj=FRij×Ij

(6)

式中：Ij為熵權(quán)值，Wj是整個(gè)因子的合成權(quán)重值，由熵權(quán)值Ij與概率比率值FRij乘積得到，其結(jié)果從0到1變化。該值越接近數(shù)字1，則不穩(wěn)定性越大。

2.2 隨機(jī)森林(RF)模型

隨機(jī)森林是一種綜合方法，通過(guò)不同的數(shù)據(jù)子集構(gòu)建多個(gè)決策樹(shù)，如圖2所示，它結(jié)合了Breiman[16]提出的思想和Ho[17]描述的方法。與傳統(tǒng)的滑坡劃分方法相比，引入了對(duì)樣本和特征隨機(jī)采樣的新方法，比單一的決策樹(shù)更能提高模型的精度和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)多個(gè)決策樹(shù)的判斷結(jié)果進(jìn)行表決，得到最終結(jié)果。大量研究表明，隨機(jī)森林在算法、異常值和噪聲方面具有很高的容錯(cuò)率[18]，可以處理多維數(shù)據(jù)而無(wú)需特征選擇。

隨機(jī)森林的關(guān)鍵是將N個(gè)獨(dú)立的決策樹(shù)組合建立一個(gè)模型，模型中的決策樹(shù)對(duì)樣本進(jìn)行判斷或預(yù)測(cè)。不同的分類(lèi)模型y1(X)，y2(X)，…，yn(X)的獲取通過(guò)機(jī)器訓(xùn)練，進(jìn)而建立隨機(jī)森林模型，公式如下：

(7)

式中：Υ(X)表示隨機(jī)森林模型，yi(X)表示單個(gè)決策樹(shù)模型，Z表示輸出變量，I為顯函數(shù)。

隨機(jī)森林可以有效處理大數(shù)據(jù)集，可以處理沒(méi)有刪減的成千上萬(wàn)的輸入變量，即使預(yù)測(cè)變量數(shù)目極大超過(guò)觀測(cè)值數(shù)據(jù)也同樣有效[19]，對(duì)于預(yù)測(cè)本文5 712 910 個(gè)超大樣本數(shù)據(jù)完全適用，且森林建立過(guò)程中內(nèi)部可以產(chǎn)生一個(gè)對(duì)一般誤差的無(wú)偏估計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度估計(jì)。

3 易發(fā)性指標(biāo)選取

滑坡災(zāi)害的發(fā)生不僅受邊坡地質(zhì)條件的控制，還受水文條件、氣候條件、人類(lèi)工程活動(dòng)等外部因素的控制，相關(guān)因素的選擇一般應(yīng)考慮研究區(qū)地質(zhì)特征和資料的可獲得性，選擇合適的滑坡影響因子作為輸入變量是易發(fā)性評(píng)估的關(guān)鍵步驟。根據(jù)Ayalew等[20]的理論，基于GIS的滑坡易發(fā)性影響因素應(yīng)是可測(cè)量的、可操作的、完整的和非冗余的。不同地區(qū)導(dǎo)致滑坡發(fā)生的下伏地質(zhì)條件和外部環(huán)境因素不同，相關(guān)研究中滑坡敏感性分析考慮的因素也不同，迄今為止，尚無(wú)統(tǒng)一的滑坡影響因素目錄[21]。然而在區(qū)域滑坡易發(fā)性綜合分析中，坡度是最常用的評(píng)價(jià)因子，之后為滑坡發(fā)生地區(qū)的地貌條件，如巖性和坡向[22]。評(píng)價(jià)涉及的影響因素不是越多越好，8～10個(gè)因子一般足以滿足滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的要求，選擇對(duì)滑坡發(fā)生貢獻(xiàn)最大的因素的最佳組合[21]。因此本次研究根據(jù)對(duì)該地區(qū)地質(zhì)條件、地表?xiàng)l件、水文條件資料的分析，選?。浩露?、坡向、地形地貌、巖性、距公路距離、距河流距離、距斷層距離、降雨量、NDVI共9項(xiàng)影響因子構(gòu)建滑坡易發(fā)性基本評(píng)價(jià)體系，將分為3個(gè)大類(lèi)：基礎(chǔ)地質(zhì)因子、地表?xiàng)l件因子、水文條件因子。

3.1 基礎(chǔ)地質(zhì)因子

本文選取的基礎(chǔ)地質(zhì)因子包括：坡度、坡向、巖性。坡度、坡向由DEM提取，首先對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分，如圖3所示。坡度是影響滑坡的條件因子，邊坡坡度對(duì)邊坡上的應(yīng)力分布、地下水位、松散堆積體和人類(lèi)工程活動(dòng)有不同程度的影響，影響邊坡穩(wěn)定性，渝東北地區(qū)坡度起伏大，對(duì)其劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為0～10°，10°～20°，20°～30°，30°～40°，40°～83°。東北部坡度較大，西南部坡度小，大量坡度處于10°～40°之間，是滑坡發(fā)生的主要坡度區(qū)間，處于40°～83°坡度較少，故將其分為一類(lèi)。按照方位角對(duì)渝東北地區(qū)劃分為9個(gè)的等級(jí)，渝東北處于北半球，南面山坡處于朝陽(yáng)面，導(dǎo)致該坡面溫差大，坡面沖刷更強(qiáng)，風(fēng)化作用更為強(qiáng)烈，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失，更容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。地層巖性同樣影響滑坡發(fā)生，巖石不同其堅(jiān)硬程度與巖性結(jié)果也不同，因此，不同地層的組合特征和巖體結(jié)構(gòu)差異是軟弱夾層形成的基礎(chǔ)，也是滑坡發(fā)生發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[23]。渝東北地區(qū)上古生界缺失泥盆系、石炭系，二疊系以碳酸鹽巖為主，上統(tǒng)含煤，三疊系以碳酸鹽巖為主，上統(tǒng)為碎屑巖。將地層分為6類(lèi)：① 南華系火山碎屑的復(fù)陸屑雜砂巖，② 震旦系硅質(zhì)巖、板巖，夾白云巖質(zhì)灰?guī)r，③ 寒武系炭質(zhì)、硅質(zhì)板巖，④ 奧陶系黃灰、灰綠色粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾紫紅、灰綠色中厚層狀含粉砂質(zhì)微晶生物屑灰?guī)r，⑤ 二疊系深灰色厚層狀生物碎屑灰?guī)r、有機(jī)質(zhì)灰?guī)r，⑥ 三疊系灰紫、紫紅、灰綠色砂泥質(zhì)灰?guī)r夾粉砂巖、泥頁(yè)巖。

3.2 地表?xiàng)l件因子

本文將地形地貌、距道路距離、距斷層距離作為地表?xiàng)l件因子，渝東北地處四川盆地東南丘陵山地區(qū)，海拔起伏較大，以山地、丘陵為主，山地面積占76%，丘陵占22%，平原僅占2%。高低起伏的地形為滑坡發(fā)生創(chuàng)造了基礎(chǔ)，這里將研究區(qū)地形地貌共劃分為8類(lèi)。公路的修建同樣影響滑坡發(fā)生，渝東北地區(qū)公路密集，G42高速公路東西貫穿研究區(qū)，南北方向還有G69、G211、G6911等高速公路，同時(shí)還有省道、縣道遍布研究區(qū)。山區(qū)大量修建公路，改變了斜坡的巖土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖土體穩(wěn)定性降低，同時(shí)修建產(chǎn)生大量的人工邊坡，當(dāng)突降暴雨時(shí)，容易誘發(fā)滑坡[24]。研究區(qū)境內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，西北部大巴山?jīng)_斷-褶皺帶為一組向南西方向突出的弧形斷褶帶，主要由一系列復(fù)式背向斜組成，褶皺緊密，并發(fā)育眾多的平行走向的沖斷層，復(fù)雜的斷層發(fā)育使巖石支離破碎，成為引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因素[25]。

3.3 水文條件因子

水文條件因子包括降雨量、距河流距離、NDVI。降雨量和距離河流距離是該地區(qū)的主要觸發(fā)因素。僅2019年中國(guó)發(fā)生的6 181起滑坡中，95.5%的滑坡是由降雨引起的。渝東北地區(qū)降雨充裕且多集中在夏季，占全年總降水量70%左右，因研究區(qū)面積較大，所以該地區(qū)降水分布有明顯差異：東部和西部都存在有明顯的低值區(qū)，年降水量不足1 000 mm。如東部的奉節(jié)縣、巫溪縣及中南部萬(wàn)州區(qū)等地，西北部和西南部則存在有兩個(gè)高值區(qū)，西北部的城口縣、云陽(yáng)縣、開(kāi)州區(qū)一線，年均降水量在1 200～1 400 mm之間，東南部的忠縣，年均降水量則在1 300～1 400 mm之間，為最高值區(qū)。降雨形成的地表水不僅會(huì)沖刷坡面，還會(huì)滲透軟化巖石和土壤。從而降低了邊坡的抗滑能力[26]。河岸侵蝕是滑坡的另一個(gè)重要原因。由于河岸的切割和坡腳的侵蝕，河流附近的坡體容易發(fā)生滑坡[27]，由于研究區(qū)受到三峽水庫(kù)的蓄水影響，水庫(kù)的水長(zhǎng)期浸泡坡岸，導(dǎo)致土壤變軟，同時(shí)水庫(kù)水位在145～175 m之間反復(fù)波動(dòng)，形成高差為30 m的消落帶，長(zhǎng)期、周期性起伏波動(dòng)的水沖走土壤，使河岸變得更為陡峭，導(dǎo)致滑坡的穩(wěn)定性下降，誘發(fā)滑坡災(zāi)害的發(fā)生。植被通過(guò)根系固定土壤，提高土體的抗剪能力，同時(shí)，植物的蒸騰作用可以一定程度上降低土體的濕度。通過(guò)遙感影像提取了渝東北的地表的歸一化植被指數(shù)，并將其劃分為0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0 五個(gè)等級(jí)，可以發(fā)現(xiàn)，NDVI在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)地區(qū)數(shù)值較高，人口集中處則較小。

4 渝東北滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

4.1 單獨(dú)RF模型評(píng)價(jià)易滑坡發(fā)性

首先單獨(dú)使用RF模型對(duì)渝東北地區(qū)進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，通過(guò)GIS多值提取至點(diǎn)工具，提取9項(xiàng)因子數(shù)值，同時(shí)提取581個(gè)滑坡點(diǎn)和等量隨機(jī)產(chǎn)生的安全點(diǎn)，將樣本中的407個(gè)滑坡點(diǎn)(70%)用于訓(xùn)練，將174個(gè)滑坡點(diǎn)(30%)用于驗(yàn)證。將上述數(shù)據(jù)歸一化后導(dǎo)入至Python的Scikit-learn(Sklearn)庫(kù)中進(jìn)行訓(xùn)練與驗(yàn)證[28]，再將渝東北地區(qū)轉(zhuǎn)為5 712 910個(gè)矢量點(diǎn)，導(dǎo)入軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終的結(jié)果再由GIS中點(diǎn)轉(zhuǎn)柵格工具，繪制滑坡易發(fā)性制圖，最后使用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)劃分為：低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)性、極高易發(fā)區(qū)4個(gè)等級(jí)，如圖4所示。

4.2 IOE-RF模型評(píng)價(jià)滑坡易發(fā)性

運(yùn)用IOE-RF模型進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，首先計(jì)算每一類(lèi)影響因子的概率密度和熵權(quán)指數(shù)，如表1所列，之后將每一類(lèi)因子的熵權(quán)指數(shù)導(dǎo)入GIS中，使用GIS中加權(quán)總和功能，建立IOE模型，生成的滑坡易發(fā)性分區(qū)圖。利用自然斷點(diǎn)法，將滑坡易發(fā)性分區(qū)圖劃分為：低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、極高易發(fā)區(qū)4個(gè)等級(jí)。在所生成的低易發(fā)性分區(qū)圖挑選非滑坡單元，即安全點(diǎn)，如圖5所示，再將安全點(diǎn)與滑坡點(diǎn)作為IOE-RF模型的測(cè)試集與訓(xùn)練集導(dǎo)入Python中進(jìn)行訓(xùn)練，得到的訓(xùn)練結(jié)果用于預(yù)測(cè)渝東北地區(qū)滑坡發(fā)生概率，最終的結(jié)果同樣使用GIS中點(diǎn)轉(zhuǎn)柵格工具，生成IOE-RF滑坡預(yù)測(cè)分區(qū)圖，如圖6所示。

從圖6可以看出：北部條帶狀走向高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，與東西向的弧形大巴山?jīng)_斷-斷層帶走向相吻合，斷層破壞了區(qū)域巖層的整體性和強(qiáng)度，使巖石支離破碎，是引發(fā)地質(zhì)滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要因素。而東部與中南部有一明顯接近圓弧形的低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，同時(shí)西北部的特高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，這與降雨量的大小分布完全吻合。也證明了極大多數(shù)的滑坡發(fā)生與降雨量有明顯的正比例關(guān)系，暴雨常常是滑坡發(fā)生的特定條件，而降雨量較少的地區(qū)，滑坡發(fā)生敏感性也較低。未來(lái)渝東北應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中部和西部區(qū)域的滑坡災(zāi)害預(yù)防。通過(guò)對(duì)比圖4與圖6可以看出：IOE-RF模型易發(fā)性分區(qū)圖在特高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域邊緣區(qū)域處理更加精細(xì)，滑坡災(zāi)點(diǎn)的分布與極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域更為吻合，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布較為合理，初步認(rèn)定IOE-RF評(píng)價(jià)模式更加真實(shí)且準(zhǔn)確。

根據(jù)滑坡易發(fā)性分區(qū)圖，認(rèn)為渝東北區(qū)域中東西走向的弧形大巴山?jīng)_斷-褶皺帶附近與其他特高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)在未來(lái)的防治工作中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)水文、氣象的預(yù)報(bào)工作，特別是對(duì)小范圍的局部暴雨的預(yù)報(bào)，在暴雨將要來(lái)臨時(shí)應(yīng)及時(shí)疏散群眾。日常要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于特高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可預(yù)先在滑坡前緣設(shè)置擋土結(jié)構(gòu)以增加滑坡腳部重量，或者通過(guò)取土減輕滑坡頂部重量，必要時(shí)釘入錨桿增加邊坡穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)貨Q策者應(yīng)重點(diǎn)將災(zāi)害防治的方向與降雨致災(zāi)因子相結(jié)合，大幅度降低因降雨所誘發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

4.3 模型精度評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)

為了更加準(zhǔn)確地區(qū)分4種評(píng)價(jià)模型的結(jié)果，評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性。引入滑坡發(fā)生面積占比與滑坡敏感性分區(qū)面積占比，如表2所列，滑坡占比在極高易發(fā)區(qū)域越高的同時(shí)，柵格占比在對(duì)應(yīng)其等級(jí)數(shù)值越低，表明該評(píng)價(jià)模型更為準(zhǔn)確，且對(duì)災(zāi)害發(fā)生的擬合性越好。這里分別將兩種評(píng)價(jià)模式下的滑坡發(fā)生面積占比除以滑坡敏感性分區(qū)面積占比，結(jié)果表明：RF模型評(píng)價(jià)結(jié)果為1，而IOE-RF模型評(píng)價(jià)結(jié)果為1.344，表明兩種評(píng)價(jià)模式均可用于滑坡敏感性評(píng)價(jià)中，而IOE-RF模型評(píng)價(jià)模型更佳。

表2 基于RF與IOE-RF模型的易發(fā)性評(píng)價(jià)等級(jí)Tab.2 Statistical results of susceptibility evaluation classification based on RF and IOE-RF %

受試者工作特征曲線可用于說(shuō)明滑坡易發(fā)性測(cè)試的準(zhǔn)確性。其中X軸為假陽(yáng)性率，即1-特異性，表示非災(zāi)害點(diǎn)被錯(cuò)誤預(yù)測(cè)的概率；而Y軸為真陽(yáng)性率，即敏感性，表示災(zāi)害點(diǎn)被正確預(yù)測(cè)的概率，曲線越靠近左上角，說(shuō)明模型分類(lèi)的準(zhǔn)確率越高。如圖7所示，AUC代表曲線下方與坐標(biāo)軸圍成的面積，其值越接近1，則表示其模型的預(yù)測(cè)結(jié)果越正確，本文AUC值分別為0.772與0.852，IOE-RF耦合模型比單一RF模型精度提高約8%，說(shuō)明IOE-RF模型比RF模型評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)能力更為精準(zhǔn)，更適用于預(yù)測(cè)類(lèi)似渝東北大范圍研究區(qū)滑坡易發(fā)性。

5 結(jié) 論

(1) 本文以渝東北為研究區(qū)，借助GIS與Python兩大工具，選取9項(xiàng)影響因子，運(yùn)用單獨(dú)RF與IOE-RF耦合的兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)該地區(qū)進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，得到了渝東北滑坡易發(fā)性分區(qū)圖，為當(dāng)?shù)鼗聻?zāi)害預(yù)防提供輔助依據(jù)。

(2) 首次引入IOE-RF耦合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)計(jì)算每一類(lèi)影響因子的概率密度和熵權(quán)指數(shù)，生成IOE易發(fā)性分區(qū)圖，從中選取非滑坡單元作為訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練與預(yù)測(cè)。RF模型與IOE-RF模型的AUC分別為0.772，0.852。IOE-RF耦合模型比單一RF模型精度提高約8%，比單一模型評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理，對(duì)災(zāi)害擬合更為吻合，可適用于類(lèi)似渝東北及大范圍的研究區(qū)。

(3) 為了避免降雨量因子因研究區(qū)面積過(guò)小在機(jī)器學(xué)習(xí)中被“淹沒(méi)”，選取3.4萬(wàn)km2地區(qū)作為研究區(qū)，結(jié)合滑坡易發(fā)性分區(qū)圖，得到結(jié)論：兩種評(píng)價(jià)模式下滑坡的發(fā)生均與降雨量有明顯的正向關(guān)系，即降雨量多的地區(qū)滑坡發(fā)生概率較大，而降雨量小的地區(qū)被認(rèn)定為低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。建議加強(qiáng)水文、氣象的預(yù)報(bào)工作，在暴雨將要來(lái)臨時(shí)應(yīng)及時(shí)疏散群眾，開(kāi)挖排水和截水溝以減少滑坡災(zāi)害發(fā)生。