پهنه بندی و ارزیابی خطر زمین لغزش با استفاده از مدل های عامل اطمینان، تراکم سطح و هیبریدی قضیه بیز(مطالعه موردی: حوضه بقیع ، نیشابور)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو دکتری ژئومورفولوژی دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران.

2 دانشیار ژئومورفولوژی دانشگاه حکیم سبزواری، دانشکده جغرافیا و علوم محیطی، سبزوار، ایران.

3 استادیار هیدو اقلیم دانشگاه حکیم سبزواری ، دانشکده جغرافیا و علوم محیطی، سبزوار، ایران.

10.22034/gmpj.2021.251394.1215

چکیده

شناسایی نواحی مستعد وقوع زمین لغزش‌ها یکی از اقدامات اولیه در مدیریت و کاهش خسارات ناشی از این پدیده‌ها محسوب می شود. در این پژوهش، حساسیت زمین لغزش با استفاده از سه مدل عامل اطمینان، تراکم سطح و هیبریدی پهنه‌بندی گردید و مناسب‌ترین مدل معرفی شد. جهت این مطالعه با از تصاویر ماهواره‌ای‌‌ETM+، نقشه‌ زمین شناسی 25000/1، نقشه توپوگرافی 50000/1، نقاط لغزشی مشخص گردید. در این پژوهش با بررسی 19 پارامتر موثر در رخداد زمین لغزش شامل لیتولوژی، کاربری اراضی، شیب، جهت شیب، ارتفاع، شاخص رطوبت توپوگرافی‌(TWI)، شاخص انحنای سطح، شاخص انحنای مقطع، فاصله از گسل، فاصله از جاده و فاصله از آبراهه مورد بررسی قرار گرفتند. پس از تهیه لایه‌های اطلاعاتی در محیط نرم افزار ArcGIS 10.4 به عوامل موثر با استفاده از نظرات کارشناسی اقدام به تهیه وزن کلاس‌ها و در نهایت تهیه نقشه‌های پهنه بندی حساست زمین لغزش با استفاده از روش‌های آماری تراکم سطح، فاکتور اطمینان و هیبریدی بیز در پنج کلاس ریسک خطر خیلی کم، کم، متوسط، زیاد و خیلی زیاد طبقه بندی گردید‌. جهت صحت سنجی روش‌ها از شاخص‌های جمع کیفی‌(QS)، دقت‌(P) و شاخص نسبت تراکمی‌(DR)‌ استفاده شده است. مقادیر شاخص‌های مجموع کیفیت و دقت که بیانگر کارایی مدل‌ها در پهنه بندی حساسیت زمین لغزش می‌باشند، به ترتیب برای مدل‌های تراکم سطح (21/0- 04/0)، فاکتور اطمینان (39/0- 09/0) و هیبریدی (88/0- 33/0)، به دست آمد. مقادیر بالای شاخص‌ها در مدل هیبریدی بیانگر کارایی بیشتر این روش نسبت به روش‌های تراکم سطح و فاکتور اطمینان در تهیه نقشه پهنه بندی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Zoning and landslide risk assessment using reliability, surface density and hybrid models of Bayesian theorem (Case study: Baqi basin, Neishabour)

نویسندگان [English]

  • Mahnaz Naemi tabar 1
  • Mohamad Ali Zangane Asadi 2
  • Mokhtar karami 3
1
2 Hakim sabzevari
3 Hakim sabzevari
چکیده [English]

Introduction

Landslides are among the geomorphic hazards that occur due to the interaction of various environmental factors, especially in mountainous areas with special morphometric features (Shirani, 2018, 96). The existing spatial relationships between landslide occurrence and environmental factors are key elements in the study of landslide sensitivity (Samotra et al. 1, 2015, 308). Since it is not possible to predict the time of landslides, the identification of landslide-prone areas and the zoning of these areas based on the risk potential reveal the importance of these studies (Ragma et al, 2014).

Research Methods

Statistical method of level variable density

In this method, landslide density was calculated for each of the parameters using equations 1 and 2, and then a landslide zoning map was prepared (Lee et al. 2001, 1095).

Equation 1; Darea = (Npix (Sxi))/(Npix(Xi))

Equation 2; Warea = 1000 [𝐷𝑎𝑟𝑒𝑎 −(ΣNpix(Sxi))/(ΣNpix(Xi))]

Statistical method of two-factor confidence factor

In this study, in order to evaluate the correlation between landslides and selected factors, the weight values obtained from the reliability factor model in the form of two-variable statistical analysis have been used. The weights calculated by this model were also used to prepare and convert factor maps (classes with a negative weight of zero and classes with a positive weight of one) to enter the conditional independence test.

Equation 3; F ={ (if PPs≥PPs)/(if PPa< p Ps) ((PPa-PPs)/(PPa(1-PPs) ))/((-PPa-PPs)/(PPs(1-PPa)))}

PPa: The ratio of the number of sliding pixels in a class to the total pixels of that class, PPs is the ratio of the total sliding pixels in the area to the total map pixels. With the help of this formula, each class is evaluated as 1- and +1. If the value of the relevant class is positive, it indicates that the landslide probability is high, and if the value of the relevant class is negative, it means that the landslide reliability is low, and if the value of that class is zero, it means that there is not enough information about the variable. Therefore, there is uncertainty about the occurrence of landslides.

Bayesian theorem model or weight of evidence

The evidence weight model is based on a series of statistical formulas. In this model, modeling and forecasting work is done based on two categories of information. Effective parameters in the occurrence of a phenomenon (landslide) or causal factors (landslide predisposing factors), the level of occurrence of the phenomenon in the past (landslides occurred). In this case, the probability of landslides in the future depends on the conditions that existed when it occurred in the past (Piacanti et al. 2, 2012: 200). This model is defined according to Equation 4. In this regard, consider causal factors (landslide predisposing factors) B, classes of any relation Bi, landslides occurred S Bayes theory to calculate the conditional probability of landslide (S) in a given class (Bi ) Is defined as follows.

Equation 4; P(S/‌Bi) = (P( Bi/S)×P(S) )/(P(Bi))

Probability of occurrence of S event in the study area (AS), P (Bi) Probability of occurrence of class Bi in the study area (AS), P (Bi / S) Probability of occurrence of Bi event provided that event S occurred, P (S / Bi), the probability of occurrence of event S provided that the event Bi occurred.

The conditional probability of a landslide occurring when class Bi has not occurred is defined as Equation (5).

Equation 5; P(S /Bi^)= (P(Bi^/S)×P(S))/(P(Bi^))

Discussion and findings

The results of parameter prioritization showed that lithology, land use, slope and slope direction factors had the greatest impact on the occurrence of landslides and surface curvature factors, topographic wetness index, distance from waterway, land use, vegetation index, altitude Fault distance, road distance, NDVI and cross-sectional curvature are in the next ranks. To obtain the weight of each of the factor classes, the landslide distribution map is combined with the maps of the factors affecting the landslide event and the slip density in each of the factor classes affected by the landslide. Was obtained. The results of the subclasses of factors affecting landslides indicate that in the lithology factor, Bahram lime in the surface density, reliability and hybrid models with scores (0.516, 0.096, 21.33), respectively. , Land use, orchards in surface density model (0.311), reliability factor (0.044) and hybrid with weight (48.99), slope more than 45 degrees in surface density model (0.413), reliability factor ( 0.366) and hybrid (71,259), slope direction, southeast direction in surface density model (0.455), confidence factor (0.076) and hybrid (1.0985) have the greatest impact on the occurrence of land There has been a landslide in the area.

Conclusion

. Evaluation of accuracy (P) and total quality (Qs) showed that the hybrid model has better performance than the surface density and reliability models in identifying landslide prone areas. The value (Qs) indicates the desirability of the model performance in predicting landslide risk in the study area. The value of this index for different models is in the range of zero to one hundred. The higher this value, the better the performance of the landslide risk zoning method or model. The results of the index (Dr) showed that in all three models, they performed well in identifying high-risk classes compared to low-risk classes. Among the influential parameters of lithology factor, land use, slope and slope direction had the most impact on landslide occurrence. Unlike other models, in addition to zoning of safety zones, the hybrid model has the ability to zoning of uncertainty zones to a small extent and can be introduced as an optimal method for similar areas. In order to control vulnerable areas, it is recommended to prevent construction in the area of roads, conversion of forests into orchards, pastures and meadows, interference of human factors and terraces and construction of dams.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Zoning
  • Landslide
  • Surface compaction method
  • Confidence factor method
  • Bayesian hybrid method
اسفندیاری درآباد، ف و بهشتی جاوید، ا.؛ 1395. پهنه­بندی حساسیت وقوع زمین لغزش با استفاده از مدل هیبریدی قضیه بیز –­ANP­(مطالعه موردی: گردنه حیران)، هیدروژئومورفولوژی، شماره 8، 111-93 صص.
بابلی، ح.، موخر، ع و تقیان، ک.، 1397. ارزیابی نقشه پهنه­بندی حساسیت زمین لغزش با استفاده از روش تلفیقی فاکتور اطمینان و رگرسیون لجستیک با بکارگیری شاخص­های ژئومورفومتریک، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 7، شماره 3­ ، 116-91 صص.
حمزه­، س و امیری، ا.، 1399. پهنه­بندی خطر رانش زمین با استفاده از روش­های همپوشانی وزنی و تحلیل شبکه­(مطالعه موردی: منطقه نصرآباد استان گلستان)، فصلنامه علمی - پژوهشی اطلاعات جغرافیایی­، دوره 29­، شماره 114، 118-113 صص.
سیده نجمه عقیلی، ن.، لشکری پور، غ و حافظی مقدس، ن.، 1398 پهنه­بندی خطر زمین لغزش با استفاده از GIS و مدل آماری دو متغیره ارزش اطلاعات و تراکم سطح در حوضه آبخیز گلورد نکا، مازندران، نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران، سال 11، شماره 41، 117-102 صص.
شیرانی، ک و سیف، عبدالله.، 1390. پهنه­بندی خطر زمین لغزش با استفاده از روش­های آماری­(منطقه پیشکوه، شهرستان فریدون شهر(، مجله علوم زمین، دوره22، شماره 85، 158-149 صص.    
شیرانی، ک و عرب عامری، ع.، 1394. پهنه­بندی خطر وقوع زمین لغزش با استفاده از روش رگرسیون لجستیک­(مطالعه موردی­: حوضه دز علیا)، مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی علوم آب و خاک­، سال 19، شماره 72­، 344-321 صص.
صفاری، ا و اخدر، آ.، 1391. مقایسه مدل نسبت فراوانی و توابع عضویت فازی در پهنه­بندی خطر زمین لغزش­(مطالعه موردی جاده ارتباطی مریوان- سنندج)­، مجله جغرافیا مخاطرات محیطی­، شماره 4، دوره 1، 96-79 صص.
عابدینی، م.، روستایی، ش و فتحی، م.ح.، 1395. پهنه­بندی حساسیت وقوع زمین لغزش با استفاده از مدل هیبریدی قضیه بیز و ANP(مطالعه موردی: کرانه جنوبی حوضه آبریز اهر چای از روستای نصیرکندی تا سد ستارخان)، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 5، شماره1، 142- 159 صص.
عابدینی، م؛ روستائی، ش و فتحی، م.ح.؛ 1395. پهنه­بندی حساسیت وقوع زمین لغزش با استفاده از مدل هیبریدی قضیه بیز-­ANP(مطالعه موردی: کرانه جنوبی حوضه آبریز اهر چای از روستای نصیر آباد تا سد ستار خان)، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 5، شماره 1، 159-142 صص.
عرب عامری، ع.ر؛ رضایی، خ و شیرانی، ک 1395. پهنه­بندی و ارزیابی خطر زمین لغزش با استفاده از مدل­های عامل اطمینان، تراکم سطح و تحلیل سلسله مراتبی(مطالعه موردی: حوضه ونک، استان اصفهان)، فصلنامه علمی-پژوهشی فضای جغرافیایی، سال 18­، شماره 2، 116-93 صص.
عنایتی مقدم، ع.ر؛ قاضی فرد، ا؛ صفایی، ه و شیرانی، کورش. 1390. ارزیابی عوامل و ارائه راهکار جهت تثبیت زمین لغزش در منطقه پادنای سمیرم، فصلنامه زمین شناسی کاربردی دانشگاه آزاد اسلامی زاهدان، سال 1، شماره 7، 52-41 صص.
فیض اله پور، م و مومی پور، م.، 1399. پهنه­بندی مناطق مستعد زمین لغزش با استفاده از پرسپترون چند لایه از نوع پیش خور با الگوریتم پس انتشار­(مطالعه موردی: حوضه رودخانه سنگورچای)، فصلنامه علمی فضای جغرافیایی، سال 20، شماره 69، 116-97 صص.
قویمی پناه، م.ح.، خالدی درویشان، ع و قویمی پناه، م.ر، 1396. صحت سنجی روش­های تحلیل سلسله مراتبی(AHP­) و رگرسیون چند متغیره­(MR) در پهنه­بندی زمین لغزش­(مطالعه موردی: حوضه آبخیز ولیعصر استان اردبیل)، مجله اکوهیدرولوژی، دوره­2، شماره­9، 798-189 صص.
محمدی ثابت، ن.، 1393. تلفیق پارامترهای مستخرج از تصاویر ماکروویو در بهینه سازی مدل­های تجربی زمین لغزش مطالعه موردی­(جنوب شهرستان چالوس)، پایان نامه کارشناسی ارشد­، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه تربیت مدرس، 125.
Bednarik, M.­,­ 2010. Landslide susceptibility Assessment of the kral ovany-liptovsky mikulas Railway case study, physics and chemistry of the Earth, 1(33), PP. 311-331.
Can, T., Nefeslioglu, H. A., Gokceoglu, C., Sonmez, H and Duman, Y., (2005). Susceptibility assessments of shallow earth flows triggered by heavy rainfall at three catchment's by logistic regression analysis, Geomorphology, 82, pp. 250-271.
Erener, A. Sarp, G and Duzgun, S.H., 2019. Use of GIS and Remote Sensing for Landslide Susceptibility Mapping. In Advanced Methodologies and Technologies in Engineering and Environmental Science, 55(1), pp. 384-398.
Gee, M. D., 1991. Classification of landslide hazard zonation methods and a test ofpredictive capability, Landslides, Bell, G, 4(23), PP. 947- 952.
Gupta, R. P, and Joshi, B. C., 1990. Landslide Hazard Zoning using the GIS Approach a Case study from the Ramang Catchment Himalayas, Engineering Geology, 28(5), pp. 119-131.
Jade, S, Sarkar, S., 1993. models for Slope instability classifications engineering, Geology, 36(1), pp. 91-98.
Kavzoglu, T, Sahin and E.K, Colkesen, I., 2015. An assessment of multivariate and bivariate approaches in landslide susceptibility mapping: a case study of Duzkoy district, Natural Hazards, 76(3), pp. 471–496.
Lee, S and Sambath, T., 2006. Landslide susceptibility mapping in the Damrei Romel area, Cambodia using frequency ratio and logistic regression models, The Journal ofEnvironmental Geology, 50(11), pp. 847-855.
Petschko, H, Brenning, A, Bell, R, Goetz, J and Glade, T., 2014. Assessing the quality of land slide susceptibility maps- case study Liwer Austria, Natural Hazards Earth System Sciences, 14(1), pp. 95-118.
Piacentinia, D, Troiani, F, Soldati, M, Notarnicola, C, Savelli, D, Schneiderbauer, S and Strada, C., 2012. Statistical analysis for assessing shallow-landslide susceptibility in South Tyrol­(south-eastern Alps, Italy), Geomorphology, 151(22), pp. 196–206.
Pourghasemi, H. R and Rossi, M., 2017. Landslide susceptibility modeling in a landslide  prone area in Mazandarn Province, north of Iran: a comparison between GLM, GAM, MARS, and M-AHP methods, Theor Appl Climatol ,130(14), pp. 609–633. 
Pradhan, B., (2013). A comparative study on the predictive ability of the decisiontree, support vector machine and neuro-fuzzy models in landslide susceptibilitymapping using GIS, Computers & Geosciences, 51, pp. 350-365.
Regmi, N. R., (2010). Modeling susceptibility to landslides using the weight of evidence approach: Western Colorado, USA, Geomorphology, 115, pp. 172–187.
Regmi, N.R, Giardino, J.R, McDonald, E.V and Vitek, J.D., 2014. A comparison of logistic regression-based models of susceptibility to landslides in western Colorado, USA. Landslides, 11(3), pp. 247–262.
Rozos, D. G., Bathrellos, D and Skillodimou, H. D., (2011). Comparison of the implementation of rock engineering system and analytic hierarchy process methods, upon landslide susceptibility mapping, using GIS: a case study from the Eastern Achaia County of Peloponnesus, Greece, Environ. Earth Sci, 63, pp. 49-63
Sabeti , H, Motagh, M, Sharifi, M A, Akbari, B, Akbarimehr, M and Fard, D., 2019. Determination of the displacement rate of the Masouleh landslide for management of landslide risk by Radar Interferometry, Jwmseir, 16 (44),pp.103-113
Samodra, G, Chen, G, Sartohadi, J and Kasama, K., 2015. Generating landslide inventory by participatory mapping: an example in Purwosari Area, Yogyakarta, Java, Geomorphology, 71(35), pp. 111-121.
Shadfar, S., Yamani, M and Namaki, M., (2005). Landslide hazard zonation using information value, density area and LNRF models in Chalkarood Basin, Journal of Water and Watershed, 3, pp. 68-62.
Thai Pham, B.T, Tien Bui, D, Dholakia, M.B, Prakash, I and Pham, H.V., 2016. A comparative study of least square support vector machines and multiclass alternating decision trees for spatial prediction of rainfall-induced landslides in a tropical cyclones area, Geotech, Geologi, 55(9), pp 1–18.
Tsangaratos, P and Ilia I., 2015. Landslide susceptibility mapping using a modified decision tree classifier in the Xanthi Perfection, Greece Landslides, 1-16 doi: 10.1007/s10346- 015-0565-6.
Vicari, A. Famiglietti, N. A. Colangelo, G and Cecere, G., 2019. A comparison of multi temporal interferometry techniques for landslide susceptibility assessment in urban area: an example on stigliano (MT), a town of Southern of Italy, GEOMATICS, NATURAL HAZARDS AND RISK, 16(3), pp. 836-852.
Wang, j,  Min Guo, b, Kazuhide Sawada, j and Zhanga, j., 2015. Landslide susceptibility mapping in Mizunami City, Japan: A comparison between logistic regression, bivariate statistical analysis and multivariate adaptive regression spline models, Catena, 44(3), pp. 271–282.
Wang, Y, Bouten, W and Chen, Q., 2015. ted Landslide Field Data, 12(2), pp. 268-288.
Xu, C, XiweiXu, a.n, FuchuDai, b and ArunK, S., 2012. Comparison of different models for susceptibility mapping of earthquake triggered landslides related with the 2008 Wenchuan earthquake in China, Computers & Geosciences, 46(8), pp.317–329.