بهینه‌سازی و ارزیابی شبکه عصبی پیچشی (CNN) برای پیش‌بینی حساسیت به فرسایش خندقی درشهرستان ششتمد

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه حکیم سبزواری

2 حکیم سبزواری

10.22034/gp.2026.69822.3472

چکیده

هدف: هدف از این پژوهش، ارزیابی و بهینه‌سازی مدل شبکه عصبی کانولوشنی (CNN) برای پیش‌بینی پتانسیل فرسایش خندقی در محدوده شهرستان ششتمد با استفاده از رویکرد انتخاب ویژگی و همچنین تنظیم هایپرپارامترها است.

روش پژوهش: بدین منظور در این تحقیق، ۶۰۰ نقطه با بهره‌گیری از بازدیدهای میدانی و گوگل ارث شناسایی شد. از این میان، ۷۰ درصد داده‌ها برای آموزش و ۳۰ درصد برای اعتبارسنجی مدل اختصاص یافت. تعداد ۲۱ عامل محیطی شامل ویژگی‌های توپوگرافی، زمین‌شناسی، هیدرولوژیکی و کاربری اراضی به‌عنوان متغیرهای مؤثر انتخاب شد و سپس دو روش معیار اطلاعات متقابل (MI) و الگوریتم جنگل تصادفی برای شناسایی عوامل کلیدی مؤثر بر وقوع فرسایش خندقی به‌کار گرفته شدند. در گام بعد مدلسازی بر اساس الگوریتم CNN انجام شد و بهینه سازی هایپرپارامترها در جهت بهبود کارایی مدل اعمال گردید. نقشه حساسیت به فرسایش با استفاده از خروجی مدل بهینه سازی شده، تهیه و مورد ارزیابی صحت و عملکرد قرار گرفت. باتوجه به اینکه منطقه مورد مطالعه (شهرستان ششتمد در غرب خراسان رضوی) از نواحی حساس به فرسایش خندقی به شمار می‌رود، انجام ارزیابی حساسیت قبل از هرگونه فعالیت عمرانی در این منطقه ضروری است.

نتایج: نتایج تحلیل اهمیت متغیرها نشان داد که بارندگی، فاصله از رودخانه، فاصله از گسل و ارتفاع از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر توسعه فرسایش خندقی هستند. نقشه حساسیت تولید شده با مدل CNN پس از تنظیم هایپرپارامترها با الگوریتم Optuna توانست دقت بالای(accuracy=/09338) عملکرد خود را نشان دهد. نقشه حساسیت فرسایش خندقی نیز بیانگر آن است که بخش شرقی منطقه بیشترین پتانسیل وقوع فرسایش را داراست.

نتیجه گیری: یافته‌های پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از روش‌های یادگیری عمیق به‌ویژه مدلCNN، همراه با انتخاب ویژگی‌های بهینه و تنظیم هایپرپارامترها می‌تواند ابزار قدرتمندی برای پیش‌بینی دقیق نواحی مستعد فرسایش خندقی فراهم آورد و در تدوین برنامه‌های مدیریتی و سیاست‌های حفاظت از خاک و آب مؤثر واقع شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization and Evaluation of a Convolutional Neural Network (CNN) for Gully Erosion Susceptibility Prediction in Sheshtamad county.

نویسندگان [English]

  • Nadiya ‌Baghaei Nejad 1
  • Leila Goli Mokhtari 1
  • Abolghasem Amirahmadi 1
  • Ali Beheshti 2
1 Hakim Sabzevari university
2 Hakim University
چکیده [English]

Objective: The aim of this study is to evaluate and optimize a Convolutional Neural Network (CNN) model for predicting gully erosion susceptibility in the Sheshtamad region, using a feature selection approach and hyperparameter optimization.

Methodology: In this research, a total of 600 points were identified through field surveys and satellite imagery, comprising 300 gully and 300 non-gully locations. Of these, 70% of the data were used for model training and 30% for validation. Twenty-one environmental factors including topographic, geological, hydrological, and land-use characteristics were selected as predictive variables. Subsequently, the Mutual Information (MI) criterion and the Random Forest algorithm were applied to identify the most influential factors contributing to gully erosion occurrence.

Next, the CNN model was developed, and hyperparameter optimization was performed to enhance model performance. The optimized model output was then used to generate a gully erosion susceptibility map, which was evaluated in terms of both accuracy and predictive performance.

Given that the study area (Sheshtamad County, western Razavi Khorasan Province) is highly prone to gully erosion, conducting such susceptibility assessments prior to any infrastructural development is essential.

Results: The variable importance analysis revealed that rainfall, distance from rivers, distance from faults, and elevation are the most critical factors influencing gully erosion development. The optimized CNN model, after hyperparameter tuning using the Optuna algorithm, achieved a high prediction accuracy (Accuracy = 0.9338). The resulting susceptibility map indicated that the eastern part of the study area possesses the highest potential for gully erosion occurrence.

Conclusion: The findings demonstrate that the integration of deep learning techniques, particularly the CNN model, with optimal feature selection and hyperparameter tuning provides a powerful framework for accurately predicting gully erosion-prone areas. This approach can support effective soil and water conservation planning and guide sustainable land management policies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gully Erosion
  • CNN Model
  • Feature Selection
  • Hyper Parameter Optimization
  • Sheshmatad County