ارزیابی پتانسیل خطر وقوع سیلاب در حوضه آبخیز داراب، با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین جنگل تصادفی (RF) و ماشین بردار پشتیبان (SVM)

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هئیت علمی دانشگاه اصفهان

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد سنجش ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی دانشگاه اصفهان

3 دانش آموخته کارشناسی ارشد سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی دانشگاه اصفهان

10.22034/gp.2026.71814.3524

چکیده

سیلاب به‌عنوان یکی از مخرب‌ترین بلایای طبیعی، هر ساله خسارات جانی و مالی قابل‌توجهی را در مناطق مختلف جهان به‌ویژه در نواحی نیمه‌خشک ایران به همراه دارد. در این راستا، مدل‌سازی دقیق خطر سیلاب نقش تعیین‌کننده‌ای در برنامه‌ریزی و مدیریت ریسک این پدیده ایفا می‌کند. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی و پهنه‌بندی خطر سیلاب در حوضه آبخیز داراب، ضمن بهره‌گیری از الگوریتم‌های یادگیری ماشین ماشین بردار پشتیبان (SVM) و جنگل تصادفی (RF) در محیط نرم‌افزار GIS و زبان برنامه‌نویسی R، به مقایسه کارایی این دو مدل در تحلیل‌های مکانی پرداخت. برای این منظور، یک پایگاه داده‌ی مکانی جامع شامل شاخص‌های محیطی (بافت خاک، زمین‌شناسی، فاصله از جاده، (NDVI، شاخص‌های هیدرولوژیکی (تراکم زهکشی، فاصله از رودخانه، قدرت آبراهه، NDWI، TWI، SPI و (WRI و شاخص‌های توپوگرافی (ارتفاع، شیب، جهت شیب و طول شیب) تهیه و در فرایند مدل‌سازی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج ارزیابی عملکرد مدل‌ها نشان داد که هر دو الگوریتم از دقت مناسبی در شناسایی الگوهای مکانی سیلاب برخوردارند؛ با این حال، مدل RF نسبت به SVM دقت بالاتری ارائه داد (8906/0= R² در برابر 875/0= R²). مدل RF حدود ۷۱ درصد از مساحت حوضه را در طبقات خطر بسیار کم و کم‌خطر شناسایی کرده است که با الگوی واقعی وقوع سیلاب (تمرکز در مناطق پیرامون آبراهه‌ها و بخش‌های پست حوضه) مطابقت دارد. در مقابل، مدل SVM با تأکید بر همبستگی شاخص‌های هیدرولوژیکی و داده‌های سنجش از دور، نزدیک به ۷۷ درصد از مساحت حوضه را در طبقات خطر متوسط تا بسیار زیاد (عمدتاً در بخش‌های مرکزی و شرقی حوضه) طبقه‌بندی نموده است. این یافته‌ها کارایی بالای الگوریتم‌های یادگیری ماشین، به‌ویژه مدل RF، را در مدل‌سازی خطر سیل نشان می‌دهند و برتری آن‌ها را نسبت به روش‌های فیزیکی و نیمه‌تجربی سنتی مانند HEC RAS از نظر کارایی، سرعت و نیاز کمتر به داده‌های میدانی تأیید می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Assessment of Flood Hazard Potential in the Darab Watershed Using Machine Learning Algorithms: Random Forest and Support Vector Machine

نویسندگان [English]

  • Reza Zakerinejad 1
  • استادحسینی Ostad Hosseini 2
  • Yasmin Ghobishawi 3
1 بلوار شفق-کوی گلستان-کوچه شماره 8 (شهید مرادی)- ابندای کوچه-پلاک 103-طبقه همکف-ذاکری نژاد
2 Master's degree in Remote Sensing and Geographic Information Systems, University of Isfahan, Iran
3 Master's degree in Remote Sensing and Geographic Information Systems, University of Isfahan, Iran
چکیده [English]

Flooding, as one of the most destructive natural disasters, causes significant loss of life and property annually in various regions worldwide, particularly in the semi-arid areas of Iran. In this context, accurate flood risk modeling plays a decisive role in the planning and risk management of this phenomenon. This research aims to assess and map flood risk in the Darab watershed, utilizing the Support Vector Machine (SVM) and Random Forest (RF) machine learning algorithms within the GIS environment and the R programming language, to compare the performance of these two models in spatial analysis. For this purpose, a comprehensive spatial database was compiled, including environmental indicators (soil type, geology, distance to road, NDVI), hydrological indicators (drainage density, distance to river, stream power, NDWI, TWI, SPI, and WRI), and topographical indicators (elevation, slope, aspect, and slope length). The results of the model performance evaluation indicated that both algorithms possess a suitable accuracy in identifying spatial flood patterns; however, the RF model demonstrated higher accuracy compared to SVM (R² = 0.8906 vs. R² = 0.875). The RF model identified approximately 71% of the watershed area as very low and low-risk zones, which aligns with the actual flood occurrence patterns (concentrated around the river channels and lower-lying areas of the watershed). In contrast, the SVM model, emphasizing the correlation between hydrological indicators and remote sensing data, classified nearly 77% of the watershed area into medium to very high-risk categories, primarily in the central and eastern parts of the basin. These findings highlight the high efficiency of machine learning algorithms, particularly the RF model, in flood risk modeling, confirming their superiority over traditional physical and semi-empirical methods like HEC-RAS in terms of performance, speed, and reduced need for field data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flood
  • , Machine Learning
  • Prediction,
  • Khasoyeh