شماره ركورد
34395
پديد آورنده
شادي مداح
عنوان
بهبود مدل پيشبيني مكانهاي مستعد وقوع سيلاب با تركيب رويكرد يادگيري عميق و پردازش تصاوير ماهوارهاي
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي
رشته تحصيلي
مهندسي عمران
سال تحصيل
1399
تاريخ دفاع
1404/07/13
استاد راهنما
دكتر حسين عليزاده - دكتر برات مجردي
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
سيلاب يكي از مهمترين و مخربترين مخاطرات طبيعي است كه موجب خسارات قابل توجه اقتصادي و جاني ميشود. تهيه نقشههاي دقيق مناطق مستعد وقوع سيلاب، بهعنوان گامي اساسي در ارزيابي ريسك و مديريت سيلاب، منجر به تسهيل برنامهريزي و تخصيص منابع ميگردد و يك اقدام پيشگيرانه حياتي در كاهش خطرات و خسارات مرتبط با وقوع سيلاب است. در همين راستا، پژوهش حاضر به توسعه چارچوبي جامع و نوين براي مدلسازي مكانهاي مستعد وقوع سيلاب با تكيه بر فناوريهاي سنجش از دور، يادگيري عميق و تحليل مكاني در منطقهاي واقع در استان گلستان ايران ميپردازد.
مدلسازي مكانهاي مستعد سيلاب (FSM) چارچوبي سهمرحلهاي است كه شامل استخراج نقشه موجودي سيلاب (FIM)، شناسايي عوامل محيطي موثر بر وقوع سيلاب (FCF) و توسعه مدلهاي پيشبيني ميشود. در گام نخست، با يكپارچهسازي چندين منبع دادههاي سنجش از دور، شامل تصاوير راداري Sentinel-1 ارائهدهنده دادههاي رادار دهانه مصنوعي (SAR) و تصاوير نوري Sentinel-2 و Landsat-8، نقشه موجودي سيلاب استخراج شد تا الگوهاي وقوع سيلاب شناسايي شوند. در گام دوم، فاكتورهاي محيطي مبتني بر تصاوير ماهوارهاي و زميني شامل ارتفاع، شاخص تفاوت نرمال شده رطوبت(NDMI) ، شيب، كاربري اراضي، شاخص رطوبت توپوگرافي (TWI) ، بافت خاك، سنگشناسي، تراكم زهكشي، شاخص تفاوت نرمال شده پوشش گياهي (NDVI)، جهت شيب، بارندگي، فاصله از رودخانهها، شاخص توان جريان (SPI)، زبري سطح، انحناي قائم و انحناي افقي شناسايي و استخراج شدند. سپس با استفاده از تحليل نسبت بهره اطلاعات (IGR)، 15 فاكتور محيطي با ارزش اطلاعاتي جهت مدلسازي انتخاب شدند. يكي از محدوديتهاي مدلسازي عدم تعادل نمونههاي سيلابي در دادههاي آموزشي است كه ميتواند عملكرد مدلهاي يادگيري عميق را تحت تأثير قرار دهد. براي غلبه بر اين محدوديت، از روشي جهت متعادلسازي دادههاي سيل، شبكههاي مولد متخاصم مبتني بر مكان (GAN)، به منظور افزايش و اصلاح مجموعه دادههاي سيل استفاده شد و در نهايت تعداد 588 دادههاي آموزشي متعادل آماده شد.
در گام سوم، مدلهاي پيشبيني مبتني بر شبكه عصبي پيچشي (CNN) با دو رويكرد مختلف توسعه يافتند. در مدل پايه (SI-CNN) تمامي فاكتورهاي محيطي (ارتفاع، NDMI، شيب، كاربري اراضي، TWI، بافت خاك، سنگشناسي، تراكم زهكشي، NDVI، جهت شيب، بارندگي، فاصله از رودخانهها، SPI، انحناي قائم و انحناي افقي) بهصورت يك ورودي تركيبي به شبكه وارد ميشوند (تلفيق اوليه) و مدل از طريق استخراج الگوها، نقشه مكانهاي مستعد سيلاب را توليد ميكند. در حالي كه چارچوب پيشنهادي با يكپارچگي شبكه عصبي پيچشي و ساختار چندورودي (MI)، از يك دستهبندي مفهومي جديد براي فاكتورهاي محيطي بهره ميگيرد. در مدل MI-CNN توسعهيافته مبتني بر طبقهبندي ساختاريافته، فاكتورهاي محيطي به چهار گروه اصلي، متغيرهاي توپوگرافي (ارتفاع، شيب، تراكم زهكشي، جهت شيب، فاصله از رودخانهها، SPI، انحناي افقي و انحناي قائم)؛ متغيرهاي زمينشناسي (بافت خاك و سنگشناسي)؛ متغيرهاي هيدرولوژيكي (NDMI، بارندگي و TWI) و متغيرهاي پوشش زمين (كاربري زمين و NDVI) تقسيم و بهطور مستقل به شبكه وارد ميشوند و ويژگيهاي هر دسته را بهصورت مجزا استخراج و سپس تلفيق مينمايد (تلفيق ثانويه). اين ساختار موجب افزايش قدرت استخراج ويژگي و بهبود حدود 5 درصد در دقت مدل شد.
اعتبارسنجي مدلها با معيارهاي سطح زير منحني مشخصه عملكرد گيرنده (AUC) ، Accuracy، Specificity و Sensitivity نشان داد كه مدل MI-CNN نسبت به SI-CNN در هر دو مرحله آموزش و آزمايش عملكرد برتري دارد. در مرحلهي آموزش، مقادير Accuracy، Specificity، Sensitivity و AUC براي مدل MI-CNN بهترتيب 0.944، 0.905، 0.978 و 0.983 و براي SI-CNN برابر با 0.926، 0.881، 0.966 و 0.966 بهدست آمد. همچنين در مرحلهي آزمايش، مدل MI-CNN با مقادير 0.891، 0.836، 0.947 و 0.955 در مقابل SI-CNN با مقادير 0.839، 0.765، 0.915 و 0.933 عملكرد دقيقتر و پايدارتر نشان داد. همچنين نتايج نشان داد كه حدود 14 درصد از اراضي كه عمدتاً در نواحي پايين دست متمركز شدهاند، پتانسيل سيلخيزي بالا و بسيار بالايي را نشان ميدهند. علاوه بر اين، از تحليل SHAP براي ارزيابي تأثير هريك از فاكتورهاي محيطي استفاده شد. نتايج نشان داد ارتفاع و فاصله از رودخانه مهمترين فاكتورهاي مؤثر در وقوع سيلاب هستند. اين پژوهش با رويكردي مبتني بر مدلسازي يكپارچه، بر بهبود دقت نگاشت مناطق مستعد سيلاب تمركز دارد. يافتهها نشان داد كه بهرهگيري از مدلسازي مبتني بر دادههاي چندمنبعي و طبقهبنديشده، راهكاري مؤثر براي پيشبيني دقيق مناطق مستعد سيلاب است كه ميتواند مبنايي براي تصميمگيريهاي مديريتي و اقدامات كاهش سيلخيزي در مقياسهاي منطقهاي باشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/24
عنوان به انگليسي
Enhancing flood susceptibility modeling by integrating deep learning approach and satellite image processing
تاريخ بهره برداري
10/5/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
شادي مداح
چكيده به لاتين
Flood is one of the most important and destructive natural hazards, causing significant economic and human losses. Producing an accurate flood susceptibility map is a crucial step in risk assessment and flood management, which facilitates planning, resource allocation, and the implementation of proactive measures to mitigate flood-related risks and damages. In this regard, the present study develops an innovative framework for flood susceptibility modeling (FSM) by integrating remote sensing, deep learning, and geospatial analysis in a region located in Golestan Province, Iran.
The FSM framework follows a three-step process: generating a flood inventory map (FIM), identifying flood conditioning factors (FCFs), and developing prediction models. First, by integrating multi-source remote sensing data, including Sentinel-1 synthetic aperture radar (SAR) images and Sentinel-2 and Landsat-8 optical images, a flood inventory map was produced to identify flooded areas. In the second step, a set of environmental factors derived from satellite and ground data, such as altitude, normalized difference moisture index (NDMI), slope, land use, topographic wetness index (TWI), soil texture, lithology, drainage density, normalized difference vegetation index (NDVI), aspect, rainfall, distance from river, stream power index (SPI), surface roughness, profile curvature, and plan curvature, were extracted. Using information gain ratio (IGR) analysis, 15 of these factors were selected for modeling. A major limitation in this stage was the imbalance between flooded and non-flooded samples in the training data, which could hinder the performance of deep learning models. To address this, generative adversarial networks (GAN) were employed to balance the flood dataset, finally preparing 588 balanced training samples.
In the third step, convolutional neural network (CNN)-based models were developed under two standpoints. In the single-input model (SI-CNN), all environmental factors were combined into a single input for the network (early fusion), which generated a flood susceptibility map by extracting spatial patterns. The proposed multi-input CNN (MI-CNN) framework introduced a novel structured categorization of conditioning factors, grouping them into four categories: topographic variables (altitude, slope, drainage density, aspect, distance from river, SPI, plan and profile curvature), geological variables (soil texture and lithology), hydrological variables (NDMI, rainfall, and TWI), and land cover variables (land use and NDVI). Each category was independently fed into the network to extract specific features, which were then fused (late fusion). This architecture enhanced the feature extraction capacity and improved model accuracy by 5%.
Model validation using the area under the receiver operating characteristic curve (AUC), Accuracy, Specificity, and Sensitivity showed that the MI-CNN model outperforms the SI-CNN model in both the training and testing phases. In the training phase, the Accuracy, Specificity, Sensitivity, and AUC values for the MI-CNN model were 0.944, 0.905, 0.978, and 0.983, respectively, whereas the corresponding values for the SI-CNN model were 0.926, 0.881, 0.966, and 0.966. Similarly, in the testing phase, the MI-CNN model achieved values of 0.891, 0.836, 0.947, and 0.955, compared to 0.839, 0.765, 0.915, and 0.933 for the SI-CNN model, showing more accurate and stable performance. Results also showed that approximately 14% of the study area, mainly concentrated in downstream regions, was classified as highly to very highly susceptible to flooding. Furthermore, SHAP analysis was used to evaluate and rank the influence of conditioning factors. Among the factors, altitude and distance from the river were identified as the most influential in flood occurrence. This study shows that an integrated, multi-source, and structured modeling approach enhances the accuracy of flood susceptibility mapping. The findings suggest that such methods can be a reliable basis for management decisions and flood risk reduction strategies at regional scales.
كليدواژه هاي فارسي
نقشه مكانهاي مستعد سيلاب , پردازش تصاوير ماهوارهاي , يادگيري عميق , متعادلسازي داده , شبكه عصبي پيچشي , تصاوير راداري , تصاوير نوري
كليدواژه هاي لاتين
Flood susceptibility mapping , Satellite image processing , Deep learning , Data balancing , Convolutional neural network , SAR images , Optical images
Author
Shadi Maddah
SuperVisor
Hosein Alizadeh - Barat Mojaradi