2024年2月26日，國(guó)際地學(xué)頂級(jí)期刊《Earth-Science Reviews》發(fā)表了題為“Modelling landslide susceptibility prediction: A review and construction of semi-supervised imbalanced theory”（滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)建模：文獻(xiàn)綜述與半監(jiān)督非對(duì)稱理論構(gòu)建）的研究成果。該成果由南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院黃發(fā)明副教授、熊浩文（研究生）、蔣水華教授、姚池教授和成都理工大學(xué)范宣梅教授等研究人員合作完成。

全球熱點(diǎn)課題

該成果系統(tǒng)性地研究了區(qū)域滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)這一全球熱點(diǎn)課題。具體而言，以滑坡/非滑坡樣本為輸出變量且以相關(guān)條件因子為輸入變量的監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)模型，廣泛應(yīng)用于滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)（LSP）。然而，LSP建模中存在許多不確定性問題：已知滑坡樣本可能存在誤差，從整個(gè)研究區(qū)隨機(jī)抽取的非滑坡樣本不準(zhǔn)確，滑坡與非滑坡樣本的1:1比例與實(shí)際滑坡分布特征不一致，將標(biāo)記為非滑坡的樣本分配概率為0是不合理的，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)LSP性能的綜合評(píng)估等。在文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，黃發(fā)明副教授及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了“半監(jiān)督非對(duì)稱理論”來克服這些不確定性因素的影響。該理論流程如下：首先，基于滑坡樣本、隨機(jī)選擇的非滑坡樣本、斜坡單元及相關(guān)條件因子構(gòu)建監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于預(yù)測(cè)九江市（圖1）初始滑坡易發(fā)性指數(shù)并劃分出極低、低、中、高和極高初始易發(fā)性級(jí)別；其次，剔除初始易發(fā)性級(jí)別中被歸類為極低的滑坡樣本以減少滑坡誤差，從低和極低易發(fā)區(qū)中隨機(jī)抽取非滑坡樣本以保證非滑坡的準(zhǔn)確性；第三，將滑坡與非滑坡樣本的采樣比依次設(shè)置為1:1至1:200，將初始易發(fā)性指數(shù)賦值為對(duì)應(yīng)非滑坡樣本的標(biāo)簽值，滑坡標(biāo)簽值仍賦為1；第四，使用標(biāo)記的滑坡和非滑坡樣本再次訓(xùn)練和測(cè)試機(jī)器學(xué)習(xí)；最后，通過比較不同采樣比例下的滑坡易發(fā)性精度和滑坡易發(fā)性指數(shù)分布特征來確定滑坡與非滑坡的最佳比例，從而得到最終的滑坡易發(fā)性結(jié)果（圖2）。

圖 1. 研究區(qū)地理位置圖

圖 2. 不同滑坡非滑坡樣本比例下半監(jiān)督非對(duì)稱滑坡易發(fā)性圖

圖 3. 監(jiān)督隨機(jī)森林模型與各工況下半監(jiān)督非對(duì)稱隨機(jī)森林模型的預(yù)測(cè)率精度曲線圖

研究結(jié)果表明，半監(jiān)督非對(duì)稱理論為已知滑坡樣本的校正和非滑坡樣本的選擇提供了新的思路，達(dá)到了有效提高空間數(shù)據(jù)集質(zhì)量的目的。同時(shí)，滑坡與非滑坡比值的非對(duì)稱可以模擬野外非滑坡面積遠(yuǎn)大于滑坡面積的實(shí)際分布特征。半監(jiān)督非對(duì)稱隨機(jī)森林模型產(chǎn)生的滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)結(jié)果的ROC精度、預(yù)測(cè)率精度和易發(fā)性指數(shù)分布特征均優(yōu)于其他預(yù)測(cè)模型（圖3）。非滑坡樣本的選擇、采樣比例和標(biāo)簽分配是影響空間數(shù)據(jù)集質(zhì)量的核心不確定性問題，建議學(xué)者們基于半監(jiān)督非對(duì)稱理論進(jìn)一步優(yōu)化這些問題，以提高滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)結(jié)果的可行性和實(shí)用性。

研究成果獲得聯(lián)合資助

本研究成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Nos.42377164 and 42272326）和國(guó)家自然科學(xué)基金-優(yōu)秀青年基金（No. 52222905）的聯(lián)合資助。

Earth-Science Reviews

《Earth-Science Reviews》創(chuàng)刊于1966年，由Elsevier Science出版社出版，是地球科學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的國(guó)際地學(xué)頂級(jí)期刊，主要報(bào)道地球科學(xué)領(lǐng)域具有全球尺度/視野的前沿性基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展。該期刊在Earth and Planetary Sciences/Geology學(xué)科排名位于Q1分區(qū)（2/191），僅次于Nature Geoscience，2023年度影響因子為12.1，位列中科院JCR分區(qū)一區(qū)TOP。

本文引用信息

Faming Huang, Haowen Xiong, Shui-Hua Jiang, Chi Yao*, Xuanmei Fan, Filippo Catani, Zhilu Chang, Xiaoting Zhou, Jinsong Huang, Keji Liu. Modelling landslide susceptibility prediction: A review and construction of semi-supervised imbalanced theory [J]. Earth-Science Reviews, 2024, 250: 104700. DOI: 10.1016/j.earscirev.2024.104700

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825224000278

來源 | 工程建設(shè)學(xué)院、南昌大學(xué)新聞網(wǎng)

編輯 | 余世豪

責(zé)編 | 歐陽仟

審核 | 饒勇、廖元新、邱曉怡