地球信息科学学报 ›› 2021, Vol. 23 ›› Issue (6): 1028-1039.doi: 10.12082/dqxxkx.2021.200522
李慧香1,2(), 潘云1,2,*(
), 宫辉力1,2, 孙颖3
收稿日期:
2020-09-11
修回日期:
2020-12-12
出版日期:
2021-06-25
发布日期:
2021-08-25
通讯作者:
潘云
作者简介:
李慧香(1995— ),女,内蒙古鄂尔多斯人,硕士生,主要从遥感水文方面的研究。E-mail: 838593386@qq.com
LI Huixiang1,2(), PAN Yun1,2,*(
), GONG Huili1,2, SUN Ying3
Received:
2020-09-11
Revised:
2020-12-12
Online:
2021-06-25
Published:
2021-08-25
Contact:
PAN Yun
摘要:
泉水出露受到多种因素影响,在传统地质勘查手段之外,各种模型方法及影响因子预测手段,也被越来越多地应用于泉水的研究中。本文尝试利用机器学习的方法进行泉水出露位置的预测研究。根据北京市野外调查,确定了1378个测试样本点,选取了高程、坡度、坡向、地形湿度指数、径流强度指数、距河流距离、距断裂距离、岩性、归一化植被指数及土地利用类型作为影响因子,对比了2种机器学习方法(随机森林模型、分类回归树模型)和地统计方法(证据权重模型)的预测效果。研究发现:随机森林模型的预测效果最好(Area Under Curve, AUC=0.86),分类回归树和证据权重模型效果相当(AUC分别为0.81、0.80);随机森林模型同时揭示,岩性、距断裂距离和距河流距离这3个影响因子对泉潜在出露的影响最大。本研究表明,在强烈人类活动影响下机器学习方法仍然具有较好的泉水出露预测能力,有望为泉水保护、恢复提供新的技术方法。
李慧香, 潘云, 宫辉力, 孙颖. 机器学习方法在预测泉水潜在出露位置中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(6): 1028-1039.DOI:10.12082/dqxxkx.2021.200522
LI Huixiang, PAN Yun, GONG Huili, SUN Ying. Application of Machine Learning Method in Prediction of Potential Exposure Position of Spring Water[J]. Journal of Geo-information Science, 2021, 23(6): 1028-1039.DOI:10.12082/dqxxkx.2021.200522
表2
计算的各影响因子权重"
影响因子 | 分类 | 栅格数目/个 | 训练泉点数目 | 正相关权重W+ | 负相关权重W- | 空间相关性C | 后验概率P(s) | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
高程/m | <0 | 175 681 | 0 | - | - | - | 0 | |
0~400 | 10 485 480 | 326 | -0.5338 | 0.4460 | -0.9798 | 3.1091E-05 | ||
400~800 | 5 103 572 | 486 | 0.5857 | -0.3714 | 0.9570 | 9.5234E-05 | ||
800~1200 | 2 033 781 | 133 | 0.2098 | -0.0298 | 0.2396 | 6.5399E-05 | ||
1200~1600 | 345 649 | 20 | 0.0874 | -0.0018 | 0.0892 | 5.7865E-05 | ||
坡度/° | 0~10 | 9 015 882 | 379 | -0.2321 | 0.1851 | -0.4172 | 4.2038E-05 | |
10~20 | 3 944 854 | 335 | 0.4711 | -0.1821 | 0.6532 | 8.4926E-05 | ||
20~30 | 3 054 769 | 171 | 0.0543 | -0.0113 | 0.0656 | 5.5981E-05 | ||
30~40 | 1 688 169 | 67 | -0.2896 | 0.0254 | -0.3150 | 3.9689E-05 | ||
40~50 | 438 911 | 12 | -0.6623 | 0.0119 | -0.6742 | 2.7341E-05 | ||
50~60 | 54 453 | 1 | -1.0602 | 0.0020 | -1.0622 | 1.8365E-05 | ||
>60 | 3 361 | 0 | - | - | - | 0 | ||
坡向/° | 北 | 2 077 367 | 100 | -0.0966 | 0.0118 | -0.1084 | 4.8140E-05 | |
东北 | 2 214 218 | 126 | 0.0707 | -0.0102 | 0.0810 | 5.6908E-05 | ||
东 | 2 332 611 | 178 | 0.3642 | -0.0668 | 0.4309 | 7.6314E-05 | ||
东南 | 2 417 942 | 146 | 0.1301 | -0.0215 | 0.1516 | 6.0385E-05 | ||
南 | 2 480 078 | 133 | 0.0114 | -0.0018 | 0.0132 | 5.3630E-05 | ||
西南 | 2 233 444 | 89 | -0.2856 | 0.0342 | -0.3197 | 3.9850E-05 | ||
西 | 2 134 969 | 94 | -0.1858 | 0.0223 | -0.2081 | 4.4030E-05 | ||
西北 | 2 104 272 | 95 | -0.1607 | 0.0192 | -0.1800 | 4.5148E-05 | ||
平面 | 205 498 | 4 | -1.0021 | 0.0072 | -1.0093 | 1.9465E-05 | ||
影响因子 | 分类 | 栅格数目 | 训练泉点数目 | 正相关权重W + | 负相关权重W - | 空间相关性C | 后验概率P(s) | |
距河流距离/m | 0~200 | 4 093 718 | 460 | 0.7512 | -0.3928 | 1.1440 | 1.1238E-04 | |
200~400 | 3 554 978 | 153 | -0.2086 | 0.0447 | -0.2532 | 4.3040E-05 | ||
400~600 | 3 051 250 | 116 | -0.3326 | 0.0554 | -0.3880 | 3.8018E-05 | ||
600~800 | 2 537 820 | 88 | -0.4246 | 0.0545 | -0.4792 | 3.4676E-05 | ||
800~1000 | 1 999 299 | 66 | -0.4738 | 0.0455 | -0.5193 | 3.3013E-05 | ||
>1000 | 2 963 334 | 82 | -0.6503 | 0.0889 | -0.7392 | 2.7672E-05 | ||
距断裂距离/m | 0~500 | 2 608 221 | 276 | 0.6911 | -0.1822 | 0.8734 | 1.0583E-04 | |
500~1000 | 1 951 677 | 148 | 0.3579 | -0.0531 | 0.4110 | 7.5837E-05 | ||
1000~1500 | 1 584 723 | 112 | 0.2875 | -0.0323 | 0.3197 | 7.0679E-05 | ||
1500~2000 | 1 311 105 | 90 | 0.2583 | -0.0231 | 0.2815 | 6.8649E-05 | ||
2000~2500 | 1 051 075 | 64 | 0.1384 | -0.0091 | 0.1476 | 6.0894E-05 | ||
2500~3000 | 841 660 | 41 | -0.0847 | 0.0039 | -0.0886 | 4.8716E-05 | ||
3000~3500 | 699 895 | 37 | -0.0029 | 0.0001 | -0.0030 | 5.2868E-05 | ||
>3500 | 8 152 043 | 197 | -0.7857 | 0.3657 | -1.1514 | 2.4166E-05 | ||
地形湿度指数 | 2~8 | 14 966 464 | 663 | -0.1797 | 0.5660 | -0.7457 | 4.4299E-05 | |
8~14 | 2 935 668 | 248 | 0.4659 | -0.1212 | 0.5870 | 8.4484E-05 | ||
14~22 | 217 898 | 54 | 1.5423 | -0.0455 | 1.5878 | 2.4788E-04 | ||
>22 | 80 369 | 0 | - | - | - | 0 | ||
径流强度指数 | 0~10 | 16 681 699 | 723 | -0.2016 | 1.1004 | -1.3019 | 4.3341E-05 | |
10~20 | 483 216 | 29 | 0.1240 | -0.0036 | 0.1276 | 6.0018E-05 | ||
20~30 | 199 579 | 19 | 0.5854 | -0.0089 | 0.5943 | 9.5209E-05 | ||
30~40 | 117 099 | 9 | 0.3714 | -0.0029 | 0.3743 | 7.6864E-05 | ||
40~50 | 79 251 | 14 | 1.2037 | -0.0103 | 1.2139 | 1.7668E-04 | ||
50~60 | 58 232 | 7 | 0.8187 | -0.0041 | 0.8227 | 1.2022E-04 | ||
60~70 | 45 302 | 8 | 1.2033 | -0.0058 | 1.2092 | 1.7662E-04 | ||
70~80 | 36 436 | 7 | 1.2876 | -0.0053 | 1.2929 | 1.9215E-04 | ||
80~90 | 30 290 | 4 | 0.9127 | -0.0025 | 0.9152 | 1.3207E-04 | ||
>90 | 469 295 | 145 | 1.7629 | -0.1367 | 1.8996 | 3.0907E-04 | ||
归一化植被指数 | -1~-0.1 | 288 943 | 2 | -2.0360 | 0.0139 | -2.0499 | 6.9218E-06 | |
-0.1~0.06 | 1 429 937 | 33 | -0.8318 | 0.0470 | -0.8788 | 2.3078E-05 | ||
0.06~0.08 | 1 617 730 | 90 | 0.0482 | -0.0048 | 0.0530 | 5.5636E-05 | ||
0.08~0.1 | 2 542 398 | 173 | 0.2496 | -0.0471 | 0.2967 | 6.8050E-05 | ||
0.1~0.12 | 3 778 473 | 257 | 0.2491 | -0.0770 | 0.3261 | 6.8021E-05 | ||
0.12~0.14 | 3 809 386 | 215 | 0.0625 | -0.0172 | 0.0798 | 5.6442E-05 | ||
0.14~0.16 | 2 284 891 | 132 | 0.0858 | -0.0130 | 0.0988 | 5.7774E-05 | ||
0.16~0.18 | 1 125 212 | 40 | -0.3997 | 0.0215 | -0.4212 | 3.5550E-05 | ||
0.18~0.4 | 1 312 834 | 24 | -1.0648 | 0.0497 | -1.1145 | 1.8281E-05 | ||
0.4~1 | 10 595 | 0 | - | - | - | 0 | ||
土地利用类型 | 水体 | 250 428 | 2 | -1.8929 | 0.0118 | -1.9047 | 7.9864E-06 | |
草地 | 2 199 456 | 34 | -1.2325 | 0.0929 | -1.3254 | 1.5459E-05 | ||
城市 | 5 059 188 | 206 | -0.2640 | 0.0856 | -0.3495 | 4.0719E-05 | ||
森林 | 10 003 205 | 676 | 0.2426 | -0.4081 | 0.6507 | 6.7580E-05 | ||
裸地 | 688 122 | 48 | 0.2744 | -0.0125 | 0.2869 | 6.9760E-05 | ||
岩性 | 松散岩类 | 7 370 387 | 15 | -3.2601 | 0.5035 | -3.7636 | 2.0352E-06 | |
碳酸岩类 | 3 768 433 | 198 | -0.0090 | 0.0023 | -0.0114 | 5.2544E-05 | ||
岩浆岩类 | 4 688 911 | 558 | 0.8086 | -0.5654 | 1.3740 | 1.1901E-04 | ||
碎屑岩类 | 1 264 728 | 98 | 0.3795 | -0.0351 | 0.4146 | 7.7493E-05 | ||
变质岩类 | 1 107 940 | 96 | 0.4912 | -0.0420 | 0.5332 | 8.6654E-05 |
表6
测试样本点在重要影响因子中的分布"
影响因子 | 分类 | 测试样本泉点数目 | 影响因子 | 分类 | 测试样本泉点数目 |
---|---|---|---|---|---|
径流强度指数 | 0~10 | 1029 | 岩性 | 松散岩类 | 21 |
10~20 | 45 | ||||
20~30 | 27 | 碳酸岩类 | 309 | ||
30~40 | 13 | ||||
40~50 | 19 | 岩浆岩类 | 789 | ||
50~60 | 11 | ||||
60~70 | 12 | 碎屑岩类 | 132 | ||
70~80 | 8 | ||||
80~90 | 7 | 变质岩类 | 127 | ||
>90 | 207 | ||||
距断裂距离/m | 0~500 | 397 | 距河流距离/m | 0~200 | 628 |
500~1000 | 214 | 200~400 | 208 | ||
1000~1500 | 160 | 400~600 | 175 | ||
1500~2000 | 137 | 600~800 | 138 | ||
2000~2500 | 99 | 800~1000 | 96 | ||
2500~3000 | 65 | >1000 | 133 | ||
3000~3500 | 55 | ||||
>3500 | 251 |
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