基于自筛选深度学习的滑坡易发性预测建模及其可解释性

Landslide Susceptibility Prediction Modeling and Interpretability Based on Self-Screening Deep Learning Model

摘要

针对滑坡易发性预测建模中滑坡-非滑坡样本可能存在误差、环境因子间非线性关系较复杂且机器学习可解释性未被关注等重要问题，拟提出一种基于自筛选的双向长短时记忆网络与条件随机场的滑坡易发性预测模型（Self-screening Bi-directional Long Short-Term Memory and Conditional Random Fields， SBiLSTM-CRF）.SBiLSTM-CRF模型具有深度学习网络层数深、宽度广及可循环迭代建模的优势，能预测出环境因子间的非线性关系，并通过迭代自动筛选阈值区间外的错误滑坡样本.该模型可用于解释各环境因子之间耦合关系的内部作用机制.将SBiLSTM-CRF模型用于陕西延长县滑坡易发性预测，并与cpLSTM-CRF、随机森林、支持向量机、随机梯度下降和逻辑回归模型比较.结果表明，SBiLSTM-CRF克服了传统机器学习中存在的样本误差以及因子间复杂的非线性关系问题，具有更高的预测性能.通过该模型的可解释性能力揭示了坡度、高程和岩性等因子控制延长县的黄土滑坡发育的机制.

关键词

滑坡易发性预测 / 深度学习 / 双向长短时记忆网络 / 条件随机场 / 可解释性 / 工程地质

Key words

landslide susceptibility prediction / deep learning / Bi-directional long short-term memory / conditional random field / interpretability analysis / engineering geology

基金资助

国家自然科学青年基金项目(41807285)