基于三种混合模型的黄土高原小流域沟蚀敏感性评估

【研究区域】

陕西省安塞县纸坊沟小流域（36°46′28“–36°46′42”N，109°13′03“–109°16′46”E）位于黄土高原中心，面积为8.27 km2，海拔1039-1425米。该地区具有典型的半干旱大陆性季风气候，年平均气温8.8°C，年平均降水量为505毫米。土壤以典型黄土为主，占研究区面积的75%。红黏土约占25%，一般分布在研究区北部和中部 。

【研究方法】

（ 1） FR是在特定影响因素下发生沟蚀区域与未受影响区域的像素比率。当 FR高于 1 时，表示该影响因素对沟谷的形成有显著贡献。系数越高，其对沟蚀的敏感性就越大 。

（2）VIKOR最初是由Opricovic和Tzeng（2004）作为新开发的多准则决策（MCDM）技术引入的。在归一化计算后，使用11个条件因子的FR生成决策矩阵。 每个因子的权重由基于基尼指数的特征重要性确定。沟蚀易发性（ GES ）计算公式为：

（ 3 ） RF是Breiman（2001）提出的一种高精度分类算法，是多个决策树（DT）的集合，最终的模型精度取决于决策树的投票选择 。

（ 4 ） GBDT 是一种采用加法模型（即基函数的线性组合），以及不断减小训练过程中产生的残差来达到数据分类的算法。通过多次迭代，每轮迭代产生一个弱分类器，该分类器基于上一轮分类器的残差基础上进行训练。对弱分类器的要求一般是足够简单，并且是低方差和高偏差的。因为训练的过程是通过降低偏差来不断提高最终分类器的精度。

（ 5 ） ET 是一种优化的 RF 算法。 ET 模型的主要创新点如下：（ i ）使用切割点随机划分节点；（ ii ）总训练数据集用于构建 DT ，而不是使用 bootstrap 生成的其他 DT 模型的副本。

（ 1 ）坡度、 STI 、道路距离与沟蚀的发生呈强正相关，而河道距离与沟蚀呈强负相关。海拔、道路距离和 NDVI 对沟蚀的影响最为显著。

（ 2 ） VIKOR-FR-ET 是最有效和最精确的模型，  AUC 为 0.83 ，其次是 VIKOR-FR-RF 和 VIKOR-FR-GBDT 。

（ 3 ）在海拔较高，距道路距离较远，坡度、排水密度较大，  NDVI 较低的地区，沟谷发育更为显著。高海拔地区的坡度突变和高强度排水，有助于沟壑发育。道路距离可能是通过对地表径流拦截对沟蚀造成影响。 NDVI 对沟蚀易发性的影响是植被对侵蚀过程的综合影响所致。

（ 4 ）与 RF 和 GBDT 相比， ET 是最准确的算法。今后的研究应侧重于为沟蚀易发性高的地区设计水土保持措施 。

本文选取了高程、坡度、坡向、距道路距离、 NDVI 和 LULC 等 11 个环境因子，通过 Gini 指数确定条件因子的权重，利用机器学习方法量化这些条件因子的相对重要性。建立了 3 种混合模型，即 VIKOR-FR-RF ， VIKOR-FR-GBDT 和 VIKOR-FR-ET ，用于评估沟蚀敏感性。并利用 ROC 和 AUC 来评估这些模型的性能。研究认为沟蚀更容易发育在海拔较高、远离道路、植被覆盖较少、排水密度较高、坡陡的半阴凉草地和林地。本文距道路距离与沟蚀发生的关系与以前的研究不一致。这种差异可能是由于道路拦截了地表径流。该研究结果有助于设计小流域尺度沟蚀防治的水土保持措施 。

Wang, Z., Zhang, G. and Wang, C., et al. Assessment of the gully ero sion susceptibility using three hybrid models in one small watershed on the Loess Plateau Soil and Tillage Research, 2022, 223: 105481.

喻涵，西 北农林科技大学研究生，水土保持与荒漠化防治专业。