طراحی مدل هوشمند پیشبینی و مدیریت سیلاب شهری مبتنی بر دادههای هواشناسی ماهوارهای و الگوریتمهای یادگیری ماشین با رویکرد کاهش خسارات زیرساختی در کلانشهرها
کلمات کلیدی:
سیلاب شهری, یادگیری ماشین, دادههای ماهوارهای, مدیریت بحران, زیرساخت شهریچکیده
افزایش فراوانی و شدت بارشهای حدی در دهههای اخیر، همراه با توسعه نامتوازن شهری، موجب شده است که سیلابهای شهری به یکی از مهمترین مخاطرات زیرساختی در کلانشهرها تبدیل شوند. ناکارآمدی سامانههای سنتی پیشبینی سیلاب، محدودیت در پردازش همزمان دادههای حجیم هواشناسی و ضعف در تحلیل پویای رفتار رواناب شهری، ضرورت بهرهگیری از مدلهای هوشمند مبتنی بر یادگیری ماشین و دادههای سنجش از دور را بیش از پیش آشکار ساخته است. هدف پژوهش حاضر، طراحی یک مدل هوشمند برای پیشبینی و مدیریت سیلاب شهری با استفاده از دادههای هواشناسی ماهوارهای، متغیرهای هیدرولوژیک، اطلاعات کاربری اراضی و الگوریتمهای یادگیری ماشین با تاکید بر کاهش خسارات زیرساختی در کلانشهرها است. در این پژوهش، دادههای بارش ماهوارهای، دمای سطح زمین، رطوبت خاک، شیب زمین، تراکم ساختوساز شهری، شبکه زهکشی و سوابق رخدادهای سیلابی مورد تحلیل قرار گرفت. پس از مرحله پیشپردازش دادهها، مدلسازی با استفاده از الگوریتمهای جنگل تصادفی، ماشین بردار پشتیبان، شبکه عصبی عمیق و گرادیان تقویتی انجام شد و عملکرد مدلها بر اساس شاخصهای دقت، حساسیت، ضریب همبستگی و خطای میانگین مربعات ارزیابی گردید. همچنین برای تحلیل فضایی مناطق بحرانی، از سامانه اطلاعات جغرافیایی و دادههای چندمنظوره سنجش از دور استفاده شد. نتایج نشان داد که مدل ترکیبی مبتنی بر یادگیری عمیق و دادههای ماهوارهای، توانایی بالایی در شناسایی نواحی مستعد آبگرفتگی و پیشبینی شدت سیلاب در بازههای زمانی کوتاهمدت دارد. علاوه بر این، تلفیق دادههای هواشناسی بلادرنگ با الگوریتمهای یادگیری ماشین، موجب افزایش دقت پیشبینی و کاهش خطاهای مکانی در مدیریت بحران شهری شد. یافتههای پژوهش بیانگر آن است که استفاده از سامانههای هوشمند پیشبینی سیلاب میتواند نقش موثری در کاهش خسارات زیرساختی، بهبود تصمیمگیری مدیریتی، افزایش تابآوری شهری و ارتقای برنامهریزی بحران در کلانشهرها ایفا کند.
مراجع
Mosavi A, Ozturk P, Chau KW. Flood prediction using machine learning models: Literature review. Water. 2018;10(11):1536.
Sit MA, Demiray BZ, Xiang Z, Ewing GJ, Sermet Y, Demir I. A comprehensive review of deep learning applications in hydrology and water resources. Water Science and Technology. 2020;82(12):2635-2670.
Chen Y, Zhou H, Zhang H, Du G, Zhou J. Urban flood susceptibility assessment using integrated machine learning models and remote sensing data. Journal of Hydrology. 2021;598:126458.
Shen Y, Chen X, Chen J, Lu P. Satellite precipitation products for hydrological applications in flood forecasting: A review. Remote Sensing. 2022;14(9):2050.
Kim J, Han D, Kim HS. Improving urban flood prediction using real-time rainfall radar and machine learning approaches. Journal of Hydroinformatics. 2021;23(5):1142-1159.
Xiang Z, Demir I. Distributed long-term hourly streamflow predictions using deep learning – A case study for State of Iowa. Environmental Modelling & Software. 2020;131:104761.
Kabir S, Patidar S, Xia X, Liang Q, Neal J, Pender G. A deep convolutional neural network model for rapid inundation mapping using UAV and satellite imagery. Journal of Hydrology. 2020;590:125481.
Bentivoglio R, Isufi E, Jonkman SN, Taormina R. Deep learning methods for flood mapping from remote sensing data: A review. Remote Sensing. 2022;14(21):5401.
Guo Y, Wang Y, Niu J, Wang L. Urban flood risk assessment based on machine learning and GIS techniques under extreme rainfall events. Science of the Total Environment. 2022;806:150455.
Nachappa TG, Piralilou ST, Gholamnia K, Ghorbanzadeh O, Blaschke T. Flood susceptibility mapping using machine learning algorithms. Geomatics, Natural Hazards and Risk. 2020;11(1):2372-2401.
Ahmadisharaf E, Kalyanapu AJ, Chung ES. Evaluating the effects of inundation duration and velocity on selection of flood management alternatives using multi-criteria decision making. Water. 2021;13(3):354.
Janizadeh S, Avand M, Jaafari A, Van Phong T, Bayat M, Ahmadisharaf E, et al. Prediction success of machine learning methods for flash flood susceptibility mapping in different climates. Science of the Total Environment. 2021;701:134728.
Costache R, Hong H, Pham QB. Comparative assessment of the flash-flood potential within small mountain catchments using bivariate statistics and machine learning models. Science of the Total Environment. 2020;711:134514.
Rahmati O, Falah F, Naghibi SA, Biggs T, Soltani M, Deo RC, et al. Land subsidence modelling using tree-based machine learning algorithms in urban areas. Geoscience Frontiers. 2021;12(6):101250.
Hu P, Zhang Q, Shi P, Chen B, Fang J. Flood-induced mortality across the globe: Spatiotemporal pattern and influencing factors. Science of the Total Environment. 2018;643:171-182.
Yariyan P, Avand M, Janizadeh S, Van Phong T, Nguyen HD, Costache R, et al. Spatial modeling of flood susceptibility using machine learning models in Northern Iran. Remote Sensing. 2020;12(14):2236.
دانلود
چاپ شده
شماره
نوع مقاله
مجوز
حق نشر 2026 مجله علمی مطالعات پژوهشی در مهندسی عمران آینده

این پروژه تحت مجوز بین المللی Creative Commons Attribution 4.0 می باشد.


