基于隨機(jī)森林的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
——以江西省為例

吳小君, 方秀琴, 任立良, 吳陶櫻, 苗月鮮

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211100;2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210098))

一般來(lái)說(shuō)，山洪是由于降雨導(dǎo)致的具有突發(fā)性、流量大、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)的地表徑流，它是洪水的一種表現(xiàn)形式[1]。山洪災(zāi)害對(duì)房屋建筑、交通道路、水利工程設(shè)施、農(nóng)林畜牧業(yè)等造成破壞，極端情況下甚至?xí)?dǎo)致人員傷亡，給人口、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失[2]。我國(guó)地形復(fù)雜，丘陵較多，2/3的土地面積幾乎為丘陵。山區(qū)的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界平均水平[3]，是世界上受山洪影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一[4]。

評(píng)估山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響因素有很多，例如社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然和技術(shù)等，并且其評(píng)估過(guò)程需考慮多個(gè)指數(shù)，與此過(guò)程相關(guān)的主要困難是指數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)水平之間的多變量和非線性關(guān)系。因此，山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一直是人們研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)[5-7]。近些年，快速發(fā)展的人工智能技術(shù)促使很多研究學(xué)者在對(duì)象評(píng)價(jià)中引用機(jī)器學(xué)習(xí)算法。這些方法大大提高了計(jì)算量，能較好地解決非線性問(wèn)題，但仍存在許多弱點(diǎn)。比如，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有收斂速度慢和局部極小的問(wèn)題[8]，支持向量機(jī)數(shù)學(xué)函數(shù)復(fù)雜，使用不方便，解決多分類(lèi)問(wèn)題效果不佳[9]，決策樹(shù)很容易陷入局部最優(yōu)。最重要的是，這些智能算法無(wú)法估計(jì)每個(gè)指標(biāo)對(duì)總風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)。而隨機(jī)森林(Random Forest，RF)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的組合分類(lèi)方法，它的非線性特性使其適用于多變量預(yù)測(cè)，因此在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[10-14]。隨機(jī)森林的智能學(xué)習(xí)機(jī)器可以在大型數(shù)據(jù)庫(kù)上高效運(yùn)行，并提供關(guān)于分類(lèi)中特定變量重要性的估計(jì)，這使得RF在解決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中固有的非線性問(wèn)題以及估計(jì)每個(gè)指標(biāo)的重要性程度方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。賴成光等通過(guò)構(gòu)建隨機(jī)森林模型對(duì)東江流域進(jìn)行洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并在試驗(yàn)中對(duì)比了SVM方法，結(jié)果表明RF方法比SVM方法精度更高[15]；Zhaoli Wang等根據(jù)洪水系統(tǒng)理論，以東江流域?yàn)槔x取十一個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，提出了一種基于RF的評(píng)價(jià)模型[16]；Quanlong Feng等提出了一種基于高分辨率無(wú)人機(jī)圖像的隨機(jī)森林與紋理分析相結(jié)合的城市洪水制圖方法，并指出與其他分類(lèi)器相比較，隨機(jī)森林優(yōu)于最大似然法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[17]。但是目前隨機(jī)森林在山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究比較匱乏，并且當(dāng)前應(yīng)用于洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的研究評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不夠完善，對(duì)不同區(qū)域的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

因此，本文嘗試選擇隨機(jī)森林算法，結(jié)合江西省山洪災(zāi)害的特點(diǎn)和歷史山洪災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建指標(biāo)體系，建立基于隨機(jī)森林算法的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。本文的目的是計(jì)算不同地區(qū)山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度，然后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)，繪制江西省山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，并對(duì)該地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1　研究區(qū)與指標(biāo)體系

1.1　研究區(qū)簡(jiǎn)介

本文的研究區(qū)域?yàn)榻魇【秤?，其位于長(zhǎng)江中下游南岸，土地總面積16.7萬(wàn)km2，占全國(guó)國(guó)土面積的1.7%。江西省地理位置險(xiǎn)要，以山地丘陵居多，北部則面朝鄱陽(yáng)湖[18]，全省東、南、西三面的邊緣山嶺構(gòu)成省際天然界線，形成一個(gè)自然的分水嶺。

江西省屬中熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候濕潤(rùn)，降雨較多，年降水量1 400～1 900 mm[19]。省內(nèi)丘陵山地眾多，水網(wǎng)稠密，河湖眾多。獨(dú)特的氣候特征及地形地貌，導(dǎo)致了省內(nèi)山洪災(zāi)害的頻繁發(fā)生[20-22]。因此，為了加強(qiáng)對(duì)山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)管理，制定相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)策略，在江西省開(kāi)展山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有十分重要的意義。

1.2　指標(biāo)體系和數(shù)據(jù)

依據(jù)山洪災(zāi)害體系理論[23]，綜合考慮研究區(qū)山洪災(zāi)害的特征，參考相關(guān)研究，結(jié)合實(shí)地考察情況以及數(shù)據(jù)可獲取性，我們從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體3個(gè)方面選取了9個(gè)影響因素。具體選取的影響因素及其數(shù)據(jù)來(lái)源具體見(jiàn)表1。

為了數(shù)據(jù)空間尺度的統(tǒng)一，首先應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用ArcGIS 10.2軟件中的柵格計(jì)算器對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化，得到9個(gè)尺度一致的柵格數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的每個(gè)柵格單元都是1 km×1 km，各個(gè)指標(biāo)見(jiàn)圖1。

表1　選取的9個(gè)影響因素及其數(shù)據(jù)來(lái)源

2　山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1　研究方法

(1) 隨機(jī)森林算法概述。隨機(jī)森林包含兩個(gè)重要參數(shù)，即預(yù)選變量的個(gè)數(shù)和樹(shù)的個(gè)數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是決定隨機(jī)森林預(yù)測(cè)能力的兩個(gè)重要參數(shù)[24]，預(yù)選變量的數(shù)目決定了單個(gè)決策樹(shù)的情況，隨機(jī)森林中的樹(shù)數(shù)決定了整個(gè)隨機(jī)森林的整體大小。

本文中隨機(jī)森林算法使用了R軟件中的randomForest包[25]，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需預(yù)先設(shè)置兩個(gè)重要的參數(shù)：mtree和ntry，這兩個(gè)參數(shù)所決定的值對(duì)應(yīng)于上述隨機(jī)森林的兩個(gè)重要參數(shù)，mtry為每棵分類(lèi)回歸樹(shù)構(gòu)建時(shí)節(jié)點(diǎn)拆分的次數(shù)，ntree為隨機(jī)森林中分類(lèi)回歸樹(shù)的個(gè)數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是依據(jù)隨機(jī)森林構(gòu)建時(shí)產(chǎn)生的袋外誤差確定的[26]。根據(jù)訓(xùn)練樣本集和randomForest函數(shù)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[27-28]。

圖1　9個(gè)影響因素空間分布

(2) 評(píng)價(jià)步驟。①根據(jù)江西省山洪特點(diǎn)選取風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；②選取歷史發(fā)生山洪災(zāi)害的為正樣本，未發(fā)生過(guò)災(zāi)害的為負(fù)樣本，同時(shí)把正負(fù)總樣本集分為70%的測(cè)試樣本和30%訓(xùn)練樣本；③將訓(xùn)練樣本輸入隨機(jī)森林算法，建立山洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并通過(guò)測(cè)試樣本對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)；④將江西省數(shù)據(jù)輸入到模型中得到山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度，利用ArcGIS制成山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)圖。

由圖2可以看出，該模型的核心部分是訓(xùn)練樣本。隨機(jī)森林算法可通過(guò)輸入的樣本建立山洪風(fēng)險(xiǎn)度與指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從而建立相應(yīng)的分類(lèi)規(guī)則，從而對(duì)待測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)得到不同區(qū)域的山洪風(fēng)險(xiǎn)度。

圖2　評(píng)價(jià)流程

2.2　樣本選取及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究以2 009個(gè)歷史發(fā)生山洪災(zāi)害點(diǎn)構(gòu)成正樣本數(shù)據(jù)集，為了更加科學(xué)地構(gòu)建隨機(jī)森林模型，需要采集一定數(shù)量的未發(fā)生山洪災(zāi)害的點(diǎn)來(lái)組成負(fù)樣本數(shù)據(jù)集?？紤]到地理相似性，以歷史發(fā)生山洪災(zāi)害點(diǎn)為中心做3 km范圍的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)外的區(qū)域即為負(fù)樣本可采樣的區(qū)域。在負(fù)樣本可采樣區(qū)域隨機(jī)采集與正樣本數(shù)據(jù)集同等數(shù)量的負(fù)樣本，從而形成負(fù)樣本數(shù)據(jù)集，將采集得到的負(fù)樣本數(shù)據(jù)集與正樣本數(shù)據(jù)集組合，組成基于隨機(jī)森林的山洪災(zāi)害評(píng)估模型的總樣本數(shù)據(jù)集。

為了避免偶然現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)以上步驟重復(fù)5次，即在負(fù)樣本可采樣區(qū)域內(nèi)重復(fù)隨機(jī)采樣5次，并分別與正樣本集組合，從而得到5組不同的總樣本數(shù)據(jù)集，以此來(lái)反映山洪災(zāi)害評(píng)估的一般規(guī)律。

另外，為了方便構(gòu)建模型和模型的驗(yàn)證，分別對(duì)5組總樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集的劃分，方法是運(yùn)用R語(yǔ)言對(duì)總樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行隨機(jī)劃分，將5組總樣本數(shù)據(jù)集中70%的樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，用于隨機(jī)森林模型的構(gòu)建，其余30%的樣本數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，用于對(duì)模型的測(cè)試和精度驗(yàn)證，保證研究的順利進(jìn)行。通過(guò)ArcGIS軟件提取樣本點(diǎn)上的9個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)，為之后隨機(jī)森林模型的構(gòu)建基礎(chǔ)。

2.3　隨機(jī)森林參數(shù)的選擇

在用R軟件中的函數(shù)random Forest時(shí)，函數(shù)會(huì)存在默認(rèn)的決策樹(shù)數(shù)量值以及決策樹(shù)節(jié)點(diǎn)分支所選變量個(gè)數(shù)。但是，在我們實(shí)際操作中，系統(tǒng)計(jì)算的默認(rèn)值不一定是最適用的，因此我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中需要通過(guò)不斷地嘗試計(jì)算出最優(yōu)值。

(1) mtry值的確定。在構(gòu)建模型的時(shí)候，一定要通過(guò)逐次計(jì)算來(lái)挑選最佳的mtry值。參數(shù)mtry的默認(rèn)值在分類(lèi)模型中是變量個(gè)數(shù)的二次根式，在回歸模型中則是變量個(gè)數(shù)的1/3。

本研究為構(gòu)建模型選取的影響因素為9個(gè)，為了得到最佳的變量個(gè)數(shù)，具體試驗(yàn)步驟為：(1) 設(shè)定決策樹(shù)數(shù)量為200，mtry的值從1取到9，進(jìn)行9次試驗(yàn)，得到9個(gè)模型的殘差平方和以及擬合優(yōu)度值；(2) 設(shè)定決策樹(shù)數(shù)量為1 000，再進(jìn)行上述重復(fù)的試驗(yàn)步驟，對(duì)比并分析兩組試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　不同變量個(gè)數(shù)隨機(jī)森林的殘差平方均值

由圖3看出，不管ntree值是200或者1 000，mtry值為2的時(shí)候殘差平方和最小，即mtry值為2時(shí)模型為最優(yōu)。

(2) ntree值的確定。在確定了mtry值之后，下一步則要確定最優(yōu)ntree值。一般ntree設(shè)置成一個(gè)較大的值即可，也可以不設(shè)置，隨機(jī)森林模型會(huì)自動(dòng)根據(jù)袋外誤差計(jì)算出適宜的ntree值。一般該參數(shù)值設(shè)為五百或者一千，但也不是完全固定的，還需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

從上一步的分析來(lái)看，最佳變量個(gè)數(shù)為2，即mtry值為2時(shí)模型為最優(yōu)，所以接下來(lái)進(jìn)行構(gòu)建相應(yīng)的隨機(jī)森林模型，設(shè)定模型中決策樹(shù)數(shù)量為200，500，1 000，分別進(jìn)行可視化分析，以此來(lái)確定決策樹(shù)數(shù)量。模型誤差與決策樹(shù)數(shù)量關(guān)系見(jiàn)圖4。

從圖4看出，當(dāng)ntree值約大于1 000之后，模型的誤差開(kāi)始變得平穩(wěn)，因此本文ntree值設(shè)為1 000，以此來(lái)構(gòu)建出最優(yōu)的模型。

2.4　隨機(jī)森林模型的建立

通過(guò)以上分析，確定了構(gòu)建隨機(jī)森林的最優(yōu)模型的參數(shù)值，其中最佳變量個(gè)數(shù)為2個(gè)，最優(yōu)的決策樹(shù)數(shù)量為1 000棵。利用5組訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)和參數(shù)值，在R中分別構(gòu)建出5個(gè)基于隨機(jī)森林的山洪災(zāi)害評(píng)估模型。研究表明，構(gòu)建的5個(gè)模型中決策樹(shù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)最少的為260個(gè)，而決策樹(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)最多的有360個(gè)。

圖4　不同決策樹(shù)數(shù)量情況下的模型誤差

3　結(jié)果與分析

3.1　指標(biāo)重要性分析

隨機(jī)森林模型可以提取出模型中各個(gè)變量的重要性度量結(jié)果，可以通過(guò)R軟件的隨機(jī)森林包計(jì)算出各自變量對(duì)于模型判別效果的重要程度，這個(gè)功能幫助決策者認(rèn)識(shí)并評(píng)估每個(gè)指標(biāo)對(duì)總風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)。這也是隨機(jī)森林模型的一大特點(diǎn)。更確切地說(shuō)，通過(guò)隨機(jī)森林模型的重要性分析計(jì)算出各個(gè)變量對(duì)模型分類(lèi)的影響程度，可以看出具體是哪些變量比較重要，在模型判別中具有重大的影響。

通過(guò)計(jì)算構(gòu)建出的5個(gè)隨機(jī)森林模型中各個(gè)影響因素對(duì)山洪災(zāi)害形成的重要程度，得到模型中山洪災(zāi)害影響因素的重要性排序圖，見(jiàn)圖5。其中IncMSE代表的是精度平均減少值，從圖5中可以看出，高程在構(gòu)建出的5個(gè)隨機(jī)模型中都是最重要的影響因素，表明高程對(duì)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)程度是最大的，可知江西省的山洪災(zāi)害跟高程有著密不可分的關(guān)系，可能對(duì)最終的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成起到了決定性的作用；地形指數(shù)、年暴雨天數(shù)、人口密度和年最大6 h暴雨均值是對(duì)山洪災(zāi)害比較重要的4個(gè)影響因素；而年最大10 min暴雨均值、年最大1 h暴雨均值、年降雨量和GDP則是不太重要的4個(gè)影響因素，表明這4個(gè)影響因素對(duì)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)程度比較小，尤其是GDP，在構(gòu)建出的5個(gè)隨機(jī)森林模型中均是最不重要的影響因素，說(shuō)明GDP對(duì)最終的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成起到的作用微乎其微。

3.2　基于隨機(jī)森林的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

將整個(gè)研究區(qū)的影響因素?cái)?shù)據(jù)輸入到構(gòu)建完成的5個(gè)隨機(jī)森林模型中，推測(cè)出整個(gè)研究區(qū)的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度值；然后進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，通過(guò)正態(tài)分布取值的方法來(lái)確定山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)閾值，進(jìn)而依次劃分出不用區(qū)域的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[29]。即：利用隨機(jī)森林計(jì)算出的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度值，將所有柵格單元按大小進(jìn)行排列，然后依次取單元總數(shù)的10%，20%，40%，20%，10%作為5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分級(jí)空間，分別對(duì)應(yīng)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很高、較高、中等、較低和很低5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3.3　精度分析

本研究從兩個(gè)方面進(jìn)行精度分析：其一，是評(píng)價(jià)隨機(jī)森林模型的建模精度，即統(tǒng)計(jì)隨機(jī)森林模型將訓(xùn)練樣本集正確分類(lèi)的比率，用來(lái)進(jìn)行衡量模型對(duì)于訓(xùn)練樣本集的擬合程度；其二，是評(píng)價(jià)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的精度，即根據(jù)歷史山洪災(zāi)害調(diào)查點(diǎn)數(shù)據(jù)與中等以上等級(jí)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的空間分布匹配度，來(lái)定量評(píng)估結(jié)果的精度。

(1) 建模精度的檢驗(yàn)。在這里設(shè)置了一個(gè)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度的閾值(比如0.5)，如果樣本所在位置的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度推測(cè)結(jié)果大于這個(gè)閾值，則認(rèn)為這個(gè)樣本分類(lèi)是正確的，否則為分類(lèi)錯(cuò)誤，如此就可以度量出測(cè)試樣本集分類(lèi)正確的比率(表2)。

表2　隨機(jī)森林模型中樣本分類(lèi)正確的比率

從表2可以看出，根據(jù)5組不同的樣本集構(gòu)建的隨機(jī)森林模型的訓(xùn)練樣本平均精度為99%以上，測(cè)試樣本精度在86%左右，測(cè)試平均精度為86.26%。通過(guò)分析可知，構(gòu)建的隨機(jī)森林模型都比較滿足精度要求。

(2) 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的驗(yàn)證。將基于隨機(jī)森林的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的5次結(jié)果做如下處理：在整個(gè)研究區(qū)的每個(gè)柵格單元上，對(duì)構(gòu)建的5個(gè)隨機(jī)森林模型得到的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度取平均值，計(jì)算出每個(gè)柵格單元的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度平均值，作為基于隨機(jī)森林方法的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最終結(jié)果。因此，山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖見(jiàn)圖6。

圖5　5個(gè)隨機(jī)森林模型中指標(biāo)重要性

圖6　基于隨機(jī)森林的江西省山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)

把山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖和歷史發(fā)生山洪點(diǎn)進(jìn)行疊加，最終在每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上與若干災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生重合，計(jì)算各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上重合的點(diǎn)數(shù)相對(duì)于總點(diǎn)數(shù)的占比，見(jiàn)表3。從表3中可以看出，與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中等及以上的區(qū)域重合的歷史發(fā)生山洪災(zāi)害點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)的86.96%。而與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很低的區(qū)域重合的歷史發(fā)生山洪災(zāi)害點(diǎn)多數(shù)處于河流發(fā)源地，人煙稀少。驗(yàn)證結(jié)果表明本研究最終得到的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃精度較高。

表3　歷史發(fā)生山洪災(zāi)害點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)表

綜上分析，我們發(fā)現(xiàn)隨機(jī)森林在山洪災(zāi)害的評(píng)估方面的精度完全滿足我們的研究需要，為下一步對(duì)江西省山洪災(zāi)害等級(jí)分區(qū)統(tǒng)計(jì)提供了理論支持。

3.4　山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)統(tǒng)計(jì)與分析

將基于隨機(jī)森林得出的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖進(jìn)行地級(jí)市分區(qū)的綜合統(tǒng)計(jì)分析。分別統(tǒng)計(jì)出在不同的隨機(jī)森林模型中，各地級(jí)市分區(qū)的5個(gè)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下所占面積的百分比和面積絕對(duì)值。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，南昌市中山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很低的面積占50%左右，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較低的面積也占了將近40%，而風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高和很高所占的面積幾乎為0，所以在南昌市范圍內(nèi)可能發(fā)生山洪災(zāi)害的區(qū)域幾乎沒(méi)有；在贛州、九江、鷹潭和吉安等市，山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很低和較低所占的面積大概在60%～70%，而風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高和很高的面積總共占了不到10%。

圖7　各地級(jí)市中不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下所占面積百分比

因此在這些地級(jí)市只有小部分區(qū)域可能會(huì)有山洪災(zāi)害的發(fā)生；在宜春、撫州、新余和萍鄉(xiāng)市，雖然山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很低和較低所占的面積在40%左右，且風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高和很高的面積只占了10%左右，但這些地級(jí)市的大部分區(qū)域處在的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等，因此大部分區(qū)域還是有山洪災(zāi)害發(fā)生的可能的；而在景德鎮(zhèn)市和上饒市，山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高和很高所占的面積比值是所有地級(jí)市中最高的，并且風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等的面積也占了30%以上，尤其是景德鎮(zhèn)市，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高和很高的面積占了40%以上，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很低和較低的面積占了不到15%，所以絕大部分的區(qū)域都是有山洪災(zāi)害發(fā)生的可能。

山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很高的區(qū)域面積絕對(duì)值中，上饒市是最大的，大概在1 500 km2以上，而山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高的區(qū)域面積絕對(duì)值中，上饒市也是最大的，接近4 000 km2；在景德鎮(zhèn)市，山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高和很高的面積絕對(duì)值也比較大，很高的面積絕對(duì)值在500 km2以上，較高的面積絕對(duì)值在2 000 km2左右；與其他市相比，九江市風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很高的面積絕對(duì)值比其他市的稍微高一點(diǎn)，贛州市、宜春市的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高的面積絕對(duì)值是比較大的，接近2 000 km2，但贛州市風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很低、較低和中等的區(qū)域面積絕對(duì)值都在12 000 km2左右；風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等的面積絕對(duì)值中，上饒市、宜春市、撫州市和吉安市是比較大的，都在8 000 km2左右；而南昌市、鷹潭市、新余市和萍鄉(xiāng)市可能因?yàn)槭忻娣e小，基本各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上的面積絕對(duì)值都不到2 000 km2。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，在景德鎮(zhèn)市和上饒市，山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很高和較高的區(qū)域不僅面積占比大，而且所占面積絕對(duì)值也很大；在贛州市和宜春市，山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很高和較高的面積占比雖然比較小，但由于市面積很大，所以風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很高和較高的面積絕對(duì)值都還是比較大的；而在南昌市和鷹潭市，山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很高和較高的面積百分比很小，面積絕對(duì)值也同樣是很小的。

4　結(jié) 論

(1) 隨機(jī)森林算法大大提升了計(jì)算速度，較好地解決非線性問(wèn)題，基于隨機(jī)森林的山洪災(zāi)害模型為山洪災(zāi)害的智能化評(píng)價(jià)提供了一種有效的途徑；(2) 將歷史山洪災(zāi)害點(diǎn)疊加到基于隨機(jī)森林構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型得出的風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖上，統(tǒng)計(jì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上歷史發(fā)生山洪災(zāi)害點(diǎn)的個(gè)數(shù)，驗(yàn)證隨機(jī)森林模型的精度為86.96%，說(shuō)明本文使用隨機(jī)森林評(píng)價(jià)江西省山洪災(zāi)害等級(jí)具有較高的準(zhǔn)確性；(3) 經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)上饒市和景德市山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高和很高的面積絕對(duì)值較大，說(shuō)明該區(qū)域發(fā)生山洪可能性較高造成損失較大，須預(yù)先做好相應(yīng)的防洪和抗洪措施。其次是贛州、九江和宜春等地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很高的面積絕對(duì)值也很大，政府亦需給予相應(yīng)重視；(4) 各地級(jí)市中不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下所占面積百分比來(lái)看，等級(jí)很高和較高所占面積百分比最多的依然是上饒市和景德市，其次是宜春、九江、贛州和萍鄉(xiāng)等地區(qū)，其他區(qū)域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)水平大多處于風(fēng)險(xiǎn)較低的等級(jí)，應(yīng)以災(zāi)害防治為主，同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)工作。

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