پهنه بندی حساسیت زمین لغزش با استفاده از مدل ماشین بردار پشتیبان (SVM) (مطالعه موردی: گردنه گویجه بل تا شهر اهر)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار ژئومورفولوژی، گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 استاد جغرافیای طبیعی، گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

10.48308/esrj.2026.243428.1311

چکیده

چکیده گسترده

مقدمه

زمین‌لغزش یکی از رایج‌ترین بلایای طبیعی است که می‌تواند جان انسان‌ها را تهدید کرده و به طور گسترده بر اکوسیستم طبیعی تأثیر منفی بگذارد (Tien Bui et al. 2012; Balamurugan et al. 2016; Dey et al., 2024). از نظر شدت، زمین‌لغزش‌ها هفتمین رخداد فاجعه‌آمیز در میان انواع خطرات زمین شناسی اتفاق افتاده در پوسته زمین محسوب می‌شوند (Nadim et al., 2006). زمین‌لغزش‌ها، به عنوان فرآیندهای طبیعی و رایج زمین‌شناسی در مناطق کوهستانی، تهدید جدی برای ایمنی انسان، زیرساخت‌های حمل‌ونقل، رشد اقتصادی و محیط‌های اکولوژیکی ایجاد می‌کنند. در حال حاضر، فراوانی زمین‌لغزش‌ها در سراسر جهان در حال افزایش است و کشورها با تهدید این بلایا روبه‌رو می باشند. به‌طور کلی، ارزیابی حساسیت زمین‌لغزش می‌تواند مبنایی برای پیشگیری و کنترل این پدیده فراهم کرده و مدیریت جامع و هدفمند را امکان‌پذیر سازد (He et al., 2025). از دهه 1960 تاکنون، روش‌های متعددی توسط پژوهشگران جهان توسعه یافته است. این روش‌ها معمولاً به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: مدل‌های دانش محور، مانند امتیازدهی کارشناسان، فرآیند تحلیل سلسله‌مراتبی (AHP)، منطق فازی، ارزیابی جامع فازی و مدل‌های داده محور که شامل روش‌های سنتی مانند ارزش اطلاعاتی، نسبت فراوانی (FR)، رگرسیون لجستیک و همچنین تکنیک‌های یادگیری ماشین مانند شبکه‌های عصبی مصنوعی (ANN)، ماشین بردار پشتیبان (SVM)، جنگل‌های تصادفی (RF) و درخت تصمیم هستند (He et al., 2025, Zhao et al., 2024). گردنه گویجه بل در استان آذربایجان شرقی به دلیل شرایط خاص توپوگرافی، زمین‌شناسی و اقلیمی خود مستعد وقوع زمین‌لغزش‌های متعدد و گسترده است. تکرار زمین‌لغزش‌ها نه تنها باعث تخریب منابع طبیعی شده بلکه تهدید جدی برای سکونتگاه‌های انسانی، زیرساخت‌ها و به ویژه مسیر مهم حمل‌ونقل تبریز-اهر ایجاد کرده است. بنابراین، شناسایی دقیق مناطق پرخطر و تهیه نقشه‌های قابل اعتماد حساسیت زمین‌لغزش می‌تواند نقش مهمی در کاهش خسارات انسانی و اقتصادی و افزایش ایمنی مسیرهای حمل‌ونقل، در این منطقه ایفا کند. این پژوهش با هدف ارزیابی و تهیه نقشه حساسیت زمین‌لغزش در مسیر گردنه گویجه‌بل تا شهر اهر، با بهره‌گیری از مدل ماشین بردار پشتیبان (SVM) و تحلیل نقش عوامل مؤثر انجام شده است.

مواد و روش‌ها

منطقه مورد مطالعه در شمال‌غرب ایران و در محدوده سیاسی استان آذربایجان‌شرقی قرار دارد و از نظر موقعیت جغرافیایی، بین '21°38 تا '29°38 عرض شمالی و '50°46 تا '02°47 طول شرقی واقع شده است. این محدوده با وسعتی در حدود 193 کیلومترمربع، بخش‌هایی از کوهستان‌های پیرامون گردنه گویجه‌بل را در بر می‌گیرد و تا نواحی غربی شهر اهر امتداد می‌یابد. داده‌های اصلی استفاده شده در این مطالعه شامل نقشه‌های توپوگرافی 1:50,000، نقشه‌های زمین‌شناسی 1:100,000، مدل رقومی ارتفاعی (DEM) با قدرت تفکیک 5/12 متر ماهواره ALOS-PALSAR، تصاویر ماهواره‌ای Sentinel-2 و تصاویر Google Earth هستند. برای تحلیل‌های مکانی و پردازش داده‌ها، نرم‌افزارهای ArcGIS، ENVI و SPSS Modeler به کار گرفته شد. روش اصلی مدل‌سازی زمین‌ لغزش در این مطالعه استفاده از مدل ماشین بردار پشتیبان (SVM) می باشد. این روش در دهه 1990 توسعه یافت و به دلیل کارایی بالا در الگوریتم‌های مختلف، به یکی از پرکاربردترین رویکردها در مدل سازی تبدیل شده است (Riaz et al., 2024). این مدل با دریافت داده‌های آموزشی شامل موقعیت زمین‌لغزش‌های گذشته و لایه‌های مؤثر، رابطه پیچیده بین عوامل مؤثر و وقوع زمین‌لغزش را می‌آموزد. سپس این رابطه به کل منطقه مطالعاتی تعمیم داده می‌شود تا نقشه پهنه‌بندی خطر تولید شود (Kavzoglu et al., 2014). سیاهه زمین‌لغزش به‌عنوان منبعی برای ارائه ثبت جامع رخدادهای تاریخی زمین‌لغزش موجود در محدوده مورد مطالعه شناخته می‌شود. نقشه سیاهه زمین‌لغزش (LIM) را می‌توان با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک بالا، عکس‌های هوایی، منابع و مطالعات پیشین و بررسی‌های میدانی گسترده تهیه کرد (Ali et al., 2022). در این روش، ابتدا نقشه پراکنش زمین‌ لغزش‌های تاریخی منطقه تهیه شد و سپس به دو مجموعه داده تقسیم گردید: 70 درصد از داده‌ها به‌منظور آموزش و ۳۰ درصد برای آزمایش استفاده شدند، در حالی که نقاط غیرزمین‌لغزش به‌طور تصادفی انتخاب گردیدند. سپس عوامل مؤثر بر زمین‌لغزش شامل ارتفاع، شیب، جهت شیب، سنگ‌شناسی، فاصله از گسل‌ها و شبکه‌های زهکشی، شاخص رطوبت توپوگرافی (TWI)، کاربری زمین و پوشش گیاهی در قالب داده های رستری آماده شدند. در مرحله بعد، مقادیر این لایه‌ها در محل نقاط آموزشی در محیط ArcGIS استخراج شد تا ماتریس داده‌ها تشکیل شود. مدل SVM با استفاده از این ماتریس و به‌کارگیری هسته تابع پایه شعاعی (RBF) آموزش دید و پارامترهای آن بهینه‌سازی شد. عملکرد مدل نهایی با داده‌های آزمون و معیارهایی مانند دقت کلی و منحنی ROC ارزیابی گردید. در پایان، مدل بر کل منطقه اعمال شد و نقشه نهایی پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش در پنج کلاس بسیار کم، کم، متوسط، زیاد و بسیار زیاد تولید گردید.

نتایج و بحث

این مطالعه با هدف تولید نقشه حساسیت زمین‌لغزش گردنه گویجه بل تا شهر اهر با استفاده از مدل SVM انجام شد. تحلیل شاخص‌های زمین‌شناسی نشان داد بیش از 98درصد زمین‌لغزش‌ها در ارتفاع بین 1450 تا 1750 متر رخ داده‌اند که 42درصد از آن‌ها به طور ویژه در کلاس ارتفاع ۱۶40 تا ۱۷40 متر متمرکز شده‌اند. تقریباً ۸۸درصد از زمین‌لغزش‌ها در شیب‌های کمتر از ۳۰درصد رخ داده‌اند و جهت شمال با سهم ۶۳درصد بیشترین میزان وقوع زمین‌لغزش را به خود اختصاص داده است. بررسی شاخص‌های زمین‌شناسی نشان‌دهنده نقش تعیین‌کننده سنگ‌شناسی در وقوع زمین لغزش است، به طوری که واحد PLQ-c (کنگلومرا غیر پیوسته با لایه‌های مارنی) تنها 44درصد منطقه را پوشش می‌دهد اما 95درصد زمین‌لغزش‌ها در آن رخ داده‌اند. از نظر هیدرولوژیکی، همپوشانی قابل توجهی بین مقادیر بالای شاخص رطوبت توپوگرافی (TWI) و توزیع مکانی زمین‌لغزش‌ها مشاهده شد، به طوری که 66 درصد زمین‌لغزش‌ها در فاصله 100 متری از شبکه‌های زهکشی رخ داده‌اند. در رابطه با کاربری زمین، حدود 70 درصد زمین‌لغزش‌ها در مناطق مرتعی اتفاق افتاده‌اند، اما NDVI الگوی واضحی نشان نداد. ارزیابی مدل SVM با هسته تابع پایه شعاعی (RBF) عملکرد بسیار خوبی را نشان داد، به طوری که مقدار AUC برای داده‌های آزمایشی برابر با 943/0 بود. بر اساس نتایج این مدل، سنگ‌شناسی با ضریب وزنی 268/0 مهم‌ترین عامل شناسایی شد و پس از آن ارتفاع (141/0) و شیب (138/0) به ترتیب عوامل مهم بعدی کنترل‌کننده وقوع زمین‌لغزش در منطقه مطالعه بودند. نقشه نهایی مناطق خطر نشان داد که اکثریت منطقه (حدود 54درصد) در دسته خطر بسیار کم و کم قرار دارند. همچنین حدود 3/21درصد منطقه در دسته خطر متوسط و 4/24 درصد در دسته خطر زیاد هستند. مناطق با خطر بالا عمدتاً بر روی سازند حساس PLQ-c در شیب‌های متوسط (10–30درصد) قرار دارند که مراکز اصلی زمین‌لغزش‌های بزرگ و فعال در منطقه محسوب می‌شوند. از این رو می‌توان نتیجه گرفت که رابطه قوی و معنی‌داری بین توزیع مکانی سازند PLQ-c و وقوع زمین‌ لغزش‌های بزرگ منطقه وجود دارد. نفوذ آب به لایه‌های کنگلومرایی با میان لایه‌ مارن و سیلت باعث افزایش فشار آب منفذی، کاهش اصطکاک داخلی و در نهایت تضعیف انسجام لایه‌ها می‌شود. در چنین شرایطی، شیب نقش قابل توجهی به عنوان عامل تسهیل‌کننده ایفا می‌کند. برای مثال، برخی از زمین‌لغزش‌های بزرگ و برجسته منطقه، از جمله زمین‌لغزش شرق روستای پیره یوسفیان، دقیقاً در مناطقی رخ داده‌اند که سازند PLQ-c دارای رخنمون قابل توجهی بوده و شرایط هیدرولوژیکی مساعد حاکم بوده است. شایان ذکر است، زمین‌لغزش‌ها در این سازند نه تنها بیشتر هستند بلکه وسعت و حجم بیشتری نیز دارند. به طور کلی، مناطق با حساسیت زیاد و بسیار زیاد می‌توانند به عنوان کانون های اصلی ناپایداری در منطقه مطالعه شناسایی شوند. شناسایی دقیق این مناطق خطر می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای محدود کردن ساخت‌وساز، پایش شیب‌ها و اجرای اقدامات پیشگیرانه جهت کاهش خسارات زمین‌لغزش در آینده مورد استفاده قرار گیرد.

نتیجه‌گیری

در این پژوهش، از مدل ماشین بردار پشتیبان (SVM) با هسته تابع پایه شعاعی (RBF) برای پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش در گردنه گویجه بل استفاده شد که عملکرد بالایی را نشان داد (میزان AUC داده‌های آموزش 943/0 و داده‌های آزمون 933/0). سنگ‌شناسی با ضریب وزنی 268/0 مهم‌ترین عامل مؤثر است و سازند PLQ-c بیش از ۹۵درصد از رخدادهای زمین‌لغزش را شامل می‌شود. سپس عوامل ارتفاع و شیب به ترتیب با ضرایب وزنی 141/0 و 138/0 تأثیرگذار بودند. زمین‌لغزش‌ها عمدتاً در ارتفاعات میانی (۱450–۱750 متر) و بر روی شیب‌های متوسط (۳۰–۱۰ درصد) رخ داده‌اند. عوامل پوشش زمین و کاربری اراضی نقش کم‌تری داشتند. پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش گردنه گویجه بل نشان می‌دهد که فرایندهای ساختاری و سنگ‌شناسی تأثیر غالب بر ناپایداری شیب‌ها دارند. نقشه پهنه‌بندی زمین لغزش منطقه، پنج کلاس خطر را نشان داد که حدود ۵۴ درصد از منطقه در کلاس‌های خطر کم و بسیار کم و ۲۴ درصد در کلاس خطر بالا قرار گرفت. مناطق با خطر بالا عمدتاً بر روی سازند PLQ-c و در شیب‌های متوسط واقع شده‌اند و نیازمند پایش و مدیریت مستمر هستند. نتایج نشان داد ترکیب SVM با داده‌های مکانی ابزاری مؤثر برای تهیه نقشه‌های حساسیت زمین‌لغزش و مدیریت بحران، برنامه‌ریزی محیطی و طراحی زیرساخت‌هاست. توجه ویژه به سازندهای مستعد (به‌ویژه سازند PLQ-c)، کنترل عوامل هیدرولوژیکی و پایش مناطق با شیب‌های متوسط از راهبردهای کلیدی کاهش خطر زمین‌لغزش در این منطقه به شمار می‌رود. یافته‌های این پژوهش می‌تواند مبنایی برای برنامه‌ریزی محیطی، مدیریت ریسک بلایا، طراحی زیرساخت‌ها و برنامه‌ریزی کاربری اراضی در منطقه مورد مطالعه باشد. اگرچه نتایج این پژوهش نشان‌دهنده عملکرد قوی مدل است، پیشنهاد می‌شود در مطالعات آتی، مدل‌های جایگزین به‌منظور بهبود دقت پیش‌بینی حساسیت زمین‌لغزش مورد بررسی قرار گیرند.

واژگان کلیدی: مخاطرات دامنه ای، زمین لغزش، مدل ماشین بردار پشتیبان (SVM)، گردنه گویجه بل.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Landslide Susceptibility Zoning Using Support Vector Machine (SVM) Model (From Goujebel Pass to Ahar City)

نویسندگان [English]

  • masoud rahimi 1
  • Seyed Reza Hosseinzadeh 2
1 Assistant Professor of Geomorphology, Geography Department, Faculty of Literature and Humanities, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Professor of Physical Geography, Geography Department, Faculty of Literature and Humanities, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Extended Abstract

Introduction

Landslide is one of the most frequent natural hazards, capable of threatening human lives and negatively impacting the natural ecosystem on a larger scale (Tien Bui et al. 2012; Balamurugan et al. 2016; Dey et al., 2024). In terms of severity, landslides rank as the seventh most catastrophic event among the various geohazards occurring on the Earth's crust (Nadim et al., 2006). Landslides, as common natural geological processes in mountainous areas, present serious threats to human safety, transportation infrastructure, economic growth, and ecological environments. Currently, landslides are increasing worldwide, and countries around the globe are experiencing the threat of landslide disasters. In general, landslide susceptibility evaluation can offer a basic foundation for landslide prevention and control, enabling comprehensive management with targeted emphasis (He et al., 2025). Since the 1960s, numerous methods have been developed by researchers worldwide. These methods are generally classified into two main categories: knowledge-driven models, such as expert scoring, analytic hierarchy process (AHP), fuzzy logic, and fuzzy comprehensive evaluation; and data-driven models, which include traditional approaches like information value, frequency ratio (FR), and logistic regression, as well as machine learning techniques such as artificial neural networks (ANN), support vector machines (SVM), random forests (RF), and decision tree models (He et al., 2025, Zhao et al., 2024). The Goujebel pass in East Azerbaijan Province is prone to numerous and large-scale landslides due to its specific topographic, geological, and climatic conditions. The frequent occurrence of landslides has not only caused the destruction of natural resources but has also become a serious threat to human settlements, infrastructure, and particularly the key Tabriz–Ahar transportation corridor. Therefore, accurately identifying high-risk areas and producing reliable landslide susceptibility maps can play a crucial role in reducing human and economic losses and improving the safety of transportation routes in this region. The objective of this research is to assess and map landslide susceptibility in the area from the Goujebel Pass to Ahar City using the Support Vector Machine (SVM) model and to analyze the role of influencing factors.

Material and methods

The study area is located in northwestern Iran, within East Azerbaijan Province. Geographically, it lies between 38°21' and 38°29' north latitude and 46°50' to 47°02' east longitude. Covering an area of approximately 193 square kilometers, it encompasses sections of the mountains surrounding the Goujebel Pass and extends to the western of the city of Ahar. The primary data used in this study include 1:50,000 topographic maps, 1:100,000 geological maps, a digital elevation model (DEM) with a resolution of 12.5 meters from the ALOS-PALSAR satellite, as well as Sentinel-2 satellite imagery and Google Earth images. For spatial analyses and data processing, ArcGIS, ENVI, and SPSS Modeler software were used. The main method for landslide modeling in this study is the use of the Support Vector Machine (SVM) model. This method was developed in the 1990s and, due to its high efficacy in various algorithms, is recognized as one of the most widely used approaches (Riaz et al., 2024). This model learns the complex relationship between effective factors and landslide occurrence by being trained on a dataset consisting of historical landslide locations and contributing factor layers. The learned relationship is then extrapolated to the entire study region to create a susceptibility map (Kavzoglu et al., 2014). A landslide inventory is recognized for providing a comprehensive record of historical landslide events currently present in the study area. The landslide inventory map (LIM) can be developed using high-resolution satellite imagery, aerial photographs, previous literature documenting landslides, and extensive field surveys (Ali et al., 2022). In this method, a historical landslide distribution map of the study area was first prepared and then divided into two datasets: 70% for training and 30% for testing, while non-landslide points were also randomly selected. Subsequently, the landslide conditioning factors including variables such as elevation, slope, aspect, lithology, distance to faults and drainage networks, the Topographic Wetness Index (TWI), land use, and vegetation cover were prepared in raster format. In the next step, the values of these layers at the locations of the training points were extracted in the ArcGIS environment to construct the data matrix. The SVM model was trained using this matrix with the application of the radial basis function (RBF) kernel, and its parameters were optimized. The performance of the final model was evaluated using the testing data and metrics such as overall accuracy and the ROC curve. Finally, the model was applied to the entire study area, and the final landslide hazard zonation map was produced in five classes: very low, low, moderate, high, and very high.

Result and discussion

This study aimed to produce a landslide susceptibility map of the Goujebel pass using a Support Vector Machine (SVM) model. Analysis of geomorphological indices showed that more than 98% of the landslides occurred at elevations between 1,450 and 1,750 m, with 42% of them specifically concentrated in the 1,640–1,740 m elevation class. Approximately 88% of the landslides occurred on slopes of less than 30%, and the north aspect, accounting for 63%, was the most significant slope direction for landslide occurrence. The study of geological indicators showed the determining role of lithology, such that the PLQ-c unit (discontinuous conglomerate with marly interlayers) covers only 44% of the area but hosts 95% of the landslides. From a hydrological perspective, a significant overlap was observed between high values of the Topographic Wetness Index (TWI) and the spatial distribution of landslides, with 66% of the landslides occurring within 100 m of drainage networks. Regarding land cover, approximately 70% of the landslides occurred in rangeland areas; however, the NDVI did not exhibit a clear pattern. Evaluation of the Support Vector Machine (SVM) model with a radial basis function (RBF) kernel demonstrated very good performance, with an AUC value of 0.933 for the testing dataset. Based on the results of this model, lithology, with an importance coefficient of 0.268, was identified as the most influential factor, followed by elevation (0.141) and slope (0.138) as the next most significant factors controlling landslide occurrence in the study area. The final hazard zonation map showed that the majority of the area (approximately 54%) is classified as very low and low hazard, about 21.3% of the area is classified as moderate hazard, and 24.4% falls within the high hazard class. High-hazard zones are primarily located on the sensitive PLQ-c formation on moderate slopes (10–30%), which represent the main centers of large and active landslides in the area. Therefore, it can be concluded that a strong and significant relationship exists between the spatial distribution of the PLQ-c formation and the occurrence of major landslides in the region. Water infiltration into conglomerate layers with marl and silt interbeds leads to an increase in pore water pressure, a reduction in internal friction, and ultimately weakens the cohesion of the layers. Under such conditions, the slope gradient plays a significant role as a facilitating factor. For example, some of the large and prominent landslides in the study area, including the one located east of Pireh-Yousefian village, have occurred precisely in areas where the PLQ-c Formation has a significant outcrop and where favorable hydrological conditions have prevailed. Notably, landslides within this formation are not only more frequent but also larger in area and volume. In general, zones with high and very high landslide susceptibility can be identified as the primary centers of instability within the study area. The accurate identification of these hazard zones can serve as a basis for restricting construction development, monitoring slopes, and implementing preventive measures to reduce future landslide damage.

Conclusion

The present study employed the SVM model with an RBF kernel to perform landslide hazard zonation in the Goujebel area, demonstrating high performance (training AUC = 0.943 and testing AUC = 0.933). Lithology, with a coefficient of 0.268, was the most important factor, and the PLQ-c formation accounted for over 95% of the landslides. Next, elevation and slope were influential factors, with coefficients of 0.141 and 0.138, respectively. Landslides mainly occurred at mid-elevations (1450–1750 m) and on moderate slopes (10–30%). Land cover and land use factors played a lesser role. The landslide hazard zonation of the Goujebel area indicates that structural and lithological controls have a dominant influence on slope instability. The zonation map of the area showed five hazard classes, with approximately 54% of the area classified as low and very low hazard, and 24% as high hazard. High hazard areas are primarily located on the PLQ-c formation and on moderate slopes, requiring continuous monitoring and management. The results demonstrated that combining SVM with spatial data is an effective tool for producing landslide susceptibility maps and supporting disaster management, environmental planning, and infrastructure design. Special attention to susceptible formations (particularly the PLQ-c formation), control of hydrological factors, and monitoring of areas with moderate slopes are among the key strategies for reducing landslide risk in this region. The findings of this research can serve as a basis for environmental planning, disaster risk management, infrastructure design, and land-use planning in the study area. Although the study demonstrates strong performance, future research is encouraged to explore alternative models to further enhance landslide susceptibility predictions.

Keywords: Slope Hazard, Landslide, Support Vector Machine (SVM) model, Goujebel Pass

کلیدواژه‌ها [English]

  • Slope Hazard
  • Landslide
  • Support Vector Machine (SVM) model
  • Goujebel Pass