周 雨，肖 雯，李三角，謝克勇

（江西省氣象服務(wù)中心，江西 南昌 330096）

0 引言

江西省三面環(huán)山，中部丘陵起伏，亞熱帶季風(fēng)氣候和復(fù)雜的山區(qū)地形導(dǎo)致境內(nèi)交通生態(tài)環(huán)境極其脆弱，公路地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2020年全省公路滑坡、泥石流、塌方等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量300 余起，其中有90%以上由強(qiáng)降水引起，對(duì)沿線交通設(shè)施、人民群眾的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。因此，加強(qiáng)山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)和防治工作具有重要意義。

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)是一種基于氣象條件與地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空關(guān)系特征，研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性的方法，其核心是地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)模型研究。傳統(tǒng)的關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)模型研究歸納起來(lái)可分為統(tǒng)計(jì)模型和動(dòng)力模型兩大類[2]。最初，在獲取足夠多且具有統(tǒng)計(jì)意義的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的基礎(chǔ)上，劉傳正等[3]、白利平等[4]、湯人杰等[5]、呂小波等[6]利用計(jì)模型計(jì)算誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的臨界雨量閾值。此后，劉傳正等[7]、狄靖月等[8]、張海磊等[9]將氣象風(fēng)險(xiǎn)的理念應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)領(lǐng)域，將地質(zhì)環(huán)境條件做為承災(zāi)體的脆弱性納入預(yù)報(bào)模型中，取得了較好的效果。統(tǒng)計(jì)模型主要依靠臨界雨量的分析，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)讀取快速、用戶使用便捷，但是并未考慮降水入滲與產(chǎn)匯流等水文過(guò)程的影響。動(dòng)力模型正好彌補(bǔ)了上述不足，劉艷輝等[10]通過(guò)分析降雨-滲流-災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理過(guò)程，耦合水文地質(zhì)模型與斜坡穩(wěn)定性力學(xué)模型；ZHANG 等[11]、包紅軍等[12]、PAN 等[13]綜合分析了地表降水和入滲徑流造成土體邊坡失穩(wěn)條件引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的機(jī)理過(guò)程。由于模型及參數(shù)的不確定因素，動(dòng)力模型應(yīng)用尚處于實(shí)驗(yàn)室或小范圍研究階段。

近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，KAIN 等[14]、劉艷輝等[10]、包紅軍等[15]、黃發(fā)明等[16]、孫德亮[17]、黃露[18]、劉福臻等[19]、董力豪等[20]的文章應(yīng)用了邏輯回歸、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。本文以江西省高速公路為例，利用國(guó)家氣象站觀測(cè)雨量數(shù)據(jù)、江西省高速公路沿線交通氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情數(shù)據(jù)，分析高速公路沿線地質(zhì)環(huán)境條件和雨量特征。進(jìn)一步基于支持向量機(jī)SVM、邏輯回歸、K 近鄰和隨機(jī)森林4 種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，開展公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)研究，以期為山區(qū)高速公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

江西地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，短時(shí)大暴雨或連續(xù)性降雨使得公路地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。由江西省交通廳應(yīng)急指揮中心發(fā)布的道路管制數(shù)據(jù)分析可知，僅2020年全省發(fā)生公路滑坡、泥石流、塌方等地質(zhì)災(zāi)害300 余起，其中90%以上由強(qiáng)降水引起，導(dǎo)致道路遭到不同程度損毀，交通運(yùn)行安全受到極大的影響。本研究選取江西省內(nèi)主要高速公路為研究對(duì)象，所屬區(qū)域東、西、南三面環(huán)山，中間丘陵起伏，北部為鄱陽(yáng)湖及平原。如圖1 所示，江西高速公路沿線高差大多在50 m以上，地勢(shì)變化顯著，坡度平陡不一，河網(wǎng)密集，植被覆蓋差異顯著，復(fù)雜的地形地貌和降水差異使得江西高速公路各路段呈現(xiàn)明顯的小氣候特征。江西省主要高速公路概況如表1 所示。

表1 江西省主干高速公路概況Table 1 Overview of main highways in Jiangxi Province

圖1 江西省高速公路沿線情況Fig.1 Distribution of along highways in Jiangxi Province

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源和質(zhì)量控制

研究所用的公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)由江西省交通運(yùn)輸廳應(yīng)急指揮中心提供，時(shí)段為2015—2020年，包括災(zāi)害時(shí)間、類別、接報(bào)時(shí)間、阻斷位置、通行情況等，并對(duì)災(zāi)害記錄進(jìn)行逐條梳理，保留與降雨相關(guān)的災(zāi)害記錄。同期氣象觀測(cè)站點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)源于江西省氣象信息中心，為彌補(bǔ)道路沿線雨量數(shù)據(jù)不足帶來(lái)的分析困難，基于ArcGIS 空間插值功能得到道路沿線地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)雨量。考慮到氣象觀測(cè)站點(diǎn)與高速公路有一定距離，可能造成空間插值出現(xiàn)偏差，因此在插值時(shí)選取空間匹配站點(diǎn)最大距離不超過(guò)3 km，最近為500 m，插值結(jié)果驗(yàn)證時(shí)，檢測(cè)剔除訂正異常值，保證時(shí)空要素的一致性，同時(shí)泰和-井岡山高速公路沿線雨量還對(duì)比了沿線交通氣象觀測(cè)站點(diǎn)雨量，效果理想。基礎(chǔ)地理信息DEM 高程數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站SRTM 地形數(shù)據(jù)（http://www.gscloud.cn），空間分辨率為90 m×90 m。植被指數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所（https://www.resdc.cn/Default.aspx），空間分辨率為1 km。

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)方法介紹

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警最終要預(yù)報(bào)的只是“發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害”或“不發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害”，這實(shí)質(zhì)上是一種分類或回歸預(yù)測(cè)問(wèn)題，常用的解決該類問(wèn)題的機(jī)器學(xué)習(xí)方法有SVM、K 近鄰、邏輯回歸、隨機(jī)森林等。

SVM 方法是一種基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化理論求解凸二次規(guī)劃的最優(yōu)化算法，可高效處理小樣本、非線性的分類和回歸問(wèn)題[21]，因而在圖像分析[22]、要素預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)挖掘[23]等領(lǐng)域取得了較好的實(shí)踐效果。本次訓(xùn)練中，考慮到地質(zhì)災(zāi)害樣本的非線性特征，以降雨影響因子為輸入向量，將輸入向量映射投影到更高維的空間中，并在這個(gè)高維空間中尋找輸入變量和輸出變量的線性關(guān)系進(jìn)而做出預(yù)報(bào)。映射函數(shù)的選擇是模型結(jié)果好壞的關(guān)鍵，多次對(duì)比試驗(yàn)后選取高斯函數(shù)為映射函數(shù)，見式（1）。SVM 方法雖然分類思想簡(jiǎn)便，但是對(duì)機(jī)理過(guò)程解釋不佳。

式中：σ——核光滑參數(shù)，其值大小取決于樣本容量，通常采用交叉驗(yàn)證方法確定。

邏輯回歸和 K 近鄰算法既可作為一種分類方法，也可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)因變量與一組自變量之間的回歸分析，相較于SVM 方法更為靈活。使用邏輯回歸模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害概率預(yù)測(cè)時(shí)，需選取相對(duì)獨(dú)立的因子。K 近鄰方法將降雨誘發(fā)因子做為樣本特征參數(shù)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與否做為目標(biāo)向量，通過(guò)距離公式尋找距離目標(biāo)最近的k個(gè)點(diǎn)（即k個(gè)“近鄰”），而后通過(guò)這k個(gè)“近鄰”所提供的信息，對(duì)新樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，將出現(xiàn)最多次的預(yù)測(cè)類別或者目標(biāo)標(biāo)簽平均值作為預(yù)測(cè)結(jié)果的一種經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。K 近鄰方法穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高、對(duì)異常值不敏感，但與SVM 方法一樣對(duì)于機(jī)理釋用比較困難。隨機(jī)森林是一種有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該方法通過(guò)bootstrap 重抽樣技術(shù)，從原始訓(xùn)練集中有放回地抽取多個(gè)樣本生成新的樣本集，由此構(gòu)建多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的決策樹，最終綜合得到最優(yōu)分類結(jié)果。相較于前述3 種方法，隨機(jī)森林在樣本選取方面更具隨機(jī)性，且無(wú)須進(jìn)行預(yù)處理，泛化能力更優(yōu)，能有效避免過(guò)擬合。

本研究基于python 語(yǔ)言，構(gòu)建基于SVM、邏輯回歸、K 近鄰和隨機(jī)森林4 種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，比較不同模型的預(yù)報(bào)效果，目的是研發(fā)精細(xì)化的山區(qū)高速公路氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，更好地開展交通氣象保障服務(wù)，為公眾正常出行和社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展保駕護(hù)航。

2.3 模型構(gòu)建

訓(xùn)練樣本集的構(gòu)建是基于人工智能學(xué)習(xí)研發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)模型的根本[15]，一定程度上直接決定了模型預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度和泛化能力。研究表明，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展是地質(zhì)環(huán)境和降雨條件共同作用的結(jié)果，因此本研究模型訓(xùn)練樣本綜合考慮了兩方面的屬性，其中地質(zhì)環(huán)境條件做為易發(fā)性因子，包括地形、坡度、高程、河網(wǎng)密度、植被覆蓋5 個(gè)地質(zhì)環(huán)境特征項(xiàng)；降雨條件做為危險(xiǎn)性因子，根據(jù)劉艷輝等[15]研究方法，綜合考慮小時(shí)雨量、前0—2 h 雨量、前0—11h 雨量、前0—2d 有效雨量、前10 d 有效雨量以及前15 d 有效雨量等6 個(gè)雨量特征項(xiàng)。利用2015—2020年江西境內(nèi)高速公路地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)地質(zhì)環(huán)境與同期雨量氣象數(shù)據(jù)構(gòu)進(jìn)行空間疊加分析構(gòu)建正樣本集，選取同等數(shù)目的上述同期未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)構(gòu)建負(fù)樣本集。本次試驗(yàn)共收集716 樣本，按照7∶3 比例劃分樣本訓(xùn)練集和測(cè)試集，樣本構(gòu)建及訓(xùn)練流程如圖2 所示。

圖2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)路線圖Fig.2 Road geological disaster prediction technology roadmap based on machine learning methods

3 結(jié)果與討論

3.1 地質(zhì)環(huán)境特征

采用研究區(qū)的DEM 數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)ArcGIS 柵格表面分析、掩膜提取、自然斷點(diǎn)分級(jí)法等處理后，得到高速公路沿線地質(zhì)環(huán)境因子。分析可知，江西省主要高速公路沿線地形極為復(fù)雜，高速沿線海拔高度范圍為0～600 m，公路東北段和南段海拔高度普遍在200 m 以上，局部路段超過(guò)450 m；公路沿線坡度范圍為0°～35°，東北段20°～35°。坡向分布上，公路沿線坡向?yàn)?°～360°，不同地域間差異不顯著。公路附近的河網(wǎng)密度值為0.1～1.3km/km2之間，除鄱陽(yáng)湖外，中部和東北部路段沿線河網(wǎng)密集。植被覆蓋上，歸一化植被指數(shù)指數(shù)值為0.2～0.7，環(huán)鄱陽(yáng)湖路段植被覆蓋相對(duì)較低。進(jìn)一步將地質(zhì)環(huán)境因子關(guān)聯(lián)到災(zāi)害點(diǎn)，分析災(zāi)害點(diǎn)附近地質(zhì)特征可知：江西高速沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)海拔高度為300～450 m，占總數(shù)73%；災(zāi)害所處的坡度范圍為10°～50°，數(shù)量隨地形坡度增加呈現(xiàn)單峰型分布；這是因?yàn)槠露仍龃?，斜坡坡面附近?yīng)力增加，坡腳應(yīng)力集中，導(dǎo)致斜坡不穩(wěn)定繼而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。坡向分布上，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)各個(gè)坡向在0°～360°均有發(fā)生。地質(zhì)災(zāi)害附近河網(wǎng)密度值為0.5～1.0，占災(zāi)害總數(shù)的70%，河網(wǎng)越密集，越容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。高速沿線地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)植被指數(shù)歸一化植被指數(shù)值為0.3～0.6，表明有一定的植被覆蓋地區(qū)反而更容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 降雨特征

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2015—2020年江西省公路地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，其中崩塌、山體滑坡、泥石流、地面塌陷災(zāi)害占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的88%。受強(qiáng)降雨影響，地表水迅速匯集沖刷坡腳或滲入坡體軟化巖土，重力作用使得位于公路邊坡上的巖土體突然脫離母體，從而堆積在公路路基上造成災(zāi)害。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害有影響的降雨一般發(fā)生在地質(zhì)災(zāi)害前15 d 內(nèi)[24-25]，且不同的降雨類型誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度不同[26-27]，因此本文在分析地質(zhì)災(zāi)害與降雨關(guān)系時(shí)，綜合考慮了災(zāi)害發(fā)生前14 d 的總有效雨量和降雨持續(xù)時(shí)間2 個(gè)因子，進(jìn)一步建立合理的判別依據(jù)，明確誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨特征。

目前計(jì)算有效雨量普遍采用的是API 方法，計(jì)算有效雨量，計(jì)算公式如下：

式中：RE——有效雨量，表示從災(zāi)害發(fā)生時(shí)次的當(dāng)天算起（災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日=0，災(zāi)害發(fā)生前1 d，i=1，前2 d，i=2）的雨量；

Ki——第i個(gè)遞減系數(shù)；

Ri——災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日算起，前第i天降水量/mm。

在對(duì)降雨誘發(fā)的358 例地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析時(shí)，定義P為降雨量誘發(fā)公路地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)率，根據(jù)降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，引入判別系數(shù)D和P對(duì)致災(zāi)降雨特征進(jìn)行分類，公式如下：

由表2 計(jì)算得到D≈0.51 。根據(jù)式（3）（4），當(dāng)P0-2d=R0-2d/R0-14d≤D時(shí)，認(rèn)為該次公路地質(zhì)災(zāi)害是由于長(zhǎng)歷時(shí)降雨造成的；當(dāng)P0-2d=R0-2d/R0-14d>D時(shí)，認(rèn)為該次公路地質(zhì)災(zāi)害是由于短期降雨造成的；當(dāng)R0-11h/R0-2d>0.8時(shí)，則認(rèn)為該次公路地質(zhì)災(zāi)害是由于短時(shí)強(qiáng)降雨造成的。通過(guò)計(jì)算得到，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨包括長(zhǎng)歷時(shí)降雨、短期降雨和短時(shí)降雨3 種類型：其中長(zhǎng)歷時(shí)降雨一般認(rèn)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日前有連續(xù)性降雨，累計(jì)雨量在50 mm 以上；短期降雨為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日及前2 d有降雨，累計(jì)雨量在50 mm 以上；短時(shí)降雨為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)時(shí)及前11 時(shí)以內(nèi)降雨，累計(jì)雨量在30 mm 以上。當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生前有降雨，但是累計(jì)雨量達(dá)不到30 mm 以上的，暫不考慮是降雨誘發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害；當(dāng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)滿足短時(shí)、短期或長(zhǎng)歷時(shí)中兩種或兩種以上時(shí)，優(yōu)先考慮是由長(zhǎng)歷時(shí)降雨引起，其次是短期或短時(shí)降雨。圖3 給出了各類降雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害分布，分析可知358 條公路地質(zhì)災(zāi)害記錄中，193 次公路地質(zhì)災(zāi)害是由于長(zhǎng)歷時(shí)降雨造成的，主要分布在大廣高速、昌九高速、滬昆高速萍鄉(xiāng)至新余段；143 次公路地質(zhì)災(zāi)害是由于短期降雨造成的，主要分布在G45 大廣高速武寧-上高段和吉安-南康段、寧定高速、G76 廈蓉高速；僅6%是由短時(shí)降雨造成的，主要分布在G56杭瑞高速、G60 滬昆高速萍鄉(xiāng)-新余段?？傮w而言，江西主要高速公路地質(zhì)災(zāi)害大多是由長(zhǎng)歷時(shí)降雨和短期降雨造成的，由短時(shí)臨近降雨造成的公路地質(zhì)災(zāi)害情況占比較少。

表2 有效雨量衰減系數(shù)表Table 2 Table of effective rainfall attenuation coefficients

圖3 地質(zhì)災(zāi)害不同降雨型分布Fig.3 Distribution of geological disasters for different rainfall types

3.3 結(jié)果分析

基于測(cè)試樣本，對(duì)4 種常用機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，分析結(jié)果顯示4 種預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率均超過(guò)0.75，對(duì)比各模型的準(zhǔn)確率和模型泛化能力指標(biāo)可知：對(duì)于不同的降雨類型造成的地質(zhì)災(zāi)害而言，4 種模型對(duì)連續(xù)性降雨造成的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最好，其次為短期降雨造成的地質(zhì)災(zāi)害，短時(shí)降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)效果最不理想。這是因?yàn)槎虝r(shí)降雨具有突發(fā)性，因而造成的地質(zhì)災(zāi)害也具有瞬時(shí)性和不可預(yù)見性。對(duì)比同一降雨類型可知：對(duì)于短時(shí)降水，邏輯回歸和隨機(jī)森林方法預(yù)報(bào)效果相對(duì)較好，準(zhǔn)確率都在0.82 以上，SVM方法和K 近鄰方法預(yù)報(bào)效果不太理想，準(zhǔn)確率分別為0.732 和0.785，AUC分別為0.756 和0.825，二者均存在漏報(bào)較多的情況。對(duì)于短期降水，K 近鄰和隨機(jī)森林方法預(yù)報(bào)效果較好，準(zhǔn)確率分別為0.863 和0.924，AUC分別為0.756 和0.925。對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)降水，邏輯回歸和隨機(jī)森林預(yù)報(bào)較為理想，準(zhǔn)確度都在0.95 以上，AUC值為0.94 以上。綜合而言，4 種模型中邏輯回歸模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率最高，為0.949，模型泛化能力為0.944；其次為隨機(jī)森林模型，準(zhǔn)確率為0.918，模型泛化能力為0.917；K 臨近和SVM 模型相比較而言，效果不太理想。各模型的泛化曲線如圖4 所示。

圖4 4 種機(jī)器學(xué)習(xí)模型ROC 泛化曲線Fig.4 ROC curves of the four machine learning models

4 案例應(yīng)用

以2020年6 月8—9 日江西省一次強(qiáng)降水過(guò)程誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害為例，基于邏輯回歸模擬江西省2020年6 月8 日高速公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)運(yùn)行，模型輸出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，依據(jù)概率大小確定預(yù)警等級(jí)：當(dāng)概率P≤40%為低（較低）風(fēng)險(xiǎn)，不發(fā)預(yù)警；當(dāng)概率P>40%且P≤60%為中風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)布高速公路地質(zhì)災(zāi)害黃色預(yù)警；當(dāng)P>60%且P≤80%為較高風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)布高速公路地質(zhì)災(zāi)害橙色預(yù)警；當(dāng)概率P>80%為高風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)布高速公路地質(zhì)災(zāi)害紅色預(yù)警，結(jié)果如圖5 所示。據(jù)江西省交通監(jiān)控指揮中心提供的數(shù)據(jù)，2020年6 月8 日全省高速公路有8 處發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，主要分布在德昌高速、濟(jì)廣高速贛州至泉南段、滬昆高速萍鄉(xiāng)至豐城段，均落在高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警路段內(nèi)。

圖5 2020年6 月8 日江西省高速公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)Fig.5 Geological disaster forecast for Jiangxi Province highways on June 8,2020

5 討論

本文基于4 種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，開展了針對(duì)不同降雨類型誘發(fā)的公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)研究，這在目前國(guó)內(nèi)外公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)研究中是一種創(chuàng)新。陶星宇等[1]對(duì)林芝市公路地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性開展了區(qū)劃，基于邏輯回歸方法建立了氣象預(yù)報(bào)模型，但并未對(duì)造成災(zāi)害的雨量進(jìn)行分類研究，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不及本研究分類型預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。陳華興[28]基于穩(wěn)定性系數(shù)、臨界降雨強(qiáng)度等各類滑坡預(yù)報(bào)判據(jù)，開展公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)，其對(duì)所預(yù)報(bào)路段地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)要求較高，普適性不強(qiáng)。李宇梅等[29]開展區(qū)域公路地質(zhì)災(zāi)害臨界雨量預(yù)報(bào)，該預(yù)報(bào)只考慮了降雨因子，并未考慮地質(zhì)環(huán)境條件，在實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)經(jīng)常會(huì)存在漏報(bào)的情況。盡管本文研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)江西省高速公路地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警，但仍存在一定的局限性，如地質(zhì)環(huán)境特征只考慮了高差、坡度和坡向，并未考慮發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的坡體類型，而實(shí)際上不同的坡體類型或地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與否影響重要。劉洋[30]研究表明，由土體組成的坡體較堅(jiān)硬巖層坡體在強(qiáng)降雨作用下更容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。其次，劃分的3 種誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害降雨類型并不是有嚴(yán)格的界定，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨類型多樣，有時(shí)是一種或者多種類型混合，如臺(tái)風(fēng)降雨造成的地質(zhì)災(zāi)害既可能存在短時(shí)強(qiáng)降雨，也可能是短期降雨。再者，模型預(yù)報(bào)效果與樣本數(shù)量有關(guān)，基于短時(shí)降雨預(yù)報(bào)效果較差，除了短時(shí)降雨的突發(fā)性外，可能與用于訓(xùn)練的樣本較少也有一定的關(guān)系，這在我們的后續(xù)研究中將收集更多的地質(zhì)災(zāi)害記錄來(lái)改進(jìn)。

6 結(jié)論

（1）提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警方法，綜合考慮地質(zhì)環(huán)境因子和降雨因子構(gòu)建預(yù)報(bào)模型，構(gòu)建正負(fù)樣本集、訓(xùn)練集和測(cè)試集，實(shí)現(xiàn)模型保存和調(diào)用。

（2）探討了高速公路地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)江西高速公路沿線地質(zhì)災(zāi)害所處的海拔高度以300～450 m 最多；災(zāi)害坡度以20°～35°居多，隨地形坡度增加呈現(xiàn)單峰型分布；河網(wǎng)密集和有一定的植被覆蓋地區(qū)更容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。提出了誘發(fā)公路地質(zhì)災(zāi)害的3 種主要降雨類型，分別為長(zhǎng)歷時(shí)降雨、短期降雨和短時(shí)降雨，其中以長(zhǎng)歷時(shí)降雨和短期降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害居多。

（3）分析了4 種機(jī)器學(xué)習(xí)模型優(yōu)缺點(diǎn)，比較各模型在不同降雨類型誘發(fā)的公路地質(zhì)災(zāi)害中的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、模型泛化能力AUC和ROC 曲線，并給出了模型輸出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率及相應(yīng)的預(yù)警等級(jí)。以2020年6 月8—9 日江西省一次強(qiáng)降水過(guò)程誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害為例開展實(shí)例校驗(yàn)，結(jié)果顯示：當(dāng)日8 處發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害均落在高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警路段內(nèi)，上述預(yù)報(bào)模型預(yù)警效果較好，可做為實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)參考。