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基于机器学习的土壤侵蚀空间分布预报及影响因子分析——以西南高山峡谷区云南省云龙县为例

2025-05-16 19:0130下载
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文件大小:3.4M

  土壤侵蚀预报对区域生态修复和水土保持具有重要作用。由于受地域特异性影响,土壤侵蚀经验模型在不同地区使用时需进行参数率定和校验,时间和人力成本高。本研究通过集成前人研究成果并结合研究区特点,确定土壤侵蚀特征因子(降雨量Pre、黏粒含量Clay、粉粒含量Silt、砂粒含量Sand、坡长SL、坡度Slope、归一化植被指数NDVI、土地利用类型Land use和剖面曲率PC),并以RUSLE模型计算的土壤侵蚀模数为基准值,采用Random forest、LightGBM和Catboost三种机器学习模型,对土壤侵蚀量进行建模计算;引入SHAP值以解析各土壤侵蚀特征因子对土壤侵蚀的作用机制。结果表明:(1)3种机器学习模型在训练集与测试集的性能表现均为“非常好”,表明机器学习模型可用于土壤侵蚀预报研究。(2)以云龙县为例,Catboost模型表现最好(NSE=0.984,RSR=0.125),其次分别为Random forest(NSE=0.966,RSR=0.183)和LightGBM(NSE=0.964,RSR=0.189)。(3)SHAP值分析表明,对云龙县土壤侵蚀影响最大的4个因子依次是NDVI、SL、Slope和Pre,其中NDVI与SHAP值呈极显著的负相关关系(r=-0.68,P<0.01),而SL、Slope和Pre与SHAP值呈极显著的正相关关系(r=0.54,P<0.01;r=0.57,P<0.01;r=0.69,P<0.01)。(4)基于Catboost模型,仅需3.07s便可完成土壤侵蚀空间分布制图(CPU i5-9300H),分类正确区域占总区域的86.62%,且误差未呈现明显的聚集现象。研究结果不仅能为快速、准确地进行土壤侵蚀空间分布分析提供新的途径,也可为土壤侵蚀预报模型研究提供科学依据。



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