基于機器學習的地質(zhì)環(huán)境承載力評價方法

(成都理工大學管理科學學院 四川 成都 610059)

一、引言

自然環(huán)境是人類社會活動的基本載體，其中與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系尤為密切。雖然很多學者都提出了地質(zhì)環(huán)境承載力的概念、研究對象和研究內(nèi)容，但是能夠很好地將區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)和區(qū)域社會經(jīng)濟活動的方向、規(guī)模相結(jié)合的環(huán)境承載力理論體系的研究還很少見到報道。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，一方面促進了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的更新，另一方面也促使著地質(zhì)環(huán)境承載力方法的進步，尤其是人工智能技術(shù)應用，徹底改變了傳統(tǒng)的評價方法。本文引入機器學習方法，以地質(zhì)環(huán)境承載力的評價理論為基礎(chǔ)，提出了基于機器學習算法的地質(zhì)環(huán)境承載力評價方法。通過梳理國內(nèi)外地質(zhì)環(huán)境評價相關(guān)成果，分析地質(zhì)環(huán)境的各種評價要素，提煉出影響地質(zhì)環(huán)境承載力的主控因素，在此基礎(chǔ)上建立適合于機器學習的地質(zhì)環(huán)境承載力評價指標體系，再結(jié)合機器學習方法，構(gòu)建基于機器學習算法的地質(zhì)環(huán)境承載力評價模型，對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力進行評價，為其他區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境承載力評價提供應用示范和評價方法。

二、基于機器學習的地質(zhì)環(huán)境承載力評價思路

機器學習是一門多領(lǐng)域交叉學科，涉及數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機等相關(guān)知識，機器學習算法包含的算法比較多，例如深度學習算法，人工智能算法，回歸算法，決策樹算法，貝葉斯算法，聚類算法等都屬于機器學習算法。針對地質(zhì)環(huán)境承載力評價，采用決策樹算法來進行地質(zhì)環(huán)境承載力評價，決策樹算法是屬于有監(jiān)督學習的分類，通過將不同數(shù)據(jù)源匯集到一起，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)池，對已知分類的數(shù)據(jù)進行機器學習，訓練出相關(guān)模型。通過研究地質(zhì)環(huán)境承載力評價和機器學習的相關(guān)文獻，提煉相關(guān)評價方法；多渠道(包括野外)收集地質(zhì)環(huán)境等相關(guān)資料，系統(tǒng)整理地質(zhì)環(huán)境評價信息，在此基礎(chǔ)上分析影響地質(zhì)環(huán)境的主控因素，并進行指標分級，構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境承載力綜合評價指標體系；抽取相關(guān)地質(zhì)環(huán)境歷史數(shù)據(jù)，進行機器學習，生成地質(zhì)環(huán)境承載力評價的規(guī)則庫，構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境承載力評價的機器學習模型，再通過模型對評價數(shù)據(jù)進行評價，得到評價結(jié)果。

三、機器學習 ID3評價算法流程

ID3算法的生成模型根據(jù)導入的樣本數(shù)據(jù)，按照80%的樣本比例作為訓練集，依據(jù)ID3決策樹算法原理，根據(jù)訓練集生成ID3決策樹的具體流程如下：(1)首選選擇系統(tǒng)熵(經(jīng)驗熵)最大的屬性作為最優(yōu)屬性進行分裂，創(chuàng)建根節(jié)點，為分支節(jié)點分配相應類別，遍歷訓練集一次；(2)如果訓練集均屬于同一類別或者訓練集中只剩下一個樣本，返回子節(jié)點，并將其作為葉節(jié)點，同時判定相應類別；(3)對訓練集循環(huán)執(zhí)行每個屬性劃分，計算該屬性劃分的信息熵，比較各個屬性的信息熵，選擇信息熵最大的屬性作為分支節(jié)點進行分裂，同時訓練集分裂為兩個子集；(4)對訓練集劃分的子集反復執(zhí)行步驟(1)-(3)，直到信息熵為0，所有分支節(jié)點為一類時，標為葉節(jié)點，輸出分類結(jié)果。

根據(jù)以上流程，生成的ID3算法模型如下：

四、評價結(jié)果解釋

根據(jù)構(gòu)建的地質(zhì)環(huán)境承載能力綜合評價體系為理論基礎(chǔ)，基于收集的樂山市地質(zhì)環(huán)境方面的資料數(shù)據(jù)，對樂山市劃分出的34個自然單元的地質(zhì)環(huán)境承載能力，采用決策樹方法進行了評價，得到了34個自然單元地質(zhì)環(huán)境承載能力的綜合值，并依據(jù)評價綜合值將區(qū)域內(nèi)的承載能力分為承載能力高(I)、承載能力中(II)和承載能力低(III)等三類。

根據(jù)樂山市地質(zhì)環(huán)境承載能力綜合評價結(jié)果，可得到如下結(jié)論：綜合分析眉山市國土的空間特征、資源特征、環(huán)境特征，以及地質(zhì)環(huán)境承載能力評價，眉山市區(qū)位優(yōu)勢明顯，人口集聚程度高，適宜開發(fā)的資源相對豐富，是四川經(jīng)濟發(fā)展條件較好的區(qū)域，總體適宜優(yōu)化開發(fā)。地質(zhì)環(huán)境承載能力方面，高中山區(qū)為高海拔生態(tài)脆弱區(qū)，為崩滑流地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)，主要位于眉山市西部。地質(zhì)環(huán)境承載能力大的區(qū)域位于中部和東部區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境承載能力較大的區(qū)域位于中部及中北部，總體地質(zhì)環(huán)境承載能力高。