Aina ya bonde la msitu ni kitengo cha uchambuzi na usimamizi wa anga ambacho, katika utafiti huu, hugawanya ardhi ya misitu ya milimani kuwa eneo la mkusanyiko, eneo la mteremko au eneo huru kulingana na muunganisho wake wa kihidrolojia na kijiomofolojia. Jaejeong Kim na Dongyeob Kim walichunguza poligoni 1809 za uharibifu wa maporomoko ya ardhi zilizopishana na mabonde ya misitu ya milimani katika eneo la Chungcheong, Korea Kusini, katika kipindi cha 2022–2024, ili kubaini kama ukubwa wa uharibifu na sababu za mazingira zinazohusiana na maporomoko ya ardhi zinatofautiana kati ya aina hizi tatu za mabonde. Eneo la uharibifu, mzingo, upana, urefu na uwiano wa urefushaji vililinganishwa kitakwimu; modeli za Random Forest ziliundwa kwa kutumia vigezo 13 vya topografia, udongo, misitu, jiolojia na mofometria ya bonde; modeli zilitathminiwa kwa uthibitishaji mtambuka wa sehemu 5 uliorudiwa na uliopangwa kwa tabaka, na michango ya vigezo ikatafsiriwa kwa uchanganuzi wa SHAP.

Eneo la uharibifu, mzingo, upana na urefu vilikuwa vya juu zaidi katika maeneo ya mkusanyiko na vya chini zaidi katika maeneo huru. Eneo la wastani la uharibifu lilikuwa 2413,3 m² katika maeneo ya mkusanyiko, 1268,5 m² katika maeneo ya mteremko na 695,9 m² katika maeneo huru. Thamani za wastani za AUC za modeli za Random Forest zilikuwa 0,759, 0,733 na 0,830 kwa mtiririko huo. Eneo la bonde lilikuwa kigezo cha pamoja chenye umuhimu mkubwa katika aina zote tatu za mabonde; hata hivyo, sababu za pili zilitofautiana kulingana na aina ya bonde. Katika maeneo ya mkusanyiko, relief, daraja la DBH na urefu wa mteremko vilijitokeza; katika maeneo ya mteremko, mwinuko wa mteremko, daraja la DBH na relief; na katika maeneo huru, relief na mwinuko wa mteremko.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba maporomoko ya ardhi huenda yasielezwe kwa hali za uthabiti wa eneo moja tu la mteremko; ukubwa wa uharibifu na uwezo wake wa kuenea unapaswa kutathminiwa pamoja na maji, topografia, njia za mtiririko na muunganisho wa mashapo ndani ya bonde. Hata hivyo, utafiti huu si modeli ya hatari ya mvua inayotegemea tukio, hauthibitishi usababishaji, na matokeo yake yamefungwa na mipaka ya eneo la Chungcheong pamoja na orodha ya 2022–2024. Hasa, thamani za kuvuka sifuri za SHAP zinapaswa kufasiriwa si kama vizingiti vya kifizikia vya maporomoko ya ardhi, bali kama sehemu za marejeo za kijaribio ndani ya seti ya data na modeli zilizotumiwa.

Kwa nini uharibifu wa maporomoko ya ardhi hauwezi kuelezwa kwa mwinuko wa sehemu ya kuanzia pekee?

Maporomoko ya ardhi huanza kwanza kwenye mteremko; hata hivyo, uharibifu hauishii kila mara kwenye eneo la kuanzia. Udongo, miamba na nyenzo za miti zilizong'oka zinaweza kusafiri pamoja na maji, kufikia mitandao ya vijito, kufuata njia za mtiririko na kusafirishwa kuelekea makazi, barabara au miundombinu iliyo chini zaidi. Kwa hiyo, pamoja na mahali hatari ya maporomoko inaanzia, ni muhimu pia kuelewa nyenzo iliyoshindwa inaunganishwa wapi ndani ya bonde na inaweza kusafirishwa umbali gani.

Mhimili mkuu wa dhana katika utafiti huu ni muunganisho wa kihidrolojia na kijiomofolojia. Muunganisho wa kihidrolojia unaeleza njia ambazo maji hukusanyika na kutiririka katika ardhi; muunganisho wa kijiomofolojia unaeleza kiwango ambacho mashapo na bidhaa za mwendo wa wingi zinaweza kuhamishwa kutoka sehemu moja hadi nyingine ndani ya muundo wa topografia. Kuporomoka kwa mteremko wa ukubwa uleule kunaweza kuingia katika njia ndefu ya usafirishaji katika bonde lililounganishwa kwa nguvu na mtandao wa vijito, huku katika eneo lenye muunganisho dhaifu likibaki zaidi katika eneo la karibu.

Kwa nini aina ya bonde la msitu inaweza kubadilisha ukubwa wa uharibifu wa maporomoko ya ardhi?

Kwa mujibu wa utafiti, aina za mabonde hutofautisha jinsi maji, mashapo na nyenzo za mteremko zilizoshindwa hukusanyika na kusafirishwa ndani ya ardhi; katika maeneo ya mkusanyiko, kukutana kwa mtiririko kuelekea mitandao ya vijito kunaweza kurahisisha uharibifu kuenea katika eneo pana zaidi, huku katika maeneo huru muunganisho dhaifu zaidi ukihusishwa na uharibifu kubaki wa eneo la karibu zaidi.

Maana ya kisayansi ya aina tatu za mabonde

Eneo la mkusanyiko (catchment zone), ni eneo ambako mitiririko ya juu ya ardhi na chini ya ardhi hukusanyika kuelekea sehemu maalumu ya kutokea au mkondo wa kijito. Linatofautiana na madaraja mengine mawili kwa mkusanyiko wa maji wakati wa mvua, kuongezeka kwa ujazo wa maji na shinikizo la maji kwenye vinyweleo, pamoja na kuunganishwa kwa mashapo yaliyong'oka na mtandao wa vijito. Katika utafiti huu, poligoni zenye wastani mkubwa zaidi wa uharibifu wa maporomoko ya ardhi zilionekana katika daraja hili.

Eneo la mteremko (slope zone), linaeleza ardhi inayotawaliwa na miteremko kati ya mistari ya vilele na mabonde. Badala ya mtiririko kukusanyika kwa nguvu katika sehemu moja ya kutokea, husambaa zaidi katika mwelekeo wa mteremko. Uharibifu unaweza kujikusanya zaidi ndani ya mteremko au kwenye mguu wa mteremko kuliko kusafirishwa kwa umbali mrefu kupitia mtandao wa vijito.

Eneo huru (independent zone), linaeleza maeneo ya misitu yenye muunganisho dhaifu kiasi na mikondo ya vijito vya jirani pamoja na njia kuu za topografia za mtiririko, na ambayo yametengwa zaidi kijiografia. Kulingana na tafsiri ya utafiti, uwezekano wa nyenzo zilizong'oka kuhamishwa bila kukatika hadi bonde la chini ni mdogo zaidi katika maeneo haya; pia wastani wa ukubwa wa poligoni za uharibifu ulioonekana ndio mdogo zaidi.

Kwa nini eneo la Chungcheong lilichaguliwa kuwa eneo la utafiti?

Watafiti walitumia kama sehemu ya kuanzia rekodi 4794 za uharibifu wa maporomoko ya ardhi zilizoripotiwa kote Korea Kusini katika kipindi cha 2022–2024. Kulikuwa na rekodi 1338 katika Chungcheongnam-do, 911 katika Chungcheongbuk-do, 30 katika Daejeon na 21 katika Sejong; hivyo jumla ya rekodi 2300 katika eneo la Chungcheong iliwakilisha takriban %48 ya jumla ya nchi. Idadi kubwa ya rekodi za uharibifu pamoja na uwepo wa miundo mbalimbali ya misitu na mabonde ilikuwa sababu kuu ya kuchagua eneo hili la utafiti.

Chungcheong si topografia yenye sura moja inayojumuisha milima mirefu pekee. Eneo hilo lina milima ya chini kiasi, maeneo ya vilima, miteremko laini, mabonde na tambarare kando ya korido za mito. Jiomofolojia hii yenye utofauti huruhusu kuporomoka kwa miteremko, mtiririko wa juu ya ardhi, muunganisho wa vijito, usafirishaji wa mashapo na uharibifu wa bonde la chini kuunda mifumo tofauti ya anga.

Uainishaji wa poligoni za uharibifu wa maporomoko ya ardhi

Katika utafiti, kutoka kwenye orodha ya uharibifu wa maporomoko ya ardhi ya 2022–2024, jumla ya poligoni 1809 za uharibifu zilichaguliwa ambazo zilipishana na mabonde ya misitu ya milimani. Kati ya hizo, 1159 ziliainishwa katika eneo la mkusanyiko, 583 katika eneo la mteremko na 67 katika eneo huru.

Kuna tofauti muhimu hapa. Ingawa jumla ya poligoni za uharibifu ni kubwa zaidi katika maeneo ya mkusanyiko, msongamano wa poligoni kwa kila kitengo cha eneo ni mkubwa zaidi katika maeneo ya mteremko. Kwa hiyo, “eneo kubwa zaidi la uharibifu” na “idadi kubwa zaidi ya poligoni za uharibifu kwa kila kitengo cha eneo” si dhana ileile.

Ramani ya Bonde la Msitu ilitengenezwa vipi?

Utafiti ulitumia Forest Watershed Map iliyotayarishwa mwaka 2021 na National Institute of Forest Science ya Korea Kusini. Uainishaji wa mabonde ulijengwa juu ya DEM yenye azimio la 5 m, mwelekeo wa mtiririko wa topografia, mkusanyiko wa mtiririko, mtandao wa vijito, mipaka ya misitu na mahusiano ya ujirani wa anga.

Baada ya mashimo kwenye DEM kujazwa, mwelekeo wa mtiririko na mkusanyiko wa mtiririko vilihesabiwa. Eneo la chini kabisa linalochangia kwenye mtandao wa vijito liliwekwa kuwa 5 ha. Sehemu ambazo mtandao wa vijito ulikatiza mpaka wa msitu zilichukuliwa kama sehemu zinazowezekana za kutokea kwa mabonde ya mkusanyiko; ikiwa kulikuwa na zaidi ya sehemu moja kwenye kijito kilekile, sehemu ya chini zaidi ya mtiririko ilichaguliwa. Mabonde yanayofaa yenye eneo la msitu la 3 ha au zaidi yaliwekewa mipaka kama maeneo ya mkusanyiko.

Baada ya maeneo ya mkusanyiko kuondolewa, ardhi ya misitu iliyobaki iligawanywa katika vitengo vya mteremko wa kulia na kushoto kwa kuzingatia mtandao wa vijito, na sehemu zinazopakana na maeneo ya mkusanyiko zikaainishwa kama eneo la mteremko. Vipande vya misitu vilivyotengwa kijiografia na visivyopakana na maeneo ya mkusanyiko au mteremko vilifafanuliwa kama eneo huru.

Umbo la eneo la uharibifu lilipimwaje?

Utafiti ulihesabu eneo, mzingo, urefu, upana na uwiano wa urefushaji kwa kila poligoni ya maporomoko ya ardhi. Eneo linaonyesha uso wa anga unaofunikwa na uharibifu, mzingo ni urefu wa jumla wa mpaka wa poligoni, urefu ni kipimo katika mwelekeo mkuu wa ukuaji, na upana ni kipimo cha kuvuka kinachokuwa wima kwa mwelekeo huo.

Kwa sababu kutumia tu masafa ya koordinati ya mashariki-magharibi au kaskazini-kusini katika poligoni za maporomoko ya ardhi zenye maumbo yasiyo ya kawaida kunaweza kupotosha, watafiti walitumia Oriented Minimum Bounding Box (OMBB) . OMBB hubaini mstatili uliozungushwa wenye eneo dogo zaidi unaozunguka poligoni yote. Upande mrefu wa mstatili huu ulichukuliwa kuwa urefu wa maporomoko ya ardhi, na upande mfupi kuwa upana.

Uwiano wa urefushaji ulifafanuliwa katika chanzo kama uwiano wa urefu kwa upana:

\[ ER=\frac{L}{W} \]

Hapa \(ER\) inawakilisha uwiano wa urefushaji, \(L\) upande mrefu wa OMBB na \(W\) upande mfupi. Kadiri thamani inavyoongezeka, poligoni ya uharibifu huchukuliwa kuwa imepanuka zaidi katika mwelekeo mmoja. Hata hivyo, katika matokeo ya utafiti, uwiano wa urefushaji haukuonyesha utofauti mkubwa wa aina ya bonde kama ulivyoonyeshwa na vipimo vya eneo na ukubwa.

Tofauti ya ukubwa wa uharibifu ilikuwa kubwa kiasi gani?

Jaribio la Levene lilionyesha kuwa dhana ya usawa wa variansi haikutimizwa katika vipimo vyote vitano. Kwa hiyo, badala ya ANOVA ya kawaida ya upande mmoja, Welch ANOVA ilitumika, na jaribio la Games–Howell post hoc likatumika kwa ulinganisho wa jozi za makundi. Kwa eneo, mzingo, upana na urefu, mpangilio wa kitakwimu ulikuwa eneo la mkusanyiko > eneo la mteremko > eneo huru na kwa vyote \(p<0{,}001\) iliripotiwa.

Matokeo ya ukubwa wa athari pia yanaunga mkono kwamba tofauti hiyo si hali ya kitakwimu inayotokana tu na sampuli kubwa. Kwa eneo, mzingo, upana na urefu, thamani za \(\omega^2\) ni zaidi ya 0,14 na kulingana na uainishaji uliotumiwa katika chanzo zinawakilisha athari kubwa. Thamani ya uwiano wa urefushaji ya \(\omega^2=0{,}029\) ni athari ndogo; katika matokeo ya Games–Howell, makundi hayakutengana kwa uwazi.

Kwa nini uharibifu unaweza kuwa mpana zaidi katika maeneo ya mkusanyiko?

Tafsiri ya utafiti inayozingatia mchakato inalenga kukutana kwa mtiririko katika maeneo ya mkusanyiko. Maji ya juu ya ardhi na chini ya ardhi yanapokusanyika kuelekea sehemu za pamoja za kutokea na mikondo ya vijito, njia za maji na mashapo zinaweza kuungana wakati wa mvua. Nyenzo ya mteremko iliyong'oka inapofika kwenye mkondo, uwezo wa kusafirishwa kuelekea chini ya mtiririko na, katika hali fulani, kubadilika kuwa michakato ya usafirishaji wa mashapo inayofanana na mtiririko wa vifusi unaweza kuongezeka.

Utaratibu huu haukupimwa moja kwa moja katika utafiti kwa jaribio la usafirishaji wa mashapo lenye azimio la muda. Tafsiri ya watafiti inategemea kutathmini kwa pamoja poligoni kubwa zaidi za uharibifu zilizoonekana na fasihi kuhusu muunganisho wa kihidrolojia-kijiomofolojia. Kwa hiyo, hitimisho la kisababishi kwamba “kuwa eneo la mkusanyiko husababisha maporomoko makubwa ya ardhi kwa uhakika” haliwezi kutolewa.

Tofauti kati ya maeneo ya mteremko na maeneo huru

Maeneo ya mteremko yalionyesha muundo wa kati. Vipimo vya uharibifu ni vidogo kuliko katika maeneo ya mkusanyiko lakini vikubwa kuliko katika maeneo huru. Watafiti wanahusisha hali hii na muunganisho wa mtandao wa vijito kuwa dhaifu kuliko katika maeneo ya mkusanyiko lakini wenye nguvu zaidi kuliko katika maeneo huru.

Katika maeneo huru, eneo la uharibifu, mzingo, upana na urefu vina wastani wa chini zaidi. Tafsiri ya chanzo inaelekeza kwamba muunganisho dhaifu na njia kuu za mtiririko unaweza kupunguza usafirishaji wa nyenzo iliyoshindwa kwa umbali mrefu kuelekea chini ya mtiririko. Hata hivyo, maeneo huru hayakuainishwa kuwa “salama dhidi ya maporomoko ya ardhi”; hali za mwinuko wa eneo na relief bado ni muhimu katika maeneo haya.

Random Forest na SHAP zinafanya nini tofauti katika utafiti huu?

Random Forest ni modeli ya ujifunzaji wa mashine yenye miti mingi inayotumia vigezo 13 vya mazingira kuainisha mabonde kuwa na rekodi au kutokuwa na rekodi ya uharibifu wa maporomoko ya ardhi; SHAP ni mbinu ya ufafanuzi inayotumika kueleza ni vigezo gani vinachangia kwa ukubwa gani na katika mwelekeo gani kwenye utabiri wa modeli iliyofunzwa.

Kwa nini Random Forest ilichaguliwa?

Kutokea kwa maporomoko ya ardhi kunaweza kuathiriwa na mwingiliano usio wa mstari kati ya topografia, udongo, jiolojia, muundo wa msitu na mofometria ya bonde. Random Forest ni mbinu ya ujifunzaji wa mkusanyiko inayounganisha miti mingi ya maamuzi na kutumia sampuli ndogo za uchunguzi na vigezo katika kila mti. Muundo huu huruhusu vigezo endelevu na vya kategoria kutumiwa pamoja bila kudhani uhusiano wa mstari.

Utafiti haukutumia Random Forest kwa madhumuni ya utabiri pekee. Uwezo wa kutafsiri modeli kwa SHAP ulikuwa mojawapo ya sababu muhimu za kuchagua mbinu hii ili kuchunguza ni vigezo gani vinavyochangia katika uainishaji kwa aina tofauti za mabonde.

SHAP inaonyesha nini na haionyeshi nini?

SHAP inaeleza kupitia thamani za Shapley ni kwa kiasi gani kigezo hubadilisha utabiri fulani wa modeli ikilinganishwa na matarajio ya msingi ya modeli. Katika utafiti huu, thamani chanya ya SHAP ina maana kwamba kigezo husika kinasukuma utabiri kuelekea daraja la “bonde lenye uharibifu wa maporomoko ya ardhi uliorekodiwa”; thamani hasi inasukuma kuelekea daraja la “bonde lisilo na uharibifu uliorekodiwa”.

Thamani ya SHAP si nguvu ya kifizikia, mgawo wa kisababishi wala athari huru ya maporomoko ya ardhi katika dunia halisi. Umuhimu mkubwa wa SHAP wa kigezo una maana kwamba modeli inapata taarifa ya uainishaji kutoka kwenye kigezo hicho. Tofauti hii ni muhimu hasa kwa vigezo kama eneo la bonde ambavyo pia vinahusiana na ukubwa wa kitengo cha uchambuzi.

Ni vigezo gani vya mazingira vilivyoingizwa katika modeli?

Jumla ya vigezo 13 vilitumika. Vigezo endelevu ni Topographic Wetness Index (TWI), mwinuko wa mteremko, mkunjo, urefu wa mteremko, kimo, kina cha udongo, eneo la bonde, relief na hypsometric integral (HI); vigezo vya kategoria ni mwelekeo wa mteremko, aina ya msitu, daraja la DBH na aina ya mwamba msingi.

Usemi uliotumiwa katika chanzo kwa TWI ni:

\[ TWI=\ln\left(\frac{A_{\mathrm{upslope}}}{\tan(\beta)}\right) \]

. \(A_{\mathrm{upslope}}\) inawakilisha eneo linalochangia kutoka upande wa juu wa mteremko, na \(\beta\) inawakilisha pembe ya mteremko. TWI ni faharasa inayowakilisha jinsi muundo wa topografia unavyofaa kwa mkusanyiko wa maji; haikutumika badala ya kiasi cha mvua katika utafiti.

Hypsometric integral ilifafanuliwa kama:

\[ HI=\frac{\bar{z}-z_{\min}}{\mathrm{relief}} \]

. Hapa \(\bar{z}\) ni kimo cha wastani, \(z_{\min}\) ni kimo cha chini kabisa, na relief ni tofauti kati ya kimo cha juu na cha chini. HI ni muhtasari wa mofometria ya mgawanyo wa kimo ndani ya bonde.

Daraja la DBH linawakilisha nini?

DBH ni kigezo cha kategoria cha muundo wa msitu kinachowakilisha daraja la kipenyo cha miti katika urefu wa kifua. Katika seti ya data ya chanzo, madaraja yalifafanuliwa kuwa mche/mchanga (<6 cm), kipenyo kidogo (6–16 cm), kipenyo cha kati (18–28 cm) na kipenyo kikubwa (≥30 cm).

Katika utafiti, hasa katika maeneo ya mkusanyiko na mteremko, madaraja madogo ya DBH yalihusishwa na michango chanya ya SHAP, huku madaraja ya kati na makubwa yakihusishwa na michango hasi zaidi. Hata hivyo, waandishi wanasisitiza kwamba daraja la DBH halipimi moja kwa moja uimarishaji wa mizizi. DBH ni kigezo mbadala kinachoweza kubadilika pamoja na umri wa miti, muundo wa spishi, msongamano wa msitu, maendeleo ya udongo na historia ya usimamizi wa msitu.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Sampuli za mabonde yenye na yasiyo na maporomoko ya ardhi ziliundwaje?

Sehemu wakilishi ndani ya kila poligoni ya uharibifu wa maporomoko ya ardhi ilitumika, na bonde lililokuwa na sehemu hiyo liliainishwa kuwa “bonde lenye uharibifu wa maporomoko ya ardhi uliorekodiwa”. Kwa kuwa bonde moja linaweza kuwa na zaidi ya poligoni moja ya uharibifu, idadi ya poligoni 1809 si sawa na idadi ya mabonde yenye maporomoko yaliyotumiwa katika ujifunzaji wa mashine.

Kutoka kwenye mabonde yanayoweza kuwa bila maporomoko ya ardhi, wagombea waliokuwa ndani ya 500 m kutoka mabonde yenye maporomoko waliondolewa. Lengo lilikuwa kupunguza athari ya ukaribu wa anga inayoweza kujitokeza kwa sababu sampuli chanya na hasi zilizo karibu sana zinaweza kushiriki hali zilezile za mazingira.

Baadaye, ili kupunguza kutokuwiana kwa madaraja, sampuli zenye na zisizo na maporomoko ziliundwa kwa uwiano wa 1:1 katika kila aina ya bonde. Uwakilishi wa kikanda ulijaribiwa kuhifadhiwa kwa kutumia sampuli zilizopangwa kwa tabaka katika maeneo ya kiutawala ya Chungcheongnam-do, Chungcheongbuk-do, Daejeon na Sejong.

Data za ingizo zilichakatwa katika kiwango gani cha anga?

TWI, mwinuko wa mteremko, mkunjo, urefu wa mteremko, kimo, relief, HI na mwelekeo wa mteremko zilitokana na DEM ya 10 m kutoka National Digital Topographic Map ya kiwango cha 1:5000. Kina cha udongo kilitoka 1:25.000 National Forest Soil Map, aina ya msitu na daraja la DBH kutoka 1:5000 National Forest Type Map, na aina ya mwamba msingi kutoka 1:50.000 National Geologic Map.

Data zenye maazimio na miundo tofauti zilibadilishwa kuwa seli za 10 m × 10 m kwa uchanganuzi wa pamoja. Kwa vigezo endelevu kama TWI, mwinuko, mkunjo, urefu wa mteremko, kimo na kina cha udongo, wastani wa seli ndani ya bonde ulitumiwa; kwa vigezo vya kategoria kama mwelekeo wa mteremko, aina ya msitu, DBH na mwamba msingi, kategoria iliyotokea mara nyingi zaidi ndani ya bonde ilitumika. Eneo la bonde, relief na HI zilihesabiwa moja kwa moja kutokana na jiometri ya bonde.

Mchakato huu hubadilisha kila bonde kuwa sampuli moja ya ujifunzaji wa mashine. Hata hivyo, unaweza pia kulainisha hali kali katika wastani, kama sehemu ndogo yenye mteremko mkali sana au tabaka la udongo la eneo lenye kina kidogo sana. Kwa hiyo, wastani wa bonde haupaswi kufasiriwa kama vigezo vya moja kwa moja vya uthabiti wa ndani katika sehemu binafsi ya kuporomoka.

Udhibiti wa multicollinearity

Mahusiano ya mstari kati ya vigezo endelevu yalichunguzwa kwa mgawo wa uhusiano wa Pearson, na \(|r|>0{,}7\) ikatumika kama kigezo cha uhusiano mkubwa. Hakuna jozi ya vigezo endelevu iliyozidi kikomo hiki.

Kwa sababu ya mfumuko wa variansi (VIF), thamani zote pia zilibaki chini ya 10. VIF ya juu zaidi ilikuwa 3,903 kwa relief, ikifuatiwa na 3,539 kwa mwinuko wa mteremko, 2,375 kwa TWI na 2,151 kwa kimo. Thamani ya VIF ya eneo la bonde ilikuwa 1,664. Hivyo, vigezo vyote tisa endelevu viliingizwa kwenye modeli.

Random Forest ilifunzaje na kuthibitishwaje?

Modeli tofauti ya Random Forest iliundwa kwa kila aina ya bonde. Utekelezaji ulifanywa katika R 4.5.1 kwa kutumia kifurushi cha ranger . Modeli ilitumia miti 2000 ya maamuzi, na idadi ya vigezo vinavyowania kugawanya kila nodi ikawekwa kuwa \(mtry=2\). Kila mti uliundwa kwa %70 ya data ya mafunzo kwa kutumia usampulishaji mdogo bila urejeshaji; yaani mipangilio ya sample.fraction = 0.7 na replace = FALSE ilitumika.

Utendaji wa modeli ulipimwa kwa uthibitishaji mtambuka wa sehemu 5 uliorudiwa na uliopangwa kwa tabaka . Katika kila marudio, data iligawanywa katika sehemu tano; sehemu nne zilitumika kwa mafunzo na sehemu moja kwa uthibitishaji wa held-out. Kwa kuwa mchakato ulirudiwa mara 10, jumla ya mchanganyiko 50 wa mafunzo–uthibitishaji uliundwa kwa kila aina ya bonde.

Upangaji kwa tabaka ulifanywa kwa hali ya maporomoko ya ardhi na ulilenga kuhifadhi uwiano wa sampuli chanya/hasi katika kila fold. Hyperparameta za modeli ziliwekwa zilezile katika fold zote, na hakuna uboreshaji wa ziada wa hyperparameta uliofanywa kwa kutumia data ya uthibitishaji ya held-out.

Utendaji wa modeli

Modeli za eneo la mkusanyiko na eneo la mteremko zilitafsiriwa katika chanzo kuwa na uwezo wa wastani wa kutofautisha. Ingawa AUC ya eneo huru inaonekana kuwa juu zaidi, kuna sampuli 124 tu za modeli kwa jumla. Kwa kuwa matokeo ya uainishaji wa sampuli chache yanaweza kuathiri vipimo vya utendaji kwa kiwango kikubwa zaidi, matokeo ya eneo huru hayakuchukuliwa kuwa kiashiria cha uwezo wa kujumlisha kwa kiwango kikubwa.

Aidha, uthibitishaji ulifanywa kwa fold za held-out ndani ya eneo lilelile la utafiti. Hakuna seti huru ya data ya uthibitishaji wa nje kutoka eneo tofauti. Kwa hiyo, thamani hizi za utendaji hazionyeshi moja kwa moja jinsi modeli itakavyofanya vizuri katika nchi au vipindi vingine.

Je, thamani za kuvuka sifuri za SHAP ni vizingiti vya kifizikia vya maporomoko ya ardhi?

Hapana. Kuvuka sifuri kwa SHAP katika utafiti huu ni sehemu za marejeo za kijaribio zinazotegemea data na modeli ambapo mkunjo wa LOESS hubadilika kutoka mchango hasi wa SHAP kwenda mchango chanya; waandishi wanaeleza wazi kwamba thamani hizi hazipaswi kutumiwa kama vizingiti vya kifizikia vya jumla, vizingiti vya mvua au vigezo vya moja kwa moja vya usimamizi.

SHAP ilihesabiwaje?

Uchanganuzi wa SHAP ulifanywa katika R kwa kutumia kifurushi cha fastshap . Katika kila mchanganyiko wa uthibitishaji mtambuka, modeli ilifunzwa kwenye fold za mafunzo na thamani za SHAP zilihesabiwa tu kwa sampuli za held-out fold. Fold za mafunzo zilitumika kama data ya usuli ya SHAP.

Umuhimu wa jumla ulifupishwa kwa wastani wa thamani kamili ya SHAP ya kila kigezo. Alama ilionyesha mwelekeo wa utabiri: SHAP chanya iliwakilisha mchango kuelekea daraja lenye maporomoko ya ardhi, na SHAP hasi kuelekea daraja lisilo na maporomoko.

Kwa kuwa modeli tofauti iliundwa kwa kila aina ya bonde, si sahihi kulinganisha moja kwa moja ukubwa kamili wa SHAP kati ya aina tofauti za mabonde. Utafiti ulilenga hasa mpangilio wa umuhimu ndani ya kila modeli, mwelekeo wa mchango na mifumo ya utegemezi.

Ni sababu zipi zilizojitokeza katika modeli kamili?

Kwa eneo la mteremko, chanzo kinatoa thamani za wastani za SHAP kamili kuwa 0,063 kwa eneo la bonde, 0,040 kwa mwinuko wa mteremko na 0,039 kwa daraja la DBH. Katika eneo huru, eneo la bonde ni 0,083, relief 0,079 na mwinuko wa mteremko 0,049.

Katika eneo la mkusanyiko, eneo la bonde 0,093 na relief 0,038 ziko katika nafasi za juu. Hata hivyo, kwa sababu kuna kutolingana kwa namba kati ya maandishi ya chanzo na lebo za SHAP za DBH na urefu wa mteremko katika Kielelezo 5, thamani moja mahsusi haikulazimishwa kwa vigezo hivi viwili katika makala hii ya Verianla.

Je, eneo la bonde kweli linaeleza kila kitu?

Watafiti walifanya uchanganuzi tofauti wa unyeti baada ya kutambua kwamba eneo la bonde linaweza kuwa kigezo cha mofometria chenye maana ya kifizikia na pia athari inayowezekana ya kipimo inayowakilisha ukubwa wa kitengo cha uchambuzi. Modeli tatu zililinganishwa: modeli kamili yenye vigezo vyote 13, modeli isiyo na eneo la bonde, na modeli inayotumia eneo la bonde pekee.

Kuondoa eneo la bonde kulipunguza AUC katika modeli zote; hata hivyo, upungufu ulikuwa mdogo: 0,017 katika eneo la mkusanyiko, 0,029 katika eneo la mteremko na 0,009 katika eneo huru. Modeli kamili zilitoa utendaji bora zaidi katika aina zote za mabonde. Ugunduzi huu unaunga mkono kwamba eneo la bonde hubeba taarifa yenye maana, lakini uainishaji hautegemei ukubwa wa bonde pekee.

Ni vigezo gani vilibaki baada ya eneo la bonde kuondolewa?

Baada ya kuondoa eneo la bonde, relief na urefu wa mteremko zilibaki katika nafasi za juu katika maeneo ya mkusanyiko; mkunjo na daraja la DBH pia zilitoa taarifa yenye maana kwa modeli. Katika maeneo ya mteremko, mwinuko wa mteremko, daraja la DBH na relief vilikuwa sababu zilizoonekana zaidi. Katika maeneo huru, relief na mwinuko wa mteremko vilijitokeza kwa nguvu.

Matokeo haya yanaunga mkono kwamba maelezo yale yale ya “sababu moja” hayawezi kutumika kwa aina zote tatu za mabonde. Katika maeneo ya mkusanyiko, mofometria ya bonde inayowakilisha njia za mtiririko na muunganisho wa mashapo; katika maeneo ya mteremko, uthabiti wa eneo na muundo wa msitu; na katika maeneo huru, relief na mwinuko wa eneo huonekana wazi zaidi.

Mifumo ya utegemezi ya SHAP

Utafiti uliweka mkunjo wa LOESS kwenye grafu za utegemezi wa SHAP kwa vigezo muhimu endelevu na kubainisha mabadiliko ya kwanza kutoka mchango hasi kwenda mchango chanya kama kuvuka sifuri kwa kijaribio. Kutokuwa na uhakika kwa thamani hizi kulionyeshwa kwa kipindi cha uaminifu cha %95 kwa kutumia usampulishaji upya wa bootstrap uliopangwa kwa tabaka mara 100.

Kwa kuwa daraja la DBH si kigezo endelevu, hakikuhesabiwa kizingiti cha kifizikia cha kuvuka sifuri kwa namna hiyo hiyo. Katika usambazaji wa SHAP wa modeli za eneo la mkusanyiko na mteremko, muundo ambapo miche na madaraja ya kipenyo kidogo huonyesha michango chanya zaidi, huku madaraja ya kipenyo cha kati na kikubwa yakionyesha michango hasi zaidi, ulitafsiriwa kuwa muundo wa modeli.

Tafsiri kwa mtazamo wa usimamizi wa misitu

Katika maeneo ya mkusanyiko, usimamizi unapaswa kutathmini si sehemu ya kuporomoka pekee, bali pia muunganisho na mikondo ya vijito, njia za mwendo wa mashapo, uwezekano wa kuziba kwa mkondo na vipengele vilivyo hatarini katika bonde la chini. Maeneo ya mkusanyiko ambako eneo kubwa la bonde, relief kubwa na njia ndefu za mtiririko vinatokea pamoja yanaweza kupewa kipaumbele kwa uchunguzi wa kina zaidi; hata hivyo, kuvuka sifuri kwa SHAP hakupaswi kutumiwa moja kwa moja kama mpaka wa kiutawala.

Katika maeneo ya mteremko, ni sahihi zaidi kutathmini kwa pamoja mwinuko wa mteremko wa eneo, relief, hali ya udongo na muundo wa msitu. Barabara za misitu, miteremko ya kukata-na-kujaza na miteremko mikali iliyo karibu na miundombinu inaweza kuhitaji uangalifu maalumu. Daraja la DBH pekee halitoshi kufanya uamuzi wa usimamizi; linapaswa kutathminiwa pamoja na vigezo vya moja kwa moja zaidi kama spishi, umri, msongamano wa msitu na sifa za mizizi.

Katika maeneo huru, kuenea kwa uharibifu kwa umbali mrefu kuelekea bonde la chini kunaweza kuwa na mipaka zaidi, lakini miteremko mikali ya eneo na barabara za misitu au miundombinu iliyo wazi moja kwa moja hazipaswi kupuuzwa. Chanzo kinapendekeza hasa kwamba tafsiri za usimamizi kwa daraja hili ziungwe mkono na data ya ziada kwa sababu sampuli ya eneo huru ni ndogo.

Tafsiri inayoungwa mkono na utafiti

Data zinaonyesha kwamba muktadha wa kihidrolojia-kijiomofolojia wa bonde la msitu unahusiana na ukubwa wa poligoni za uharibifu wa maporomoko ya ardhi; eneo la uharibifu, mzingo, urefu na upana hupungua kutoka maeneo ya mkusanyiko kuelekea maeneo huru. Matokeo ya Random Forest na SHAP pia yanaunga mkono kwamba sababu zinazoathiri zinazotumiwa na modeli si sawa kwa aina zote za mabonde.

Eneo la bonde ni kigezo cha pamoja chenye nguvu katika modeli, lakini uchanganuzi wa unyeti unaonyesha kwamba halitoshi peke yake. Kwa hiyo, vigezo vingine kama topografia, muundo wa msitu, udongo na jiolojia havipaswi kupuuzwa.

Tafsiri isiyoungwa mkono na utafiti

Utafiti hauonyeshi kwamba mpangilio wa umuhimu wa SHAP unathibitisha usababishaji wa kifizikia. Thamani kubwa ya SHAP inaonyesha kwamba kigezo kinabeba taarifa kwa utabiri wa modeli; haimaanishi kwamba “kigezo hiki kilisababisha maporomoko kwa kiasi hiki”.

Utafiti hautoi kizingiti cha ukubwa au muda wa mvua kinachotegemea tukio. Kiwango cha mvua, muda wa mvua na jumla ya mvua ya tukio havikuingizwa katika modeli. Kwa hiyo, matokeo hayawezi kutumiwa kubaini vizingiti vya mvua vinavyochochea maporomoko.

Utafiti si mfumo wa kitaifa au wa jumla wa utabiri wa maporomoko ya ardhi uliothibitishwa katika eneo huru la nje. Tathmini ya modeli inategemea fold za uthibitishaji mtambuka ndani ya Chungcheong.

Lebo ya “bonde lisilo na maporomoko ya ardhi” pia haimaanishi eneo ambalo maporomoko hayawezi kutokea kijiolojia. Inawakilisha tu mabonde ambayo hayakuwa na rekodi ya uharibifu wa maporomoko katika orodha ya uharibifu iliyotumiwa katika kipindi cha 2022–2024.

Vikwazo na kazi zinazohitajika katika siku zijazo

Kikwazo cha kwanza ni upeo wa kijiografia na wa muda. Data zinahusu eneo la Chungcheong na kipindi cha 2022–2024 pekee; matokeo yanaweza kuwa yameathiriwa na mfumo wa mvua, ardhi, misitu na kurekodi uharibifu wa kipindi hicho. Inapaswa kupimwa, kwa kutumia maeneo tofauti na vipindi virefu zaidi, kama mifumo mahususi ya aina ya bonde inajirudia.

Kikwazo cha pili ni data ya mvua. Kwa sababu muda kamili wa kutokea kwa kila poligoni ya maporomoko ya ardhi na tukio la mvua linalohusika haukuweza kubainishwa kwa uhakika, kiwango cha mvua, muda na jumla ya tukio havikuingizwa katika modeli. Katika siku zijazo, uthibitishaji wa moja kwa moja wa mchakato kwa kutumia data za mvua za matukio, unyevunyevu wa udongo na maji ya chini ya ardhi unahitajika.

Kikwazo cha tatu ni ufafanuzi wa sampuli hasi. Mabonde yasiyo na rekodi ya uharibifu huenda si mabonde yasiyo na maporomoko kwa kweli; baadhi ya matukio huenda hayakuchunguzwa au hayakuingizwa katika orodha ya uharibifu. Chanzo kinapendekeza orodha zenye uchunguzi wa kina zaidi wa uwandani zinazotenganisha eneo la kuanza kuporomoka, njia ya usafirishaji na eneo la utuaji.

Kikwazo cha nne ni kwamba wastani wa bonde hupunguza utofauti wa eneo. Wastani wa mwinuko wa mteremko, kina cha udongo au muundo wa msitu unaweza kuficha maeneo madogo yenye mteremko mkali sana, udongo mwembamba sana au umbo maalumu la kukunjamana ndani ya bonde. Percentile za juu, thamani kali, utofauti wa anga, vipimo vya DEM vya azimio la juu na viashiria vya ziada kama umbali hadi kijito vinaweza kutathminiwa katika siku zijazo.

Kikwazo cha tano ni ukosefu wa uthibitishaji wa nje. Uthibitishaji mtambuka unaorudiwa hupima uthabiti wa modeli ndani ya eneo moja; spatial block cross-validation kamili au uthibitishaji huru katika maeneo mengine haukufanywa. Sampuli ni ndogo hasa kwa modeli ya eneo huru.

Mwisho, aina ya msitu na daraja la DBH hazipimi moja kwa moja uimarishaji wa mizizi. Tafiti zijazo zinapendekezwa kuongeza vigezo kama spishi za miti, umri wa msitu, usambazaji wa kipenyo, msongamano wa msitu, nguvu ya kuvuta ya mizizi, sifa za kifizikia za udongo na historia ya usimamizi wa misitu.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asili: Quantifying Landslide Damage Characteristics and Influencing Factors Across Mountain Forest Watershed Types Using Random Forest and SHAP.

Waandishi: Jaejeong Kim; Dongyeob Kim.

Mwandishi wa mawasiliano: Dongyeob Kim.

Taasisi: Department of Natural Resources, Daegu University; Landslide Division, National Institute of Forest Science; Department of Landscape, Forest and Garden, Daegu University, Republic of Korea.

Jarida: Forests.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Taarifa ya uchapishaji: Forests 2026, 17(9), 1063.

DOI: 10.3390/f17091063.

Tarehe ya uchapishaji: 6 Septemba 2026.

Historia ya makala: Ilipokelewa 13 Agosti 2026; marekebisho 1 Septemba 2026; ilikubaliwa 4 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Makala asili ya utafiti iliyopitiwa na rika na yenye ufikiaji wazi; uchanganuzi wa uharibifu wa anga, ulinganisho wa kitakwimu, uainishaji wa Random Forest na ujifunzaji wa mashine unaoelezeka unaotegemea SHAP.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY 4.0). Hakimiliki ni ya waandishi.

Eneo la utafiti: Eneo la Chungcheong linalojumuisha Chungcheongnam-do, Chungcheongbuk-do, Daejeon Metropolitan City na Sejong Special Self-Governing City, Republic of Korea.

Kipindi cha utafiti: Orodha ya uharibifu wa maporomoko ya ardhi ya 2022–2024.

Data kuu: Poligoni 1809 za uharibifu wa maporomoko ya ardhi zilizopishana na mabonde ya misitu ya milimani.

Aina za mabonde: Eneo la mkusanyiko (catchment zone), eneo la mteremko (slope zone), eneo huru (independent zone).

Programu ya takwimu: R 4.5.1.

Umuhimu wa kitakwimu: α = 0,05.

Ulinganisho wa makundi: Kwa sababu usawa wa variansi haukupatikana baada ya jaribio la Levene, Welch ANOVA na jaribio la Games–Howell post hoc zilitumika; omega squared (ω²) ilitumika kwa ukubwa wa athari.

Ujifunzaji wa mashine: R ranger kifurushi; miti 2000, mtry = 2, sample.fraction = 0.7, replace = FALSE.

Uthibitishaji: Uthibitishaji mtambuka wa sehemu 5 uliopangwa kwa tabaka na kurudiwa mara 10; mchanganyiko 50 wa mafunzo–uthibitishaji wa held-out kwa kila aina ya bonde.

Vipimo vya modeli: AUC, Cohen's kappa, F1-score, accuracy na precision.

SHAP: R fastshap kifurushi; hesabu za SHAP kwa sampuli za held-out fold, umuhimu wa jumla kwa wastani wa SHAP kamili, mikunjo ya utegemezi ya LOESS na vipindi vya uaminifu vya %95 vya kuvuka sifuri kwa kijaribio kwa usampulishaji wa bootstrap mara 100.

Ufadhili: Korea Forest Service / Korea Forestry Promotion Institute, programu ya Forest Science Technology R&D; mradi RS-2025-02213492.

Upatikanaji wa data: Orodha ya uharibifu wa maporomoko ya ardhi na seti za data za kijiografia zilizopatikana kutoka taasisi za umma zina vikwazo vya usambazaji upya; maombi ya ufikiaji yanapaswa kuelekezwa kwa watoa data asili.

Mgongano wa maslahi: Waandishi waliripoti kuwa hawakuwa na mgongano wa maslahi.

Taarifa ya matumizi ya akili bandia: Waandishi waliripoti kwamba walitumia ChatGPT GPT-5.5 Thinking kukagua rasimu asili ya makala na kufanya uhariri wa lugha ya Kiingereza; walikagua na kuhariri wenyewe matokeo hayo na wakachukua jukumu la maudhui ya uchapishaji.

Michango ya waandishi: Jaejeong Kim na Dongyeob Kim walichangia uundaji wa dhana na metodolojia. Jaejeong Kim alitekeleza programu, uthibitishaji, uchanganuzi rasmi, usimamizi wa data, rasimu asili na uonyeshaji wa data. Dongyeob Kim alikuwa na jukumu la ukaguzi/uhariri, ushauri, usimamizi wa mradi na upatikanaji wa ufadhili.

Kikomo kikuu cha tafsiri: Utafiti hautoi modeli ya kuchochewa na mvua inayotegemea tukio wala kizingiti cha kifizikia cha jumla cha maporomoko ya ardhi. Matokeo ya Random Forest na SHAP ni uthibitishaji wa ndani na maelezo ya modeli kwa sampuli ya anga ndani ya eneo la utafiti; si ushahidi wa usababishaji wala wa uwezo wa kujumlisha moja kwa moja katika maeneo mengine.

Dokezo la kutolingana ndani ya chanzo: Jedwali 7 linaonyesha AUC ya modeli ya eneo-la-bonde-pekee katika eneo la mkusanyiko kuwa 0,638, huku maandishi ya maelezo katika sehemu hiyo hiyo yakiripoti 0,683. Aidha, baadhi ya namba katika lebo za SHAP za daraja la DBH na urefu wa mteremko katika Kielelezo 5 kwa eneo la mkusanyiko hazilingani kikamilifu na maandishi ya maelezo. Thamani hizi hazikupatanishwa na Verianla kwa kutumia makadirio.