مطالعات جغرافیایی مناطق خشک

مطالعات جغرافیایی مناطق خشک

کاربست مدل احتمالاتی مبتنی بر سامانه اطلاعات جغرافیایی در شناسایی مناطق مستعد وقوع زمین لغزش در یک منطقه نیمه‌خشک در استان گلستان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی نقشه‌برداری-سیستم‌های اطلاعات مکانی، موسسه آموزش عالی لامعی گرگانی، گرگان، ایران
2 گروه جغرافیا، دانشکده علوم انسانی و اجتماعی، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران
چکیده
هدف: پژوهش حاضر با هدف پهنه‌بندی خطر وقوع زمین‌لغزش در حوضه آبخیز قرناوه واقع در شرق استان گلستان، با استفاده از مدل احتمالاتی وزن واقعه در محیط سامانه اطلاعات جغرافیایی انجام شده است.
روش و داده: در این مطالعه، با استفاده از اطلاعات میدانی و بانک‌های اطلاعاتی موجود، موقعیت ۱۷۹ رخداد زمین‌لغزش برداشت شده که ۷۰ درصد آن‌ها برای مدل‌سازی و ۳۰ درصد برای ارزیابی مدل به‌کار گرفته شدند. چهارده عامل مؤثر شامل ارتفاع از سطح دریا، درجه شیب، جهت شیب، فاصله از گسل، تراکم گسل، فاصله از جاده، فاصله از رودخانه، تراکم زهکشی، انحناء دامنه، انحناء آبراهه، زمین‌شناسی، کاربری اراضی، شاخص LS، شاخص رطوبت توپوگرافی در محیط‌های ArcGIS و SAGA-GIS استخراج و تحلیل شدند. تعیین میزان اهمیت هریک از عوامل مؤثر با استفاده از مدل احتمالاتی وزن واقعه انجام و نقشه حساسیت به وقوع زمین لغزش در حوضه آبخیز مطالعاتی تولید شد. ارزیابی دقت و کارایی مدل نیز با استفاده از منحنی ROC صورت پذیرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که عامل تراکم زهکشی و تراکم گسل به‌ترتیب بیش‌ترین و کم‌ترین تأثیر را در وقوع خطر زمین‌لغزش در منطقه مطالعاتی به خود اختصاص داده‌اند. علاوه بر این، مناطق جنوبی و جنوب غربی حوضه به ‌عنوان پهنه‌های با حساسیت بسیار بالا شناسایی برای وقوع خطر زمین‌لغزش شناسایی شد. دقت مدل وزن واقعه در تهیه نقشه حساسیت به وقوع زمین‌لغزش نیز برابر با ۷۹/7 درصد برآورد شد.
نتیجه‌گیری: مدل وزن واقعه با دقت قابل قبولی، توانایی نسبتاً بالایی در شناسایی مناطق مستعد وقوع زمین‌لغزش دارد و می‌تواند به‌ عنوان ابزاری کارآمد در مدیریت منابع طبیعی، طرح‌های آبخیزداری، کاهش ریسک بلایا، آمایش سرزمین و کاهش آسیب‌پذیری مناطق پرخطر مورد استفاده قرار گیرد.
نوآوری، کاربرد نتایج: این پژوهش با به ‌کارگیری مدل آماری وزن واقعه و رویکردی مکان‌محور و جامع با لحاظ عوامل مهم و مؤثر به پهنه‌بندی حساسیت زمین‌لغزش در منطقه‌ای نیمه‌خشک پرداخته که می‌تواند به ‌عنوان ابزاری مؤثر در شناسایی مناطق پرخطر و اولویت‌بندی اقدامات پیشگیرانه مورد استفاده قرار گیرد. این یافته‌ها برای نهادهای مسئول در زمینه منابع طبیعی، راه‌سازی و مدیریت بحران، کاربرد مستقیم در کاهش خسارات ناشی از زمین‌لغزش دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Application of a GIS-Based Probabilistic Model in Identifying Landslide-Prone Areas in a Semi-Arid Region of Golestan Province

نویسندگان English

Amirhosein Ghorbani 1
Saleh Arekhi 2
1 Department of Survey Engineering-Geographic Information Systems, Faculty of Civil Engineering, Lamei Gorgani Institute of Higher Education, Gorgan, Iran
2 Department of Geography, Faculty of Humanities and Social Sciences, Golestan University, Gorgan, Iran
چکیده English

Aim: Landslides are major hazards in mountainous and semi-arid regions, causing serious damage to infrastructure, resources, and lives. This study aims to map landslide-prone areas in the Qarnaveh watershed, eastern Golestan Province, using the probabilistic Weight of Evidence (WoE) model within a GIS environment.
Materials & Methods: This study identified 179 landslides through field surveys and databases; 70% were used for modeling and 30% for validation. Fourteen conditioning factors, including elevation, slope degree, slope aspect, distance to faults, fault density, distance to roads, distance to rivers, drainage density, slope curvature, stream curvature, geology, land use, LS index, and topographic wetness index, were extracted and analyzed using ArcGIS and SAGA-GIS software. The significance of each factor was assessed through the WoE model, which was then used to generate a landslide susceptibility map for the watershed. Model accuracy was evaluated using the Receiver Operating Characteristic (ROC) curve.
Findings: Results indicated that drainage density had the strongest influence, while fault density had the least impact on landslide occurrence in the study area. The southern and southwestern parts of the watershed were identified as zones with very high landslide susceptibility. The WoE model demonstrated an accuracy of 79.7% in predicting landslide-prone areas.
Conclusion: Based on the results, the Weight of Evidence model shows a reasonably high capability in identifying landslide-prone areas with acceptable accuracy. It can serve as an effective tool in natural resource management, watershed planning, disaster risk reduction, spatial planning, and reducing vulnerability in high-risk areas.
Innovation: This study employed the statistical Weight of Evidence (WoE) model along with a spatially explicit and comprehensive approach, incorporating key influencing factors to map landslide susceptibility in a semi-arid region. The results provide an effective tool for identifying high-risk landslide areas and prioritizing prevention, aiding natural resource, road, and disaster management agencies in damage reduction.

کلیدواژه‌ها English

Geographic Information System
Landslide Susceptibility Map
Spatial Modeling
Qarnaveh Watershed
Weight of Evidence model

Extended Abstract

1. Introduction

Landslides are among the most significant geomorphological hazards in mountainous and semi-arid regions, causing substantial damage to infrastructure, natural resources, and human life every year. Applying scientific methods to identify landslide-prone areas can play a vital role in hazard management and environmental planning. Conducting such analyses using traditional methods is extremely time-consuming and costly, necessitating the use of more advanced tools. In this regard, Geographic Information Systems (GIS) play a unique role as a powerful tool for the collection, management, analysis, and visualization of spatial data, particularly in modeling natural hazards such as floods, soil erosion, and landslides. GIS enables the integration of diverse spatial layers such as slope, elevation, land use, proximity to faults, roads, and rivers, providing a suitable platform for implementing statistical and probabilistic models and generating susceptibility maps. The application of statistical and probabilistic models, especially within GIS environments, allows for quantitative analysis of the relationship between landslide occurrences and environmental variables, shifting the modeling process from a qualitative to a quantitative level. These approaches, by utilizing spatial data and leveraging the analytical capabilities of GIS, can identify complex spatial structures and potential dependencies among phenomena, contributing to more accurate predictions of high-risk areas. Using such models not only optimizes time and resource allocation but also enhances the accuracy of analyses, playing a significant role in reducing damages and improving environmental resilience. Among these models, the Weight of Evidence (WoE) model based on Bayesian theory is widely used to quantify the statistical relationship between landslide distribution and environmental factors. This study aims to delineate landslide hazard zones in the Qarnaveh watershed, located in eastern Golestan Province, using the probabilistic Weight of Evidence (WoE) model within a Geographic Information System (GIS) environment.

2. Materials and Methods

In this study, 179 landslide occurrences were identified using field surveys and available databases. Seventy percent of these events were used for modeling, while the remaining thirty percent were reserved for model validation. Fourteen conditioning factors, including elevation, slope degree, slope aspect, distance to faults, fault density, distance to roads, distance to rivers, drainage density, slope curvature, stream curvature, geology, land use, LS index, and topographic wetness index, were extracted and analyzed using ArcGIS and SAGA-GIS software. The significance of each factor was assessed through the WoE model, which was then used to generate a landslide susceptibility map for the watershed. Model accuracy was evaluated using the Receiver Operating Characteristic (ROC) curve.

3. Results and Discussion

Results indicated that drainage density had the strongest influence, while fault density had the least impact on landslide occurrence in the study area. The southern and southwestern parts of the watershed were identified as zones with very high landslide susceptibility. The WoE model demonstrated an accuracy of 79.7% in predicting landslide-prone areas. The study identified key environmental factors linked to landslide susceptibility in the Qarnaveh watershed, Golestan Province. Areas with elevations of 148-389 m, gentle slopes (0–11.49%), and aspects facing west, south, southeast, and northeast were most prone to landslides. High-risk zones also included regions with TWI values of 14.91-22.74, flat slope curvature, concave stream curvature, forest cover, Qal geological formations, and proximity to rivers (0–600 m) and roads (0–853 m). Other influential factors were high drainage density (3.55–6.45), LS values (44-111), and distances up to 3042 m from faults. These factors contribute to slope instability by reducing soil strength, increasing moisture, and accelerating erosion. The most influential variables were drainage density, distance to river and road, elevation, TWI, and stream curvature. Southern and southeastern slopes, exposed to higher solar radiation, showed the greatest sensitivity. The WoE model, with 79.7% accuracy (ROC), successfully identified the southern and southwestern parts of the watershed as highly susceptible to landslides.

4. Conclusions

Based on the results, the Weight of Evidence model shows a reasonably high capability in identifying landslide-prone areas with acceptable accuracy. It can serve as an effective tool in natural resource management, watershed planning, disaster risk reduction, spatial planning, and reducing vulnerability in high-risk areas. The findings of this study offer a practical tool for natural resource managers and local planners to prioritize protective actions, monitor critical areas, and guide infrastructure development and agricultural expansion in landslide-prone zones. Despite its effectiveness, the WoE model relies heavily on historical landslide data, and limited temporal precision or spatial data accuracy may affect results. Future research should consider integrating WoE with machine learning models like Random Forest or SVM, and using multitemporal satellite imagery to better capture landslide dynamics and land use changes.

5. Acknowledgment & Funding

The manuscript did not receive a grant from any organization.

6. Conflict of Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

ابراهیمی، احسان.، سلیمانی، کریم و پورقاسمی، حمیدرضا. (1395). ارزیابی کارایی مدل احتمالاتی وزن واقعه در تهیه نقشه حساسیت زمین لغزش، پ‍‍ژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 7(14): 77-69.
اسفندیاری، فریبا، رستمی، قباد، مصطفی‌زاده، رئوف و عابدینی، موسی. (1403ب). ارزیابی مکانی و پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش حوضه آبریز زمکان با استفاده از ماشین بردار پشتیبان و رگرسیون لجستیک. هیدروژئومورفولوژی، 11(40): 123-102.
اسفندیاری‌درآباد، فریبا، رستمی، قباد، مصطفی‌زاده، رئوف و عابدینی، موسی. (1403الف). ارزیابی خطر وقوع زمین‌لغزش با استفاده از تئوری کاتاستروف در حوضه آبریز زمکان کرمانشاه.  پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، 13(2): 125-106.
بهرامی، شهرام.، امیراحمدی، ابوالقاسم.، حبیب اللهیان، محمود و ابراهیمی، مجید. (1393). پهنه‌بندی حساسیت خطر وقوع زمین لغزش با استفاده از مدل احتمالاتی وزن واقعه (تئوری بیزین)، مطالعه موردی:حوضه آبخیز بار نیشابور. جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی، 25(4): 144-125.
پورقاسمی، حمید.، مرادی، حمیدرضا.، محمدی، مجید، مصطفی‌زاده، رئوف و گلی‌جیرنده، عباس. (1391) . پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش با استفاده از تئوری بیزین. علوم آب و خاک، 16(62): 120-109.
حافظی مقدس، ناصر.، نیکودل، محمدرضا و بهرامی، کاظم. (1390). ارزیابی قابلیت رمبندگی خاک‌های لسی حوزه قرناوه در شمال کلاله، استان گلستان. نشریه انجمن زمین شناسی مهندسی ایرنان، 4(شماره 1 و 2)، 46-39.
دسترنج، علی.، کریمی‌سنگچینی، ابراهیم و نور، حمزه. (1403). ارزیابی کارایی مدل‌های یادگیری ماشین در تهیه نقشه خطر زمین‌لغزش در آبخیز بار نیشابور.  پژوهش های آبخیزداری، 37(2): 147-133.
رستمی‌زاد، قباد و دسترنج، علی. (1403). ارزیابی حساسیت رخداد زمین‌لغزش با استفاده از الگوریتم ماشین بردار پشتیبان. مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، 4(4): 312-299.
سپهوند، علیرضا و بیرانوند، نسرین. (1403). پهنه‌بندی حساسیت وقوع زمین‌لغزش با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین (منطقه مورد مطالعه: بخشی از حوزة آبخیز هراز). مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، 4(2): 278-261.
صابرچناری، کاظم.، بهره‌مند، عبدالرضا.، شیخ، واحدبردی و کمکی، چوقی بایرام. (1395). پهنه‌بندی خطر فرسایش خندقی با استفاده از مدل دمپستر‌ـشفر در حوضۀ آبخیز قرناوه، استان گلستان.  مجله اکوهیدرولوژی، 3(2): 231-219.
عبدالله‌زاده، علی.، اونق، مجید.، سعدالدین، امیر و مصطفی‌زاده، رئوف. (1393). تدوین و ارائه برنامه مدیریت زمین‌لغزش در دو سناریوی عادی و بحرانی در آبخیز زیارت استان گلستان. پژوهش‌های آبخیزداری، 27(3): 84-75.
عرب‌عامری، علیرضا.، شیرانی، کوروش و رضایی، خلیل. (1396). ارزیابی مقایسه‌ای روش‌های احتمالاتی وزن واقعه و نسبت فراوانی در پهنه‌بندی خطر زمین لغزش (مطالعه موردی: حوزه آبخیز ونک، اصفهان). پ‍‍ژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، ۸(۱۵) :۱۶۰-۱۴۷.
کریمی‌سنگچینی، ابراهیم.، دسترنج، علی.، آرامی، سیدحسین.، شادفر، صمد و ویسکرمی، ایرج. (1403). کاربرد الگوریتم یادگیری ماشین بیشینه آنتروپی در پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش حوزه آبخیز کرگانه، استان لرستان. مجله علوم ومهندسی آبخیزداری ایران، ۱۸(۶۴) :63-50.
گلی مختاری، لیلا و ناعمی‌تبار، مهناز. (1401). مدل‌سازی و پیش‌بینی مکانی مخاطره زمین لغزش با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته داده‌کاوی (مطالعه موردی: شهرستان کلات). پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، 10(4): 137-116.
محمدی، نیلوفر و ساسانپور، فرزانه. (1400). تحلیل ریسک وقوع زمین‌لغزش و واریزه در جاده‌های هراز و لواسانات. مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، 1(4): 29-14.
Ado, M., Amitab, K., Maji, A. K., Jasińska, E., Gono, R., Leonowicz, Z., & Jasiński, M. (2022). Landslide susceptibility mapping using machine learning: A literature survey. Remote Sensing, 14(13), 3029. https://doi.org/10.3390/rs14133029
Bhandari, B. P., Dhakal, S., & Tsou, C. Y. (2024). Assessing the Prediction Accuracy of Frequency Ratio, Weight of Evidence, Shannon Entropy, and Information Value Methods for Landslide Susceptibility in the Siwalik Hills of Nepal. Sustainability, 16(5), 2092. https://doi.org/10.3390/su16052092
Calvello, M., & Ciurleo, M. (2018). Optimal use of thematic maps for landslide susceptibility assessment by means of statistical analyses: Case study of shallow landslides in fine-grained soils. In Landslides and engineered slopes. Experience, theory and practice (pp. 537-544). CRC Press. https://www.taylorfrancis.com/chapters/edit/10.1201/9781315375007-48/optimal-use-thematic-maps-landslide-susceptibility-assessment-means-statistical-analyses-case-study-shallow-landslides-fine-grained-soils-calvello-ciurleo
Cantarino, I., Carrion, M. A., Goerlich, F., & Martinez Ibañez, V. (2019). A ROC analysis-based classification method for landslide susceptibility maps. Landslides, 16, 265-282. https://doi.org/10.1007/S10346-018-1063-4
Choi, K. Y., & Cheung, R. W. (2013). Landslide disaster prevention and mitigation through works in Hong Kong. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 5(5), 354-365. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2013.07.007
Corominas, J., & Moya, J. (2008). A review of assessing landslide frequency for hazard zoning purposes. Engineering geology, 102(3-4), 193-213. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2008.03.018
Ilia, I., & Tsangaratos, P. (2016). Applying weight of evidence method and sensitivity analysis to produce a landslide susceptibility map. Landslides, 13, 379-397. https://doi.org/10.1007/s10346-015-0576-3
Jaafari, A., Najafi, A., Pourghasemi, H. R., Rezaeian, J., & Sattarian, A. (2014). GIS-based frequency ratio and index of entropy models for landslide susceptibility assessment in the Caspian forest, northern Iran. International Journal of Environmental Science and Technology, 11, 909-926. https://doi.org/10.1007/s13762-013-0464-0
Kamiński, M. (2020). The impact of quality of digital elevation models on the result of landslide susceptibility modeling using the method of weights of evidence. Geosciences, 10(12), 488. https://doi.org/10.3390/geosciences10120488
Khadka, M. K., Timalsina, N., Ali, K., Ghimire, M., & Zhang, Z. (2025). Assessing landslide susceptibility: A comparative analysis of bivariate statistical methods along the proposed China-Nepal Railway Corridor. Journal of Mountain Science22(6), 1966-1992. https://ui.adsabs.harvard.edu/link_gateway/2025JMouS..22.1966K/doi:10.1007/s11629-024-9294-4
Małka, A. (2021). Landslide susceptibility mapping of Gdynia using geographic information system-based statistical models. Natural Hazards, 107(1), 639-674. https://doi.org/10.1007/s11069-021-04599-8
Mersha, T., & Meten, M. (2020). GIS-based landslide susceptibility mapping and assessment using bivariate statistical methods in Simada area, northwestern Ethiopia. Geoenvironmental disasters, 7, 1-22. https://doi.org/10.1186/s40677-020-00155-x
Ozdemir, A., & Altural, T. (2013). A comparative study of frequency ratio, weights of evidence and logistic regression methods for landslide susceptibility mapping: Sultan Mountains, SW Turkey. Journal of Asian Earth Sciences, 64, 180-197. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2012.12.014
Pardeshi, S. D., Autade, S. E., & Pardeshi, S. S. (2013). Landslide hazard assessment: recent trends and techniques. SpringerPlus, 2, 1-11. https://doi.org/10.1186/2193-1801-2-523
Raghuvanshi, T. K., Ibrahim, J., & Ayalew, D. (2014). Slope stability susceptibility evaluation parameter (SSEP) rating scheme–an approach for landslide hazard zonation. Journal of African Earth Sciences, 99, 595-612. https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2014.05.004
Rahman, G., Rahman, A.U., Bacha, A. S., Mahmood, S., Moazzam, M. F. U., & Lee, B. G. (2020). Assessment of landslide susceptibility using weight of evidence and frequency ratio model in Shahpur Valley, Eastern Hindu Kush. Natural Hazards and Earth System Sciences Discussions, 2020, 1-19. https://doi.org/10.5194/nhess-2020-167
Ramesh, G. (2021). Slope and landslide stabilization: a review. Indian J Struct Eng (IJSE), 1(2), 13-16. https://doi.org/10.35940/ijse.A1304.111221
Segoni, S., Piciullo, L., & Gariano, S. L. (2018). A review of the recent literature on rainfall thresholds for landslide occurrence. Landslides, 15(8), 1483-1501. https://doi.org/10.1007/s10346-018-0966-4
Senouci, R., Taibi, N. E., Teodoro, A. C., Duarte, L., Mansour, H., & Yahia Meddah, R. (2021). GIS-based expert knowledge for landslide susceptibility mapping (LSM): case of mostaganem coast district, west of Algeria. Sustainability, 13(2), 630. https://doi.org/10.3390/su13020630
Shano, L., Raghuvanshi, T. K., & Meten, M. (2020). Landslide susceptibility evaluation and hazard zonation techniques–a review. Geoenvironmental Disasters, 7, 1-19. https://doi.org/10.1186/s40677-020-00152-0
Wang, Z., Liu, Q., & Liu, Y. (2020). Mapping landslide susceptibility using machine learning algorithms and GIS: A case study in Shexian County, Anhui Province, China. Symmetry, 12(12), 1954. https://doi.org/10.3390/sym12121954
Zêzere, J. L., Pereira, S., Melo, R., Oliveira, S. C., & Garcia, R. A. (2017). Mapping landslide susceptibility using data-driven methods. Science of the total environment, 589, 250-267. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.02.188
Zhao, X., Chen, W., Tsangaratos, P., Ilia, I., & He, Q. (2025). Landslide spatial prediction using data-driven based statistical and hybrid computational intelligence algorithms. Geocarto International40(1), 2507919. https://doi.org/10.1080/10106049.2025.2507919

  • تاریخ دریافت 07 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 03 مهر 1404
  • تاریخ پذیرش 04 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 01 اردیبهشت 1405