مدیریت آب و آبیاری

مدیریت آب و آبیاری

تهیه نقشه حساسیت سیلاب به کمک شبکه‌های عصبی گراف و ادغام آن‌ها با الگوریتم فراابتکاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مدیریت ساخت و آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 گروه ژئو مورفولوژی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران
10.22059/jwim.2026.421178.1337
چکیده
مدل‌سازی و تهیه نقشه حساسیت سیلاب، رویکردی علمی برای شناسایی مناطق مستعد و مدیریت پیامدهای آن است. بر این اساس، هدف از این مطالعه، مقایسه عملکرد سه معماری پرکاربرد شبکه عصبی گراف (GNN) شاملGCN، GAT و GraphSAGE در تهیه نقشه حساسیت سیلاب می‌باشد. همچنین ترکیب این ساختارها با الگوریتم فراابتکاری بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) جهت شناسایی بهترین پیکربندی ارزیابی شد. در این مطالعه، ۱۴۷۸ نمونه شامل ۷۳۹ نقطه وقوع و ۷۳۹ نقطه عدم وقوع سیلاب و ۱۳ متغیر مؤثر در مدل‌سازی سیلاب از جمله عوامل توپوگرافی، هیدرولوژیکی، اقلیمی و محیطی مورد استفاده قرار گرفتند. عملکرد مدل‌ها با استفاده از شاخص‌های مختلف از جمله منحنی مشخصه عملکرد (ROC) ارزیابی و مقایسه شد. نتایج نشان داد تمام مدل‌ها در پیش‌بینی سیلاب عملکرد بسیار خوبی داشته و اختلاف عملکرد آن‌ها محدود بود. مدل GraphSAGE-PSO با کسب بالاترین مقدار AUC برابر با 96.99 درصد، بهترین عملکرد را نشان داد؛ هرچند اختلاف آن با مدل پایه GraphSAGE محدود بود. افزون بر این، مدل پایه GraphSAGE عملکرد بهتری نسبت به مدل‌های ترکیبی GCN-PSO و GAT-PSO داشت. در نهایت، نتایج نشان داد که استفاده از الگوریتم PSO می‌تواند عملکرد برخی معماری‌های GNN را بهبود دهد، هرچند میزان این بهبود به معماری مورد استفاده وابسته است. روش‌های پیشنهادی می‌توانند به عنوان یک چارچوب بالقوه در مطالعات مشابه به کار روند؛ با این حال، کاربرد آن‌ها در مناطق جدید نیازمند اعتبارسنجی مستقل است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Flood Susceptibility Mapping Using Graph Neural Networks Integrated with a Metaheuristic Algorithm

نویسندگان English

Mohammad Nazari 1
Aminreza Neshat 1
Himan Shahabi 2
1 Department of Civil Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Departments of Geomorphology, Faculty of Natural Resources, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
چکیده English

Modeling and producing flood susceptibility maps represent a scientific approach to identifying prone areas and managing their consequences. Accordingly, the aim of this study is to compare the performance of three widely used Graph Neural Network (GNN) architectures, namely GCN, GAT, and GraphSAGE, in preparing the flood susceptibility map. Furthermore, the combination of these structures with the meta-heuristic Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm was evaluated to identify the optimal configuration. In this study, 1,478 samples, including 739 flood occurrence points and 739 non-occurrence points, along with 13 effective variables in flood modeling—comprising topographic, hydrological, climatic, and environmental factors—were utilized. The performance of the models was evaluated and compared using various indices, including the Receiver Operating Characteristic (ROC) curve. The results indicated that all models performed very well in predicting floods, and their performance discrepancies were limited. The GraphSAGE-PSO model, achieving the highest AUC value of 96.99%, demonstrated the best performance; however, its difference from the base GraphSAGE model was marginal. Moreover, the base GraphSAGE model outperformed the hybrid GCN-PSO and GAT-PSO models. Finally, the results showed that employing the PSO algorithm can enhance the performance of certain GNN architectures, although the extent of this improvement depends on the architecture in question. The proposed methods can serve as a potential framework for similar studies; nevertheless, their application to new regions requires independent validation.

کلیدواژه‌ها English

Graph Convolutional Network (GCN)
GraphSAGE
Graph Attention Network (GAT)
Particle Swarm Optimization (PSO)

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 24 شهریور 1405