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铁路建设区域岩溶洼地智能识别方法

于宪煜 万哲 张凯翔

于宪煜,万 哲,张凯翔. 铁路建设区域岩溶洼地智能识别方法−以湖北恩施地区为例[J]. 中国岩溶,2026,45(1):221-238 doi: 10.11932/karst20260112
引用本文: 于宪煜,万 哲,张凯翔. 铁路建设区域岩溶洼地智能识别方法−以湖北恩施地区为例[J]. 中国岩溶,2026,45(1):221-238 doi: 10.11932/karst20260112
YU Xianyu, WAN Zhe, ZHANG Kaixiang. Intelligent identification method for karst depressions in railway construction areas: A case study of Enshi area, Hubei Province[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2026, 45(1): 221-238. doi: 10.11932/karst20260112
Citation: YU Xianyu, WAN Zhe, ZHANG Kaixiang. Intelligent identification method for karst depressions in railway construction areas: A case study of Enshi area, Hubei Province[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2026, 45(1): 221-238. doi: 10.11932/karst20260112

铁路建设区域岩溶洼地智能识别方法——以湖北恩施地区为例

doi: 10.11932/karst20260112
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目“滑坡易发性评价中的空间多尺度问题研究”(41807297)
详细信息
    作者简介:

    于宪煜(1987-),男,博士,硕士研究生导师,主要研究方向为地质灾害和灾害生态风险评价。E-mail:yuxianyu@hbut.edu.cn

  • 中图分类号: P237

Intelligent identification method for karst depressions in railway construction areas: A case study of Enshi area, Hubei Province

  • 摘要: 文章针对湖北省恩施地区复杂岩溶地质环境,以宜涪铁路选线区南部为研究对象,开展岩溶洼地智能识别方法探究,以筛选最优识别方案。结果表明:基于地质思维的局部等高线树法结合30 m分辨率数字高程模型(DEM),在等高线间隔为60 m、最小区域面积为7500 m2时存在最优参数。为验证该方法对不同分辨率DEM的适用性,利用相同步骤对12.5 m分辨率DEM进行实验,结果表明该方法在不同分辨率条件下亦具备良好性能;为进一步验证方法的有效性,引入随机森林机器学习模型进行对比,结果表明:当易发性指数阈值设置为95%时识别效果最佳,但在非岩溶洼地区域,随机森林模型识别出的错误区域明显多于基于地质思维的局部等高线树法,导致其准确率、F-measure和偏差回归精度(6.21%、11.63%、44.34%)均低于等高线树法(66.15%、62.39%、88.33%)。基于地质思维的局部等高线树法在岩溶洼地识别中具有更高的准确性和可靠性。

     

  • 图  1  研究区地理位置示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the geographical location of the study area

    图  2  研究区地层岩性图

    Figure  2.  Stratigraphic lithology map of the study area

    图  3  岩溶结构示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of karst structure

    图  4  岩溶洼地形态特征和拓扑关系图

    Figure  4.  Diagram for morphological characteristics and topological relationship of karst depressions

    图  5  二分法模型示意图

    Figure  5.  Diagram of the bisection method model

    图  6  实际识别情况

    Figure  6.  Actual identification

    图  7  基于地质思维的识别区域

    Figure  7.  Identification of regions based on geological thinking

    图  8  技术流程图

    Figure  8.  Technical flowchart

    图  9  不同最小区域面积的实验结果

    Figure  9.  Experimental results of different minimum regional areas

    图  10  等高线间隔固定时最小面积变化的偏差回归值变化情况

    Figure  10.  Variations in the regression value of the deviation of the minimum area change when the contour interval is fixed

    图  11  不同最小面积的识别结果

    Figure  11.  Identification results of different minimum areas

    图  12  30 m DEM的最优识别情况

    Figure  12.  Optimal identification of 30 m DEM

    图  13  不同最小区域面积实验结果

    Figure  13.  Results of different minimum regional areas

    图  14  等高线间隔固定时最小面积变化的偏差回归值变化情况

    Figure  14.  Variations in the regression value of the deviation of the minimum area change when the contour interval is fixed

    图  15  不同最小面积的识别结果

    Figure  15.  Identification results of different minimum areas

    图  16  12.5 m DEM的最优识别情况

    Figure  16.  Optimal identification of 12.5 m DEM

    图  17  RF模型流程图

    Figure  17.  Flowchart of the RF model

    图  18  易发性评价因子的皮尔逊相关系数

    Figure  18.  Pearson correlation coefficient of susceptibility evaluation factors

    图  19  易发性评价指数图

    Figure  19.  Susceptibility evaluation index

    图  20  RF模型识别洼地情况

    Figure  20.  RF model to identify depression conditions

    图  21  Geo-LCTA和RF模型识别出的岩溶洼地与实际岩溶洼地对比

    Figure  21.  Comparison of karst depressions identified by Geo-LCTA and RF model with actual karst depressions

    表  1  研究区的数据列表

    Table  1.   List of data in the study area

    数据类型 空间分辨率/比例尺 数据用途 数据来源
    DEM 30 m 提取高程 美国航空航天局开发的ASTER GDEM V3
    地质图 1∶5万 提取地质岩性 湖北省地质调查局
    水系图 1∶5万 提取水系 湖北省地质调查局
    岩溶洼地人工解译数据库 1∶5万 检验算法模型 地质专家目视解译
    遥感影像 30 m 提取土地利用数据 国家地理信息公用服务平台
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    表  2  30 m DEM的计算结果

    Table  2.   Calculation results of 30 m DEM

    DEM/m 最小向下
    精度/m
    最低等高
    线/m
    等高线间
    隔/m
    最小区域
    面积/m2
    准确率/% 召回率/% F-measure/% D值/%
    30 0.5 547 15 5500 33.51 87.50 48.46 50.80
    30 45.16 80.90 57.96 64.15
    60 62.17 65.63 63.85 85.86
    15 6000 34.57 87.50 49.56 51.58
    30 46.48 80.21 58.85 64.79
    60 63.36 64.24 63.79 85.96
    15 6500 35.41 86.81 50.30 52.55
    30 47.20 79.17 59.14 66.05
    60 63.41 63.19 63.30 86.41
    15 7000 36.15 86.11 50.92 53.21
    30 48.19 78.47 59.71 66.52
    60 64.75 62.50 63.60 87.05
    15 7500 37.18 85.07 51.74 53.72
    30 49.00 76.74 59.81 67.18
    60 66.04 60.76 63.29 88.68
    15 8000 37.77 84.72 52.25 54.18
    30 49.32 75.69 59.73 67.42
    60 66.15 59.72 62.77 88.46
    15 8500 38.88 84.38 53.23 54.72
    30 50.59 75.00 60.42 68.38
    60 66.15 59.03 62.39 88.33
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    表  3  12.5 m DEM的计算结果

    Table  3.   Calculation results of 12.5 m DEM

    DEM/m 最小向下
    精度/m
    最低等高
    线/m
    等高线间
    隔/m
    最小区域
    面积/m2
    准确率/% 召回率/% F-measure/% D值/%
    12.5 0.5 535 6.25 7000 33.20 89.24 48.40 48.97
    12.50 38.58 85.07 53.09 56.06
    25.00 50.66 80.21 62.10 66.67
    6.25 7500 34.09 88.54 49.23 50.13
    12.50 39.55 84.72 53.92 57.05
    25.00 51.46 79.51 62.48 67.42
    6.25 8000 34.63 86.81 49.50 50.69
    12.50 40.03 82.99 54.01 57.96
    25.00 52.45 78.13 62.76 68.30
    6.25 8500 36.26 86.11 51.03 51.75
    12.50 42.17 82.29 55.76 60.14
    25.00 54.50 77.78 64.09 69.83
    6.25 9000 37.71 85.76 52.39 53.59
    12.50 43.76 81.60 56.97 62.01
    25.00 56.78 77.08 65.39 72.12
    6.25 9500 38.44 85.42 53.02 54.38
    12.50 44.85 81.60 57.88 63.36
    25.00 58.01 76.74 66.07 72.97
    6.25 10000 39.30 85.42 53.83 55.43
    12.50 45.81 81.60 58.68 62.77
    25.00 59.41 76.74 66.97 74.46
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    表  4  易发性评价因子的分类、名称和描述

    Table  4.   Classification, names, and descriptions of susceptibility evaluation factors

    类型评价因子单位取值范围
    地形地貌高程m34~2295
    坡向1.平地;2.正北;3.北东;4.正东;5.南东;6.正南;7.南西;8.正西;9.北西
    坡度°0~79
    曲率−21~22
    斜坡形态1.外凸坡;2.外凹坡;3.外直坡;4.内直坡;5.内凹坡;6.直凸坡;7.直凹坡;8.直线坡
    地质距构造距离m0~45387
    地层岩性1.硬岩;2.软硬相间岩;3.软岩
    气象水文距水系距离m0~16370
    人类工程活动土地利用1.水域;2.草地;3.林地;4.耕地;5.建设用地;6.未利用地
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    表  5  统计学方法的计算结果

    Table  5.   Calculations by statistical method

    易发性
    概率/%
    识别个
    数/个
    人工解译
    个数/个
    识别准确
    个数/个
    有效识别
    个数/个
    准确率/% 召回率/% F-measure/% D值/%
    90 5156 288 1431 276 5.35 95.83 10.14 27.75
    95 4217 288 1870 262 6.21 90.97 11.63 44.34
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    表  6  统计学方法的比较结果

    Table  6.   Comparative results of statistical methods

    模型 准确率/% 召回率/% F-measure/% D值/%
    Geo-LCTA 66.15 59.03 62.39 88.33
    RF 6.21 90.97 11.63 44.34
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  • [1] 符明俊, 何阳, 董秀军, 邓博. 茂密植被山区岩溶漏斗遥感识别方法[J]. 中国岩溶, 2025, 44(1): 89-99. doi: 10.11932/karst20250106

    Fu Mingjie, He Yang, Dong Xiujun, Deng Bo. Remote sensing identification method for karst dolines in mountainous areas with dense vegetation[J]. Carsologica Sinica, 2025, 44(1): 89-99. doi: 10.11932/karst20250106
    [2] 文俊, 董志明, 金建伟. 岩溶洼地区域公路建设技术问题及对策分析[J]. 交通建设与管理, 2024(1): 152-154. doi: 10.3969/j.issn.1673-8098.2024.01.053

    Wen Jun, Dong Zhiming, Jin Jianwei. Analysis on technical problems and countermeasures of highway construction in karst depression areas[J]. Transportation Construction and Management, 2024(1): 152-154. doi: 10.3969/j.issn.1673-8098.2024.01.053
    [3] L Garas K, B Madrigal F M, D Agot D R, CanlasLiza C M, J Manzano S L. IFSAR-DEM在岩溶洼地探测中的应用: 以薄荷省旁劳市沉降灾害评估为例[J]. 中国岩溶, 2020, 39(6): 928-936.

    L Garas K, B Madrigal F M, D Agot D R, CanlasLiza C M, J Manzano S L. Application of IFSAR-DEM in karst depression Detection: A case study of subsidence disaster assessment in Panglao City, Bohol Province[J]. Carsologica Sinica, 2020, 39(6): 928-936.
    [4] Moran C J, Vezina G. Visualizing soil surface and crop residues[J]. IEEE Computer Graphics and Applications, 1993, 13(2) : 40-47.
    [5] L Wang, H Liu. An efficient method for identifying and filling surface depressions in digitial elevation models for hydrologic analysis and modeling[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2006, 20(2): 193-213. doi: 10.1080/13658810500433453
    [6] 王建平, 任立良, 吴益. 一种新的DEM填洼算法[J]. 地球信息科学, 2005, 7(3): 51-54. doi: 10.3969/j.issn.1560-8999.2005.03.012

    Wang Jianping, Ren Liliang, Wu Yi. A new DEM filling algorithm[J]. Geo-information Science, 2005, 7(3): 51-54. doi: 10.3969/j.issn.1560-8999.2005.03.012
    [7] 杨邦, 任立良, 贺颖庆. 基于快速排序的数字高程模型分级填洼算法[J]. 计算机应用, 2009, 29(11): 3161-3164,3170. doi: 10.3724/SP.J.1087.2009.03161

    Yang Bang, Ren Liliang, He Yingqing. Hierarchical filling algorithm for digital elevation model based on quick sort[J]. Journal of Computer Applications, 2009, 29(11): 3161-3164,3170. doi: 10.3724/SP.J.1087.2009.03161
    [8] 李辉, 陈晓玲, 张利华, 李长安. 基于三方向搜索的DEM中洼地处理方法[J]. 水科学进展, 2009, 20(4): 473-479.

    Li Hui, Chen Xiaoling, Zhang Lihua, Li Changan. Depression removal method for grid DEM based on three-direction search[J].Advances in Water Science, 2009, 20(4): 473-479.
    [9] 曾向辉, 曲树国, 冯杰. 一种改进的DEM数字水系简易提取方法研究[J]. 水利水电技术, 2015, 46(3): 17-21. doi: 10.13928/j.cnki.wrahe.2015.03.004

    Zeng Xianghui, Qu Shuguo, Feng Jie. Research on an improved simple extraction method of DEM digital water system[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2015, 46(3): 17-21. doi: 10.13928/j.cnki.wrahe.2015.03.004
    [10] 潘华志, 昝良. 利用包含关系建立等高线树的研究[J]. 测绘, 2015, 38(4): 147-150.

    Pan Huazhi, Zan Liang. Research on establishing contour trees using containment relationships[J]. Surveying and Mapping, 2015, 38(4): 147-150.
    [11] 张威. 基于等高线簇的等高线树构建方法研究[J]. 科学技术创新, 2017(22): 69-70.

    Zhang Wei. Research on contour tree construction method based on contour clusters[J]. Science and Technology Innovation, 2017(22): 69-70.
    [12] 钱叶青. 基于等高线树的峰林峰丛地表形态特征研究[D]. 南京: 南京师范大学, 2017.

    Qian Yeqing. Study on surface morphological characteristics of peak forest peak cluster based on contour tree[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2017.
    [13] 闫吉星, 李锡伟, 徐剑平. 基于等高线树的洼地判别方法[J]. 测绘与空间地理信息, 2010, 33(3): 229-231.

    Yan Jixing, Li Xiwei, Xu Jianping.An automatic method for selecting depression contour lines based on contour tree[J]. Geomatics&Spatial Information Technology, 2010, 33(3): 229-231.
    [14] 杨光照. 岩溶山区高位地下河成库条件研究[D]. 贵阳: 贵州大学, 2008.

    Yang Guangzhao. Study on reservoir formation conditions of high-level underground river in karst mountainous area[D]. Guiyang: Guizhou University, 2008.
    [15] 李婷, 李江风. 恩施大峡谷–腾龙洞世界地质公园地质遗迹特征及价值研究[J]. 中国岩溶, 2025, 44(1): 170-185.

    Li Ting, Li Jiangfeng. Research on the characteristics and value of geological relics in the Enshi Grand Canyon-Tenglongdong Cave Global Geopark[J]. Carsologica Sinica, 2025, 44(1): 170-185.
    [16] 刘燚, 康凤新, 张文强, 许庆宇, 秦鹏, 赵强, 李嘉龙, 崔洋, 隋海波, 郑婷婷.济南长孝岩溶水系统地下水富集区补给源识别及其成因机制[J].地质科技通报, 2024, 43(6): 292-305.

    Liu Yi, Kang Fengxin, Zhang Wenqiang, Xu Qingyu, Qin Peng, Zhao Qiang, Li Jialong, Cui Yang, Sui Haibo, Zheng Tingting. Identification and genetic mechanism of recharge sources in groundwater-rich area of Changxiao karst water system in Jinan City[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2024, 43(6): 292-305.
    [17] 郭沛沛, 李成名, 殷勇, 丁圣陶. 基于相邻关系的等高线树建立算法研究[J]. 中国工程科学, 2013, 15(5): 42-46. doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2013.05.008

    Guo Peipei, Li Chengming, Yin Yong, Ding Shengtao. An algorithm of neighbor relationship oriented contour tree building[J]. Strategic Study of CAE, 2013, 15(5): 42-46. doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2013.05.008
    [18] 郑毅. 等高线树三维扩展模型及其在地貌形态特征分析中的应用[D]. 南京: 南京师范大学, 2018.

    Zheng Yi. Three-dimensional extended model of contour tree and its application in the analysis of geomorphological characteristics[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2018.
    [19] 宋小川, 刘汉湖, 张春, 周林博. 确定性系数模型的滑坡易发性评价应用与比较[J]. 矿山测量, 2021, 49(5): 65-71.

    Song Xiaochuan, Liu Hanhu, Zhang Chun, Zhou Linbo. Application and comparison of landslide susceptibility evaluation of deterministic coefficient model[J]. Mine Measurement, 2021, 49(5): 65-71.
    [20] 黄成, 邓云龙, 晏祥省, 周鑫城. 基于多模型的滑坡易发性评估研究[J]. 中国岩溶, 2024, 43(6): 1386-1397.

    Huang Cheng, Deng Yunlong, Yan Xiangsheng, Zhou Xincheng. A study on multiple-model evaluation of landslide susceptibility[J]. Carsologica Sinica, 2024, 43(6): 1386-1397.
    [21] De Castro Tayer T, Rodrigues P C H. Assessment of a semi-automatic spatial analysis method to identify and map sinkholes in the Carste Lagoa Santa environmental protection unit, Brazil[J]. Environmental Earth Sciences, 2021, 80(3): 83-97.
    [22] Chen H, Oguchi T, Wu P. Morphometric analysis of sinkholes using a semi-automatic approach in Zhijin County, China[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2018, 11(15): 1-14.
    [23] Lin S, Liang Z L, Guo H W, Hu Q K, Cao X T L, Zheng H. Application of machine learning in early warning system of geotechnical disaster: A systematic and comprehensive review[J]. Artificial Intelligence Review, 2025, 58(6): 1-35.
    [24] Asghar A, Su L J, Zhao B, Usmani N A. Integrating predictive modeling techniques with geospatial data for landslide susceptibility assessment in northern Pakistan[J]. Journal of Mountain Science, 2023, 20(9): 2603-2627.
    [25] Segoni S, Tofani V, Rosi A, Catani F, Casagli N. Combination of rainfall thresholds and susceptibility maps for dynamic landslide hazard assessment at regional scale[J]. Frontiers in Earth Science, 2018, 6: 85.
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-04-22
  • 录用日期:  2026-02-27
  • 修回日期:  2026-01-08
  • 网络出版日期:  2026-05-27
  • 刊出日期:  2026-02-25

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