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머신러닝기법을 이용한 산사태 발생인자의 영향도 분석
Machine-Learning Evaluation of Factors Influencing Landslides 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.31 no.4, 2021년, pp.701 - 718  

박성용 (충북대학교 지구환경과학과) ,  문성우 (충북대학교 지구환경과학과) ,  최재완 (충북대학교 토목공학과) ,  서용석 (충북대학교 지구환경과학과)

초록
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본 연구에서는 산사태가 다수 발생한 충주 산척면 지역을 대상으로 야외지질조사 및 일련의 실내시험을 수행하여 데이터를 취득하고, 이후 인공신경망(Artificial neural network)로지스틱 회귀분석(Logistic regression)을 적용하여 각 인자가 산사태 발생에 미치는 영향도를 분석하였다. 야외지질조사 시 산사태 발생 유무에 따라 불교란시료를 채취하였으며, 동적 콘 관입시험기를 이용하여 토심을 측정하였다. 실내시험은 미국 표준시험법인 ASTM 규정에 따라 진행되었으며, 인자간 다중공선성을 해결하기 위해 VIF(Variation inflation factor)를 산정하였다. 다중공선성 분석을 통해 총 9개 인자(전단강도, 암종, 토심, 포화함수비, 비중, 투수계수, USCS, 사면 경사, 고도)가 분석에 적용되었다. 추후 도출되는 각 인자별 영향도를 직접적으로 비교하기 위해서 데이터는 최소값 0, 최대값 1이 되도록 최소-최대 정규화한 후 로지스틱 회귀분석 및 인공신경망 분석에 적용되었다. 로지스틱 회귀분석 결과, 토심, 경사, 포화함수비, 전단강도 순으로 산사태 발생에 영향력이 크게 나타났으며, 인공신경망 분석 결과, 경사, 토심, 포화함수비, 전단강도 순으로 영향력이 크게 나타났다. 각 분석기법으로 산정된 영향도를 산술평균한 결과, 토심, 경사, 포화함수비, 전단강도가 상위 4개 인자로 선정되었으며, 이들의 영향도 합계는 약 70%로 분석되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Geological field surveys and a series of laboratory tests were conducted to obtain data related to landslides in Sancheok-myeon, Chungju-si, Chungcheongbuk-do, South Korea where many landslides occurred in the summer of 2020. The magnitudes of various factors' influence on landslide occurrence were ...

주제어

표/그림 (18)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서는 현장조사 및 실내시험을 통해 지질 및 지형 데이터를 취득하였으며, 인자별 VIF 값 산정을 통해 다중공선성 문제를 해결하여 총 9개의 인자들(암종, 토심, 고도, 경사, 포화함수비, 비중, USCS, 투수계수, 전단강도)을 분석에 적용하였다. 해당 인자들을 이용하여 로지스틱 회귀분석과 인공신경망 분석을 수행하였으며, 두 분석기법의 결과를 종합적으로 고려하여 인자별 산사태 영향도를 파악하고 주요 산사태 영향인자를 산정하였다.
  • 본 연구에서는 현장조사와 실내시험을 통해 취득한 산사태 영향인자들을 대상으로 로지스틱 회귀분석과 인공신경망 분석을 적용하였으며, 각 인자별 영향도를 산정하고 주요 영향인자를 결정하였다. 단계별 분석 과정을 요약하면 아래와 같다.
  • 본 연구에서는 현장조사 및 실내시험을 통해 지질 및 지형 데이터를 취득하였으며, 인자별 VIF 값 산정을 통해 다중공선성 문제를 해결하여 총 9개의 인자들(암종, 토심, 고도, 경사, 포화함수비, 비중, USCS, 투수계수, 전단강도)을 분석에 적용하였다. 해당 인자들을 이용하여 로지스틱 회귀분석과 인공신경망 분석을 수행하였으며, 두 분석기법의 결과를 종합적으로 고려하여 인자별 산사태 영향도를 파악하고 주요 산사태 영향인자를 산정하였다.

대상 데이터

  • (1) 2020년 8월 3일 일강우량 259 mm로 인해 산사태가 다수 발생한 충주시 산척면 송강리 일대를 대상으로 야외지질조사 및 실내시험을 통해 13개의 산사태 발생 영향인자(암종, USCS, 토심, 포화함수비, 비중, 전단강도, 공극비 및 공극률, 단위중량, 투수계수, 고도, 경사)에 대한 데이터를 획득하였다.
  • 연구지역은 중생대 쥐라기의 청주 화강암류와 시대미상의 천등산층 함자철석 미립편마암이 주를 이루고 있다(Fig. 2).
  • 취득한 데이터 61개 중 20개를 무작위로 선별하여 검증 데이터로 활용하였으며, 나머지 41개의 데이터는 머신러닝 기법의 학습용 데이터로 이용하였다. 학습 데이터는 산사태 발생 25개 및 미발생 16개이며, 검증 데이터는 산사태 발생 10개 및 미발생 10개로 구분된다.
  • 취득한 데이터 61개 중 20개를 무작위로 선별하여 검증 데이터로 활용하였으며, 나머지 41개의 데이터는 머신러닝 기법의 학습용 데이터로 이용하였다. 학습 데이터는 산사태 발생 25개 및 미발생 16개이며, 검증 데이터는 산사태 발생 10개 및 미발생 10개로 구분된다. 학습 데이터와 검증데이터의 분포는 Fig.

데이터처리

  • 예측의 정확도 평가를 위해 오차행렬의 결과로부터 ROC(Receiver operating characteristic) 곡선을 그린 후, AUC(Area under curve)를 산정하여 모형의 정확도를 평가한다. 산사태 발생에 대한 예측 성공 비율은 민감도(Sensitivity), 산사태 미발생의 예측 성공비율은 특이도(Specificity)라고 하며, 식 (7)을 통해 산정된다.
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