- 纳入分层实测岩土与土壤水文参数,提升滑坡建模的物理真实性;
- 耦合人工智能随机森林模型与物理机理TRIGRS 边坡稳定模型;
- 依托INLA 构建统一贝叶斯模型,同步校准随机森林滑坡概率与TRIGRS安全系数。
混合滑坡建模
滑坡易发性
贝叶斯地统计学
随机森林(RF)
瞬时降雨入渗栅格区域边坡稳定模型(TRIGRS)
集成嵌套拉普拉斯近似—随机偏微分方程(INLA-SPDE)
滑坡是极具破坏力的地貌灾害,滑坡易发性制图是区域减灾、国土规划的核心工具,当前主流建模分为数据驱动机器学习与物理机理模型两类,但二者均存在显著短板:随机森林等机器学习算法可高效捕捉滑坡与多源地形、岩土因子间复杂非线性关联,兼容多源异构空间数据,却缺乏岩土力学物理约束,面对极端降雨、罕见地形时易生成违背物理规律的预测结果,且难以量化预测不确定性;TRIGRS 等物理边坡稳定模型基于入渗理论与极限平衡原理模拟降雨诱发失稳过程,具备清晰物理解释,但高度依赖精细、全域分布的岩土水文参数,区域尺度常需采用地下水均质、土体性质分区简化等假设,模拟偏差较大,同时无法依托历史滑坡观测完成概率校准。现有融合方法多仅用物理模型筛选训练样本或向神经网络损失函数嵌入控制方程,深度模型还对样本量要求极高,缺少能够统一整合机器学习经验规律、边坡物理过程,同时显式量化空间预测不确定性的完整建模框架,针对热带风化山区、具备分层实测土壤剖面数据的一体化混合滑坡预测体系仍存在研究空白,为此本文开展相关集成建模研究。
图1. (a) Muthirapuzha河流域(MRB,amsl 代表海拔)区位及 1994–2023 年滑坡编目(共 372
处),可见流域西部滑坡分布更为密集;(b) 流域主要岩性分布图;(c) 2018 年 8 月 1—17 日流域逐日降雨量。2018 年极端降雨引发典型滑坡实景照片:(d) Munnar学院滑坡,(e) Munnar隘口道路滑坡。
本文选取印度西高止山脉一处热带山地流域开展实例验证,该区域夏季季风降雨频繁诱发滑坡。研究基于集成嵌套拉普拉斯近似(INLA),提出一种贝叶斯地统计方法,将数据驱动随机森林(RF)分类器输出的滑坡易发性预测结果,与物理机理模型:瞬时降雨入渗栅格区域边坡稳定模型(TRIGRS)计算的边坡安全系数(Fs)相融合。该框架融合随机森林提取的经验关联关系、TRIGRS 模拟的边坡稳定动态过程,以及由隐高斯场表征的结构化空间残差,生成经过校准、且附带不确定性信息的滑坡易发性图。
随机森林能够刻画滑坡发育与其影响因子之间的非线性关联,TRIGRS 则嵌入降雨入渗过程中的边坡稳定物理机制。INLA 将两类互补预测信息耦合,并输出非线性后验校正结果:对随机森林得出的低概率值进行弱化、强化其中高概率区间;同时抬升安全系数分布的中低值区间、抑制其高值尾部。最终生成的易发性空间面相较单一输入模型,空间分布更平滑、概率校准效果更佳、结果更易解释。
在斜坡单元尺度下,INLA 模型的受试者工作特征曲线下面积(AUROC)达到 0.96,优于随机森林模型(0.91)与 TRIGRS 模型(0.83);子流域分层空间交叉验证也证实,该模型在全流域均具备稳定优异的区分能力。模型后验可信区间可直观展现空间不确定性分布规律:高易发热点区(概率
0.8~1)区间宽度更小、置信度更高,中等易发区域(概率 0.3~0.7)区间更宽、不确定性更强,可为决策阈值划定、野外核查优先级排序、监测网络优化布设提供依据。本框架将机器学习、物理建模与贝叶斯空间推断整合至一套完整流程,具备可拓展、可移植的特点,能够输出可解释、贴合防灾决策需求的滑坡易发性评估结果,适用于滑坡风险常态化管理工作。
图2. 本研究采用的整体技术路线
蓝色线条代表机器学习建模流程,红色线条代表 TRIGRS 模型建模流程,黑色线条代表基于 INLA-SPDE 开展贝叶斯融合,输出经过校准的滑坡易发性结果及对应预测不确定性。缩写:ML,机器学习;TRIGRS,瞬时降雨入渗栅格区域边坡稳定模型;INLA,集成嵌套拉普拉斯近似;SPDE,随机偏微分方程。
(1)建模框架创新与整体优势
本文构建的INLA-RF-TRIGRS 贝叶斯地统计一体化框架,实现机器学习统计规律与 TRIGRS 边坡物理机理深度融合,弥补单一随机森林、单一物理模型的固有缺陷:随机森林仅能拟合经验关系、缺乏物理约束,TRIGRS 受区域参数不确定性与简化假设限制,而 INLA 通过同步校正两类模型预测值、引入空间潜效应刻画未量化的区域控滑因子,输出经过校准、附带空间不确定性的滑坡易发性结果,模型空间连续性、预测区分度、概率校准效果全面优于两种单一基准模型,且流程具备可拓展、跨区域移植能力,也可拓展用于洪水、火灾等其他灾害风险评估。
(2)INLA 的非线性自适应校正机制
INLA 并非简单加权平均或全局统一缩放预测值,而是自适应非线性后处理:弱化随机森林低可信度小概率结果、放大中高滑坡概率;抬升 TRIGRS 低、中安全系数对应的滑坡风险、压低高稳定区风险预测,让模型在滑坡特征充足区域判断更明确,在信息不足、模糊区域预测结果更保守。同时空间潜效应可校正TRIGRS 均质地下水、简化土体参数等假设带来的系统偏差,土层空间分异、水文连通、地质构造等隐性空间要素可造成滑坡发生比 5~7 倍的浮动,是区域滑坡发育关键控制因素。
(
3)制图单元对结果的显著影响
斜坡单元SUB 与栅格单元 GUB 建模效果差异明显:斜坡单元贴合山坡水文地貌单元,有效空间范围 5.1 km,能刻画局部山坡尺度滑坡变异,模型 AUROC 高达 0.96,精度最优,不确定性集中分布于少数地貌单元,便于定点边坡治理、野外核查;栅格单元空间作用尺度达 20.6 km,仅反映大范围区域趋势,预测噪声、分散的不确定性更适合宏观区域普查,精细化防灾规划优先选用斜坡单元建模。
(4)预测不确定性具备稳定可解读规律
后验可信区间呈现出空间上明确的不确定性格局:极高易发(0.8~1)与稳定区域可信区间窄、模型置信度高;中等易发区间(0.3~0.7)不确定性峰值突出。该规律可直接服务防灾决策:高易发低不确定区域作为边坡加固、人员搬迁优先治理区;中等易发高不确定区域需补充岩土勘察、增设监测站点、完善基础空间数据。
综上,本文构建的INLA-RF-TRIGRS 耦合框架为新一代滑坡易发性建模提供了一套可落地、可迁移的标准化流程,可在单一工作流中整合经验统计规律、物理过程机理与空间不确定性分析。除滑坡灾害外,该框架也可适配洪水、森林火灾等其他自然灾害评估场景,适用于多模型结果融合、空间不确定性量化仍是风险导向环境治理核心难题的各类研究领域。

图3. 滑坡易发性建模配套野外与室内数据采集工作
(a) 土壤表层、地下深层采样点、入渗试验及岩土试验点位分布图;(b) 现场入渗试验实拍照片;(c) 三轴剪切试验原状土取样现场;(d) 土层厚度实地测量;(e) 研究区典型土壤剖面。
图4. TRIGRS 模型空间参数化结果
(a) 基于 K 均值聚类划分的土体抗剪强度分区,(b) 背景入渗率(IZLT)空间分布,(c) 模型反演得到的土层厚度,(d) 由 SRTM
数字高程模型提取的坡度图层。
图5. 随机森林模型预测滑坡易发性结果
(a) 栅格单元法、(b) 斜坡单元法;TRIGRS 模型计算得到的安全系数空间分布:(c) 原始栅格安全系数、(d) 按斜坡单元聚合后的安全中值系数。缩写:RF,随机森林;GUB,基于栅格单元;SUB,基于斜坡单元;TRIGRS,瞬时降雨入渗栅格区域边坡稳定模型。
图6. 斜坡单元(
SUB)模型(a、b、c)与栅格单元(GUB)模型(d、e、f)的空间潜效应、后验平均滑坡概率、95% 可信区间不确定性(三图依次对应三类结果)。
缩写:CrI,可信区间。
图7. INLA 模型后验平均滑坡易发性与对应不确定性的关系
其中 (a、c) 分别为栅格单元 (GUB) 模型、斜坡单元 (SUB) 模型滑坡后验概率的
97.5% 上界与 2.5% 下界;(b、d) 展示 95% 可信区间宽度随后验平均易发性的变化规律。缩写:CrI 为可信区间。
图8. 模型精度对比与空间交叉验证结果
(a) 栅格单元随机森林、斜坡单元随机森林、TRIGRS 模型的受试者工作特征曲线下面积 (AUROC);(b) 栅格单元 INLA 模型与斜坡单元 INLA 模型的 AUROC 及 95%
可信区间;(c,d) 分别为栅格单元 INLA、斜坡单元 INLA 模型基于各子流域分组的空间交叉验证 AUROC 分布。缩写:AUROC,受试者工作特征曲线下面积。
图9. 栅格单元(GUB)、斜坡单元(SUB)两种建模方案下,INLA 对随机森林(RF)、TRIGRS 模型预测结果的后验校准效果。各子图分别展示条件均值关系、校正差值(Δ)、滑坡发生率偏差诊断指标,证明该方法可实现非线性、空间自适应的结果重校准。缩写:RF,随机森林;TRIGRS,瞬时降雨入渗栅格区域边坡稳定模型;INLA
,集成嵌套拉普拉斯近似;GUB,基于栅格单元;SUB,基于斜坡单元。
图10. INLA 斜坡单元模型后验平均滑坡易发性与对应不确定性双变量可视化图。
Integrating machine learning and physics-based slope stability through Bayesian geostatistics: An uncertainty-aware framework for landslide prediction
A.L. Achu, Jobin Thomas, C.D. Aju, U. Surendran, Thomas Oommen, Girish Gopinath
https://doi.org/10.1016/j.gsf.2026.102402
Effective landslide susceptibility assessment requires a modelling framework that integrates heterogeneous geospatial information while explicitly accounting for predictive uncertainty. This study developed a Bayesian geostatistical approach that combined susceptibility prediction from a data-driven random forest (RF) classifier with factor of safety (Fs) output from a physics-based model — transient rainfall infiltration and grid-based regional slope-stability (TRIGRS) — using the integrated nested Laplace approximation (INLA). The framework produces calibrated and uncertainty-aware landslide susceptibility maps by integrating empirical relationships captured by RF, slope stability dynamics simulated by TRIGRS, and a spatially-structured residual variability represented through a latent Gaussian field. The RF model captures nonlinear associations between landslide occurrences and their conditioning factors, whereas TRIGRS encodes the physics of slope stability during rainfall infiltration. INLA couples these complementary signals and yields nonlinear posterior adjustments that suppress weak RF probabilities and strengthen mid-to-high values, while elevating low-to-mid ranges of the Fs distribution and tempering the upper tail. The resulting susceptibility surfaces are spatially smoother, better calibrated, and more interpretable than either input model. At the slope unit (SU) scale, the INLA model attained an area under the receiver operating characteristic curve (AUROC) of 0.96, outperforming RF (0.91) and TRIGRS (0.83). Spatial cross-validation confirmed consistently high discrimination across sub-basins. The posterior credible intervals provide spatially explicit uncertainty patterns, narrower in high-susceptibility hotspots (0.8–1) and wider at moderate probabilities (0.3–0.7), offering guidance for setting decision thresholds, prioritising field validation, and optimising monitoring network design. By combining machine learning (ML), physics-based modelling, and Bayesian spatial inference in a unified workflow, this scalable and transferable framework delivers interpretable, decision-relevant susceptibility estimates suitable for operational landslide risk management.
引用本文:Achu, A.L., Thomas, J., Aju, C.D., Surendran,
U., Oommen, T., Gopinath, G., 2026. Integrating machine learning and physics-based slope stability through Bayesian geostatistics: An uncertainty-aware framework for landslide prediction. Geosci. Front. 17(6), 102402. doi: 10.1016/j.gsf.2026.102402
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,包括矿物学、岩石学、矿床学、地球化学、构造地质学、地球物理学、地层与古生物学、环境与工程地质、天体地质等。科睿唯安JCR2025影响因子:12.7,位于地球科学及交叉学科领域一区(第6/259)。2025年中科院期刊分区:位于地球科学大类一区(Top期刊),地球科学综合 GEOSCIENCES, MULTIDISCIPLINARY 小类一区。入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目(2024-2028)。入选中国科技期刊卓越行动计划重点类期刊(2019-2023)。入选《2025年度世界一流科技期刊目录》。
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