Landslide Susceptibility Mapping Using Deep Neural Network and Convolutional Neural Network

Landslides are one of the most prevalent natural disasters, threating both humans and property. Also landslides can cause damage at the national level, so effective prediction and prevention are essential. Research to produce a landslide susceptibility map with high accuracy is steadily being conducted, and various models have been applied to landslide susceptibility analysis. Pixel-based machine learning models such as frequency ratio models, logistic regression models, ensembles models, and Artificial Neural Networks have been mainly applied. Recent studies have shown that the kernel-based convolutional neural network (CNN) technique is effective and that the spatial characteristics of input data have a significant effect on the accuracy of landslide susceptibility mapping. For this reason, the purpose of this study is to analyze landslide vulnerability using a pixel-based deep neural network model and a patch-based convolutional neural network model. The research area was set up in Gangwon-do, including Inje, Gangneung, and Pyeongchang, where landslides occurred frequently and damaged. Landslide-related factors include slope, curvature, stream power index (SPI), topographic wetness index (TWI), topographic position index (TPI), timber diameter, timber age, lithology, land use, soil depth, soil parent material, lineament density, fault density, normalized difference vegetation index (NDVI) and normalized difference water index (NDWI) were used. Landslide-related factors were built into a spatial database through data preprocessing, and landslide susceptibility map was predicted using deep neural network (DNN) and CNN models. The model and landslide susceptibility map were verified through average precision (AP) and root mean square errors (RMSE), and as a result of the verification, the patch-based CNN model showed 3.4% improved performance compared to the pixel-based DNN model. The results of this study can be used to predict landslides and are expected to serve as a scientific basis for establishing land use policies and landslide management policies.

Deep Neural Network와 Convolutional Neural Network 모델을 이용한 산사태 취약성 매핑

산사태는 가장 널리 퍼진 자연재해 중 하나로 인명 및 재산피해 뿐만 아니라 범 국가적 차원의 피해를 유발할 수 있기 때문에 효과적인 예측 및 예방이 필수적이다. 높은 정확도를 갖는 산사태 취약성도를 제작하려는 연구는 꾸준히 진행되고 있으며 다양한 모델이 산사태 취약성 분석에 적용되어 왔다. 빈도비 모델, logistic regression 모델, ensembles 모델, 인공신경망 등의 모델과 같이 픽셀기반 머신러닝 모델들이 주로 적용되어 왔고 최근 연구에서는 커널기반의 합성곱신경망 기법이 효과적이라는 사실과 함께 입력자료의 공간적 특성이 산사태 취약성 매핑의 정확도에 중요한 영향을 미친다는 사실이 알려졌다. 이러한 이유로 본 연구에서는 픽셀기반 deep neural network (DNN) 모델과 패치기반 convolutional neural network (CNN) 모델을 이용하여 산사태 취약성을 분석하는 것을 목적으로 한다. 연구지역은 산사태 발생 빈도가 높고 피해가 큰 인제, 강릉, 평창을 포함한 강원도 지역으로 설정하였고, 산사태 관련인자로는 경사도, 곡률, 하천강도지수, 지형습윤지수, 지형위치 지수, 임상경급, 임상영급, 암상, 토지이용, 유효토심, 토양모재, 선구조 밀도, 단층 밀도, 정규식생지수, 정규수분지수의 15개 데이터를 이용하였다. 데이터 전처리 과정을 통해 산사태관련인자를 공간데이터베이스로 구축하였으며 DNN, CNN 모델을 이용하여 산사태 취약성도를 작성하였다. 정량적인 지표를 통해 모델과 산사태 취약성도에 대한 검증을 진행하였으며 검증결과 패치기반의 CNN 모델에서 픽셀기반의 DNN 모델에 비해 3.4% 향상된 성능을 보였다. 본 연구의 결과는 산사태를 예측하는데 사용될 수 있고 토지 이용 정책 및 산사태 관리에 관한 정책 수립에 있어 기초자료 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.