基于SD-PLUS-LightGBM框架的粤港澳大湾区城市洪涝敏感性时空动态量化研究

这篇研究创新性地构建了SD-PLUS-LightGBM（SPL）集成模型链，结合SSP-RCP情景（SSP1-2.6/SSP2-4.5/SSP5-8.5）预测了粤港澳大湾区（GBA）2030-2050年洪涝敏感性时空动态。通过耦合系统动力学（SD）、斑块级土地利用模拟（PLUS）和轻量梯度提升机（LightGBM），实现了多变量驱动的洪涝敏感性高精度评估（AUC=0.92），揭示SSP5-8.5情景下高风险区将较2020年基线扩大两倍，为可持续城市规划提供了量化工具。

　　

Highlight

本研究亮点在于：

1. 首次将系统动力学（SD）、斑块级城市模拟（PLUS）与轻量梯度提升机（LightGBM）整合为SPL模型链，实现多情景（SSP1-2.6/SSP2-4.5/SSP5-8.5）下城市洪涝敏感性的时空动态预测；

2. LightGBM模型展现出卓越性能（R²=0.94，AUC=0.92），较传统随机森林（RF）等模型精度提升10-23%；

3. 发现SSP5-8.5情景下2050年高风险区面积将较2020年翻倍，历史城区与城郊过渡带成为敏感性跃升热点区（占全域0.23%）。

模型对比分析

LightGBM凭借梯度提升架构的先天优势，在粤港澳大湾区洪涝预测中全面碾压对照组：

• 精度指标：R²达0.94，均方根误差（RMSE）低至1.83

• 分类性能：受试者工作特征曲线下面积（AUC）0.92，显著优于支持向量机（SVR）等传统算法

• 运算效率：训练速度比深度神经网络（BPDNN）快3倍，完美适配大规模空间数据分析

大湾区土地政策导向方案

不同SSP-RCP情景揭示关键矛盾：

• SSP1-2.6情景：耕地转林地政策虽提升生态韧性，但可能加剧城市扩张压力

• SSP5-8.5极端情景：建设用地疯狂扩张导致绿地系统破碎化，建议采用"海绵城市+垂直绿化"组合策略

• 创新提出"敏感性跃迁预警机制"，针对高风险转化区域实施分级管控

结论

这项研究不仅是方法论突破——通过贝叶斯优化超参数的LightGBM首次应用于洪涝敏感性评估，更为气候变化下的城市规划提供了"时空双维度"决策支持。研究发现：

1. 城郊界面区是敏感性演变的"风暴眼"，需优先布局滞洪设施

2. 经济活跃区呈现"高风险-高脆弱性"叠加特征，建议建立动态保险费率机制

3. 模型链可扩展应用于其他快速城市化地区，为全球气候变化适应提供中国方案