“名随土地贵，味逐水泉迁”。 ——唐·徐铉 《和门下殷侍郎新茶十二韵》
随着全球城市化进程不断加速，人工智能已逐渐成为推动城市规划、基础设施管理、以及区域协同治理的核心驱动力。鉴于此，精确掌握土地覆盖变化的动态信息变得至关重要。我们不仅需要了解“哪里变了”，“什么时候变的”，还需要了解“变成了什么”，为创造更高效、更可持续的城市生活服务。
基于此，和鲸社区依托中国地质大学（武汉）数字地球实验室最新研究成果，在中国地质大学（武汉）阎继宁副教授指导下，邀请实验室成员贺海旭博士，联合推出了基于时序遥感语义分割的土地覆盖语义变化检测和分类制图的 GeoAI Workshop。数字地球实验室依托中国地质大学（武汉），开展城市空间信息、地质环境遥感、海岛礁遥感、遥感数据智能处理、无人系统感知与环境物联网、可持续发展评估与决策支持等方向研究。贺海旭博士现就读于中国地质大学（武汉）计算机学院，专攻大规模时序遥感数据的智能分析、遥感时序变化检测及分类技术，研究成果丰硕，已在 RSE、TGRS 等国际知名期刊上发表 5 篇 SCI 检索论文（一作/通讯 3 篇）。
作为 2024 年和鲸社区地球科学×数据科学系列 Workshop 的第十一站，本次 Workshop 通过深度解析雄安新区的遥感影像数据。参与者不仅能够亲手构建并掌握前沿的土地覆盖时序变化检测技术，还能深入探索城市土地覆盖演变的奥秘与规律。为期三个月的活动共吸引近 300 位地学及相关领域的师生、研究者、爱好者积极参与，他们分别来自清华大学、北京大学、复旦大学、华东师范大学、西北大学等国内顶尖学府，以及佐治亚大学、布里斯托大学、苏黎世联邦理工学院等国际知名高校与研究机构。此外，和鲸还特别设计了激励环节，为每位邀请 10 位伙伴参与并且作业评分超过 60 分的学员，准备了《黑神话：悟空》游戏作为精美礼品。
和鲸社区 Workshop 采用案例式学习+翻转课堂设计，不同于线上讲座，通过让参与者动手 coding、完成一项尽可能贴近真实科研/业务场景的地球科学x数据科学挑战。和鲸以其自研的数据科学分析平台 ModelWhale 为参与学员提供服务。ModelWhale 为云端环境，学员可即时接入数据、GPU 算力资源，通过网页开启编程学习，高效复现导师教案，并使用内置的 Jupyter Notebook 及版本管理功能轻松编写与修改代码。同时，由和鲸社区为 Workshop 开设社群与讨论区，导师、社区运营方及技术人员以完善的交流、答疑服务，大幅优化参与者的活动体验。
本次 Workshop 课程主要分为四个部分：
- 模型训练：学员深入了解了时序语义分割任务中数据的输入和输出的维度变化，以及如何科学地划分训练集、验证集和测试集，通过实践，学员成功运用 PyTorch 框架搭建并实现了 FCN 全卷积网络模型，为时序语义分割任务奠定了坚实基础。
- 模型推理：在模型训练完成后，学员学习如何组织研究区域的四维数据，并调用已训练好的深度学习模型进行变化信息推理。为确保高效运行，推理结果即时在线存储，有效规避了“内存爆炸”的风险。
- 结果分析和制图：此环节聚焦于推理结果的深度挖掘与可视化表达。学员学习统计与分析技巧，涵盖变化占比、频次及时间分布的绘制，同时掌握土地覆盖分类制图技能，对不同类型的变化占比及趋势进行细致统计，提升数据分析与呈现的专业度。
- 实践作业：课程最后设置了丰富的作业，包括模型修改、统计分析等，旨在帮助学员巩固所学知识，并进一步提升自己的实践能力。
在回顾整个课程过程时，学员们纷纷表示，最大的收获在于深入了解了土地利用覆盖分类与机器学习前沿技术。相较于本科期间接触的监督和半监督分类方法，本次课程不仅让学员重温了土地利用类型分类的实践，更体验到了从数据预处理到模型构建，再到评价指标设定的全过程智能化操作。经过体验时序语义分割模型的引入，学员们对地理学与人工智能融合的最新成果有了更深刻的感知，也为城市土地覆盖变迁的分析提供了全新的视角。
本次 Workshop 精心打造的一站式教学案例，全面覆盖了从样本读取、数据处理、模型构建、模型训练、外推制图到变化分析的完整流程，不仅实现了深度学习的全流程教学，还为地学研究中深度学习模型的实际应用提供了极具价值的参考范例，也收获了众多学员的好评。
“和鲸所搭建的线上学习平台十分便捷，对于不同场景的项目都设定了相应的环境，省去了本地配置环境的麻烦，经过workshop的作业提交，批改和分享会讲解的过程，学习到了很多新知识，也掌握了诸多新方法，如土地利用变化检测的模型框架。”
——正则同学
“和鲸社区给的资源真的很好，很优秀，因为和鲸社区的这个平台我才学会了很多东西，看到其实还有这么多的技术可以在地理学上面应用，还有就是CPU和GPU资源说给就给，同时也请了很多优秀作者来充实GeoAI这个项目。最后就是，评论区体验，有问题是真解决，基本上用不上一天就有回复，一定是相关负责人员辛苦工作的结果，学术交流体验一定会越来越浓。此外，本次活动最令我感到新奇的是，评价指标中对时间域的变化检测，这是我之前没有学到过的东西，虽然我没接触过其他的模型，但是光这一点就感觉比几年前学到的知识有很大的进步了。”
——Zhao 同学
“通过本次活动，让我对城市化进程演进有了更深体会，城区内部的大部分耕地已逐渐转变为不透水表面与裸露土地，相比之下，郊区的裸露区域则更多地转化为耕地。在城市发展过程中不断的建设基础设施，推进城市化进程，同时也要守护耕地红线，城市土地覆盖的变迁不仅给我们最直观的体验，还反映出政策以及人类活动对其的深远影响。”
——H 同学
本次 Workshop 教案、讲解交流会录屏及优秀作业均已上线，也欢迎各位感兴趣的小伙伴们随时学习，自行 fork 展开探索~
戳这里看讲解交流会
- https://www.bilibili.com/video/BV1gFxVerELV/
戳这里看优秀作品
- https://www.heywhale.com/mw/project/66f4fdede5e48808d9635e4a/content
- https://www.heywhale.com/mw/project/66d5d336ede6bcefcb6322ec/content
最后再次感谢中国地质大学（武汉）阎继宁老师的指导，和贺海旭博士在教案编写、答疑讲解方面的辛勤付出以及数字地球实验室的大力支持！
作为中国目前最大的数据科学实践社区，和鲸社区现已聚集近百万数据从业者与爱好者，具备丰富且实时更新的真实数据、开源代码、项目案例及实训活动资源，覆盖商科经管、地球科学、人文社科、生物医学等广泛的学科领域。本次 Workshop 的成功举办，不仅为有志于从事 GeoAI 研究的学员提供了一个宝贵的学习机会，也为推动城市管理发展贡献了一份力量。和鲸诚挚邀请更多高校团队一同举办领域 Workshop，助力复合型人才培养，共同学习进步。
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