参赛赛题：D组赛题-大数据驱动的地理综合问题

获奖情况：“华为杯”第二十一届中国研究生数学建模竞赛一等奖

学院：地球科学与技术学院

团队名称：一点五个课题组

团队成员：耿龙 鲍安琪 李敏

指导老师：魏海涛

※团队风采

耿龙（队长）

耿龙，郑州大学地球科学与技术学院2023级测绘工程专业硕士研究生，研究方向为深度学习与地图解译。获得“华为杯”第二十一届中国研究生数学建模竞赛全国一等奖、第十四届MathorCup数学应用挑战赛全国二等奖，第三届中国高校大数据挑战赛全国三等奖。兴趣爱好：足球、音乐。

李敏（队员）

李敏，郑州大学地球科学与技术学院2023级测绘工程专业硕士研究生，研究方向为数字孪生、地理三维建模。获得“华为杯”第二十一届中国研究生数学建模竞赛一等奖、第十四届MathorCup数学建模比赛全国二等奖。兴趣爱好：音乐和摄影。

鲍安琪（队员）

鲍安琪，郑州大学地球科学与技术学院2023级测绘工程专业硕士研究生，研究方向为气象数据可视化。获得“华为杯”第二十一届中国研究生数学建模竞赛全国一等奖。兴趣爱好：篮球、音乐和Rap。

魏海涛（指导教师）

魏海涛，男，1986年10月出生，汉族，河南项城人。博士研究生学历，工学博士学位，硕士研究生导师，主要研究方向为高性能地理计算。2019年获测绘科技进步奖一等奖；2020年获测绘科学技术奖二等奖。主持国家重点研发计划子课题1项，省部级课题3项，省部级奖励2项，发表学术论文20余篇。近年来指导学生参加学科竞赛，获得多项国家级奖项。

※作品介绍

一、作品背景

地理系统是自然、人文多要素综合作用的复杂巨系统，地理学家常用地理综合的方式对地理系统进行主导特征的表达。如以三大阶梯概括中国的地形特征，以秦岭—淮河一线和其它地理区划的方式揭示中国气温、降水、植被、土壤及生态环境在水平和垂直方向上的地带性与非地带性规律，利用胡焕庸线、T型开发结构等描绘我国人口、社会和经济发展的总体格局。这些方法早期以宏观结构和定性分析为主体，对我国生态保护、社会经济发展和国家安全保障起到了巨大的支撑作用。伴随着对地观测体系的快速发展，当前已经积累了巨量的对地观测数据。如何利用大数据的手段对地理系统进行综合，探索全球气候变化下中国地理环境的演化，是当前地球科学研究的关键问题。

二、作品简介

本作品聚焦于地理系统这一自然与人文要素共同作用的复杂体系，探讨地理综合方法在揭示地形、气候和生态环境规律中的应用，并结合大数据技术，探索全球气候变化背景下中国地理环境的演化规律。通过构建地理大数据模型，分析土地利用/土地覆被类型的时空变化，对中国土地利用变化特征进行全面描述与总结。针对地理系统中的关键问题，本作品从以下四个方面开展研究：

问题一：降水量与土地利用类型的时空演化分析：通过构建降水量与土地利用类型的描述指标，对1990–2020年全国范围内的时空变化特征进行解析。降水量部分采用年均降水量和降水频率分布两项指标，结合统计表、直方图和专题地图展示其时空分布特征；土地利用部分采用全国土地利用类型分布、单一土地利用动态度和综合土地利用动态度三项指标，通过热力图与折线图分析林地、灌木丛、湿地、草地及耕地的变化趋势与变化率。

问题二：地形-气候与暴雨形成的关系模型构建：分析降水量、气温及高程等因子对暴雨形成的影响，利用皮尔逊相关系数（PCC）分析三者与暴雨成因的相关性，并以此为基础结合气温、人口和GDP等多元因子，通过多元线性回归建立暴雨成因模型。作品还对频繁降水区域的数据进行检验，验证模型的可靠性与适用性。

图1：问题一、二的思路流程

问题三：暴雨成灾临界条件与抗暴雨能力弱区预测：确定暴雨成灾的临界条件，包括临界降水强度、坡度影响系数及土地利用影响系数，并通过支持向量机（SVM）与随机森林模型预测抗暴雨能力弱区。经评估，预测结果相关性与误差均达到较高精度。基于双变量时空变化特征，对符合条件的区域开展区域脆弱性分析，侧重我国东北及华北地区，最终以专题地图形式展示2025–2035年抗暴雨能力弱区的分布情况。

问题四：地理大数据综合模型的构建：从自然与人文两方面总结中国土地利用变化特征与结构，聚焦秦淮线及“胡焕庸线”交界区域。计算综合适应性指数（CSI）、多样性指数（SSI）及土地利用结构变化指数（LUSC），并利用地理探测器分析因素交互效应，揭示耕地与湿地碎片化特征的显著性。

图2：问题三、四的思路流程

三、作品创新

1、对多源数据的集成和深度挖掘：本作品基于地理大数据，将降水量、土地利用类型、地形等自然要素与气温、人口、GDP等人文因素相结合，构建了涵盖时空动态分析、相关性模型和多元回归分析的综合模型。尤其在土地利用时空变化和暴雨成因关系方面，通过引入多维度指标和数据可视化手段（如热力图、专题地图）全面揭示了中国地理环境的演化特征。

2、创新性模型的引入：引入支持向量机（SVM）和随机森林模型，结合暴雨成灾临界条件（临界降水强度、坡度影响系数等），对抗暴雨能力弱区进行高精度预测。通过综合区域时空变化特征与脆弱性分析，特别针对我国东北和华北地区，绘制2025-2035年抗暴雨能力弱区预测专题地图，为区域风险评估和灾害预警提供了科学依据和直观展示工具。

※团队心得

第一，主动灵活，坚定自我，守正创新。一方面，地理学的一个大趋势就是与其他学科、领域的交叉融合，在本次数模比赛中也是凸显了地理学与人工智能和计算机技术的结合，要积极主动地学习先进数学模型和技术工具，积累扎实的解决问题的能力；另一方面，要充分发挥地理学科优势，在选择题目时，挖掘与本学科特质相关的部分，发挥专业知识的作用，同时要坚定自我，不要随波逐流，充分相信自己的解题思路和成果。

第二，把握大局，明确分工，团结协作。团队比赛中，团队的融洽氛围与合作态度永远大于个人能力。在短时间的数模比赛中，要在把握比赛整体进程的基础上，共同商讨题目，剖析解题思路，充分考虑每个人的专长（如数据处理、制作图表、撰写论文）来合理分工，明确任务。

第三，借鉴他人，精益求精，注重细节。查阅并研读优秀论文，总结往年获奖作品的解题思路、算法流程、公式选取等各方面内容，选择表现最佳的方法进行合理应用；数据处理是数模比赛的一大要点，要关注数据细节，比如题目提供的数据与平时的数据格式也大有不同，因此要充分学习数据文件处理知识，有条不紊地拆解原始文件并进行综合整合。