美國科羅拉多州的自然資源開(kāi)采歷史悠久。始于19世紀末，來(lái)自世界各地的探礦者被吸引到該地區尋找自然資源。當時(shí)，沒(méi)有關(guān)于開(kāi)采活動(dòng)或開(kāi)墾要求的規定[1]。從那時(shí)起，采礦、采石、石油和天然氣開(kāi)采行業(yè)走過(guò)了漫長(cháng)的發(fā)展道路，圍繞自然資源勘探和后續土地開(kāi)墾的地方法規也是如此。如今，按照規定經(jīng)營(yíng)者必須將被開(kāi)采的土地恢復到初始狀態(tài)。但是，對這些土地的人工監測具有挑戰性，而且往往不準確?；跓o(wú)人機的技術(shù)在解決這一問(wèn)題方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，它允許以更有效的方式收集數據和監測植被生長(cháng)。
科羅拉多州有121577口油井，分布在大約950萬(wàn)英畝的土地上，占美國原油總產(chǎn)量的4%多一點(diǎn)，占美國經(jīng)濟可采原油儲量的3%[2,3]。該州擁有全美最全面的天然氣和石油法規。在開(kāi)始勘探之前，經(jīng)營(yíng)者需要提交許可證以供批準。初始許可程序的一部分概述了礦場(chǎng)停采后土地復墾的義務(wù)。每個(gè)停采的被開(kāi)采土地應恢復到其原始狀態(tài)或恢復土壤系統并確保目標植被恢復率至少為原生和農田原始植被覆蓋率的80%。復墾工程完成后，合規機構將使用傳統的生態(tài)實(shí)地評估（如樣帶、象限和植被覆蓋率抽樣方法）對該地區進(jìn)行審查。然而，這些方法受到抽樣設計和個(gè)體解釋的限制，只能提供關(guān)于固定區域數量和分布的信息。另外，數量有限的審查員和數量龐大的采礦點(diǎn)，增加了復墾土地審查的難度。
Judy Daniels博士是地球空間土壤科學(xué)家兼Soil Sage首席執行官，是一名復墾專(zhuān)家，為美國科羅拉多州的停采礦地設計復墾計劃。Daniels博士的任務(wù)是通過(guò)整合無(wú)人機地圖，提供整個(gè)生長(cháng)季植被恢復的時(shí)間序列證據，緩解這些合規性問(wèn)題。與目視審查相比，通過(guò)這種方式，Daniels博士可以更全面地了解復墾過(guò)程，從而節省時(shí)間。
研究過(guò)程
復墾過(guò)程從土地現場(chǎng)評估開(kāi)始。評估收集有關(guān)初始環(huán)境土壤和植被條件的信息，以及包括高程、坡度、等高線(xiàn)、壓實(shí)度和水文特征在內的景觀(guān)屬性，以評估雨水和侵蝕問(wèn)題。數據是通過(guò)無(wú)人機傳感器和GPS地面采樣收集的。然后對這些信息進(jìn)行處理、分析，并將其解釋為復墾計劃。該計劃基于特定地點(diǎn)的環(huán)境解決方案，旨在改善促進(jìn)生態(tài)系統恢復的復墾過(guò)程。這些建議與土壤和植被系統的生態(tài)特征相一致，使該過(guò)程超過(guò)了該州的監管合規性。
硬件設備
為了在不受干擾的自然空間（對照）和復墾區域中獲得植被覆蓋的完整表示，Daniels博士分別使用搭載了CMOS傳感器與MicaSense RedEdge的Phantom 4無(wú)人機（2021年春季），和搭載了大疆全畫(huà)幅相機DJI P1與MicaSense RedEdge-MX的Matrice 300無(wú)人機（2021年秋季），在科羅拉多州韋德縣的復墾區上空采集數據。同時(shí)收集兩個(gè)數據集的顯著(zhù)優(yōu)勢被證明是一個(gè)關(guān)鍵的省時(shí)因素。此外，校準數據的能力是關(guān)鍵，因為該復墾區將采樣飛行多次，以分析植被隨時(shí)間的變化。使用DLS2和校準反射面板（CRP）的穩健輻射定標工作流程啟用了該時(shí)間序列分析。
分析方法
通過(guò)Esri公司的Drone2Map處理和分析多光譜數據。輸出結果是植被覆蓋評估，使用NDVI和NDRE指數證明植被覆蓋率。需要對物種進(jìn)行額外分析和實(shí)地清查，以確定適當的覆蓋類(lèi)型，例如干擾范圍內的植被與非植被參數。這些分析為植被恢復率目標提供了依據。
遙感圖像提供了高時(shí)間分辨率的全場(chǎng)植被分析，以向礦場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者及審查員展示復墾進(jìn)度。這種重復性很重要，因為植被監測需要以一定的頻率進(jìn)行，從而允許經(jīng)營(yíng)者快速檢測和響應問(wèn)題，如土壤侵蝕、植被重建標準和作物功效。。
結果展示
這些數據是在春季（2021年5月）和秋季（2021年8月）收集的，描述了兩個(gè)不同時(shí)間間隔的植被差異。5月的NDVI/NDRE圖像（圖1-2）表明，在春季雨季之后，植物生長(cháng)量顯著(zhù)增加。第二個(gè)數據集（圖3-4）顯示了夏季干旱月份的植被覆蓋率以及參考范圍內較低的植被恢復閾值。盡管植被覆蓋率因季節而異，但在這兩種情況下，該場(chǎng)地均滿(mǎn)足許可關(guān)閉的監管要求。
圖1：NDVI May 2021 - RedEdge
圖 2：NDRE May 2021 - RedEdge
圖3：NDVI Aug 2021 – RedEdge-MX
圖4：NDRE Aug 2021 – RedEdge-MX
時(shí)間圖像序列表明，復墾過(guò)程促進(jìn)了植被恢復，超過(guò)了參考范圍內的原生植被指數。它還允許經(jīng)營(yíng)者在植被生長(cháng)旺季結束后向監管機構提交關(guān)閉申請。這種使用NDVI和NDRE的方法允許監管機構根據數據批準關(guān)閉申請，減少了對復墾土地人工審查的需求。事實(shí)證明，對于與農田共同開(kāi)發(fā)的復墾土地，采用這種方法至關(guān)重要，因為監管機構可能會(huì )在沒(méi)有植被覆蓋時(shí)審查復墾情況，而在收獲前幾天，植被覆蓋是滿(mǎn)足復墾要求的。
最后，用RedEdge MX獲取的航空數據對監測和測量復墾過(guò)程非常有益。未來(lái)，Daniels博士將在數千個(gè)地點(diǎn)復制這一過(guò)程，幫助經(jīng)營(yíng)者高效、有效地遵守監管法律。隨著(zhù)在不同地區和行業(yè)實(shí)施更嚴格的環(huán)境法規，對復墾土地進(jìn)行此類(lèi)深入分析和報告的需求變得越來(lái)越重要。
References
1. https://coloradogeologicalsurvey.org/minerals/historic-mining-districts/
2. Colorado Natural Gas and Oil, 2018. American Petroleum Institute (API). Digital Media | DM2018-052 | 11.14