美國(guó)科羅拉多州的自然資源開采歷史悠久。始于19世紀(jì)末，來自世界各地的探礦者被吸引到該地區(qū)尋找自然資源。當(dāng)時(shí)，沒有關(guān)于開采活動(dòng)或開墾要求的規(guī)定[1]。從那時(shí)起，采礦、采石、石油和天然氣開采行業(yè)走過了漫長(zhǎng)的發(fā)展道路，圍繞自然資源勘探和后續(xù)土地開墾的地方法規(guī)也是如此。如今，按照規(guī)定經(jīng)營(yíng)者必須將被開采的土地恢復(fù)到初始狀態(tài)。但是，對(duì)這些土地的人工監(jiān)測(cè)具有挑戰(zhàn)性，而且往往不準(zhǔn)確。基于無人機(jī)的技術(shù)在解決這一問題方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它允許以更有效的方式收集數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)。
科羅拉多州有121577口油井，分布在大約950萬英畝的土地上，占美國(guó)原油總產(chǎn)量的4%多一點(diǎn)，占美國(guó)經(jīng)濟(jì)可采原油儲(chǔ)量的3%[2,3]。該州擁有全美最全面的天然氣和石油法規(guī)。在開始勘探之前，經(jīng)營(yíng)者需要提交許可證以供批準(zhǔn)。初始許可程序的一部分概述了礦場(chǎng)停采后土地復(fù)墾的義務(wù)。每個(gè)停采的被開采土地應(yīng)恢復(fù)到其原始狀態(tài)或恢復(fù)土壤系統(tǒng)并確保目標(biāo)植被恢復(fù)率至少為原生和農(nóng)田原始植被覆蓋率的80%。復(fù)墾工程完成后，合規(guī)機(jī)構(gòu)將使用傳統(tǒng)的生態(tài)實(shí)地評(píng)估（如樣帶、象限和植被覆蓋率抽樣方法）對(duì)該地區(qū)進(jìn)行審查。然而，這些方法受到抽樣設(shè)計(jì)和個(gè)體解釋的限制，只能提供關(guān)于固定區(qū)域數(shù)量和分布的信息。另外，數(shù)量有限的審查員和數(shù)量龐大的采礦點(diǎn)，增加了復(fù)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(zhí)行官，是一名復(fù)墾專家，為美國(guó)科羅拉多州的停采礦地設(shè)計(jì)復(fù)墾計(jì)劃。Daniels博士的任務(wù)是通過整合無人機(jī)地圖，提供整個(gè)生長(zhǎng)季植被恢復(fù)的時(shí)間序列證據(jù)，緩解這些合規(guī)性問題。與目視審查相比，通過這種方式，Daniels博士可以更全面地了解復(fù)墾過程，從而節(jié)省時(shí)間。
研究過程
復(fù)墾過程從土地現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估開始。評(píng)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、壓實(shí)度和水文特征在內(nèi)的景觀屬性，以評(píng)估雨水和侵蝕問題。數(shù)據(jù)是通過無人機(jī)傳感器和GPS地面采樣收集的。然后對(duì)這些信息進(jìn)行處理、分析，并將其解釋為復(fù)墾計(jì)劃。該計(jì)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(tǒng)恢復(fù)的復(fù)墾過程。這些建議與土壤和植被系統(tǒng)的生態(tài)特征相一致，使該過程超過了該州的監(jiān)管合規(guī)性。
硬件設(shè)備
為了在不受干擾的自然空間（對(duì)照）和復(fù)墾區(qū)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無人機(jī)（2021年春季），和搭載了大疆全畫幅相機(jī)DJI P1與MicaSense RedEdge-MX的Matrice 300無人機(jī)（2021年秋季），在科羅拉多州韋德縣的復(fù)墾區(qū)上空采集數(shù)據(jù)。同時(shí)收集兩個(gè)數(shù)據(jù)集的顯著優(yōu)勢(shì)被證明是一個(gè)關(guān)鍵的省時(shí)因素。此外，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的能力是關(guān)鍵，因?yàn)樵搹?fù)墾區(qū)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(zhǔn)反射面板（CRP）的穩(wěn)健輻射定標(biāo)工作流程啟用了該時(shí)間序列分析。
分析方法
通過Esri公司的Drone2Map處理和分析多光譜數(shù)據(jù)。輸出結(jié)果是植被覆蓋評(píng)估，使用NDVI和NDRE指數(shù)證明植被覆蓋率。需要對(duì)物種進(jìn)行額外分析和實(shí)地清查，以確定適當(dāng)?shù)母采w類型，例如干擾范圍內(nèi)的植被與非植被參數(shù)。這些分析為植被恢復(fù)率目標(biāo)提供了依據(jù)。
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(fù)墾進(jìn)度。這種重復(fù)性很重要，因?yàn)橹脖槐O(jiān)測(cè)需要以一定的頻率進(jìn)行，從而允許經(jīng)營(yíng)者快速檢測(cè)和響應(yīng)問題，如土壤侵蝕、植被重建標(biāo)準(zhǔn)和作物功效。。
結(jié)果展示
這些數(shù)據(jù)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(zhǎng)量顯著增加。第二個(gè)數(shù)據(jù)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(nèi)較低的植被恢復(fù)閾值。盡管植被覆蓋率因季節(jié)而異，但在這兩種情況下，該場(chǎng)地均滿足許可關(guān)閉的監(jiān)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(fù)墾過程促進(jìn)了植被恢復(fù)，超過了參考范圍內(nèi)的原生植被指數(shù)。它還允許經(jīng)營(yíng)者在植被生長(zhǎng)旺季結(jié)束后向監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交關(guān)閉申請(qǐng)。這種使用NDVI和NDRE的方法允許監(jiān)管機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)批準(zhǔn)關(guān)閉申請(qǐng)，減少了對(duì)復(fù)墾土地人工審查的需求。事實(shí)證明，對(duì)于與農(nóng)田共同開發(fā)的復(fù)墾土地，采用這種方法至關(guān)重要，因?yàn)楸O(jiān)管機(jī)構(gòu)可能會(huì)在沒有植被覆蓋時(shí)審查復(fù)墾情況，而在收獲前幾天，植被覆蓋是滿足復(fù)墾要求的。
最后，用RedEdge MX獲取的航空數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)和測(cè)量復(fù)墾過程非常有益。未來，Daniels博士將在數(shù)千個(gè)地點(diǎn)復(fù)制這一過程，幫助經(jīng)營(yíng)者高效、有效地遵守監(jiān)管法律。隨著在不同地區(qū)和行業(yè)實(shí)施更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，對(duì)復(fù)墾土地進(jìn)行此類深入分析和報(bào)告的需求變得越來越重要。
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