美国科罗拉多州的自然资源开采历史悠久。始于19世纪末，来自世界各地的探矿者被吸引到该地区寻找自然资源。当时，没有关于开采活动或开垦要求的规定[1]。从那时起，采矿、采石、石油和天然气开采行业走过了漫长的发展道路，围绕自然资源勘探和后续土地开垦的地方法规也是如此。如今，按照规定经营者必须将被开采的土地恢复到初始状态。但是，对这些土地的人工监测具有挑战性，而且往往不准确。基于无人机的技术在解决这一问题方面发挥着关键作用，它允许以更有效的方式收集数据和监测植被生长。
科罗拉多州有121577口油井，分布在大约950万英亩的土地上，占美国原油总产量的4%多一点，占美国经济可采原油储量的3%[2,3]。该州拥有全美最全面的天然气和石油法规。在开始勘探之前，经营者需要提交许可证以供批准。初始许可程序的一部分概述了矿场停采后土地复垦的义务。每个停采的被开采土地应恢复到其原始状态或恢复土壤系统并确保目标植被恢复率至少为原生和农田原始植被覆盖率的80%。复垦工程完成后，合规机构将使用传统的生态实地评估（如样带、象限和植被覆盖率抽样方法）对该地区进行审查。然而，这些方法受到抽样设计和个体解释的限制，只能提供关于固定区域数量和分布的信息。另外，数量有限的审查员和数量庞大的采矿点，增加了复垦土地审查的难度。
Judy Daniels博士是地球空间土壤科学家兼Soil Sage首席执行官，是一名复垦专家，为美国科罗拉多州的停采矿地设计复垦计划。Daniels博士的任务是通过整合无人机地图，提供整个生长季植被恢复的时间序列证据，缓解这些合规性问题。与目视审查相比，通过这种方式，Daniels博士可以更全面地了解复垦过程，从而节省时间。
研究过程
复垦过程从土地现场评估开始。评估收集有关初始环境土壤和植被条件的信息，以及包括高程、坡度、等高线、压实度和水文特征在内的景观属性，以评估雨水和侵蚀问题。数据是通过无人机传感器和GPS地面采样收集的。然后对这些信息进行处理、分析，并将其解释为复垦计划。该计划基于特定地点的环境解决方案，旨在改善促进生态系统恢复的复垦过程。这些建议与土壤和植被系统的生态特征相一致，使该过程超过了该州的监管合规性。
硬件设备
为了在不受干扰的自然空间（对照）和复垦区域中获得植被覆盖的完整表示，Daniels博士分别使用搭载了CMOS传感器与MicaSense RedEdge的Phantom 4无人机（2021年春季），和搭载了大疆全画幅相机DJI P1与MicaSense RedEdge-MX的Matrice 300无人机（2021年秋季），在科罗拉多州韦德县的复垦区上空采集数据。同时收集两个数据集的显著优势被证明是一个关键的省时因素。此外，校准数据的能力是关键，因为该复垦区将采样飞行多次，以分析植被随时间的变化。使用DLS2和校准反射面板（CRP）的稳健辐射定标工作流程启用了该时间序列分析。
分析方法
通过Esri公司的Drone2Map处理和分析多光谱数据。输出结果是植被覆盖评估，使用NDVI和NDRE指数证明植被覆盖率。需要对物种进行额外分析和实地清查，以确定适当的覆盖类型，例如干扰范围内的植被与非植被参数。这些分析为植被恢复率目标提供了依据。
遥感图像提供了高时间分辨率的全场植被分析，以向矿场经营者及审查员展示复垦进度。这种重复性很重要，因为植被监测需要以一定的频率进行，从而允许经营者快速检测和响应问题，如土壤侵蚀、植被重建标准和作物功效。。
结果展示
这些数据是在春季（2021年5月）和秋季（2021年8月）收集的，描述了两个不同时间间隔的植被差异。5月的NDVI/NDRE图像（图1-2）表明，在春季雨季之后，植物生长量显著增加。第二个数据集（图3-4）显示了夏季干旱月份的植被覆盖率以及参考范围内较低的植被恢复阈值。尽管植被覆盖率因季节而异，但在这两种情况下，该场地均满足许可关闭的监管要求。
图1：NDVI May 2021 - RedEdge
图 2：NDRE May 2021 - RedEdge
图3：NDVI Aug 2021 – RedEdge-MX
图4：NDRE Aug 2021 – RedEdge-MX
时间图像序列表明，复垦过程促进了植被恢复，超过了参考范围内的原生植被指数。它还允许经营者在植被生长旺季结束后向监管机构提交关闭申请。这种使用NDVI和NDRE的方法允许监管机构根据数据批准关闭申请，减少了对复垦土地人工审查的需求。事实证明，对于与农田共同开发的复垦土地，采用这种方法至关重要，因为监管机构可能会在没有植被覆盖时审查复垦情况，而在收获前几天，植被覆盖是满足复垦要求的。
最后，用RedEdge MX获取的航空数据对监测和测量复垦过程非常有益。未来，Daniels博士将在数千个地点复制这一过程，帮助经营者高效、有效地遵守监管法律。随着在不同地区和行业实施更严格的环境法规，对复垦土地进行此类深入分析和报告的需求变得越来越重要。
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