美國科羅拉多州的自然資源開采歷史悠久。始于19世紀末，來自世界各地的探礦者被吸引到該地區尋找自然資源。當時，沒有關于開采活動或開墾要求的規定[1]。從那時起，采(cai)礦、采(cai)石、石油和天然氣開(kai)(kai)采(cai)行業走(zou)過了漫長的(de)(de)發展道路，圍繞自然資源勘探和后續土地(di)開(kai)(kai)墾(ken)的(de)(de)地(di)方(fang)法規也是如(ru)(ru)此。如(ru)(ru)今，按照(zhao)規定經(jing)營(ying)者(zhe)必須(xu)將被開(kai)(kai)采(cai)的(de)(de)土地(di)恢復到初始狀態。但是，對(dui)這些(xie)土地(di)的(de)(de)人工監測具有挑(tiao)戰性，而且往往不準確(que)。基(ji)于無人機(ji)的(de)(de)技術在解決這一(yi)問(wen)題方(fang)面發揮著關鍵作用，它允(yun)許以更有效的(de)(de)方(fang)式(shi)收集數據(ju)和監測植被生長。
科羅拉多州有121577口油井，分布在大約950萬英畝的土地上，占美國原油總產量的4%多一點，占美國經濟可采原油儲量的3%[2,3]。該(gai)(gai)州擁(yong)有(you)(you)全美最(zui)全面(mian)的(de)(de)(de)天然氣和(he)石油法規。在(zai)開始勘探之前，經(jing)營者需要提交許可證以(yi)供批(pi)準。初始許可程序的(de)(de)(de)一部分(fen)(fen)概述了礦(kuang)(kuang)場停(ting)采(cai)(cai)后土(tu)地(di)(di)復(fu)墾(ken)的(de)(de)(de)義務(wu)。每個停(ting)采(cai)(cai)的(de)(de)(de)被開采(cai)(cai)土(tu)地(di)(di)應恢復(fu)到(dao)其原始狀態或(huo)恢復(fu)土(tu)壤系統并(bing)確保目標植被恢復(fu)率至少(shao)為原生和(he)農田原始植被覆蓋率的(de)(de)(de)80%。復(fu)墾(ken)工程完成后，合(he)規機(ji)構將(jiang)使用傳統的(de)(de)(de)生態實地(di)(di)評估（如樣(yang)帶、象(xiang)限(xian)和(he)植被覆蓋率抽樣(yang)方(fang)法）對該(gai)(gai)地(di)(di)區進(jin)行審(shen)查(cha)。然而，這些方(fang)法受到(dao)抽樣(yang)設計和(he)個體(ti)解釋的(de)(de)(de)限(xian)制，只能(neng)提供關于(yu)固定區域數量(liang)(liang)(liang)和(he)分(fen)(fen)布的(de)(de)(de)信(xin)息(xi)。另外，數量(liang)(liang)(liang)有(you)(you)限(xian)的(de)(de)(de)審(shen)查(cha)員和(he)數量(liang)(liang)(liang)龐大的(de)(de)(de)采(cai)(cai)礦(kuang)(kuang)點，增加了復(fu)墾(ken)土(tu)地(di)(di)審(shen)查(cha)的(de)(de)(de)難(nan)度。
Judy Daniels博士(shi)是(shi)地(di)球空間土壤科學(xue)家兼Soil Sage首席執行官，是(shi)一名復(fu)墾專(zhuan)家，為(wei)美國科羅拉(la)多州的(de)停采(cai)礦(kuang)地(di)設計(ji)復(fu)墾計(ji)劃。Daniels博士(shi)的(de)任務是(shi)通過整合(he)無人(ren)機地(di)圖，提供(gong)整個生(sheng)長季(ji)植被恢復(fu)的(de)時間序列(lie)證據，緩解(jie)這些合(he)規性問(wen)題。與(yu)目(mu)視審(shen)查相比，通過這種方式，Daniels博士(shi)可以更(geng)全面地(di)了解(jie)復(fu)墾過程，從(cong)而節省時間。
研究過程
復(fu)墾(ken)過(guo)(guo)程從土(tu)地現(xian)場(chang)評(ping)估開始(shi)。評(ping)估收(shou)集有關(guan)初始(shi)環境(jing)土(tu)壤和植(zhi)被(bei)條件的(de)(de)信(xin)息，以及包括高程、坡度、等高線(xian)、壓(ya)實度和水(shui)文特征(zheng)在內的(de)(de)景觀屬性(xing)，以評(ping)估雨水(shui)和侵蝕問題。數據是通過(guo)(guo)無人機(ji)傳(chuan)感(gan)器和GPS地面采樣收(shou)集的(de)(de)。然后對這些信(xin)息進行處理、分析，并將(jiang)其(qi)解釋為復(fu)墾(ken)計(ji)劃。該(gai)計(ji)劃基于特定(ding)地點的(de)(de)環境(jing)解決方案，旨在改善促進生態(tai)系(xi)統恢復(fu)的(de)(de)復(fu)墾(ken)過(guo)(guo)程。這些建議與土(tu)壤和植(zhi)被(bei)系(xi)統的(de)(de)生態(tai)特征(zheng)相一致，使該(gai)過(guo)(guo)程超過(guo)(guo)了該(gai)州的(de)(de)監管合規性(xing)。
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無人機（2021年春季），和搭載了大疆全畫幅相機DJI P1與MicaSense RedEdge-MX的Matrice 300無人機（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(shi)收集兩個(ge)(ge)數據集的(de)顯著優勢被(bei)證明(ming)是(shi)一個(ge)(ge)關鍵(jian)的(de)省時(shi)因素(su)。此外，校準(zhun)數據的(de)能力是(shi)關鍵(jian)，因為該(gai)復墾區將采樣飛行多次，以分析植(zhi)被(bei)隨時(shi)間(jian)的(de)變化。使用DLS2和校準(zhun)反射(she)面板（CRP）的(de)穩(wen)健輻射(she)定標工(gong)作流程(cheng)啟用了該(gai)時(shi)間(jian)序列分析。
分析方法
通過Esri公司的Drone2Map處(chu)理和分(fen)析多(duo)光(guang)譜數(shu)據(ju)。輸出結果是植(zhi)(zhi)被覆(fu)蓋評估，使用NDVI和NDRE指數(shu)證(zheng)明植(zhi)(zhi)被覆(fu)蓋率(lv)(lv)。需要對(dui)物種進行額(e)外分(fen)析和實地(di)清查(cha)，以確(que)定適當的覆(fu)蓋類型，例如干擾范圍內的植(zhi)(zhi)被與非植(zhi)(zhi)被參數(shu)。這些分(fen)析為植(zhi)(zhi)被恢復率(lv)(lv)目標提供了依據(ju)。
遙感圖像提供了高(gao)時(shi)間分(fen)辨率的全場(chang)植被(bei)分(fen)析，以向礦場(chang)經(jing)營者(zhe)及(ji)審查員展示復墾進度。這(zhe)種重(zhong)復性很重(zhong)要，因為植被(bei)監測(ce)(ce)需要以一定的頻(pin)率進行(xing)，從(cong)而允(yun)許經(jing)營者(zhe)快速檢(jian)測(ce)(ce)和響應(ying)問題，如土(tu)壤侵(qin)蝕(shi)、植被(bei)重(zhong)建(jian)標準和作物功效。。
結果展示
這(zhe)些數(shu)據是在(zai)春(chun)季(ji)(ji)（2021年5月(yue)）和(he)秋季(ji)(ji)（2021年8月(yue)）收集(ji)的(de)(de)，描(miao)述了兩(liang)個(ge)不同時間間隔(ge)的(de)(de)植(zhi)(zhi)被(bei)(bei)差異(yi)。5月(yue)的(de)(de)NDVI/NDRE圖像（圖1-2）表(biao)明(ming)，在(zai)春(chun)季(ji)(ji)雨季(ji)(ji)之后，植(zhi)(zhi)物生長(chang)量顯著增加。第二個(ge)數(shu)據集(ji)（圖3-4）顯示(shi)了夏季(ji)(ji)干旱月(yue)份的(de)(de)植(zhi)(zhi)被(bei)(bei)覆蓋率以及參(can)考范圍內較低的(de)(de)植(zhi)(zhi)被(bei)(bei)恢復閾值。盡管植(zhi)(zhi)被(bei)(bei)覆蓋率因季(ji)(ji)節而異(yi)，但在(zai)這(zhe)兩(liang)種情況下，該場地均滿足許可關閉的(de)(de)監管要(yao)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
時間圖像(xiang)序列表明，復(fu)(fu)墾(ken)(ken)過(guo)程促進了植被(bei)恢復(fu)(fu)，超(chao)過(guo)了參考(kao)范圍內的(de)原(yuan)生(sheng)(sheng)植被(bei)指數(shu)。它(ta)還允許經營者在(zai)(zai)植被(bei)生(sheng)(sheng)長旺季結束后向監(jian)(jian)管(guan)機(ji)構提交關(guan)閉申請。這種(zhong)使(shi)用NDVI和NDRE的(de)方(fang)法允許監(jian)(jian)管(guan)機(ji)構根據數(shu)據批準關(guan)閉申請，減少(shao)了對復(fu)(fu)墾(ken)(ken)土地人工審查的(de)需求(qiu)。事(shi)實證明，對于與(yu)農田共同開發的(de)復(fu)(fu)墾(ken)(ken)土地，采用這種(zhong)方(fang)法至(zhi)關(guan)重要(yao)(yao)，因(yin)為監(jian)(jian)管(guan)機(ji)構可能(neng)會(hui)在(zai)(zai)沒有植被(bei)覆(fu)蓋(gai)時審查復(fu)(fu)墾(ken)(ken)情況，而在(zai)(zai)收獲前幾天，植被(bei)覆(fu)蓋(gai)是滿足復(fu)(fu)墾(ken)(ken)要(yao)(yao)求(qiu)的(de)。
最后(hou)，用(yong)RedEdge MX獲取的(de)(de)航空數據對監(jian)測和(he)測量(liang)復墾過(guo)程非常有(you)益。未來，Daniels博士(shi)將在數千個地點復制這一過(guo)程，幫助經營者高效(xiao)、有(you)效(xiao)地遵守監(jian)管(guan)法律。隨著在不同地區和(he)行業實施更(geng)嚴格的(de)(de)環(huan)境法規，對復墾土地進行此類(lei)深入分析(xi)和(he)報(bao)告的(de)(de)需求變得越來越重要。
References
1.
2. Colorado Natural Gas and Oil, 2018. American Petroleum Institute (API). Digital Media | DM2018-052 | 11.14
3.