多光譜傳感器RedEdge-MX在油氣開采土地植被恢復過程中的應用

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(qū)尋找自然資源。當時，沒有關于開采活動或開墾要求的規(guī)定[1]。從那時起，采礦、采石、石油和天然氣開采行業(yè)走過了漫長的發(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)定經營者必須將被開采的土地恢復到初始狀態(tài)。但是，對這些土地的人工監(jiān)測具有挑戰(zhàn)性，而且往往不準確�；�于無人機的技術在解決這一問題方面發(fā)揮著關鍵作用，它允許以更有效的方式收集數(shù)據(jù)和監(jiān)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，經營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停采后土地復墾的義務。每個停采的被開采土地應恢復到其原始狀態(tài)或恢復土壤系統(tǒng)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(guī)機構將使用傳統(tǒng)的生態(tài)實地評估（如樣帶、象限和植被覆蓋率抽樣方法）對該地區(qū)進行審查。然而，這些方法受到抽樣設計和個體解釋的限制，只能提供關于固定區(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，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家兼Soil Sage首席執(zhí)行官，是一名復墾專家，為美國科羅拉多州的停采礦地設計復墾計劃。Daniels博士的任務是通過整合無人機地圖，提供整個生長季植被恢復的時間序列證據(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墾過程，從而節(jié)省時間。

 

研究過程

 

復墾過程從土地現(xiàn)場評估開始。評估收集有關初始環(huán)境土壤和植被條件的信息，以及包括高程、坡度、等高線、壓實度和水文特征在內的景觀屬性，以評估雨水和侵蝕問題。數(shù)據(jù)是通過無人機傳感器和GPS地面采樣收集的。然后對這些信息進行處理、分析，并將其解釋為復墾計劃。該計劃基于特定地點的環(huán)境解決方案，旨在改善促進生態(tài)系統(tǒng)恢復的復墾過程。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。

 

硬件設備

 

為了在不受干擾的自然空間（對照）和復墾區(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（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(qū)上空采集數(shù)據(jù)。同時收集兩個數(shù)據(jù)集的顯著優(yōu)勢被證明是一個關鍵的省時因素。此外，校準數(shù)據(jù)的能力是關鍵，因為該復墾區(qū)將采樣飛行多次，以分析植被隨時間的變化。使用DLS2和校準反射面板（CRP）的穩(wěn)健輻射定標工作流程啟用了該時間序列分析。

 

多光譜傳感器RedEdge-MX

 

分析方法

 

通過Esri公司的Drone2Map處理和分析多光譜數(shù)據(jù)。輸出結果是植被覆蓋評估，使用NDVI和NDRE指數(shù)證明植被覆蓋率。需要對物種進行額外分析和實地清查，以確定適當?shù)母采w類型，例如干擾范圍內的植被與非植被參數(shù)。這些分析為植被恢復率目標提供了依據(jù)。

 

遙感圖像提供了高時間分辨率的全場植被分析，以向礦場經營者及審查員展示復墾進度。這種重復性很重要，因為植被監(jiān)測需要以一定的頻率進行，從而允許經營者快速檢測和響應問題，如土壤侵蝕、植被重建標準和作物功效。。

 

結果展示

 

這些數(shù)據(jù)是在春季（2021年5月）和秋季（2021年8月）收集的，描述了兩個不同時間間隔的植被差異。5月的NDVI/NDRE圖像（圖1-2）表明，在春季雨季之后，植物生長量顯著增加。第二個數(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較低的植被恢復閾值。盡管植被覆蓋率因季節(jié)而異，但在這兩種情況下，該場地均滿足許可關閉的監(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

 

時間圖像序列表明，復墾過程促進了植被恢復，超過了參考范圍內的原生植被指數(shù)。它還允許經營者在植被生長旺季結束后向監(jiān)管機構提交關閉申請。這種使用NDVI和NDRE的方法允許監(jiān)管機構根據(jù)數(shù)據(jù)批準關閉申請，減少了對復墾土地人工審查的需求。事實證明，對于與農田共同開發(fā)的復墾土地，采用這種方法至關重要，因為監(jiān)管機構可能會在沒有植被覆蓋時審查復墾情況，而在收獲前幾天，植被覆蓋是滿足復墾要求的。

 

最后，用RedEdge MX獲取的航空數(shù)據(jù)對監(jiān)測和測量復墾過程非常有益。未來，Daniels博士將在數(shù)千個地點復制這一過程，幫助經營者高效、有效地遵守監(jiān)管法律。隨著在不同地區(qū)和行業(yè)實施更嚴格的環(huán)境法規(guī)，對復墾土地進行此類深入分析和報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 

3. https://www.eia.gov/state/analysis.php?sid=CO