项目名称

矿山生态修复区植被生态系统退化识别关键技术

主要完成单位

山西省第五地质工程勘察院有限公司，中国矿业大学

项目简介

矿山生态修复工程类型多、区域分布广、恢复时间长，受修复前后众多扰动的共同作用，修复区土壤、植被容易发生次生退化现象，引起土壤侵蚀、植被群落逆向演替，甚至土地荒漠化等问题，导致矿山生态修复工程失败风险，因此，对生态修复工程实行长期监管是国家正在研究建立的一项重要管理机制，其中修复后植被、土壤等要素次生退化的准确识别是实现监管的技术关键。现有测量技术难以满足次生退化的精准识别、高效监测和快速评价等的现实需要。

针对上述需求及难题，本成果在国家自然科学基金等的资助下，取得如下成果：

（1）基于多尺度无人机遥感的修复区土壤次生侵蚀精准识别技术

无论是沉陷盆地，还是排土场，地形重整后均存在一定的坡度，如果设计不当或者地表植被盖度低，容易受到水力侵蚀。土壤侵蚀细沟是次生侵蚀的最常见表现，规模小、识别难度大。该技术实现了土壤侵蚀沟的识别提取、侵蚀深度及侵蚀量测算的快速监测：通过对无人机遥感影像的曲率特征、坡度坡向特征、光谱特征以及纹理特征分析，结合面向对象的分类方法，确定了60米、90米和120米三种飞行高度下的侵蚀区最优分割尺度；基于最邻近（KNN）算法实现了土壤侵蚀细沟的精确识别，利用NDVI指数进一步区分非侵蚀区的裸地、植被；以形态学思想，借助太阳高度角与太阳方位角，建立基于无人机影像的侵蚀沟阴影提取模型，进而估算土壤侵蚀沟深度；该模型测算值与实测值的均方误差为1.27cm，突破了侵蚀沟深度监测的技术瓶颈。开发了数字高程模型（DEM）的土壤侵蚀量测算模型，利用空间插值思想提出无人机获取高程信息构建侵蚀区原始DEM的方法，可计算修复区内不同时空的土壤侵蚀量。

（2）基于群落功能结构的植被退化高效监测技术

植被重建是矿山生态修复工程的重要内容，当立地条件恢复不理想、植被选种不当、后期维护不周等状态时，植被会生长发育不良，甚至死亡，群落出现逆向演替。该技术采用无人机多光谱影像实现了半自动化的亚米级植被结构监测：建立了基于决策树机器学习的乔-灌-草植被配置识别模型，提取判别乔、灌、草的植被指数及其阈值，初步探明了矿区修复区的植被空间结构特征。构建了样点监测+监督分类的无遮盖非草本植被物种识别技术，包括杨树、沙蒿、沙柳、锦鸡儿，探讨了精细尺度的植被物种分布特征；利用物种面积曲线确定了内蒙古矿山植被的最佳样方调查尺度，为10m×10m和30m×30m；开发了不同尺度下基于植被指数的植被多样性测算模型，揭示了矿区修复物种对植被群落多样性的空间影响；研究发现灌木为主的区域，植被多样性低；发现由于土壤暴露度、植被物候等原因，NDVI并不是衡量内蒙古矿山重建植被多样性的可靠指标，DVI相对于常用指数表现更为出色。

（3）基于长时序卫星遥感的土地次生退化快速识别技术

土地次生退化的影响因素多，机理复杂，次生退化区识别不易。该技术实现了矿山生态修复区土地次生退化区的识别提取、退化程度及退化驱动力的快速分析：基于GEE平台，利用长时序遥感影像监测了部分露天矿区近10余年的矿区生态次生退化情况。内蒙古地区草原资源丰富，研究利用植被覆盖度表征区域生态环境质量，利用基于简单线段集合的局部阈值法获取植被覆盖度阈值，提取土地次生退化区，实现了矿山生态修复区生态次生退化的快速识别。构建了以“绿度指数、热度指数、干度指数、盐度指数、湿度指数”组成的多特征指数模型；采用随机森林分类器测算多特征指数的重要性，构建基于“多特征指数模型+随机森林”的矿山生态修复区土地次生退化的识别模型，提高了识别的速度和识别精度达到82%。构建基于“主成分分析法+融合多特征指数”评价土地生态环境质量的综合指数，判定土地次生退化的程度，基于综合模型的分系数法判定土地次生退化的影响程度。

客观评价

国家查新咨询单位意见：

综上所述，在所查范围内国内外公开发表的中外文文献中，除该委托课题组成员发表的文献外，未见有与该委托查新课题“内蒙古矿山修复区土壤植被次生退化智能识别与监测关键技术”查新点综合研究内容相同的文献报道。本项目具有新颖性。

推广应用情况

与山西盛尧土地咨询服务有限公司、山西惠畅土地咨询服务有限公司、山西鑫胜源泰建筑工程有限公司等机构开展合作，对成果进行推广应用。

主要完成人情况

1、马亮（职称：高级工程师；工作单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；完成单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；主要贡献：知识产权1、知识产权2、知识产权3、知识产权4、知识产权5、知识产权7）

2、侯湖平（职称：教授；工作单位：中国矿业大学；完成单位：中国矿业大学；主要贡献：知识产权）

3、白东升（职称：高级工程师；工作单位：山西地质集团有限公司；完成单位：山西地质集团有限公司；主要贡献：成果鉴定）

4、王闻贵（职称：水工环地质中级工程师；工作单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；完成单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；主要贡献：知识产权3、出成果鉴定）

5、张绍良（职称：教授；工作单位：中国矿业大学；完成单位：中国矿业大学；主要贡献： 知识产权2、成果鉴定）

6、王俊杰（职称：高级工程师；工作单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；完成单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；主要贡献：知识产权1、知识产权4、知识产权5、知识产权7）

7、丁忠义（职称：副教授；工作单位：中国矿业大学；完成单位：中国矿业大学；主要贡献：成果鉴定）

8、原瑞杰（职称：地质工程师；工作单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；完成单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；主要贡献：成果鉴定）

9、米家鑫（职称：副教授；工作单位：中国矿业大学；完成单位：中国矿业大学；主要贡献：知识产权2、成果鉴定）

10、汪渊文（职称：高级工程师；工作单位：宁武县自然资源局；完成单位：宁武县自然资源局；主要贡献：成果鉴定）

11、孟超（职称：无；工作单位：中国矿业大学；完成单位：中国矿业大学；主要贡献：知识产权2）

12、任大陆（职称：地质找矿高级工程师；工作单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；完成单位：山西省第五地质工程勘察院有限公司；主要贡献：成果鉴定）

13、陈赞旭（职称：无；工作单位：中国矿业大学；完成单位：中国矿业大学；主要贡献：成果鉴定）

主要知识产权证明名录

专利1：<名称：地质环境治理中岩石覆绿保肥装置>（专利授权号：

ZL201*****8753.7；发明人：马亮、施德刚、张琦伟、王俊杰、杨运、武增光、杨荣喜；权利人：山西省第五地质工程勘察院）

专利2：<名称：一种加速干旱半干旱地形重塑区土壤质量改善的覆土方法>（专利授权号：

ZL202*****0526.9；发明人：孟超、张绍良、马亮、侯湖平、杨荣喜、米家鑫；权利人：中国矿业大学；山西省第五地质工程勘察院）

专利3：<名称：一种矿山生态修复自动养护装置>（专利授权号：

ZL202*****2010.7；发明人：姚文兵；马亮、施德刚、马鑫、张琦伟、王闻贵；权利人：山西省第五地质工程勘察院）

专利4：<名称：一种生态修复用温湿度监测装置>（专利授权号：

ZL201*****1373.4；发明人：姚文兵、吕福清、马亮、施德刚、张琦伟、王俊杰；权利人：山西省第五地质工程勘察院）

专利5：<名称：一种可调节式土壤呼吸监测装置>（专利授权号：

ZL201*****1388.0；发明人：施德刚、姚文兵、马亮、王俊杰、杨荣喜、张琦伟；权利人：山西省第五地质工程勘察院）

专利6：<名称：一种均匀覆土的重建边坡设计方法>（授权公告号：CN*********B；发明人：米家鑫，张绍良，马亮，侯湖平，杨荣喜，杨永均，丁忠义，公云龙；权力人：中国矿业大学，山西省第五地质工程勘察院）

专利7：<名称：高陡边坡岩石覆绿中物种选育技术>（专利授权号：

ZL201*****6363.4；发明人：马亮、施德刚、张琦伟、王俊杰、杨运、武增光、杨荣喜；权利人：山西省第五地质工程勘察院）

软著1：<名称：地质灾害信息管理系统V1.0>（登记号：2021SR*******；著作权人：山西省第五地质工程勘察院）

创新推广贡献

项目申请国家发明专利7项，授权7项；申请软件著作权1项；项目成功应用于矿产企业，经济、社会效益十分显著。