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項目名稱 |
礦山生態(tài)修復(fù)區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)退化識別關(guān)鍵技術(shù) |
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主要完成單位 |
山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司，中國礦業(yè)大學(xué) |
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項目簡介 |
礦山生態(tài)修復(fù)工程類型多、區(qū)域分布廣、恢復(fù)時間長，受修復(fù)前后眾多擾動的共同作用，修復(fù)區(qū)土壤、植被容易發(fā)生次生退化現(xiàn)象，引起土壤侵蝕、植被群落逆向演替，甚至土地荒漠化等問題，導(dǎo)致礦山生態(tài)修復(fù)工程失敗風(fēng)險，因此，對生態(tài)修復(fù)工程實行長期監(jiān)管是國家正在研究建立的一項重要管理機制，其中修復(fù)后植被、土壤等要素次生退化的準確識別是實現(xiàn)監(jiān)管的技術(shù)關(guān)鍵?，F(xiàn)有測量技術(shù)難以滿足次生退化的精準識別、高效監(jiān)測和快速評價等的現(xiàn)實需要。 針對上述需求及難題，本成果在國家自然科學(xué)基金等的資助下，取得如下成果： （1）基于多尺度無人機遙感的修復(fù)區(qū)土壤次生侵蝕精準識別技術(shù) 無論是沉陷盆地，還是排土場，地形重整后均存在一定的坡度，如果設(shè)計不當(dāng)或者地表植被蓋度低，容易受到水力侵蝕。土壤侵蝕細溝是次生侵蝕的最常見表現(xiàn)，規(guī)模小、識別難度大。該技術(shù)實現(xiàn)了土壤侵蝕溝的識別提取、侵蝕深度及侵蝕量測算的快速監(jiān)測：通過對無人機遙感影像的曲率特征、坡度坡向特征、光譜特征以及紋理特征分析，結(jié)合面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，確定了60米、90米和120米三種飛行高度下的侵蝕區(qū)最優(yōu)分割尺度；基于最鄰近（KNN）算法實現(xiàn)了土壤侵蝕細溝的精確識別，利用NDVI指數(shù)進一步區(qū)分非侵蝕區(qū)的裸地、植被；以形態(tài)學(xué)思想，借助太陽高度角與太陽方位角，建立基于無人機影像的侵蝕溝陰影提取模型，進而估算土壤侵蝕溝深度；該模型測算值與實測值的均方誤差為1.27cm，突破了侵蝕溝深度監(jiān)測的技術(shù)瓶頸。開發(fā)了數(shù)字高程模型（DEM）的土壤侵蝕量測算模型，利用空間插值思想提出無人機獲取高程信息構(gòu)建侵蝕區(qū)原始DEM的方法，可計算修復(fù)區(qū)內(nèi)不同時空的土壤侵蝕量。 （2）基于群落功能結(jié)構(gòu)的植被退化高效監(jiān)測技術(shù) 植被重建是礦山生態(tài)修復(fù)工程的重要內(nèi)容，當(dāng)立地條件恢復(fù)不理想、植被選種不當(dāng)、后期維護不周等狀態(tài)時，植被會生長發(fā)育不良，甚至死亡，群落出現(xiàn)逆向演替。該技術(shù)采用無人機多光譜影像實現(xiàn)了半自動化的亞米級植被結(jié)構(gòu)監(jiān)測：建立了基于決策樹機器學(xué)習(xí)的喬-灌-草植被配置識別模型，提取判別喬、灌、草的植被指數(shù)及其閾值，初步探明了礦區(qū)修復(fù)區(qū)的植被空間結(jié)構(gòu)特征。構(gòu)建了樣點監(jiān)測+監(jiān)督分類的無遮蓋非草本植被物種識別技術(shù)，包括楊樹、沙蒿、沙柳、錦雞兒，探討了精細尺度的植被物種分布特征；利用物種面積曲線確定了內(nèi)蒙古礦山植被的最佳樣方調(diào)查尺度，為10m×10m和30m×30m；開發(fā)了不同尺度下基于植被指數(shù)的植被多樣性測算模型，揭示了礦區(qū)修復(fù)物種對植被群落多樣性的空間影響；研究發(fā)現(xiàn)灌木為主的區(qū)域，植被多樣性低；發(fā)現(xiàn)由于土壤暴露度、植被物候等原因，NDVI并不是衡量內(nèi)蒙古礦山重建植被多樣性的可靠指標，DVI相對于常用指數(shù)表現(xiàn)更為出色。 （3）基于長時序衛(wèi)星遙感的土地次生退化快速識別技術(shù) 土地次生退化的影響因素多，機理復(fù)雜，次生退化區(qū)識別不易。該技術(shù)實現(xiàn)了礦山生態(tài)修復(fù)區(qū)土地次生退化區(qū)的識別提取、退化程度及退化驅(qū)動力的快速分析：基于GEE平臺，利用長時序遙感影像監(jiān)測了部分露天礦區(qū)近10余年的礦區(qū)生態(tài)次生退化情況。內(nèi)蒙古地區(qū)草原資源豐富，研究利用植被覆蓋度表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，利用基于簡單線段集合的局部閾值法獲取植被覆蓋度閾值，提取土地次生退化區(qū)，實現(xiàn)了礦山生態(tài)修復(fù)區(qū)生態(tài)次生退化的快速識別。構(gòu)建了以“綠度指數(shù)、熱度指數(shù)、干度指數(shù)、鹽度指數(shù)、濕度指數(shù)”組成的多特征指數(shù)模型；采用隨機森林分類器測算多特征指數(shù)的重要性，構(gòu)建基于“多特征指數(shù)模型+隨機森林”的礦山生態(tài)修復(fù)區(qū)土地次生退化的識別模型，提高了識別的速度和識別精度達到82%。構(gòu)建基于“主成分分析法+融合多特征指數(shù)”評價土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合指數(shù)，判定土地次生退化的程度，基于綜合模型的分系數(shù)法判定土地次生退化的影響程度。 |
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客觀評價 |
國家查新咨詢單位意見： 綜上所述，在所查范圍內(nèi)國內(nèi)外公開發(fā)表的中外文文獻中，除該委托課題組成員發(fā)表的文獻外，未見有與該委托查新課題“內(nèi)蒙古礦山修復(fù)區(qū)土壤植被次生退化智能識別與監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)”查新點綜合研究內(nèi)容相同的文獻報道。本項目具有新穎性。 |
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推廣應(yīng)用情況 |
與山西盛堯土地咨詢服務(wù)有限公司、山西惠暢土地咨詢服務(wù)有限公司、山西鑫勝源泰建筑工程有限公司等機構(gòu)開展合作，對成果進行推廣應(yīng)用。 |
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主要完成人情況 |
1、馬亮（職稱：高級工程師；工作單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；主要貢獻：知識產(chǎn)權(quán)1、知識產(chǎn)權(quán)2、知識產(chǎn)權(quán)3、知識產(chǎn)權(quán)4、知識產(chǎn)權(quán)5、知識產(chǎn)權(quán)7） |
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2、侯湖平（職稱：教授；工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)；完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)；主要貢獻：知識產(chǎn)權(quán)） |
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3、白東升（職稱：高級工程師；工作單位：山西地質(zhì)集團有限公司；完成單位：山西地質(zhì)集團有限公司；主要貢獻：成果鑒定） |
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4、王聞貴（職稱：水工環(huán)地質(zhì)中級工程師；工作單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；主要貢獻：知識產(chǎn)權(quán)3、出成果鑒定） |
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5、張紹良（職稱：教授；工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)；完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)；主要貢獻： 知識產(chǎn)權(quán)2、成果鑒定） |
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6、王俊杰（職稱：高級工程師；工作單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；主要貢獻：知識產(chǎn)權(quán)1、知識產(chǎn)權(quán)4、知識產(chǎn)權(quán)5、知識產(chǎn)權(quán)7） |
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7、丁忠義（職稱：副教授；工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)；完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)；主要貢獻：成果鑒定） |
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8、原瑞杰（職稱：地質(zhì)工程師；工作單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；主要貢獻：成果鑒定） |
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9、米家鑫（職稱：副教授；工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)；完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)；主要貢獻：知識產(chǎn)權(quán)2、成果鑒定） |
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10、汪淵文（職稱：高級工程師；工作單位：寧武縣自然資源局；完成單位：寧武縣自然資源局；主要貢獻：成果鑒定） |
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11、孟超（職稱：無；工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)；完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)；主要貢獻：知識產(chǎn)權(quán)2） |
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12、任大陸（職稱：地質(zhì)找礦高級工程師；工作單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質(zhì)工程勘察院有限公司；主要貢獻：成果鑒定） |
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13、陳贊旭（職稱：無；工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)；完成單位：中國礦業(yè)大學(xué)；主要貢獻：成果鑒定） |
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主要知識產(chǎn)權(quán)證明名錄 |
專利1：<名稱：地質(zhì)環(huán)境治理中巖石覆綠保肥裝置>（專利授權(quán)號： ZL201920278753.7；發(fā)明人：馬亮、施德剛、張琦偉、王俊杰、楊運、武增光、楊榮喜；權(quán)利人：山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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專利2：<名稱：一種加速干旱半干旱地形重塑區(qū)土壤質(zhì)量改善的覆土方法>（專利授權(quán)號： ZL202111180526.9；發(fā)明人：孟超、張紹良、馬亮、侯湖平、楊榮喜、米家鑫；權(quán)利人：中國礦業(yè)大學(xué)；山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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專利3：<名稱：一種礦山生態(tài)修復(fù)自動養(yǎng)護裝置>（專利授權(quán)號： ZL202121812010.7；發(fā)明人：姚文兵；馬亮、施德剛、馬鑫、張琦偉、王聞貴；權(quán)利人：山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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專利4：<名稱：一種生態(tài)修復(fù)用溫濕度監(jiān)測裝置>（專利授權(quán)號： ZL201922211373.4；發(fā)明人：姚文兵、呂福清、馬亮、施德剛、張琦偉、王俊杰；權(quán)利人：山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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專利5：<名稱：一種可調(diào)節(jié)式土壤呼吸監(jiān)測裝置>（專利授權(quán)號： ZL201922211388.0；發(fā)明人：施德剛、姚文兵、馬亮、王俊杰、楊榮喜、張琦偉；權(quán)利人：山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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專利6：<名稱：一種均勻覆土的重建邊坡設(shè)計方法>（授權(quán)公告號：CN113849897B；發(fā)明人：米家鑫，張紹良，馬亮，侯湖平，楊榮喜，楊永均，丁忠義，公云龍；權(quán)力人：中國礦業(yè)大學(xué)，山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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專利7：<名稱：高陡邊坡巖石覆綠中物種選育技術(shù)>（專利授權(quán)號： ZL201910116363.4；發(fā)明人：馬亮、施德剛、張琦偉、王俊杰、楊運、武增光、楊榮喜；權(quán)利人：山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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軟著1：<名稱：地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)V1.0>（登記號：2021SR1369321；著作權(quán)人：山西省第五地質(zhì)工程勘察院） |
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創(chuàng)新推廣貢獻 |
項目申請國家發(fā)明專利7項，授權(quán)7項；申請軟件著作權(quán)1項；項目成功應(yīng)用于礦產(chǎn)企業(yè)，經(jīng)濟、社會效益十分顯著。 |
