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項目名稱 |
礦山生態修復區植被生態系統退化識別關鍵技術 |
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主要完成單位 |
山西省第五地質工程勘察院有限公司，中國礦業大學 |
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項目簡介 |
礦山生態修復工程類型多、區域分布廣、恢復時間長，受修復前后眾多擾動的共同作用，修復區土壤、植被容易發生次生退化現象，引起土壤侵蝕、植被群落逆向演替，甚至土地荒漠化等問題，導致礦山生態修復工程失敗風險，因此，對生態修復工程實行長期監管是國家正在研究建立的一項重要管理機制，其中修復后植被、土壤等要素次生退化的準確識別是實現監管的技術關鍵?，F有測量技術難以滿足次生退化的精準識別、高效監測和快速評價等的現實需要。 針對上述需求及難題，本成果在國家自然科學基金等的資助下，取得如下成果： （1）基于多尺度無人機遙感的修復區土壤次生侵蝕精準識別技術 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，如果設計不當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，規模小、識別難度大。該技術實現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，結合面向對象的分類方法，確定了60米、90米和120米三種飛行高度下的侵蝕區最優分割尺度；基于最鄰近（KNN）算法實現了土壤侵蝕細溝的精確識別，利用NDVI指數進一步區分非侵蝕區的裸地、植被；以形態學思想，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測的技術瓶頸。開發了數字高程模型（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建侵蝕區原始DEM的方法，可計算修復區內不同時空的土壤侵蝕量。 （2）基于群落功能結構的植被退化高效監測技術 植被重建是礦山生態修復工程的重要內容，當立地條件恢復不理想、植被選種不當、后期維護不周等狀態時，植被會生長發育不良，甚至死亡，群落出現逆向演替。該技術采用無人機多光譜影像實現了半自動化的亞米級植被結構監測：建立了基于決策樹機器學習的喬-灌-草植被配置識別模型，提取判別喬、灌、草的植被指數及其閾值，初步探明了礦區修復區的植被空間結構特征。構建了樣點監測+監督分類的無遮蓋非草本植被物種識別技術，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蒙古礦山植被的最佳樣方調查尺度，為10m×10m和30m×30m；開發了不同尺度下基于植被指數的植被多樣性測算模型，揭示了礦區修復物種對植被群落多樣性的空間影響；研究發現灌木為主的區域，植被多樣性低；發現由于土壤暴露度、植被物候等原因，NDVI并不是衡量內蒙古礦山重建植被多樣性的可靠指標，DVI相對于常用指數表現更為出色。 （3）基于長時序衛星遙感的土地次生退化快速識別技術 土地次生退化的影響因素多，機理復雜，次生退化區識別不易。該技術實現了礦山生態修復區土地次生退化區的識別提取、退化程度及退化驅動力的快速分析：基于GEE平臺，利用長時序遙感影像監測了部分露天礦區近10余年的礦區生態次生退化情況。內蒙古地區草原資源豐富，研究利用植被覆蓋度表征區域生態環境質量，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，實現了礦山生態修復區生態次生退化的快速識別。構建了以“綠度指數、熱度指數、干度指數、鹽度指數、濕度指數”組成的多特征指數模型；采用隨機森林分類器測算多特征指數的重要性，構建基于“多特征指數模型+隨機森林”的礦山生態修復區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%。構建基于“主成分分析法+融合多特征指數”評價土地生態環境質量的綜合指數，判定土地次生退化的程度，基于綜合模型的分系數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，在所查范圍內國內外公開發表的中外文文獻中，除該委托課題組成員發表的文獻外，未見有與該委托查新課題“內蒙古礦山修復區土壤植被次生退化智能識別與監測關鍵技術”查新點綜合研究內容相同的文獻報道。本項目具有新穎性。 |
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推廣應用情況 |
與山西盛堯土地咨詢服務有限公司、山西惠暢土地咨詢服務有限公司、山西鑫勝源泰建筑工程有限公司等機構開展合作，對成果進行推廣應用。 |
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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：山西省第五地質工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質工程勘察院有限公司；主要貢獻：知識產權1、知識產權2、知識產權3、知識產權4、知識產權5、知識產權7） |
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2、侯湖平（職稱：教授；工作單位：中國礦業大學；完成單位：中國礦業大學；主要貢獻：知識產權） |
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3、白東升（職稱：高級工程師；工作單位：山西地質集團有限公司；完成單位：山西地質集團有限公司；主要貢獻：成果鑒定） |
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4、王聞貴（職稱：水工環地質中級工程師；工作單位：山西省第五地質工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質工程勘察院有限公司；主要貢獻：知識產權3、出成果鑒定） |
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5、張紹良（職稱：教授；工作單位：中國礦業大學；完成單位：中國礦業大學；主要貢獻： 知識產權2、成果鑒定） |
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6、王俊杰（職稱：高級工程師；工作單位：山西省第五地質工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質工程勘察院有限公司；主要貢獻：知識產權1、知識產權4、知識產權5、知識產權7） |
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7、丁忠義（職稱：副教授；工作單位：中國礦業大學；完成單位：中國礦業大學；主要貢獻：成果鑒定） |
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8、原瑞杰（職稱：地質工程師；工作單位：山西省第五地質工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質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：中國礦業大學；完成單位：中國礦業大學；主要貢獻：知識產權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：中國礦業大學；完成單位：中國礦業大學；主要貢獻：知識產權2） |
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12、任大陸（職稱：地質找礦高級工程師；工作單位：山西省第五地質工程勘察院有限公司；完成單位：山西省第五地質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：中國礦業大學；完成單位：中國礦業大學；主要貢獻：成果鑒定） |
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主要知識產權證明名錄 |
專利1：<名稱：地質環境治理中巖石覆綠保肥裝置>（專利授權號： ZL201920278753.7；發明人：馬亮、施德剛、張琦偉、王俊杰、楊運、武增光、楊榮喜；權利人：山西省第五地質工程勘察院） |
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專利2：<名稱：一種加速干旱半干旱地形重塑區土壤質量改善的覆土方法>（專利授權號： ZL202111180526.9；發明人：孟超、張紹良、馬亮、侯湖平、楊榮喜、米家鑫；權利人：中國礦業大學；山西省第五地質工程勘察院） |
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專利3：<名稱：一種礦山生態修復自動養護裝置>（專利授權號： ZL202121812010.7；發明人：姚文兵；馬亮、施德剛、馬鑫、張琦偉、王聞貴；權利人：山西省第五地質工程勘察院） |
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專利4：<名稱：一種生態修復用溫濕度監測裝置>（專利授權號： ZL201922211373.4；發明人：姚文兵、呂福清、馬亮、施德剛、張琦偉、王俊杰；權利人：山西省第五地質工程勘察院） |
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專利5：<名稱：一種可調節式土壤呼吸監測裝置>（專利授權號： ZL201922211388.0；發明人：施德剛、姚文兵、馬亮、王俊杰、楊榮喜、張琦偉；權利人：山西省第五地質工程勘察院） |
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專利6：<名稱：一種均勻覆土的重建邊坡設計方法>（授權公告號：CN113849897B；發明人：米家鑫，張紹良，馬亮，侯湖平，楊榮喜，楊永均，丁忠義，公云龍；權力人：中國礦業大學，山西省第五地質工程勘察院） |
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專利7：<名稱：高陡邊坡巖石覆綠中物種選育技術>（專利授權號： ZL201910116363.4；發明人：馬亮、施德剛、張琦偉、王俊杰、楊運、武增光、楊榮喜；權利人：山西省第五地質工程勘察院） |
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軟著1：<名稱：地質災害信息管理系統V1.0>（登記號：2021SR1369321；著作權人：山西省第五地質工程勘察院） |
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創新推廣貢獻 |
項目申請國家發明專利7項，授權7項；申請軟件著作權1項；項目成功應用于礦產企業，經濟、社會效益十分顯著。 |
