废弃矿山植被恢复成效遥感监测与分析

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南京幕府山白云石矿地区在长时序的无序开采下,对当地经济发展和城市发展与建设做出重大贡献的同时,也无可避免地导致了区域性生态环境及自然景观被破坏,不仅产生了大量环境污染与破坏,甚至形成了各类不同程度的地质灾害,对当地的生态环境甚至人民群众的栖身环境产生了严重的威胁。自从1998年末南京市政府领导小组决定全面停止开山采石并正式开始实施幕府山生态修复工程绿化工作,到2008年末已完成了十期和两个专项生态恢复工程绿化工作,为了科学客观地对这些生态修复工程项目所产生的生态恢复成效特别是植被恢复成效和效果进行监测、分析与评估,即对幕府山地区地形特征和植被生长及分布的信息进行监测和分析,传统的通过实地调查的方式必须花费大量的人力和时间成本,而且监测和分析得到的结果比较主观、粗陋。遥感光学影像数据具有极大的地物信息表达能力并且有着能满足各种研究需求的多源、多时相、多分辨率数据,与此同时利用无人机激光雷达扫描技术所快速扫描得到的幕府山矿山地区三维激光点云数据具有高数据精度、高点云密度、地表三维结构信息丰富等优势。本文综合利用长时序遥感光学影像数据和高精度三维激光点云数据的优势获得了不同时序和不同空间尺度下的地形信息与植被生长及分布信息,完成了不同时间和空间尺度下幕府山矿山地区的植被恢复情况的调查与监测,并对植被恢复成效的监测结果进行了分析,完成了幕府山地区地形因子与植被恢复间相关性的初步探究,本文的主要研究工作如下:(1)基于GEE平台的幕府山植被恢复成效二维平面监测本文首先利用幕府山地区1991~2020年共30年的Landsat遥感影像数据完成了筛选与裁剪,计算每年归一化植被指数NDVI,然后利用像元二分模型算法反演得到了幕府山地区植被覆盖度FVC结果,基于FVC结果对1991~1998年、1998~2008年和2008~2020年三个阶段分别完成了Sen+Mann-Kendall法变化趋势分析,获得了对幕府山地区植被覆盖度变化趋势的监测和植被覆盖度多时期变化趋势分析结果,基于植被覆盖度结果及其时空变化监测结果完成了对幕府山矿山地区植被恢复成效的二维平面上长时序、动态监测。(2)基于激光点云的幕府山植被恢复成效垂直结构监测本文在幕府山矿山地区利用无人机激光雷达扫描技术快速扫描获得了研究区高精度、高密度、大范围的原始激光点云数据后,通过点云拼接、配准、裁剪、去噪等预处理,基于适于研究区内地形特征的点云滤波方法对原始激光点云数据进行分类得到了精确的幕府山矿区的地面点云,并基于该提取结果采取TIN算法对高精度的幕府山矿山地区地面点云构建得到了研究区高精度DEM结果,与此同时采用点云聚类分割方法,基于树木形态学特征,提取研究区精确的植被点云结果;基于所获取的研究区高精度DEM以及精确的植被点云,完成了从DEM中获取相关地形因子的研究以及从精确的植被点云获取研究区域植被生长及分布信息的研究,针对目前矿区植被恢复生态工程绿化工作效果进行了垂直结构上的检测。(3)矿山植被恢复与地形因子间相关性的探究综合利用基于GEE平台得到的植被恢复成效长时序监测、多时期变化趋势分析结果与基于三维激光点云数据获取的植被恢复结果与地形因子完成了植被恢复与地形因子之间的关系分析和研究,分析了各个地形因子(即高程、坡度、坡向和地形湿度指数)在不同空间尺度和时间序列下与植被生长和分布状况之间的相关性,完成了对不同时间、空间尺度下矿山地区地形与植被修复过程和成效之间相关性的初步探究,此外,还依据相关性的初步探究结果,定义了“乔木生长适宜度”这一应用指标,得到了研究区在各种地形条件下矿山废弃地的乔木种植修复适宜度,对植被生态修复工程项目和绿化工作的相关方针或决策实施具有参考价值。通过利用研究区长时序的遥感光学影像数据与高精度的无人机激光雷达点云数据完成了不同时间和空间尺度下幕府山矿山地区的植被恢复情况的调查与监测和分析,能为生态修复工程和绿化工作效果的反馈与进一步决策提供参考,更有利于加深社会对进行生态恢复工程和绿化工作的重视程度。
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