矿山修复的植被状态监测方法及系统

243 编辑：中冶有色技术网来源：天津市地质工程勘测设计院有限公司

2024-12-16 14:45:06

权利要求

1.一种矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，包括：

根据矿山的海拔分布划分若干高度区间;

将矿山中海拔处于同一高度区间的封闭区域划分为监测区域;

采集各监测区域的重金属浓度，并确定处于同一高度区间的若干监测区域的平均重金属浓度;

分析随高度区间变化对应的平均重金属浓度的变化趋势，确定矿山是否存在污染扩散特征;

响应于所述污染扩散特征存在，获取各监测区域的遥感影像并确定各监测区域的NDVI，并确定处于同一高度区间的若干监测区域的平均NDVI;

根据各高度区间的平均NDVI确定所述污染扩散特征的成因是否为种植密度差异。

2.根据权利要求1所述的矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，所述根据各高度区间的平均NDVI确定所述污染扩散特征的成因是否为种植密度差异，具体包括：

确定随高度减小，平均NDVI是否逐渐减小，若平均NDVI逐渐减小，判定所述污染扩散特征的成因为种植密度差异。

3.根据权利要求2所述的矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，若随高度减小，平均NDVI非逐渐减小，获取各监测区域的最大种植密度和最大种植高度，若最大种植密度和最大种植高度均大于对应的阈值，通过无人机对矿山以预设路线进行矿山的地面图像采集;

其中，所述预设路线为从山底到山顶的若干可航行路线中，无人机图像采集的覆盖范围内平均种植高度最高的路线。

4.根据权利要求3所述的矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，根据无人机以预设路线在各高度区间采集的地面图像，确定预设路线上各高度区间的地面植被面积。

5.根据权利要求4所述的矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，确定地面植被面积是否随高度逐渐减小，若是，判定所述污染扩散特征的成因为种植密度差异。

6.根据权利要求1所述的矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，所述采集各监测区域的重金属浓度包括;

在监测区域内布设若干采样点，在采样点采集土壤样本;

检测土壤样本中的重金属浓度;

基于不同采样点的重金属浓度计算平均值作为该监测区域的重金属浓度。

7.根据权利要求1所述的矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，所述污染扩散特征通过以下步骤确定，

计算相邻高度区间的浓度差异值;

根据浓度差异值计算浓度梯度值;

将浓度梯度值与预设梯度值比对，若浓度梯度值大于预设梯度值，判定所述污染扩散特征存在;

其中，所述预设梯度值大于0。

8.根据权利要求1所述的矿山修复的植被状态监测方法，其特征在于，在所述根据矿山的海拔分布划分若干高度区间中，各高度区间等距。

9.一种矿山修复的植被状态监测系统，其特征在于，应用权利要求1-8任一项所述的矿山修复的植被状态监测方法，包括：

区域划分模块，用于获取矿山的海拔分布以及监测区域的划分;

采集模块，与所述区域划分模块连接，用以采集各监测区域的重金属浓度、遥感影像，以及矿山的地面图像;

趋势判定模块，与所述采集模块连接，用于分析随高度区间变化对应的平均重金属浓度的变化趋势，确定矿山是存在污染扩散特征;

分析输出模块，分别与所述采集模块和所述趋势判定模块连接，所述分析输出模块响应于所述污染扩散特征存在，结合监测区域的遥感图像和地面图像确定污染扩散特征的成因，并输出分析结果和分析过程。

10.根据权利要求9所述的矿山修复的植被状态监测系统，其特征在于，所述矿山的地面图像通过无人机获取，所述矿山修复的植被状态监测系统还包括路径规划模块，所述路径规划模块用于确定无人机采集地面图像的航行路线。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及矿山植被状态监测技术领域，尤其涉及一种矿山修复的植被状态监测方法及系统。

背景技术

[0002]矿山开采会破坏地表和土壤结构，使矿石中包含的大量容易淋溶的不稳定重金属矿物被释放出来流向土壤，同时矿山开采产生的大量废石和尾矿含有较高浓度的重金属，这些废石和尾矿在堆放过程中，由于风化和雨水冲刷，其中的重金属会渗入土壤和地下水，造成污染。植被修复属污染防治中的一种有效方法，通过植物根系吸收土壤中的重金属，并将其积累在植物体内，从而减少土壤中的重金属浓度。

[0003]在矿山植被修复进程中，对于植被以及土壤的采集和分析是保证植被修复效果的关键手段，例如现有技术中公开了一种矿山植被修复监测及成效评估系统，包括无线收发器以及分别安装无线收发器的远程控制器、无人机主体和若干个土壤墒情监测仪;所述远程控制器内部设有成效评估模块，成效评估模块获取回传数据，并将数据通过计算得到成效评估结果。该方案在巡检无人机主体以及土壤墒情监测仪将监测数据分别获取土壤植被的图像数据以及土壤墒情监测数据，并分别通过无线收发器将信息传输给远程控制器;远程控制器通过成效评估模块自动将回传的信息进行分析，进而获得成效评估结果。

[0004]但上述矿山污染和矿山修复的监测方法的技术方案中，通过采集的数据无法有效确定植被对土体内重金属的吸收效果，进而无法确定是否存在重金属污染扩散的现象，对于矿山的植被状态监测具有局限性。

发明内容

[0005]本发明的目的在于：提供一种矿山修复的植被状态监测方法及系统，以解决相关技术中通过采集的数据无法有效确定植被对土体内重金属的吸收效果，进而无法确定是否存在重金属污染扩散的现象，对于矿山的植被状态监测具有局限性。

[0006]为此，一方面，本发明提供一种矿山修复的植被状态监测方法，包括：

根据矿山的海拔分布划分若干高度区间;

将矿山中海拔处于同一高度区间的封闭区域划分为监测区域;

采集各监测区域的重金属浓度，并确定处于同一高度区间的若干监测区域的平均重金属浓度;

分析随高度区间变化对应的平均重金属浓度的变化趋势，确定矿山是存在污染扩散特征;

响应于所述污染扩散特征存在，获取各监测区域的遥感影像并确定各监测区域的NDVI，并确定处于同一高度区间的若干监测区域的平均NDVI;

根据各高度区间的平均NDVI确定所述污染扩散特征的成因是否为种植密度差异。

[0007]具体而言，所述根据各高度区间的平均NDVI确定所述污染扩散特征的成因是否为种植密度差异，具体包括：

确定随高度减小，平均NDVI是否逐渐减小，若平均NDVI逐渐减小，判定所述污染扩散特征的成因为种植密度差异。

[0008]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，若随高度减小，平均NDVI非逐渐减小，获取各监测区域的最大种植密度和最大种植高度，若最大种植密度和最大种植高度均大于对应的阈值，通过无人机对矿山以预设路线进行矿山的地面图像采集;

其中，所述预设路线为从山底到山顶的若干可航行路线中，无人机图像采集的覆盖范围内平均种植高度最高的路线。

[0009]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，根据无人机以预设路线在各高度区间采集的地面图像，确定预设路线上各高度区间的地面植被面积。

[0010]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，确定地面植被面积是否随高度逐渐减小，若是，判定所述污染扩散特征的成因为种植密度差异。

[0011]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，所述采集各监测区域的重金属浓度包括;

在监测区域内布设若干采样点，在采样点采集土壤样本;

检测土壤样本中的重金属浓度;

基于不同采样点的重金属浓度计算平均值作为该监测区域的重金属浓度。

[0012]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，所述污染扩散特征通过以下步骤确定，

计算相邻高度区间的浓度差异值;

根据浓度差异值计算浓度梯度值;

将浓度梯度值与预设梯度值比对，若浓度梯度值大于预设梯度值，判定所述污染扩散特征存在;

其中，所述预设梯度值大于0。

[0013]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，在所述根据矿山的海拔分布划分若干高度区间中，各高度区间等距。

[0014]另一方面，本发明提供一种矿山修复的植被状态监测系统，应用上述任一方案中的矿山修复的植被状态监测方法，包括：

区域划分模块，用于获取矿山的海拔分布以及监测区域的划分;

采集模块，与所述区域划分模块连接，用以采集各监测区域的重金属浓度、遥感影像，以及矿山的地面图像;

趋势判定模块，与所述采集模块连接，用于分析随高度区间变化对应的平均重金属浓度的变化趋势，确定矿山是否存在污染扩散特征;

[0015]作为矿山修复的植被状态监测系统的优选技术方案，所述矿山的地面图像通过无人机获取，所述矿山修复的植被状态监测系统还包括路径规划模块，所述路径规划模块用于确定无人机采集地面图像的航行路线。

[0016]本发明的有益效果为：

本发明提供一种矿山修复的植被状态监测方法，能够通过系统化的高度区间划分、重金属浓度监测与植被密度分析，全面评估矿山生态修复过程中植被状况和污染扩散特征。通过在不同高度区间内监测重金属浓度，并结合遥感技术获取的植被NDVI，可以有效识别矿山污染扩散的空间分布规律，并进一步分析污染扩散的潜在成因，尤其是植被密度差异对污染扩散的影响。结合了海拔、重金属含量与植被健康状态的多维度监测，能够更精确地评估矿山区域的生态恢复情况，及时识别出可能存在的污染扩散趋势，并为污染控制措施和植被修复策略提供科学依据。通过高效的数据采集与分析手段，提升了监测的精度和全面性，尤其适用于大型矿山区域的生态评估与恢复监控，为矿山生态管理提供了一种更加智能和精准的解决方案。

[0017]进一步地，本发明提出的污染扩散特征能够有效地展现出矿山的重金属是否存在向下扩散的趋势，并在该趋势存在时，验证扩散成因，对于污染扩散特征，其可能是由于雨水冲刷、土体流失造成的重金属向下扩散，也可能是植被种植时由于地形因素植被分布不均，导致不同高度植被对于重金属的吸收不同，偶然展现出的扩散现象，本发明结合遥感图像对该现象进行识别，能够便于对矿山植被状态的进一步了解，以及结合本发明详尽的监测数据采取更适合的调整措施以避免重金属污染的进一步扩散。

[0018]进一步地，本发明对于监测区域的划分具有较优的可分析性，划分依据为处于同一高度区间的封闭区域，如此划分的监测区域能够有效表征矿山在不同高度区间的变化，便于进一步分析。

附图说明

[0019]图1为本发明实施例中的矿山修复的植被状态监测方法的流程图;

图2为本发明实施例中的采集各监测区域的重金属浓度的流程图;

图3为本发明实施例中的污染扩散特征确定的流程图;

图4为本发明实施例中的矿山修复的植被状态监测系统的结构框图。

具体实施方式

[0020]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0021]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0022]下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0023]矿山开采过程中会破坏地表和土壤结构，使矿石中包含的大量容易淋溶的不稳定重金属矿物被释放出来流向土壤，同时矿山开采产生的大量废石和尾矿含有较高浓度的重金属，这些废石和尾矿在堆放过程中，由于风化和雨水冲刷，其中的重金属会渗入土壤和地下水，造成污染。现有的矿山污染和矿山修复的监测方法无法有效处理这个问题，尤其是无法利用矿山修复植被矿山对重金属污染区进行针对性防治。

[0024]请参阅图1和图2所示，本发明提供的矿山修复的植被状态监测方法，包括：

步骤S1，根据矿山的海拔分布划分若干高度区间，且各高度区间等距;

步骤S2，将矿山中海拔处于同一高度区间的封闭区域划分为监测区域;

步骤S3，采集各监测区域的重金属浓度，并确定处于同一高度区间的若干监测区域的平均重金属浓度;

步骤S4，分析随高度区间变化对应的平均重金属浓度的变化趋势，确定矿山是存在污染扩散特征;

步骤S5，响应于污染扩散特征存在，获取各监测区域的遥感影像并确定各监测区域的NDVI(归一化植被指数)，并确定处于同一高度区间的若干监测区域的平均NDVI;

步骤S6，根据各高度区间的平均NDVI确定污染扩散特征的成因是否为种植密度差异。

[0025]在上述步骤中，本实施例的监测方法能够通过系统化的高度区间划分、重金属浓度监测与植被密度分析，全面评估矿山生态修复过程中植被状况和污染扩散特征。通过在不同高度区间内监测重金属浓度，并结合遥感技术获取的植被NDVI，可以有效识别矿山污染扩散的空间分布规律，并进一步分析污染扩散的潜在成因，尤其是植被密度差异对污染扩散的影响。结合了海拔、重金属含量与植被健康状态的多维度监测，能够更精确地评估矿山区域的生态恢复情况，及时识别出可能存在的污染扩散趋势，并为污染控制措施和植被修复策略提供科学依据。通过高效的数据采集与分析手段，提升了监测的精度和全面性，尤其适用于大型矿山区域的生态评估与恢复监控，为矿山生态管理提供了一种更加智能和精准的解决方案。详细地，污染扩散特征能够有效地展现出矿山的重金属是否存在向下扩散的趋势，并在该趋势存在时，验证扩散成因，对于污染扩散特征，其可能是由于雨水冲刷、土体流失造成的重金属向下扩散，也可能是植被种植时由于地形因素植被分布不均，导致不同高度植被对于重金属的吸收不同，偶然展现出的扩散现象，本实施例结合遥感图像对该现象进行识别，能够便于对矿山植被状态的进一步了解，以及结合本实施例详尽的监测数据采取更适合的调整措施以避免重金属污染的进一步扩散。进一步地，监测方法对于监测区域的划分具有较优的可分析性，划分依据为处于同一高度区间的封闭区域，如此划分的监测区域能够有效表征矿山在不同高度区间的变化，便于进一步分析。

[0026]具体而言，根据各高度区间的平均NDVI确定污染扩散特征的成因是否为种植密度差异，具体包括：

确定随高度减小，平均NDVI是否逐渐减小，若平均NDVI逐渐减小，判定污染扩散特征的成因为种植密度差异;

若随高度减小，平均NDVI非逐渐减小，获取各监测区域的最大种植密度和最大种植高度，若最大种植密度和最大种植高度均大于对应的阈值，通过无人机对矿山以预设路线进行矿山的地面图像采集;

其中，预设路线为从山底到山顶的若干可航行路线中，无人机图像采集的覆盖范围内平均种植高度最高的路线。

[0027]详细地，对于NDVI可以通过遥感影响分析获取，也可以从现有的平台中直接获取，其为现有技术，需注意的是，在通过遥感影像分析获取监测区域的NDVI时，遥感影像的空间分辨率应为1—5米，以确保能够准确捕捉植被覆盖的精细变化。平均NDVI通过以下公式确定，，其中，NDVIR为平均NDVI,Ai为第i监测区域的面积，NDVIi表示第i监测区域的NDVI值，n为该高度区间内的监测区域数量。

[0028]平均NDVI逐渐减小说明污染扩散特征是由于从上到下的种植密度差异导致，并非是由于雨水冲刷等导致的污染扩散，排除了错误分析的现象。且在平均NDVI非逐渐减小的情况下，若最大种植密度和最大种植高度均大于对应的阈值，通过无人机对矿山以预设路线进行矿山的地面图像采集，考虑到了仅采用NDVI进行的成因分析存在盲区，在最大种植密度和最大种植高度均大于对应的阈值时，说明植被过高过密对于地表具有一定的遮挡，忽略了处于遮挡下的能够吸收重金属的低矮植物，基于此考虑通过无人机进行一个从下到上的地面图像采集，通过该次采集对上述例外情况进行验证，进一步提高了监测方法的精准性。应理解的是，对于最大种植密度和最大种植高度对应的阈值需结合实际场景及植物品种进行设置，能够表征对应的遮挡程度即可，在此不再赘述。

[0029]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，根据无人机以预设路线在各高度区间采集的地面图像，确定预设路线上各高度区间的地面植被面积。

[0030]作为矿山修复的植被状态监测方法的优选技术方案，确定地面植被面积是否随高度逐渐减小，若是，判定污染扩散特征的成因为种植密度差异。

[0031]若否判定成因并非种植密度差异，矿山存在污染扩散的趋势。

[0032]请参阅图2所示，采集各监测区域的重金属浓度包括;

步骤S31，在监测区域内布设若干采样点，在采样点采集土壤样本;

步骤S32，通过光谱分析或ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)检测土壤样本中的重金属浓度;

步骤S33，基于不同采样点的重金属浓度计算平均值作为该监测区域的重金属浓度。详细地，对于重金属检测的类别需要结合矿山的实际场景确定，示例性的，检测的重金属包括但不限于铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)和铬(Cr)。

[0033]请参阅图3所示，污染扩散特征通过以下步骤确定，

步骤S41，计算相邻高度区间的浓度差异值ΔC;，

步骤S42，根据浓度差异值计算浓度梯度值G;，

其中，Cj表示第j个高度区间的平均重金属浓度，m为高度区间的总数。

[0034]步骤S43，将浓度梯度值与预设梯度值比对，若浓度梯度值大于预设梯度值(预设梯度值大于0)，判定污染扩散特征存在，反之不存在。可以理解的是，对于预设梯度值，需结合矿山的高度和高度区间的划分数量确定，当浓度梯度 G 大于预设梯度值时，相邻高度区间的浓度变化呈现出规律性的递增趋势时，可以判定矿山存在污染扩散现象。特别是当最低高度区间的重金属浓度值显著高于最高高度区间时，扩散特征更加明显。

[0035]请参阅图4所示，本实施例提供一种矿山修复的植被状态监测系统，应用上述任一方案中的矿山修复的植被状态监测方法，包括：

区域划分模块，用于获取矿山的海拔分布以及监测区域的划分;

采集模块，与区域划分模块连接，用以采集各监测区域的重金属浓度、遥感影像，以及矿山的地面图像;

趋势判定模块，与采集模块连接，用于分析随高度区间变化对应的平均重金属浓度的变化趋势，确定矿山是否存在污染扩散特征;

分析输出模块，分别与采集模块和趋势判定模块连接，分析输出模块响应于污染扩散特征存在，结合监测区域的遥感图像和地面图像确定污染扩散特征的成因，并输出分析结果和分析过程。具体地，采集模块包括土壤采样器、电感耦合等离子体质谱仪、卫星遥感图像获取终端、无人机以及用于采集数据交互的传输单元。

[0036]作为矿山修复的植被状态监测系统的优选技术方案，矿山的地面图像通过无人机获取，矿山修复的植被状态监测系统还包括路径规划模块，路径规划模块用于确定无人机采集地面图像的航行路线。

[0037]除采集模块外，描述于本申请实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种数据处理器包括区域划分模块、趋势判定模块、分析输出模块和路径规划模块。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

[0038]附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统和方法可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，该模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框，以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的装置来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

[0039]显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

说明书附图(4)