《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Monitoring of the smouldering coal-waste dump in Chorzów (Poland) using spectral indices: A UAV and satellite-based approach
编辑推荐：
地表温度监测|无人机遥感|植被指数分析|煤废料自燃|环境评估
安娜·阿布拉莫维茨（Anna Abramowicz）|米哈乌·拉斯卡（Micha? Laska）|阿达姆·纳杜德瓦里（ádám Nádudvari）|奥伊马赫马德·拉赫莫诺夫（Oimahmad Rahmonov）
卡托维兹西里西亚大学（University of Silesia in Katowice），自然科学学院，地球科学研究所，B?dzińska 60，41-200 Sosnowiec，波兰
摘要
本研究旨在评估环境指数在监测煤炭废料堆自燃现象中的适用性。研究地点选在上西里西亚煤田（Upper Silesian Coal Basin）的一个废料堆，采用多种方法结合遥感和实地数据进行分析。共进行了两次无人机调查，收集了RGB、红外和多光谱图像，并补充了地下温度的直接测量数据以及详细的植被地图。此外，还分析了来自Landsat和Sentinel任务的公开卫星数据。计算了一系列与植被和火灾相关的指数（如NDVI、SAVI、EVI、BAI等），以识别热活跃区域并评估这些退化区域的植被状况。研究结果表明，热活跃区域的植被指数存在明显的季节性变化，存在植被周期被打乱的现象，包括在温度适中的根区出现冬季绿化——这表明植被受到压力并处于退化过程中。虽然像Landsat和Sentinel-2这样的公开卫星数据有助于重建废料堆的火灾历史，但其空间分辨率不足以详细监测小规模的热异常现象。该研究突显了基于无人机的遥感技术在经历土地退化的后工业环境中的诊断潜力，同时强调了实地验证对准确进行环境评估的重要性。
引言
近几十年来，卫星图像的获取使环境监测变得更加便捷（Burke等人，2021；Chuvieco，2020；Manfreda等人，2018）。数字基础设施的发展，包括电信网络和数据库，使得这些数据能够快速处理并广泛共享。一个关键转折点是分辨率的提高和光谱带数据的发布，这使得可以计算出针对自然环境不同方面的各种指数，从而更好地理解地球生态系统中的变化（Zeng等人，2022）。迄今为止，研究人员已经基于多光谱图像开发了超过一百种植被指数（Huang等人，2021；Xue和Su，2017），所有这些指数都是为适当的数字数据集解释而设计的（Huang等人，2021）。其中，归一化植被指数（NDVI）因其简单性、长期的应用历史以及所使用光谱带的易获取性而成为最常用的指数（Eastman等人，2013；Huang等人，2021；Pettorelli等人，2013；Pettorelli等人，2011；Tucker等人，2001）。该指数基于近红外波段的最大反射率与红波段的吸收率之间的对比，这些数据来自对光学太阳光反射率的测量。因此，NDVI继续作为环境监测的基础工具，为开发针对特定生态现象的更专业指数铺平了道路。
除了通用植被监测外，光谱指数还在其他环境领域得到了广泛应用。其中一个最突出的例子是火灾监测，特别是在森林火灾的背景下（Brey等人，2018；Cuevas-Gonzalez等人，2009；Kasischke等人，1993；Kasischke和French，1995；Lozano等人，2010）。这些指数可以分为两类：特定于火灾的指数（如归一化燃烧比（NBR）、燃烧面积指数（BAI）和燃烧疤痕指数（BSI）以及植被指数（如归一化植被指数（NDVI）、增强植被指数（EVI）和土壤调整植被指数（SAVI））。特定于火灾的指数有助于直接检测火灾并评估损失（Alcaras等人，2022；Amroussia等人，2023；Escuin等人，2008；Oliveira等人，2025）。植被指数有助于监测植被状况，进而识别易发生火灾的区域，绘制火灾风险地图，并评估火灾后的植被恢复情况（Avetisyan等人，2023；Cuevas-Gonzalez等人，2009；Lentile等人，2007；Massetti等人，2019）。
尽管植被指数在火灾研究中的广泛应用通常指的是传统的地表火灾——最常见的是森林火灾和农业火灾——但值得注意的是，还存在其他不太明显的火灾类型，对于这些火灾，应用这些指数要困难得多。已经有多种尝试使用环境指数来检测地下火灾，这些火灾往往影响煤层、泥炭地或垃圾填埋场等区域（Anghelescu和Diaconu，2024）。管理这些火灾面临重大挑战，主要是因为它们在早期阶段难以检测，且可用的缓解措施有限。通常，这些火灾需要长时间、复杂的昂贵干预措施。实际上，一种更有效的方法是分析地表温度（LST），这种方法已被证明能有效识别地表上的异常热模式，这可能是地下燃烧的迹象（Yuan等人，2021）。这些温度读数通常来自卫星数据，如MODIS、Landsat或Sentinel，这些数据提供适合发现此类隐藏热源的热和短波红外图像（Biswal等人，2019；Chatterjee，2006；Kuenzer等人，2008；Liu等人，2023；Nádudvari等人，2021；Saraf等人，1995；Zhang等人，2004）。然而，对自加热废料堆的持续监测可以揭示这些热点的迁移、出现、加剧或消失——特别是当它们热到足以被这些传感器检测到时（Nádudvari，2014；Nádudvari等人，2021）。正如Biswal等人（2019）所指出的，不同的遥感方法在地下火灾检测和制图方面各有优缺点，因此应根据具体研究选择合适的方法。无论使用哪种方法，都必须避免太阳辐射的影响，因为夜间或黎明前的数据通常比白天的数据更准确——阳光的存在会增加检测到的热量。因此，不建议使用白天的图像来划定煤炭火灾的范围。
一个有趣的地下火灾例子是煤炭废料堆的自燃现象，这种现象在全球活跃的煤炭开采地区很常见（Stracher等人，2016，2014，2012，2010）。其形成与煤炭自热和自燃的自然倾向有关（Fabiańska等人，2019；Gogola等人，2020；Skotniczy，2020）。然而，监测这些火灾比跟踪大规模的森林或煤层火灾更具挑战性。主要问题在于卫星图像的分辨率，这往往使得难以及早发现火灾热点（Nádudvari等人，2021；Nádudvari和Ciesielczuk，2018）。这些热点通常很小，只覆盖废料堆表面的一部分，并且随着时间的推移，它们的大小和/或位置会发生变化。当前的技术进步，特别是使用配备多光谱相机的无人机（UAV），为解决这一挑战提供了希望，这些相机的分辨率可达几厘米。这些设备正越来越多地被世界各地的场地管理者和研究人员用于采矿后的区域（Messinger和Silman，2016；Ren等人，2024，2022；Shao等人，2023；Thiruchittampalam等人，2023；Zubí?ek等人，2024）。到目前为止，它们的应用主要集中在热监测上，特别是快速检测火灾和跟踪其进展。
本研究旨在通过多光谱图像评估使用环境指数监测煤炭废料堆中地下火灾变化的潜力。研究包括使用无人机收集遥感数据，以及定期进行现场调查以验证环境变化。此外，文章还将根据研究地点的实际环境和植被状况进行实地验证，以评估这些指数是否适用于此类火灾。研究结果旨在为有效监测煤炭废料堆及其相关环境影响提供见解，有助于制定管理和修复策略。
研究区域位于上西里西亚煤田（USCB）内的一个煤炭废料堆，这是欧洲最大的煤炭开采区域之一，横跨波兰和捷克共和国。该研究地点位于波兰的Chorzów市（图1），属于一个城市化程度高且工业化的区域，该地区的采矿活动可追溯到19世纪（Abramowicz等人，2025）。最初，该地区是皇家冶炼厂（org. K?nigshütte）的冶金渣处置场。随着时间的推移，这里开始用于存放附近硬煤矿的煤炭废料。废料堆最初形成了一个明显的锥形结构，经过多次形态变化后最终形成了现在的相对平坦的形态。近年来，该地区进行了复垦工作，旨在创建一个休闲和公园般的景观。废料堆内的自热和热活动最早在21世纪初被记录下来（Kotyrba和Siwek，2017）。从那时起，火灾持续发展，火区逐渐蔓延到废料堆的不同部分。热现象仍然对当地居民造成困扰，因为难闻的气味和气体排放持续对其日常生活产生负面影响。
材料与方法
本研究采用了一种多步骤的工作流程，结合了基于无人机的现场调查和卫星数据来分析煤炭废料堆自燃过程中的植被响应（图2）。过程从规划和概念化开始，然后在2023年的生长季节进行植被制图，并在2023年秋季和2024年春季进行了两次无人机调查。同时，从USGS档案中获取了卫星图像进行季节性对比。所有数据集都经过了处理和地理配准，用于计算...
Chorzów煤炭废料堆的历史热活动
分辨率为30米的卫星图像显示，自1999年以来，研究区域南部一直存在明显的地表热扰动迹象（图3）。这些地表温度异常在冬季（1月至2月）积雪覆盖的区域最为明显，此时温差最大。通常，2到5个像素的簇比周围区域温度高约1°C，表明存在局部热源...
讨论
大多数分析光谱指数的研究依赖于公开可用的卫星图像，主要是来自Landsat ETM+或Sentinel-2的数据集。这些数据集是公开获取的，易于获取，具有全球覆盖范围，并且更新频繁，因此非常方便且被广泛使用（Burke等人，2021；Phiri等人，2020；Wulder等人，2022）。卫星图像的可用性主要使得能够重建地下火灾的发展时间线。
结论
在燃烧中的煤炭废料堆的热活跃区域，NDVI表现出季节性变化，但这种变化与未受地下加热影响的区域观察到的模式明显不同。这种特殊的季节性变化表现为在气象冬季开始出现植被生长期，尤其是在根区温度升高但尚未达到极值的区域。
在细空间尺度上进行的NDVI分析对于准确评估环境条件至关重要。
CRediT作者贡献声明
阿达姆·纳杜德瓦里（ádám Nádudvari）：撰写——审稿与编辑、验证、软件、资源、调查。米哈乌·拉斯卡（Micha? Laska）：撰写——审稿与编辑、验证、软件、资源、调查、数据管理。奥伊马赫马德·拉赫莫诺夫（Oimahmad Rahmonov）：撰写——审稿与编辑、监督、调查、概念化。安娜·卡塔兹yna·阿布拉莫维茨（Anna Katarzyna Abramowicz）：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化
出版伦理声明
我代表所有合作者证明，我们提交的文章遵循了出版伦理原则。
所有作者同意：
本研究准确地描述了所进行的工作，所有数据都是准确的，方法论也足够详细，以便其他人能够复制这项工作。
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利益冲突声明
? 作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：安娜·阿布拉莫维茨报告称获得了波兰国家科学中心（National Science Centre, Poland）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究完全由波兰国家科学中心资助 [资助编号：2023/07/X/ST10/00540]。为了实现开放获取，作者已将任何由此产生的作者接受的手稿（AAM）版本应用于CC-BY公共版权许可。
