Potential of Hyperion EO-1 hyperspectral data for wheat crop chlorophyll content estimation

Abstract

Chlorophyll content is an essential biochemical parameter to track the main developmental stages and yield of cereals relevant for agriculture. In this perspective, several spectral chlorophyll indices have been developed to estimate chlorophyll content at both the leaf and canopy levels using remote sensing data and considering different crop types. The application of these chlorophyll indices under agricultural field conditions has not been rigorously tested and validated for wheat crops. The objective of this study is to investigate the relationship between a wide range of spectral chlorophyll indices and chlorophyll content of wheat crop using hyperspectral data acquired with the Hyperion Earth Observing 1 (EO-1) sensor and ground and laboratory measurements for validation purposes. The Hyperion data and ground measurements were acquired on 30 June 2002 over two agricultural fields near Indian Head, Saskatchewan, Canada. The image data were corrected for a spatial shift between the visible near-infrared (VNIR) and short-wave infrared (SWIR) detectors, destriped, and noise reduced. The data were then transformed to surface reflectance, corrected for sensor smile (1–3 nm shift in the VNIR and SWIR), and postprocessed to remove residual errors. The ground measurements included the leaf chlorophyll in arbitrary units using the soil-plant analyses development 502 (SPAD-502) meter and leaf chlorophyll content estimated from chemical laboratory analysis. The SPAD-502 measurements were correlated with laboratory-extracted leaf chlorophyll content to establish two calibration equations for the computation of chlorophyll ab (Chl ab) and chlorophyll a (Chl a) content, with a coefficient of determination (R²) of 0.72 and 0.69 and a root mean square error (RMSE) of 3.53 and 1.94 µg/cm², respectively. The chlorophyll indices were derived from the Hyperion data and validated against those derived from a subset of the converted SPAD-502 measurements. The normalized difference pigment index (NDPI) showed the best results for wheat chlorophyll content estimation using the Hyperion data against those derived from the converted SPAD-502 measurements, with an index of agreement (D) of 0.66 and an RMSE of 2.89 µg/cm². The performance of the NDPI at the wheat canopy level makes it a suitable tool to calibrate biophysical process models used in agriculture.

La teneur en chlorophylle est un paramètre biochimique essentiel pour le suivi des différents stades de croissance des cultures, ainsi que pour l'estimation des rendements des céréales en agriculture. Dans cette perspective, plusieurs indices spectraux ont été développés pour estimer la teneur en chlorophylle au niveau de la feuille et du couvert à l'aide de données de télédétection, et en considérant différents types de cultures. L'application de ces indices de chlorophylle dans des conditions réelles, en considérons des champs agricoles, n'a pas encore été testée et validée de façon rigoureuse, notamment dans le cas des cultures de blé. L'objectif de cette étude est d'analyser la relation entre une grande variété d'indices spectraux de chlorophylle et la teneur en chlorophylle des cultures de blé en utilisant des données hyperspectrales acquises par le capteur Hyperion sur la plateforme EO-1 (« Earth Observing 1 »). Pour la validation des résultats, des mesures de la teneur en chlorophylle au sol et en laboratoire ont été réalisées. Les données de Hyperion et les mesures au sol ont été acquises le 30 juin 2002, au-dessus de deux champs agricoles, près d'Indian Head en Saskatchewan au Canada. Les données images ont été corrigées du décalage spatial entre les détecteurs du visible et du proche infrarouge (VPIR), et les détecteurs des courtes longueurs d'ondes du moyen infrarouge (connus en anglais sous le nom du SWIR : « short-wave infrared »), puis soumises aux corrections du dérayage et de la réduction du bruit. En suite, elles ont été transformées en réflectances au sol corrigées des effets atmosphériques, de l'effet du déphasage spectral du capteur (1-3 nm dans le VPIR et le SWIR), puis soumises à une procédure de post-traitement afin d'éliminer les erreurs résiduelles. Quant aux mesures au sol, elles comprenaient la teneur en chlorophylle des feuilles dans des unités arbitraires dérivées des mesures du chlorophylle-mètre SPAD-502 (« soil plant analyses development ») et aussi la teneur en chlorophylle des feuilles estimée à partir des analyses chimiques en laboratoire. Les mesures de SPAD-502 ont été corrélées avec la teneur en chlorophylle des feuilles dérivée en laboratoire pour établir deux équations d'étalonnage pour le calcul de la teneur en chlorophylle ab (Chl ab) et en chlorophylle a (Chl a), avec un coefficient de détermination (R²) de 0,72 et 0,69 et une erreur quadratique moyenne (EQM) de 3,53 et 1,94 µg/cm², respectivement. Les indices de chlorophylle ont été dérivés des données de Hyperion et validés par rapport à ceux d'un sous-ensemble de mesures SPAD-502 au sol converties en Chl ab et Chl a. Les données de ce dernier sous-ensemble de mesures SPAD-502 sont indépendantes de celles qui ont étaient considérées lors de l'établissement des deux équations d'étalonnage. L'indice NDPI (« normalized difference pigment index ») montre les meilleurs résultats pour l'estimation de la teneur en chlorophylle du blé en utilisant les données de Hyperion par rapport à celles dérivées des mesures converties de SPAD-502 avec un taux de concordance (D) de 0,66 et une EQM de 2,89 µg/cm². La performance du NDPI au niveau du couvert du blé fait de cet indice un outil approprié pour l'étalonnage des modèles biophysiques utilisés en agriculture.[Traduit par la Rédaction]