Hyperspectral detection of chemical vegetation stress: evaluation for the Canadian HERO satellite mission

Abstract

The potential for direct detection of chemicals on vegetation and for detecting vegetation stress and damage from exposure was reviewed within the context of the proposed Hyperspectral Environment and Resource Observer (HERO) satellite mission. The direct detection of 10 selected toxic chemicals was deemed unlikely. Detecting vegetation stress resulting from exposure to these chemicals may be feasible, based on several image analysis approaches considered for two levels of damage: (i) severe defoliation, mortality, and effects at the full crop or forest stand scale; and (ii) more subtle stress and damage such as discolouration, spotting, bleaching, and light defoliation that occur at subpixel scales. Image classification, vegetation indices, spectral mixture analysis (SMA), and change detection are expected to be suitable for the former, whereas only SMA and advanced modelling approaches are expected to be suitable for the latter because of the subtle nature of reflectance change at subpixel scales. A key recommendation is the need for a spectral library of toxic substances and the stress and damage caused to various types of vegetation at different growth stages. Current information on this is limited and represents a constraint to effective analysis and evaluation. Based on this application, HERO mission parameters were considered, with recommendations that the current spectral resolution and ground sampling distance (GSD) be improved, with a sensitivity analysis required to determine proper values to provide optimal detection of toxic hazards and vegetation stress. Other sensor and mission parameters such as spectral range, signal-to-noise ratio (SNR), swath width, and orbital repeat period with off-nadir sensing and temporal relook frequency were deemed acceptable, but improvements would be desirable. Extensive testing involving laboratory experiments and airborne hyperspectral imagery for a variety of toxic substances over different areas and vegetation types is required for assessment using different image analysis algorithms to confirm this and other recommendations for HERO prelaunch.

Dans le contexte du projet de mission satellitaire HERO (« Hyperspectral Environment and Resource Observer »), la capacité de détection directe des composés chimiques sur la végétation et de détection du stress végétal et des dommages subis suite à leur exposition a été examinée. La détection directe de dix composés chimiques toxiques sélectionnés a été jugée peu probable. La détection du stress végétal résultant de l'exposition à ces composés chimiques peut être réalisable, basé sur l'application de diverses approches d'analyse d'images considérées pour deux niveaux de dommage : (i) la défoliation sévère, la mortalité et les effets à l'échelle de la récolte entière ou du peuplement forestier et (ii) les signes de stress ou les dommages plus subtils comme la décoloration, les taches, le blanchissage et une légère défoliation qui se manifestent à l'échelle du sous-pixel. La classification d'images, les indices de végétation, l'analyse des spectres mixtes (« spectral mixture analysis » ou SMA) et la détection des changements sont considérés comme pouvant être des techniques adéquates dans le premier cas, alors que seules la technique SMA et les approches avancées de modélisation le sont dans le deuxième cas, dû à la nature subtile des changements de la réflectance à l'échelle du sous-pixel. Une recommandation essentielle est celle de la nécessité d'avoir une bibliothèque spectrale des substances toxiques ainsi que des stress et des dommages causés aux divers types de végétation à différents stades de croissance. L'information actuelle sur le sujet est limitée, ce qui constitue une contrainte pour une analyse et une évaluation efficaces. Basé sur cette application, les paramètres de la mission HERO ont été pris en considération, avec l'objectif d'assurer que la résolution spectrale actuelle et la distance d'échantillonnage au sol (GSD) soient améliorées, une analyse de sensibilité étant nécessaire pour déterminer les valeurs appropriées afin de permettre la détection optimale des risques toxiques et du stress végétal. D'autres paramètres du capteur et de la mission tels que la portée spectrale, le rapport signal/bruit (SNR), la largeur du faisceau, la répétitivité orbitale permettant la détection en visée oblique et la fréquence de revisite temporelle ont été jugés acceptables quoique des améliorations seraient souhaitables. Des tests exhaustifs impliquant des expériences en laboratoire et des images hyperspectrales aéroportées pour une diversité de substances toxiques au-dessus de régions et de types de végétation variés sont nécessaires pour cette évaluation basée sur l'utilisation de différents algorithmes de traitement d'images afin de confirmer ces hypothèses ainsi que les autres recommandations durant la période de pré-lancement de HERO.[Traduit par la Rédaction]