End-to-end simulations to optimize imaging spectroscopy mission requirements for seven scientific applications

X. Briottet., K. Adeline, T. Bajjouk, V. Carrère, M. Chami, Y. Constans, Y. Derimian, A. Dupiau, M. Dumont, S. Doz, S. Fabre, P.Y. Foucher, H. Herbin, S. Jacquemoud, M. Lang, A. Le Bris, P. Litvinov, S. Loyer, Marion R, A. Minghelli, T. Miraglio, D. Sheeren, B. Szymanski, F. Romand, C. Desjardins, D. Rodat, B. Cheul. (2024) End-to-end simulations to optimize imaging spectroscopy mission requirements for seven scientific applications. ISPRS Open Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 100060, ISSN 2667-3932, https://doi.org/10.1016/j.ophoto.2024.100060

Abstract:

CNES is currently carrying out a Phase A study to assess the feasibility of a future hyperspectral imaging sensor (10 m spatial resolution) combined with a panchromatic camera (2.5 m spatial resolution). This mission focuses on both high spatial and spectral resolution requirements, as inherited from previous French studies such as HYPEX, HYPXIM, and BIODIVERSITY. To meet user requirements, cost, and instrument compactness constraints, CNES asked the French hyperspectral Mission Advisory Group (MAG), representing a broad French scientific community, to provide recommendations on spectral sampling, particularly in the Short Wave InfraRed (SWIR) for various applications. This paper presents the tests carried out with the aim of defining the optimal spectral sampling and spectral resolution in the SWIR domain for quantitative estimation of physical variables and classification purposes. The targeted applications are geosciences (mineralogy, soil moisture content), forestry (tree species classification, leaf functional traits), coastal and inland waters (bathymetry, water column, bottom classification in shallow water, coastal habitat classification), urban areas (land cover), industrial plumes (aerosols, methane and carbon dioxide), cryosphere (specific surface area, equivalent black carbon concentration), and atmosphere (water vapor, carbon dioxide and aerosols). All the products simulated in this exercise used the same CNES end-to-end processing chain, with realistic instrument parameters, enabling easy comparison between applications. 648 simulations were carried out with different spectral strategies, radiometric calibration performances and signal-to-noise Ratios (SNR): 24 instrument configurations × 25 datasets (22 images + 3 spectral libraries). The results show that spectral sampling up to 20 nm in the SWIR range is sufficient for most applications. However, 10 nm spectral sampling is recommended for applications based on specific absorption bands such as mineralogy, industrial plumes or atmospheric gases. In addition, a slight performance loss is generally observed when radiometric calibration accuracy decreases, with a few exceptions in bathymetry and in the cryosphere for which the observed performance is severely degraded. Finally, most applications can be achieved with a realistic SNR, with the exception of bathymetry, shallow water classification, as well as carbon dioxide and methane estimation, which require the optimistic SNR level tested. On the basis of these results, CNES is currently evaluating the best compromise for designing the future hyperspectral sensor to meet the objectives of priority applications.

Résumé :

Le CNES mène actuellement une étude de phase A pour évaluer la faisabilité d'un futur capteur d'imagerie hyperspectrale (résolution spatiale de 10 m) combiné à une caméra panchromatique (résolution spatiale de 2,5 m). Cette mission se concentre sur les exigences de haute résolution spatiale et spectrale, héritées des études françaises précédentes telles que HYPEX, HYPXIM et BIODIVERSITY. Pour répondre aux exigences des utilisateurs, aux contraintes de coût et de compacité de l'instrument, le CNES a demandé au groupe consultatif de la mission hyperspectrale française (MAG), représentant une large communauté scientifique française, de fournir des recommandations sur l'échantillonnage spectral, en particulier dans l'infrarouge à ondes courtes (SWIR) pour diverses applications. Cet article présente les tests effectués dans le but de définir l'échantillonnage spectral et la résolution spectrale optimaux dans le domaine SWIR pour l'estimation quantitative de variables physiques et à des fins de classification. Les applications visées sont les géosciences (minéralogie, teneur en eau du sol), la sylviculture (classification des espèces d'arbres, traits fonctionnels des feuilles), les eaux côtières et intérieures (bathymétrie, colonne d'eau, classification du fond dans les eaux peu profondes, classification des habitats côtiers), les zones urbaines (couverture des sols), les panaches industriels (aérosols, méthane et dioxyde de carbone), la cryosphère (surface spécifique, concentration équivalente de carbone noir) et l'atmosphère (vapeur d'eau, dioxyde de carbone et aérosols). Tous les produits simulés dans cet exercice ont utilisé la même chaîne de traitement de bout en bout du CNES, avec des paramètres instrumentaux réalistes, permettant une comparaison aisée entre les applications. 648 simulations ont été réalisées avec différentes stratégies spectrales, performances d'étalonnage radiométrique et rapports signal/bruit (RSB) : 24 configurations d'instruments × 25 jeux de données (22 images + 3 bibliothèques spectrales). Les résultats montrent qu'un échantillonnage spectral allant jusqu'à 20 nm dans la gamme SWIR est suffisant pour la plupart des applications. Cependant, un échantillonnage spectral de 10 nm est recommandé pour les applications basées sur des bandes d'absorption spécifiques telles que la minéralogie, les panaches industriels ou les gaz atmosphériques. En outre, une légère perte de performance est généralement observée lorsque la précision de l'étalonnage radiométrique diminue, à quelques exceptions près en bathymétrie et dans la cryosphère, où la performance observée est fortement dégradée. Enfin, la plupart des applications peuvent être réalisées avec un RSB réaliste, à l'exception de la bathymétrie, de la classification des eaux peu profondes, ainsi que de l'estimation du dioxyde de carbone et du méthane, qui nécessitent le niveau de RSB optimiste testé. Sur la base de ces résultats, le CNES évalue actuellement le meilleur compromis pour concevoir le futur capteur hyperspectral afin de répondre aux objectifs des applications prioritaires.