Assessing Soil Contamination Due to Oil and Gas Production Using Vegetation Hyperspectral Reflectance
Evaluation de la contamination du sol issue de la production de gas et de pétrole par l'utilisation de la réflectance hyperspectrale de la végétation
Résumé
The remote assessment of soil contamination remains difficult in vegetated areas. Recent advances in hyperspectral spectroscopy suggest making use of plant reflectance to monitor oil and gas leakage from industrial facilities. However, knowledge about plant response to oil contamination is still limited, so only very few imaging applications are possible at this stage. We therefore conducted a greenhouse experiment on three species long-term exposed to either oil-contaminated or water-deficient soils. Reflectance measurements were regularly performed at leaf and plant scale over 61 days of exposure. Results showed an increase of reflectance in the visible (VIS), the red-edge and the short-wave infrared (SWIR) under both oil and water-deficit stress exposure. A contrasted response in the near-infrared (NIR) was also observed among species. Spectra underwent transformations to discriminate species’ responses to the different treatments using linear discriminant analysis (LDA) with a stepwise procedure. Original and transformed spectra enabled to discriminate the plants’ responses to the different treatments without confusion after 61 days. The discriminating wavelengths were consistent with the spectral differences observed. These results suggest differential changes in plant pigments, structure and water content as a response to various stressors, and open up promising perspectives for airborne and satellite applications.
L'évaluation à distance de la contamination du sol demeure difficile en régions végétalisées. De récentes avancées en spectroscopie hyperspectrale proposes d'exploiter la réflectance des plantes pour contrôler les déversements de pétrole et de gaz provenant d'installations pétrolières. Cependant, les connaissances sur la réponse de la plante à la contamination pétrolière demeurent limitées, donc peu d'application sont envisageables à l'échelle d'images. En ce sens, nous avons conduit une expérimentation en serre sur trois espèces exposées sur le long-terme à des sols contaminés par du pétrole ou déficient en eau. Des mesures de réflectance ont été régulièrement menées à l'échelle de la feuille et de la plante pendant 61 jours d'exposition. Les résultats ont montré une augmentation de la réflectance dans le visible (VIS), le red-edge et l'infra-rouge (SWIR) suite à l'exposition au pétrole et au stress hydrique. Une réponse contrastée a également été observée dans le proche infra(rouge (NIR). Les spectres ont fait l'objet de transformations pour discriminer les réponses des espèces aux traitements, en utilisant une analyse linéaire discriminante (LDA), suivant une procédure pas-à-pas. Les spectres originaux et transformés ont été capables de discriminer les réponses aux traitements, sans confusion, après 61 jours. Les longueurs d'ondes discriminantes se sont montrées cohérentes avec les différences spectrales observées. Ces résultats supposent des changements différentiels de pigments, de structure et de contenu en eau de la végétation comme réponse aux différents agents de stress, et laissent entrevoir des perspectives prometteuses pour des applications à l'échelle aéroportée et satellitaire.