Monitoring mine tailings revegetation using multitemporal hyperspectral image data

AbstractThis paper investigates the use of hyperspectral remote sensing imagery in the 400–2500 nm wavelength range for the extraction of information suitable for monitoring mine tailings revegetation. The objectives were twofold: (i) demonstrate the usefulness of fractional texture for monitoring mine tailings revegetation using visible and near-infrared (VNIR) hyperspectral data, and (ii) investigate the benefit of adding the short-wave infrared (SWIR) bands. Compact Airborne Spectrographic Imager (casi) data were acquired over the Copper Cliff mine tailings impoundment area in the VNIR bands during the summers of 1996 and 1998. In addition, Probe-1 data were collected in the VNIR-SWIR region during the summer of 1999. Surface reflectance was retrieved from the three datasets, and spectra of the 1996 and 1998 casi datasets were resampled to match the 1999 Probe-1 spectral sampling characteristics, which resulted in 30 bands covering the 450–890 nm range. The three datasets were concatenated into one file, and 30 endmember spectra were automatically selected. Constrained linear spectral unmixing was performed using the 30 endmembers, which were then grouped into the six endmember categories, namely water, lime, fresh and oxidized tailings, and low and high photosynthetic vegetation. Image fractions were then normalized and image texture was extracted from the total vegetation fraction. Total vegetation fraction (high/low photosynthetic), total tailings fraction (fresh/oxidized), and texture of the vegetation fraction were used in a K-mean unsupervised classification, which produced the best results using seven classes (78.13% overall accuracy, Kappa coefficient of 0.74). Classification results were validated using a set of 34 ground estimates of vegetation cover and tailings. The full set of 128 bands of the 1999 Probe-1 dataset was used to investigate the contribution of the SWIR bands to monitoring the reclamation of mine tailings. A new vegetation endmember was identified as plant litter, which in many cases replaces areas labelled as low photosynthetic vegetation when using the VNIR bands only. Oxidized tailings could be separated into jarosite and goethite endmembers and lime into agricultural lime (CaMgCO3) and calcium oxide (CaO), also known as quicklime.Dans cet article, on discute de l'utilisation d'images hyperspectrales de télédétection, dans les longueurs d'onde de 400 nm à 2500 nm, pour l'extraction d'information utile dans le suivi de la revégétalisation des sites de résidus de mine. L'objectif était double (i) soit de démontrer l'utilité de la fraction de texture pour le suivi de la revégétalisation des résidus de mine à l'aide de données hyperspectrales dans le visible et proche infrarouge (VNIR), et (ii) d'examiner les bénéfices de l'ajout des bandes de l'infrarouge à ondes courtes (SWIR). Des données casi (« Compact Airborne Spectrographic Imager ») ont été acquises au-dessus de l'aire de confinement de résidus de la mine de Copper Cliff, dans la bande du VNIR, au cours de l'été 1996 et 1998. De plus, des données de Probe-1 ont été acquises dans la région du VNIR-SWIR à l'été 1999. La réflectance de surface a été extraite des trois ensembles de données et les spectres déduits des ensembles de données casi de 1996 et 1998 ont été ré-échantillonnés pour correspondre aux caractéristiques spectrales des échantillons de Probe-1 de 1999, ce qui a donné 30 bandes couvrant l'intervalle 450–890 nm. Les trois ensembles de données ont été concaténés en un seul fichier et 30 spectres de composantes spectrales homogènes ont été sélectionnés de façon automatique. Un démixage spectral linéaire avec contrainte a été appliqué en utilisant les 30 composantes spectrales homogènes, qui furent ensuite regroupées en six catégories de composantes spectrales homogènes : eau, chaux, résidus frais et oxydés, et végétation faiblement et fortement photosynthétique. Des fractions d'image ont ensuite été normalisées et la texture des images a été extraite de la fraction totale de la végétation. La fraction totale de la végétation (fortement/faiblement photosynthétique), la fraction totale des résidus (frais/oxydés) et la texture de la fraction de végétation ont été utilisées dans une classification non dirigée basée sur la méthode des K centroïdes (« K means »), qui a produit les meilleurs résultats à l'aide de sept classes (précision globale de 78,13 %, coefficient Kappa de 0,74). Les résultats de classification ont été validés à l'aide d'un ensemble de 34 estimations au sol du couvert de végétation et de résidus. Le jeu complet des 128 bandes de l'ensemble de données de Probe-1 de 1999 a été utilisé pour examiner la contribution des bandes SWIR dans le suivi de la remise en état des résidus de mine. Une nouvelle composante spectrale homogène de la végétation a été identifiée comme étant de la litière qui, dans bien des cas, remplace les zones étiquetées comme de la végétation faiblement photosynthétique lorsqu'on utilise les bandes VNIR seules. Les résidus oxydés pouvaient être séparés en composantes spectrales homogènes jarosite et goéthite, et la chaux en chaux agricole (CaMgCO3) et en oxyde de calcium (CaO), aussi connu sous le nom de chaux vive.[Traduit par la Rédaction]