Comparison of estimation methods to quantify methane plume concentration at high spatial resolution from hyperspectral images

International audienceThe detection and the quantification of greenhouse gases is essential to climate change studies, avoid leakages in industrial site, prevent accidental explosions. Because of these properties, methane (CH 4) is an important target gas in remote sensing quantification. We focused on industrial plume quantification with data obtained during airborne campaign with HySpex-Neo hyperspectral camera. The 1.4 m of spatial resolution allows comparing quantification methods on real data combined with full or semi-synthetic plume case. A linear method largely used in the literature is compared with a quantification method based on the rebuilt background image and the estimation of plume transmission (PTE method). We have developed a hybrid approach using intermediate results of two previous methods. The hybrid method is based on the optimal estimation (OE) formalism and is providing uncertainty estimates. We show that the linear method underestimates the concentration of plumes for concentration above 5000 ppm.m. For low reflectance pixels, the hybrid method is more robust than the PTE method. The uncertainty of the hybrid method is about 30% for pixels with concentrations above 5000 ppm.m. For a HySpex-Neo image, the total mass of the plume is underestimated by 30% with the linear method compared to the hybrid method.La détection et la quantification des gaz à effet de serre sont essentielles pour étudier le changement climatique, éviter les fuites sur les sites industriels et prévenir les explosions accidentelles. En raison de ces propriétés, le méthane (CH4) est un gaz cible important pour la quantification par télédétection. Nous nous sommes concentrés sur la quantification des panaches industriels avec les données obtenues lors de la campagne aéroportée avec la caméra hyperspectrale HySpex-Neo. La résolution spatiale de 1,4 m permet de comparer les méthodes de quantification sur des données réelles combinées à un cas de panache complet ou semi-synthétique. Une méthode linéaire largement utilisée dans la littérature est comparée à une méthode de quantification basée sur la reconstruction de l'image de fond et l'estimation de la transmission du panache (méthode PTE). Une méthode hybride, utilisant les résultats intermédiaires des deux méthodes précédentes, est basée sur une estimation optimale et fournit une étude de la propagation des erreurs. Nous montrons que la méthode linéaire sous-estime la concentration des panaches pour une concentration supérieure à 15 000 ppm.m. Les méthodes PTE et hybride retrouvent une concentration en bon accord avec la concentration synthétique. Pour les pixels de faible réflectance, la méthode hybride est plus robuste que la méthode PTE