A Modified Semi-Empirical Radar Scattering Model for Weathered Rock Surfaces

Abstract

This study presents a modified semi-empirical radar scattering model for weathered rough rock surfaces. Weathered rocks generally have dry surfaces except for a few hours after heavy rain due to their rapid drainage compared to bare soils. We find that the dielectric properties of the rocks themselves and the moisture content of a marginal amount of soil patches in and around the rock surfaces have a negligible effect on radar backscattering. Therefore, radar backscattering from rock surfaces is mainly controlled by surface roughness. Here, we modified the cross-polarization ratio model developed by Oh, which is formulated by only surface roughness parameters with no dependence on soil moisture. Based on LiDAR surface topography data collected from weathered rock surfaces in the Canadian Arctic and corresponding quad-polarimetric RADARSAT-2 synthetic aperture radar (SAR) data, we determined the best fit radar backscattering model for weathered rock surfaces. The modified model was successfully applied to estimate the surface roughness of weathered rock surfaces up to approximately ks = 7 where k is the radar wavenumber (= 2π/λ) and s is the root mean square (RMS) height. This approach avoids the rapid saturation feature observed at ks > 3 in other models.

RÉSUMÉ

Cette étude présente un modèle de diffusion radar semi-empirique modifié pour les affleurements rocheux rugueux et altérés. Les roches altérées sont généralement sèches en surface à l’exception des quelques heures après une forte pluie puisqu’elles se drainent rapidement. Nous avons trouvé que les propriétés diélectriques des roches et la teneur en eau des petites surfaces de sols autour et au travers des affleurements rocheux ne modifient pas la rétrodiffusion radar. Ainsi, l’intensité de la rétrodiffusion est principalement contrôlée par la rugosité des affleurements. Nous avons donc modifié le modèle du rapport de polarization croisée développé par Oh en proposant une formulation utilisant que les paramètres de rugosité. A partir de données LiDAR de la topographie d’affleurements rocheux de l'Arctique canadien et d’images radar à ouverture de synthèse (ROS) polarimétriques de RADARSAT-2 concordantes, un modèle empirique de diffusion radar a été déterminé pour les affleurements rocheux altérés. Le modèle de diffusion radar a été inversé avec succès pour estimer la rugosité des affleurements rocheux altérés ayant de fortes valeurs de rugosité (ks = 7 où k est le nombre d’ondes radar (=2π/λ) et s est la racine au carré moyenne de la hauteur (RMS)). Cette approche permet d’éliminer la saturation observée dans les autres modèles pour des surfaces très rugueuses (ks > 3).

Additional information

Funding

This work was funded by a Canadian Space Agency (CSA) Science Operational Applications Research (SOAR) grant [SOAR 5306], NSERC Discovery Grants (GRO and LLT), an NSERC Discovery Grant Northern Supplement to GRO, and the Northen Scientific Traning Program (NTSP) of Polar Knowledge Canada. The field logistics were supported by the Polar Continental Shelf Program (PCSP) of Natural Resources Canada. The RADARSAT-2 data were provided by CSA through the SOAR program [SOAR-E 5285, SOAR-ASI 5253].