Assessment of forest biomass retrieval from compact-pol SAR data

Abstract

In this paper, the potential of compact polarimetric data at low frequency for aboveground biomass retrieval is explored on an extensively studied maritime pine plantation forest situated on flat topography. Aboveground biomass was calculated at 55 stands using site-specific allometric equations. The site biomass level is up to 120 t/ha with a mean observed biomass of 66.7 t/ha. The P-band synthetic aperture radar (SAR) dataset acquired by the Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales’ airborne SAR system, known as RAMSES, is fully polarimetric and can be used to compute the compact polarimetric data associated with a circularly polarized transmit polarization and two mutually coherent independent polarizations. Information acquired with a compact polarimetric (CP) system is reduced compared with full polarimetry (FP) (i.e., the information in CP is represented by a two-dimensional complex vector resulting in four parameters; whereas, in FP, considering a monostatic case, the representation requires a three-dimensional complex vector with six independent parameters). The linear cross-polarized channel horizontal–vertical (HV) has been shown to be of significant relevance for forestry studies but is not directly measured in the standard CP modes. The challenge of this CP study was then to find alternate indicators specific to CP allowing accurate biomass retrieval. Such indicators are proposed for the compact mode for which the transmit polarization is circularly polarized and their sensitivity to biomass are quantified through a correlation analysis. The corresponding coefficients of determination are observed to be of the order of 0.9 comparable with the number obtained for FP data. Various estimation algorithms based on the regression curves were proposed and evaluated on the 55 test stands. The results obtained with CP data agree quite closely with those obtained with FP data with a measured accuracy in root mean square error within 6 t/ha. This shows that for biomass estimation, in the case of a flat topography, CP can be used instead of HV making it an interesting mode of operation for future spaceborne SAR such as the European BIOMASS mission.

Dans ce papier l'estimation de la biomasse aérienne avec des données en polarimétrie compacte (CP) est analysée. Une forêt de plantation de pins maritimes sur un sol ne présentant aucune topographie est utilisée pour cette application. Pour les 55 parcelles étudiées la biomasse aérienne est donnée par les équations allométriques spécifiques à ce site. Le niveau maximum de biomasse de cette zone s’élève à 120 t/ha avec une valeur de biomasse moyenne de 66,7 t/ha. Le jeu de données RSO en bande P, acquis par le radar aéroporté à synthèse d'ouverture RAMSES de l’ Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales, est en polarimétrie complète (FP) et peut être utilisé afin de calculer des données en polarimétrie compacte associées à une émission polarisée circulairement et deux ondes de polarisations indépendantes et mutuellement cohérentes à la réception. L'information acquise avec un système en polarimétrie compacte est restreinte par rapport à celle acquise en polarimétrie complète, i.e. l'information en polarimétrie compacte est contenue dans un vecteur complexe à deux dimensions présentant donc quatre paramètres, alors qu'en polarimétrie complète, dans le cas monostatique, la représentation de l'information est contenue dans un vecteur complexe à trois dimensions et donc ayant six paramètres. Le canal en polarisation croisée, i.e. HV, très important pour ce type d'application n'est pas directement mesuré dans le cas de la polarimétrie compacte usuelle. Le but de cette étude en polarimétrie compacte est donc de trouver d'autres indicateurs, spécifiques à la polarimétrie compacte, permettant de retrouver la biomasse. De tels indicateurs sont proposés pour le mode compact pour lequel la polarisation d’émission est circulaire et leur sensibilité à la biomasse est quantifiée grâce à une analyse de leur corrélation. Les coefficients de détermination correspondants sont de l'ordre de 0,9, comparables à la valeur obtenue avec les données FP. Différents algorithmes d'estimation, basés sur les courbes de régression sont proposés et évalués surles 55 parcelles de test. Les résultats obtenus avec les données CP montrent une forte corrélation avec ceux obtenus en polarimétrie complète. La précision de ces résultats en terme d'erreur quadratique moyenne est de l'ordre de 6 t/ha. De telles inversions basées sur les données CP sont très encourageantes. Cela implique que pour l'estimation de la biomasse sur un terrain relativement plat, la polarimétrie compacte peut être utilisée à la place du canal croisé HV et peut être considérée pour les futures missions SAR spatiales telles que la mission européenne BIOMASS.

Acknowledgements

The authors would like to thank their colleagues from the Electromagnetism and Radar Department (DEMR/RIM) of the French Aerospace Lab (ONERA) for providing the RAMSES data and Isabelle Champion, Ephyse, INRA for providing the in situ measurements. The research was conducted under a grant by CNES and ONERA.

Notes

²The reconstructed full-pol scattering coefficients are noted with a prime symbol (′) to differentiate them from the original full-pol terms.