Defining the Sensitivity of Multi-Frequency and Multi-Polarized Radar Backscatter to Post-Harvest Crop Residue

RÉSUMÉ

Les taux de résidus laissés dans les champs varient beaucoup après la récolte. L'érodabilité et la santé de la couche arable sont en partie déterminées par la quantité et le type de résidus. Bien que les capteurs radar pourraient être utiles à la cartographie des résidus et/ou des méthodes culturales pour le suivi des pratiques de conservation des sols, la relation entre les résidus et le signal radar rétrodiffusé est peu connue. Deux expériences utilisant un diffusiomètre au sol ont été menées sur des parcelles de la Ferme expérimentale centrale d'Agriculture et agroalimentaire Canada, Ottawa (Canada). Les expériences ont été conçues pour évaluer l'influence du type (maïs et orge) de la teneur en eau et de la quantité de résidus sur le signal rétrodiffusé, et d'examiner l'effet de l'angle de visée sur la réponse radar. Les mesures du diffusiomètre (bandes C et L, dans quatre combinaisons linéaires de polarisation transmise-reçue) furent prises dans des parcelles de maïs et d'orge dont les traitements variaient en termes de quantité et de teneur en eau des résidus. Les expériences ont démontré que les résidus agricoles peuvent retenir des quantités significatives d'eau et qu'ils ne sont pas transparents aux hyperfréquences incidentes. Le couvert de résidus va entraver l'utilisation des capteurs radar pour la cartographie de la teneur en eau du sol. La quantité et la teneur en eau des résidus étaient correlées avec le signal radar rétrodiffusé, les corrélations les plus fortes étant associées aux traitements de résidus de maïs, la bande C croisée et les grands angles d'incidence. La diffusion polarisée n'était pas sensible aux effets de la direction de visée. Les résultats de ces expériences indiquent que la rétrodifusion croisée pourrait être utilisée pour obtenir de l'information sur les pratiques culturales de conservation.

SUMMARY

Following harvest, agricultural fields are left with varying amounts of crop residue cover. The erodibility and health of the topsoil is determined, in part, by the amount and type of this residue cover. Although radar sensors could be useful for mapping residue and/or tillage in order to monitor soil conservation practices, little is understood about the relationship between residue and radar backscatter. Two ground-based microwave scatterometer experiments were conducted on agricultural plots at the Central Experimental Farm of Agriculture and Agri-Food Canada, in Ottawa (Canada). The experiments were designed to address the influence of residue type (corn and barley), residue moisture content and residue amount on radar backscatter, and to examine the effect of look direction on radar response. Scatterometer measurements (C- and L-Band in four linear transmit-receive polarization combinations) were taken of corn and barley plots where treatments varied in residue amount and moisture level. The experiments demonstrated that crop residue can retain significant amounts of moisture and that residue is not transparent to incident microwaves. Residue cover will impede the use of radar sensors for mapping soil moisture. Both residue amount and residue moisture content were correlated with radar backscatter, with the strongest correlations associated with corn residue treatments, C-Band cross-polarized backscatter and shallow incidence angles. Cross-polarized scattering was not sensitive to radar look direction effects. Results from these experiments indicate that cross-polarized backscatter could be used to provide information on conservation tillage practices.

Additional information

Notes on contributors

H. McNairn

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H. McNairn is with the Canada Centre for Remote Sensing 588 Booth Street, Ottawa, Ontario, Canada Kl A 0Y7.

C. Duguay

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C. Duguay is with the Université Laval, Département de géographie, Cité Universitaire, Sainte-Foy, Québec, Canada G1K 7P4.

J. Boisvert

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J. Boisvert and E. Huffman are with Agriculture and Agri-Food Canada, Eastern Cereal and Oilseed Research Centre, Central Experimental Farm, Ottawa, Ontario, Canada K1A 0C6.

E. Huffman

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J. Boisvert and E. Huffman are with Agriculture and Agri-Food Canada, Eastern Cereal and Oilseed Research Centre, Central Experimental Farm, Ottawa, Ontario, Canada K1A 0C6.

B. Brisco

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B. Brisco is with Noetix Research Inc., 403–265 Carling Ave., Ottawa, Ontario, Canada K1S 2E1.