Change Detection with Compact Polarimetric SAR for Monitoring Wetlands

Abstract

Abstract. Compact polarimetric synthetic aperture radar (SAR) architecture is an SAR configuration that consists of transmitting a single circular polarization (left or right) or a 45° oriented linear signal while receiving two linear polarizations, horizontal and vertical. In this study we investigate the potential of the compact polarimetric SAR mode for wetland monitoring applications. Whitewater Lake located in Manitoba, Canada, is selected as a case study where simulated compact polarimetric SAR data are obtained using RADARSAT-2 Fine Quad-POL SAR images. The ability of the compact polarimetric data to monitor wetlands using the Wishart-Chernoff distance is studied and compared to the results obtained using fully polarimetric data. Results of this study show that compact polarimetry provides monitoring capabilities for wetlands. Promising change detection mapping results based on the compact polarimetric coherency matrices are obtained using the Wishart-Chernoff distance. This could be useful for flagging change in the wetland environment for further evaluation and action if required. The compact polarimetry mode could be an attractive configuration for future SAR systems due to the combination of swath coverage, moderate resolution, and enhanced information content for monitoring changes in surface water and flooded vegetation.

Résumé. L’architecture du radar à synthèse d’ouverture (SAR) en polarimétrie compacte est une configuration SAR qui transmet un seul signal en polarisation circulaire (gauche ou droite) ou un signal linéaire à 45 degrés tout en recevant deux polarisations linéaires, horizontales et verticales. Dans cette étude, nous étudions le potentiel du mode en polarimétrie compacte du SAR pour les applications de surveillance des zones humides. Le lac Whitewater, situé au Manitoba, au Canada, est sélectionné pour une étude de cas où les données SAR en polarimétrie compacte simulées sont obtenues en utilisant les images SAR en mode quad-pol fin du RADARSAT-2. La capacité des données en polarimétrie compacte pour surveiller les zones humides à l’aide de la distance Wishart-Chernoff a été étudiée, puis comparée aux résultats obtenus en utilisant les données en polarimétrie complète. Les résultats de cette étude montrent que la polarimétrie compacte offre des capacités de surveillance pour les zones humides. Des résultats prometteurs de la cartographie de détection du changement basée sur les matrices de cohérence de la polarimétrie compacte ont été obtenus en utilisant la distance Wishart-Chernoff. Ceci pourrait être utile pour signaler les changements dans les zones humides pour une évaluation supplémentaire et une action le cas échéant. Le mode en polarimétrie compacte pourrait être une configuration attrayante pour les futurs systèmes SAR en raison de la combinaison de la largeur de la couverture au sol, de la résolution moyenne et du contenu d’information effective pour la surveillance des changements dans les eaux de surface et la végétation inondée.

ACKNOWLEDGMENT

The authors thank the anonymous reviewers for their useful comments. Also, many thanks go to Andrew Pratt from Duck Unlimited Canada for providing the ground truth data and for his help in revision of the article. The authors acknowledge the Canadian Space Agency and MacDonald, Dettwiler and Associates for providing the RADARSAT-2 data used in this article.