Sea ice type and open water discrimination using dual co-polarized C-band SAR

Abstract

We investigate the utility of dual co-polarized C-band synthetic aperture radar (SAR) imagery for discriminating sea ice types and open water during winter. We base our analysis on ENVISAT ASAR alternating vertical and horizontal polarization (VV, HH) medium-resolution imagery of thin sea ice, first-year sea ice, multiyear sea ice, and open water in the Canadian Arctic. We introduce a methodology for generating colour composite imagery (based on VV, HH, and co-polarization ratio channels) that substantially enhances visual discrimination. We statistically compare sampled vertical and horizontal backscatter from sea ice types and open water to assess backscatter magnitudes and polarization differences. The latter are presented as co-polarized ratio (VV/HH) values in decibels (dB). We conclude by presenting a decision-tree classifier using estimated statistical thresholds. Open water is unambiguously discriminated (>99% accuracy) from all sea ice types, except thin sea ice, using a co-polarized ratio threshold of 2 dB. Thin sea ice exhibits high variability in backscatter magnitude and polarization difference, making its discrimination from multiyear sea ice, rough first-year sea ice, and open water ambiguous. Thin sea ice is effectively discriminated (93% accuracy) from smooth first-year sea ice using a co-polarized ratio threshold of 1.3 dB. Smooth snow-covered first-year sea ice exhibits polarization differences that are attributed to volume scattering mechanisms within the brine-wetted snow cover.

Nous analysons l’utilité des images radar à synthèse d’ouverture (RSO) en bande C en double co-polarisation pour la détermination des types de glace de mer et de l’eau libre durant l’hiver. Nous basons nos analyses sur des images ASAR de ENVISAT à résolution moyenne en polarisation verticale et horizontale (VV, HH) alternée de glace de mer mince, de glace de mer de première année, de glace de mer de plusieurs années et d’eau libre dans l’Arctique canadien. Nous présentons une méthodologie pour générer des images en composition colorée (basée sur les canaux des rapports VV, HH et de co-polarisation) qui rehaussent de façon substantielle la discrimination visuelle. Nous comparons statistiquement la rétrodiffusion verticale et horizontale échantillonnée à partir des types de glace de mer et de l’eau libre pour évaluer l’amplitude de la rétrodiffusion et les différences de polarisation. Ces dernières sont présentées sous forme de valeurs de rapport de co-polarisation (VV/HH) en dB. Nous présentons un classificateur basé sur un arbre de décision utilisant des seuils statistiques estimés. L’eau libre a été identifiée sans ambiguïté (précision de >99 %) parmi tous les types de glace de mer, à l’exception de la glace de mer mince, en utilisant un seuil de rapport de co-polarisation de 2 dB. La glace de mer mince affiche une grande variabilité au niveau de l’amplitude de la rétrodiffusion et de la différence de polarisation, rendant sa différenciation ambiguë par rapport à la glace de mer de plusieurs années, la glace rugueuse de première année et l’eau libre. La glace de mer mince est identifiée efficacement (précision de 93 %) par rapport à la glace de mer lisse de première année en utilisant un seuil de rapport de co-polarisation de 1,3 dB. La glace de mer lisse de première année recouverte de neige affiche des différences de polarisation qui sont attribuables aux mécanismes de diffusion volumétrique à l’intérieur du couvert de neige imbibé de saumure.[Traduit par la Rédaction]