Identifying paddy fields with dual-polarization ALOS/PALSAR data

Abstract

Accurate documentation of paddy-rice cultivation areas is valuable in estimating rice production for food security and in assessing the environmental impacts of rice ecosystems such as water consumption, soil degradation, and river eutrophication. This study explores the feasibility of dual-polarization L-band advanced land observing satellite/phased array-type L-band synthetic aperture radar (ALOS/PALSAR) imagery acquired during three growing stages in delineating paddy fields from other agricultural land uses. The study area was in the Yangtze River Delta of east China, a rapidly developing region where land has been intensively used. Among a set of arithmetic outputs of PALSAR backscatter, the amplitude ratio (HH/HV) and product (HH×HV) in the rice-transplanting and -heading stages significantly enhanced the backscatter difference between rice and nonrice fields. With these outputs, a segmentation-based decision-tree classifier successfully extracted paddy-rice fields from other land uses in the study area. Both random-point accuracy assessment and area comparison with a high-resolution Quickbird image showed that the paddy-rice map reached accuracies higher than 90%. The simplicity and generality of the approach in this study indicated that it may serve as an efficient tool for rice mapping in the highly fragmented agricultural region in southeast China.

Il est essentiel de disposer d'une information précise sur les superficies des riziéres pour pouvoir estimer la production de riz dans le contexte de la sécurité alimentaire et pour évaluer les impacts environnementaux des écosystémes du riz comme la consommation d'eau, la dégradation du sol et l'eutrophisation des cours d'eau. Dans cette étude, on explore le potentiel des images en polarisation double du capteur PALSAR d'ALOS en bande L acquises durant trois stades de croissance du riz pour délimiter les riziéres par rapport aux autres utilisations agricoles du sol. La zone d'étude est située dans le delta du fleuve Yangtzé, dans l'est de la Chine, une région soumise á une croissance rapide oú les terres sont utilisées de façon intensive. Parmi les différents produits de rétrodiffusion PALSAR étudiés, le rapport d'amplitude (HH/HV) et le produit (HH×HV) durant les stades de la transplantation et de l'épiaison du riz ont amélioré significativement la différence dans la rétrodiffusion entre les riziéres et les autres parcelles en culture. Á l'aide de ces produits, un classifieur basé sur un arbre de décision utilisé pour fins de segmentation a permis d'extraire avec succés les riziéres des autres utilisations du sol dans la zone d'étude. Une évaluation de la précision basée sur des points aléatoires ainsi qu'une comparaison des surfaces réalisées á l'aide d'une image haute résolution de Quickbird ont montré que la carte des riziéres pouvait atteindre des niveaux de précision supérieurs á 90 %. La simplicité et l'universalité de l'approche dans cette étude démontrent que l'approche peut constituer un outil utile pour la cartographie du riz dans une région agricole hautement fragmentée dans le sud de la Chine.

[Traduit par la Rédaction]

Acknowledgements

This work was supported by a research grant from the Northeast Institute of Geology and Agroecology, Chinese Academy Sciences (KZCX3-SW-NA09-05), and was funded by the National Natural Science Foundation of China (No. 41001202). The authors thank Dr. William A. Salas at Applied Geo-Solutions, LLC, U.S.A., as well as the Japan Aerospace Exploration Agency for providing the PALSAR data through the ALOS Kyoto and Carbon Initiative. Also, we thank Dr. J. Wu of Zhejiang University for providing the survey data obtained in 2007 to support the field campaign.