Evaluation of C-band SAR polarimetric parameters for discrimination of first-year sea ice types

Abstract

In this study, the classification potential of polarimetric parameters derived after Cloude–Pottier decomposition, Touzi decomposition, Freeman–Durden decomposition, normalized radar cross section measurements, phase differences, and statistical synthetic aperture radar correlation measures is evaluated by relating them to three pre-identified sea ice types and wind-roughened open water. A combined approach that constitutes a visual inspection of estimated probability densities of the polarimetric parameters and quantitative analysis using supervised classifications (k means and maximum likelihood) is adopted. Polarimetric parameters are iteratively combined in pairs and triplets to test for their ice type discrimination potential. Sensitivity of polarimetric parameters to radar incidence angle is also examined. Our results demonstrated strong but variable sensitivity of polarimetric parameters to different ice types, which was dependent on radar incidence angle. Results of parameter evaluation demonstrated that no single parameter discriminates significantly (>60%) between all the ice types considered in the study. Combining two low correlated parameters increased the classification accuracy by 10%–22%. Combining the third polarimetric parameter did not necessarily improve the classification results. However, the best classification results were achieved using a combination of three parameters.

Dans cette étude, on évalue le potentiel de classification des paramètres polarimétriques dérivés de la décomposition de Cloude–Pottier (1997), de la décomposition de Touzi (2007), de la décomposition de Freeman–Durden (1998), des mesures de surface équivalente radar normalisée (SERN), des différences de phases et des mesures statistiques de corrélation RSO en les mettant en relation avec trois types pré-identifiés de glace de mer et d'eau libre agitée par le vent. Une approche combinée qui constitue une inspection visuelle des densités de probabilité estimées des paramètres polarimétiques et une analyse quantitative utilisant des classifications dirigées (k moyennes et maximum de vraisemblance) est adoptée. Les paramètres polarimétriques sont combinés itérativement en paires et en triplets pour tester leur potentiel de discrimination des types de glace. La sensibilité des paramètres polarimétriques à l'angle d'incidence radar est aussi examinée. Nos résultats montrent une sensibilité forte mais variable des paramètres polarimétriques aux différents types de glace, dépendante de l'angle d'incidence radar. Les résultats de l'évaluation des paramètres montre qu'aucun paramètre unique ne permet de discriminer significativement (>60%) entre tous les types de glace considérés dans cette étude. La combinaison de deux paramètres faiblement corrélés augmente la précision de classification de 10–22%. La combinaison du troisième paramètre polarimétrique n'améliore pas nécessairement les résultats de classification. Cependant, les meilleurs résultats de classification sont atteints en utilisant une combinaison de trois paramètres.

[Traduit par la Rédaction]

Acknowledgements

The authors would like to thank Randall Scharien, Torsten Geldsetzer, Mark Christopher Fuller, and the crew of Amundsen (CFL 2008) for their logistical support and field assistance. The Canadian Ice Service is recognized for their technical support. We also acknowledge the financial support from Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) in the form of a discovery and research tools grant to John Yackel and the NSERC NCE program ArcticNet for logistical and financial support to John Yackel. PCI Geomatica is recognized for their software support. RADARSAT-2 Data and Products © MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd., 2008 – All Rights Reserved. RADARSAT is an official mark of the Canadian Space Agency.