Interpretation of a RADARSAT-2 fully polarimetric time-series for snow cover studies in an Alpine context – first results

Abstract

The aim of the SOAR #1341 project is to perform temporal analyses of changes in RADARSAT-2 full-polarimetry parameters on snow cover in a mountainous area. The objective of the present study was to determine whether there is a correlation between changes in radar statistics and changes in physical snow parameters during winter and spring. This paper focuses on the preprocessing of the images and presents the methodological steps and first results obtained in full polarimetry mode. Six RADARSAT-2 quad-pol images were acquired between January 2009 and January 2010, five in different snow conditions and one snow-free image in summer used as a reference. The fine acquisition mode was selected with a medium incidence angle (39°). A combination of LANDSAT-7 and SPOT optical images and field measurements was used for the validation step. First, RADARSAT-2 images had to be pre-processed due to the influence of high mountain topography on the polarimetric signal: the planned incidence angle was computed using a fine digital elevation model (DEM). Next, the DEM and optical dataset were reprojected onto the slant range mode of RADARSAT-2, the configuration required to preserve the phase signal and polarimetric statistics. Polarimetric analysis was performed using the PolSARpro software from ESA/IETR. The coherency matrices were calculated for each RADARSAT-2 image. Polarimetric descriptors based on the eigenvector–eigenvalue decomposition theorem of this coherency matrix were obtained. The behavior of the Single Eigenvalue Relative Difference, a polarimetric parameter that depends on scattering mechanisms, was analyzed. The polarimetric analysis showed an increase in the multiple scattering mechanism with a dry snow cover compared with the snow-free image. With a wet snow cover, there was an increase in contribution of the single scattering compared with the snow-free image. Our results showed that it was possible to identify temporal changes in dry, wet, or no snow characteristics throughout the winter season by analyzing primary polarimetric decomposition parameters and by comparing them with measurements made at 10 field sites.

La contribution proposée par le projet SOAR #1341 consiste en une analyse de l’évolution temporelle des descripteurs fournis par le mode polarimétrique du satellite RADARSAT-2 pour l’étude des couverts neigeux en contexte Alpin. L'objectif de cette étude est de savoir si une corrélation existe entre l’évolution de ces paramètres polarimétriques et celle des propriétés physiques de la neige au cours de la saison hivernale. Un ensemble d'images RADARSAT-2 en mode polarimétrique complet a été acquis à six dates différentes de janvier 2009 à janvier 2010 en mode Fin avec un angle de visée de 39°. Cinq images correspondent à différents états du manteau neigeux et une image a été acquise en été pour avoir une référence hors neige. Cet article est orienté sur le pré traitements des images, expose les étapes méthodologiques en polarimétrie et les premiers résultats obtenus. La validation repose sur un second ensemble de données, constitué d'images optiques LANDSAT-7 et SPOT et de mesures simultanées de terrain. En raison de l'influence de la forte topographie sur le signal polarimétrique, un prétraitement nécessaire est d'abord appliqué aux images RADARSAT-2, à savoir calculer l'angle d'incidence local avec un modèle numérique de terrain (MNT). Ensuite, le MNT et les images optiques sont re-projetées dans la topologie slant de RADARSAT-2, configuration nécessaire afin de préserver le signal de phase et les informations polarimétriques. Une analyse polarimétrique est menée en utilisant le logiciel PolSARpro crée par l'ESA et IETR. Pour chaque image RADARSAT-2, la matrice de cohérence est calculée et ensuite, différents paramètres polarimétriques basés sur le théorème de décomposition aux valeurs et vecteurs propres de la matrice de cohérence sont obtenus. En particulier, on analyse le comportement d'un descripteur polarimétrique dépendant des mécanismes de diffusion. L'analyse polarimétrique indique que pour un couvert de neige sèche, le mécanisme de diffusion multiple augmente par rapport à l'image de référence sans neige sur le jeu de données RADARSAT-2. De plus, pour un couvert de neige humide, une augmentation de la contribution de simple diffusion est observée par rapport à l'image d’été. Enfin, pour résultats préliminaires, nous observons que l’évolution temporelle de ces descripteurs peut être reliée avec les changements d’état de surface observés au cours de l'hiver pour 10 sites de mesure au sol.

Acknowledgements

This study was carried out with the support of the SOAR/CCRS Program (#1341), Canada, and PNTS-2009/APOA2 Program, France. The authors would first like to thank the Space Agencies who provided satellite image data: MDA/Canadian Space Agency for RADARSAT-2 acquisitions and the CNES (Centre National d'Etudes Spatiales, France) – ISIS/SPOT-IMAGE, contract # 382-2010. We are grateful to Neil Laffra and Gordon Staples from MDA/GSI for their technical support on planning RADARSAT-2 acquisition. The authors also thank the two anonymous referees for their detailed and valuable suggestions. We are deeply grateful to Meteo-France/CEN and EDF/DTG surveyors for their great fieldwork contribution. A final thanks to LTHE Engineers (Julie Gardelle and Audrey Lessard-Fontaine) for their technical help in this project.