Urban land use mapping using high resolution SAR data based on density analysis and contextual information

Abstract

This paper presents a procedure for urban land use interpretation from a single high-resolution synthetic aperture radar (SAR) image. The approach involves two semi-automatic steps: urban extent delineation and urban land use mapping. In the first step, two general classes (urban and nonurban) are mapped using an existing method that involves analysis of speckle characteristics and intensity information. In the second step, more detailed urban land use classification is undertaken based on analysis of regional radar backscatter patterns in terms of density of dark linear features, density of bright features, and urban contextual information. Density analysis was conducted at three levels: individual building–road, urban block, and suburban commercial–industrial. Contextual information, including density, building size, and distance between buildings and parking places, was used to quantify urban morphological patterns. Tests were conducted for mapping Ottawa, Canada, using five Radarsat-2 images of different incidence angles and three TerraSAR-X images of the same incidence angles but different dates. The results show that the proposed method could be used to map five urban land uses including low-density residential, commercial–industrial, high-density urban, open land, and nonurban with accuracies in the range from 74% to 82%.

Dans cet article, on présente une procédure pour l'interprétation de l'utilisation du sol en milieu urbain à partir d'une seule image radar à synthèse d‘ouverture (RSO) haute résolution. L'approche comprend deux étapes semi-automatiques: la délimitation de l’étendue de l'espace urbain et la cartographie de l'utilisation du sol urbain. Dans la première étape, deux classes générales (urbain et non urbain) sont cartographiées à l'aide d'une méthode existante basée sur l'analyse des caractéristiques du chatoiement et de l'information sur l'intensité. Dans la deuxième étape, on effectue une classification plus détaillée de l'utilisation du sol urbain basé sur l'analyse des patrons régionaux de rétrodiffusion radar en termes de densité des caractéristiques linéaires sombres, de densité des caractéristiques claires et de l'information contextuelle urbaine. L'analyse de densité est réalisée selon trois niveaux de détails : édifice individuel/route individuelle, îlot urbain et zone commerciale/industrielle de banlieue. L'information contextuelle, incluant la densité, la taille des édifices et la distance entre les édifices et les places de stationnement, est utilisée pour quantifier les patrons de la morphologie urbaine. Des essais ont été réalisés pour cartographier la ville d'Ottawa, Canada, en utilisant cinq images Radarsat-2 à différents angles d'incidence et trois images TerraSAR-X ayant les mêmes angles d'incidence, mais acquises à des dates différentes. Les résultats montrent que la méthode proposée pourrait être utilisée pour cartographier cinq utilisations du sol urbain incluant le résidentiel à faible densité, les zones commerciales/industrielles, l'urbain à haute densité, les espaces libres et les espaces non urbains, avec des précisions variant de 74% à 82%.

[Traduit par la Rédaction]

Acknowledgements

The authors would like to thank Mr. Achim Roth and Dr. Thomas Esch from the German Aerospace Center (DLR) for providing the scripts for urban mask mapping and TerraSAR-X data for this paper; MacDonald, Dettwiler, and Associates Ltd. for providing Radarsat-2 data; and Pierre Sauvé from the Geodetic Survey Division, Natural Resources Canada for providing ground control points.