Sensitivity of C-band SAR polarimetric variables to unvegetated agricultural fields

Abstract

The interaction of linear polarized microwaves with agricultural features is well understood. Much less is understood about polarimetric data and the potential use of these data to improve surface parameter retrieval models. This paper explores the soil surface information provided by quad-polarimetric SAR through a review of previous work and an empirical sensitivity study of RADARSAT-2 data at four incidence angles. Soil moisture, surface roughness, and crop residue data are quantitatively sampled in unvegetated fields. RADARSAT-2 variables include: linear backscatter and polarization ratios; copolarized phase difference and magnitude of the copolarized complex correlation; pedestal height; extrema of the scattered intensity, completely polarized, and completely unpolarized components; and parameters of the Cloude–Pottier scattering decomposition. Results demonstrated that sensitivities of field averaged linear backscatter were reproduced from previous reports, lending confidence to the experiment. Field averaged pedestal height and copolarized complex correlation coefficient showed significant relationships to crop residue and surface roughness, suggesting an ability to characterize volume and multiple scattering. Similarly, dynamic range of the degree of polarization showed significant relationships with crop residue cover at higher incidence angles. Target averaged or variance of copolarized phase difference did not produce a consistent relationship with the surface parameters, in contrast to qualitative based suggestions of previous experiments. Extremas of the scattered intensity and completely polarized components indicated comparable relationships to surface features as the like polarized linear intensity channels, suggesting sensitivities of these variables to surface scattering. The extrema of the completely unpolarized component showed comparable relationships to surface features as the pedestal height. Results of this paper contribute to identification of optimal SAR variables for use in agricultural monitoring and evaluate potential contributions of polarimetric data for improving surface parameter retrieval models.

Interaction des micro-ondes en polarisations linéaires avec les surfaces agricoles est bien connue. Moins de travaux sont disponibles sur les données de type polarimétrique et le potentiel de leur utilisation pour l'amélioration de l'estimation des paramètres de surface par modélisation. Cepapier explore l'information sur l'humidité du sol extraite d'un RSO en quadruple polarisation à travers une revue de littérature et une étude empirique de sensibilité des données RADARSAT-2 à quatre angles d'incidence. Un échantillonnage quantitatif de l'humidité du sol, de la rugosité de surface et des résidus de cultures a été fait sur des sols nus. Les données RADARSAT-2 incluent: les rétrodiffusions linéaires et les rapports de polarisations; la différence de phase en co-polarisation et la magnitude de la corrélation complexe en co-polarisation; la hauteur du socle; les extrêmes de l'intensité diffusée; les composantes complètement polarisée et complétement non-polarisée; et les paramètres de la décomposition Cloude–Pottier. Les résultats ont démontré que les sensibilités des rétrodiffusions linéaires moyennes des cibles sont reproduites conformément aux études précédentes, donnant ainsi une confiance à cette présente étude. Les valeurs moyennes de la hauteur du socle et des coefficients de corrélation complexe en co-polarisation ont montré une relation significative aux résidus de cultures et à la rugosité de surface, montrant par conséquence un potentiel pour caractériser la diffusion en volume et la diffusion multiple. De même, la marge de variation du degré de polarisation a montré une relation significative avec le couvert des résidus de cultures aux larges angles d'incidences. La moyenne ou la variance de la différence de phase en co-polarisation n'ont pas produit de relations consistantes avec les paramètres de surfaces, en contraste avec les résultats et suggestions trouvées en littérature. Les extrêmes de l'intensité diffusée et les composantes complétement polarisées ont indiqué des relations comparables aux canaux d'intensité en polarisation linéaires vis-à-vis des propriétés de diffusion de la surface du sol. Les extrêmes de la composante non-polarisée ont montré des relations similaires à la hauteur du socle vis-à-vis des caractéristiques de la surface. Les résultats de ce papier contribuent à l'identification des paramètres RSO optimaux pour l'utilisation en suivi agricole et évalue les contributions potentielles des données polarimétriques afin d'améliorer l'extraction des paramètres de surface par modélisation.

Acknowledgements

Many others contributed to the completion of this study through participation in the RADARSAT-2 ground validation and data processing. In particular, the authors would like to acknowledge the contributions of Ryan Allen-Ahola, Catherine Champagne, Lisa Courtney, Gordon Drewitt, Jiali Shang, Eric Gauthier, Anna Pacheco, Kathryn Powell, Colin Schut, and Stewart Sweeney. Marie Puddister assisted in the creation of figures for this manuscript. This research was funded by the Canadian Space Agency though the Government Related Initiatives Program (GRIP). Funding contributions were also provided by the Geomatics for Informed Decisions (GEOIDE) network (Project: SII-PIV-87) and the Ontario Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (OMAFRA).