Bottom-fast ice delineation with PolSAR and InSAR techniques in the Mackenzie Delta region, Northwest Territories, Canada

Abstract

Bottom-fast ice (BFI) refers to sea or lake ice that freezes to the sea or lake bed. The formation of BFI plays an important role in the Mackenzie Delta Region's seasonal environmental changes. This study involves examining the use of Synthetic Aperture Radar (SAR) images for delineating BFI from floating ice on a study site within the coastal region of the Mackenzie Delta. The ultimate aim is to establish robust BFI monitoring tools using SAR data processing techniques. BFI detection methodologies based on polarimetric SAR (PolSAR) image classification and interferometric SAR (InSAR) coherence segmentation have been examined using RADARSAT-2 data. Polarimetric analysis can use individual SAR images and is not susceptible to decorrelation factors such as weather events. By using these analysis techniques it is thus possible to delineate BFI extent throughout the winter. A limitation of these techniques is the sensitivity to the water and consequently the ice saline content. The polarimetric decompositions and classifications for delineation of BFI apply only to areas where the water has a low saline concentration. Conversely, InSAR methods for BFI delineation require interferometric datasets with high temporal coherence. The results of the interferometric datasets can eliminate false alarms in BFI maps caused by similar backscattered SAR signal from floating ice with varying degrees of salinity. The delineation results using both methods were analyzed and compared. It was found that though each method is able to detect and delineate BFI on its own, reliable and more accurate results occur when the two methods are combined, as the reliance on different phenomena allow for false alarm identification.

La glace de fond (BFI) réfère à la glace de mer ou de lac qui gèle sur le lit de la mer ou du lac. La formation de BFI joue un rôle important dans les changements environnementaux saisonniers dans la région du delta du Mackenzie. Dans cette étude, on examine l'utilisation des images radar à synthèse d'ouverture (RSO) pour délimiter la BFI par rapport à la glace flottante sur un site d’étude situé dans la région côtière du delta du Mackenzie. L'objectif ultime est d’établir des outils robustes pour le suivi de la BFI à l'aide des techniques de traitement des données RSO. On étudie les méthodologies de détection de la BFI basées sur la classification des images radar polarimétriques (PolSAR) et la segmentation de la cohérence des images RSO interférométriques (InSAR) à l'aide des données RADARSAT-2. L'analyse polarimétrique peut utiliser des images individuelles RSO et celle-ci n'est pas sensible aux facteurs de décorrélation tels que les évènements météorologiques. En utilisant ces techniques d'analyse, il devient ainsi possible de délimiter l’étendue de la BFI au cours de l'hiver. Un facteur limitatif de ces techniques provient de leur sensibilité à l'eau et, en conséquence, à la salinité de la glace. Les décompositions et les classifications polarimétriques pour la délimitation de la BFI s'appliquent uniquement aux zones où l'eau a une salinité faible. Réciproquement, les méthodes InSAR pour la délimitation de la BFI requièrent des ensembles de données interférométriques avec une forte cohérence temporelle. Les résultats des ensembles de données interférométriques permettent d’éliminer les fausses alarmes dans les cartes de la BFI engendrées par des signaux similaires de rétrodiffusion RSO de la glace flottante avec des degrés variables de salinité. Les résultats de la délimitation des deux méthodes ont été analysés et comparés. On a trouvé que, bien que chacune des méthodes pouvait détecter et délimiter individuellement la BFI, des résultats fiables et plus précis peuvent être obtenus lorsque les deux méthodes sont combinées, étant donné que le fait de pouvoir compter sur différents phénomènes permet d'identifier les fausses alarmes.

[Traduit par la Rédaction]

Acknowledgements

RADARSAT-2 data are copyrighted by MacDonald, Dettwiler, and Associates Ltd. and provided by Canadian Space Agency. Funding of this study was provided by the Canadian Space Agency via the project: Coastal Environment Monitoring with Advance InSAR Techniques. The author would like to thank the late Dr. Steven Solomon and Dr. Donald Forbes of Geological Survey of Canada for their helpful information and discussions on the near-shore environment and the ice situation of the Mackenzie Delta. The author also thanks the Canadian Space Agency's Earth Observation Application Development Program for funding a portion of this research.