Polarimetric Radarsat-2 wetland classification using the Touzi decomposition: case of the Lac Saint-Pierre Ramsar wetland

Abstract

Wetlands play a key role in regional and global environments and are linked to climate change, water quality, and hydrological and carbon cycles. They also contribute to wildlife habitat and biodiversity and can act as indicators of overall environmental health. Unfortunately, wetlands continue to be under threat. There is an immediate need for improved mapping and monitoring of wetlands to better manage and protect these sensitive areas. Recently, the Touzi decomposition was introduced and proved very promising for wetland characterization using polarimetric airborne (Convair-580) SAR data. The purpose of this study is to assess the Touzi incoherent target-scattering decomposition (ICTD) for wetland classification using polarimetric Radarsat-2 (RS2) data collected over the RAMSAR wetland site in Lac Saint-Pierre, Canada. In particular, the sensitivity of the ICTD parameters to seasonal evolution of marsh and swamp scattering is discussed and demonstrated. The intent is to show that the dominant scattering type magnitude (α_s1) and phase (Φ_s1), and the dominant (η₁) and lowest scattering eigenvalues (η₃), lead to an effective characterization of the various backscattering mechanisms of the wetland plant species. The ICTD parameters form the basis of a new hierarchical classification that is efficient for wetland classification. The use of multitemporal information obtained from multidate RS2 acquisitions between April and September allows an accurate wetland classification. The RS2 polarimetric classification is then compared with a supervised maximum-likelihood classification using a pair of Landsat-5 images.

Les milieux humides jouent un rôle clé dans l'environnement régional et mondial et sont liés à des questions importantes telles que les changements climatiques, la qualité de l'eau, les cycles hydrologiques et du carbone. Ils contribuent également à la biodiversité de la faune et de la flore et servent souvent d'indicateur écologique lié à la santé de l'environnement. Malheureusement, les milieux humides continuent d’être menacés. Il est donc urgent d'améliorer les techniques de cartographie et de suivi pour obtenir une protection accrue et une meilleure gestion de ces zones sensibles. La décomposition Touzi qui a été récemment introduite s'est révélée être très prometteuse pour la caractérisation des milieux humides basée sur l'utilisation d'images radars polarimétriques aéroportées (Convair-580). Dans cette étude, la décomposition incohérente de la diffusion des cibles de Touzi (ICTD) est évaluée pour la classification des milieux humides à l'aide des données polarimétriques Radarsat-2 (RS2) acquises pour le site RAMSAR du Lac Saint-Pierre, Canada. La sensibilité des paramètres de la décomposition ICTD à l’évolution saisonnière des marais et marécages est démontrée. Il est montré que la magnitude du type dominant magnitude de diffusion (α_s1), sa phase (Φ_s1), ainsi que la première (η₁) et dernière valeur propre (η₃) mènent à une caractérisation efficace des différents mécanismes de rétrodiffusion des espèces végétales des milieux humides. L'exploitation de l'information multitemporelle obtenue à partir d'une série d'images RS2, acquises entre avril et septembre, est aussi requise pour obtenir une classification précise des milieux humides. Finalement, la classification polarimétrique RS2 est comparée à une classification supervisée par maximum de vraisemblance utilisant une paire d'images Landsat-5.

Acknowledgements

This work was funded by the Canadian Space Agency Government Related Initiatives Program (GRIP). The authors are grateful to Guy Létourneau and Martin Jean of Environment Canada who provided the ground truth and helpful discussions.