Matt Arkett

All-Season Compact-Polarimetry C-band SAR Observations of Sea Ice

Abstract. Compact-polarimetry (CP) synthetic aperture radar (SAR) observations are presented for major sea ice types in each ice season. CP data for three wide-swath Radarsat Constellation Mission (RCM) modes were simulated and evaluated. Regression models and statistical distances as functions of incidence angles were calculated for 26 CP parameters, based on 969 samples of user-selected homogeneous regions of sea ice. CP parameters, best able to discriminate sea ice types and open water, were quantitatively identified in three incidence angle ranges (19–29°, 30–39°, 40–49°). These parameters will likely provide discrimination of sea ice types and open water for both visual interpretation and automated classification. Several parameter–ice type combinations exhibit novel scattering responses, which present new opportunities for ice type discrimination and for inferring scattering mechanisms. Specifically, phase-related parameters with early-stage ice types provide discrimination for ice type pairings that are difficult with co- or dual-polarized data. CP parameters change with incidence angle, which necessitates the use of certain CP parameters at smaller incidence angles and others at larger incidence angles in wide-swath RCM modes. The Canadian Ice Service will implement CP SAR data in their operational workflows once the RCM is operational. Prelaunch study results provide a valuable resource for early adoption of CP data. Résumé. Des observations SAR en polarimétrie compacte (CP) sont présentées pour les principaux types de glace de mer pour la saison des glaces. Des données en CP pour trois modes à large fauchée de la mission de la Constellation RADARSAT (MCR) ont été simulées et évaluées. Des modèles de régression et des distances statistiques en fonction de l’angle d’incidence ont été calculés pour 26 paramètres en CP d’après 969 échantillons de régions homogènes de glace de mer sélectionnées par l’utilisateur. Les paramètres en CP les plus aptes à distinguer les types de glace de mer et l’eau libre ont été quantitativement identifiés dans trois gammes d’angles d’incidence (19–29 °, 30–39 °, 40–49 °). Ces paramètres permettront probablement la discrimination des types de glace de mer et de l’eau libre, à la fois pour l’interprétation visuelle et la classification automatisée. Plusieurs combinaisons de paramètres et de types de glace montrent de nouvelles réponses de diffusion, présentant ainsi de nouvelles possibilités pour la discrimination du type de glace et pour déduire les mécanismes de diffusion. Plus précisément, les paramètres liés à la phase pour les types de glace à un stade précoce permettent la discrimination du type de glace, ce qui est difficile avec des données copolarisées ou en polarisation double. Les paramètres en CP changent avec l’angle d’incidence, ce qui nécessite l’utilisation de certains paramètres à des angles d’incidence plus petits et d’autres paramètres à des angles d’incidence plus grands dans les modes à large fauchée de la MCR. Le Service canadien des glaces utilisera les données SAR en CP dans leur flux de travaux opérationnels lorsque la MCR sera opérationnelle. Les résultats de l’étude de prélancement fournissent une ressource précieuse pour l’adoption précoce des données en CP.

Evaluating the use of QuikSCAT data for operational sea ice monitoring

Near-real time QuikSCAT image products are evaluated for ice mapping from the perspective of the Canadian Ice Services Operational Environment.

Ocean Wind Study Using Simulated RCM Compact-Polarimetry SAR

Abstract. The incidence angle, wind speed, and wind direction dependence of compact polarimetry (CP) synthetic aperture radar (SAR) parameters are presented for open water. Selected CP parameters are related to C-band geophysical model function (CMOD) output. Wind speeds range between 0 and 24 m/s, and incidence angles range between 18 and 50°. SAR data are coincident with meteorological buoy data. CP parameters are simulated from polarimetric RADARSAT-2 data and emulate data available on the pending RADARSAT Constellation Mission (RCM). Analysis is performed for 20 CP parameters, based on RADARSAT-2 images. Five linear-polarization SAR parameters are included for comparison. Results show robust relationships for CP parameters related to CMOD. For CP parameters unrelated to CMOD, results provide first-, second-, or third-order linear regression models, as functions of incidence angle, wind speed, wind direction, or combinations thereof. These models provide a set of values for comparison with sea ice or other features on, or adjacent to, open water. The results of this study are of value to the Canadian Ice Service of the Meteorological Service of Canada, as well as other government of Canada departments, for implementing CP SAR data in their operational workflows once RCM is launched. Résumé. La dépendance à l’angle d’incidence, à la vitesse et à la direction du vent des paramètres mesurés en polarimétrie compacte (CP) est présentée pour l’eau libre. Les paramètres de CP sélectionnés sont liés aux sorties de la fonction du modèle géophysique en bande C (CMOD). Les vitesses du vent varient entre 0 et 24 m/s, et les angles d’incidence varient entre 18 et 50 degrés. Les données SAR coïncident avec les données des bouées météorologiques. Les paramètres en CP sont simulés à partir des données polarimétriques de RADARSAT-2, et ils simulent les données qui seront disponibles à partir de la mission de la Constellation RADARSAT prévue (MCR). L’analyse est effectuée pour 20 paramètres en CP, sur la base des images RADARSAT-2. Cinq paramètres SAR en polarisation linéaire sont inclus pour comparaison. Les résultats montrent des relations robustes pour les paramètres en CP liés à CMOD. Pour les paramètres en CP non liés à la CMOD, les résultats fournissent des modèles de régression linéaire de première, deuxième ou troisième ordre, en fonction de l’angle d’incidence, de la vitesse et de la direction du vent, ou des combinaisons de ceux-ci. Ces modèles fournissent un ensemble de valeurs de comparaison avec la glace de mer; ou d’autres éléments sur, ou à proximité de, l’eau libre. Les résultats de cette étude seront importants pour le Service canadien des glaces du Service météorologique du Canada, ainsi que pour d’autres ministères du gouvernement du Canada, pour mettre en œuvre les données SAR en CP dans leur flux de travaux opérationnels, une fois la MCR lancée.

Preparation by the Canadian Ice Service for the Operational Use of the RADARSAT Constellation Mission in Their Ice and Oil Spill Monitoring Programs

Abstract. The Canadian Ice Service (CIS) has successfully used airborne and spaceborne synthetic aperture radar (SAR) data extensively for almost three decades in their daily ice and oil monitoring operations. Microwave radars unique ability to penetrate clouds and weather make these types of data invaluable to the CISs support to efficient environmental stewardship and safe operations in Canadian waters. Canadas RADARSAT-1 and RADARSAT-2 platforms have been used by CIS since 1996, with approximately 70,000 image scenes incorporated into the development of operational products in that time. The next generation of the RADARSAT program, the RADARSAT Constellation Mission (RCM), will provide C-band SAR data continuity for CIS and other Canadian SAR users for many years to come when launched in 2018. The RCM will consist of a three satellite constellation, offering improved coverage and new technological advancements, and will provide CIS with a unique opportunity to develop new and improved ice and oil information products. This technical note will discuss the prelaunch preparations planned at the CIS that will enable its operational programs to effectively use the capabilities afforded by this mission at launch and beyond. Résumé. Le Service canadien des glaces (SCG) a abondamment utilisé avec succès des données de radars à synthèse d’ouverture spatiaux et aéroportés pendant près de trois décennies dans leurs opérations quotidiennes pour la surveillance des glaces et de la pollution pétrolière. La capacité unique des micro-ondes radar à traverser les nuages et les conditions météorologiques adverses rend ces types de données précieuses au SCG pour appuyer une gestion efficace de l’environnement et la sécurité des opérations dans les eaux canadiennes. Les plateformes RADARSAT-1 et RADARSAT-2 du Canada ont été utilisées par le SCG depuis 1996 et, jusqu’à présent, environ 70 000 images ont été incorporées dans le développement de produits opérationnels. Lors de son lancement en 2018, la prochaine génération du programme RADARSAT, la mission de la Constellation RADARSAT (MCR), assurera la continuité des données SAR en bande C pour le SCG et les autres utilisateurs canadiens de données SAR pour de nombreuses années à venir. La MCR sera composée d’une constellation de trois satellites, offrant une meilleure couverture, de nouvelles avancées technologiques, et elle fournira au SCG une occasion unique de développer de nouvelles et meilleures informations sur les glaces et la pollution pétrolière. Cette note technique discute des préparatifs de prélancements qui sont prévus au SCG et qui permettront à ses programmes opérationnels d’utiliser efficacement les capacités offertes par cette mission au moment du lancement et au-delà.

Oil detection in RADARSAT-2 quad-polarization imagery: implications for ScanSAR performance

Environment Canadas Integrated Satellite Tracking of Pollution (ISTOP) program uses RADARSAT-2 data to vector pollution surveillance assets to areas where oil discharges/spills are suspected in support of enforcement and/or cleanup efforts. RADARSAT-2s new imaging capabilities and ground system promises significant improvements in ISTOPs ability to detect and report on oil pollution. Of specific interest is the potential of dual polarization ScanSAR data acquired with VV polarization to improve the detection of oil pollution compared to data acquired with HH polarization, and with VH polarization to concurrently detect ship targets. A series of 101 RADARSAT-2 fine quad images were acquired over Coal Oil Point, near Santa Barbara, California where a seep field naturally releases hydrocarbons. The oil and gas releases in this region are visible on the sea surface and have been well documented allowing for the remote sensing of a constant source of oil at a fixed location. Although the make-up of the oil seep field could be different from that of oil spills, it provides a representative target that can be routinely imaged under a variety of wind conditions. Results derived from the fine quad imagery with a lower noise floor were adjusted to mimic the noise floor limitations of ScanSAR. In this study it was found that VV performed better than HH for oil detection, especially at higher incidence angles.

All season assessment of RADARSAT Constellation Mission compact polarimetry modes for canadian ICE service operational implementation

The RADARSAT Constellation Mission (RCM) will have the capability of acquiring all of its beam modes in a compact polarimetry (CP) configuration. The RCM SAR will transmit circular polarization and receive two orthogonal mutually coherent linear polarizations at swath widths large enough for operational sea ice monitoring. CP parameters are synthesized from RADARSAT-2 quad-polarized data, to emulate three RCM modes at different resolutions and noise floors. From an initial set of 26 CP parameters and 5 standard parameters, the most promising parameters for sea ice type and open water discrimination are identified for each ice season, using two-sample Kolmogorov-Smirnov testing. The most promising parameters are further analyzed to assess their suitability for automated classification while qualitative analysis is also performed to assess the interpretive improvement of CP parameters over standard co- and cross-polarized imagery.

Initial Evaluation of Radarsat-2 for Operational Sea Ice Monitoring

Environment Canadas Canadian Ice Service (CIS) is responsible for the daily monitoring of Canadian coastal waters for ice and icebergs, and the presence of oil-based pollution. The routine provision of information on floating ice conditions promotes safe and efficient maritime operations and protects Canadas environment by providing reliable and timely information to marine users in Canadian waters. The CIS relies on a suite of both airborne and satellite sensors to operationally monitor ice in Canadian coastal and inland waterways. Satellite SAR, primarily from RADARSAT-1 and Envisat ASAR, are the primary satellite datasets used by the CIS for monitoring. On December 14, 2007, RADARSAT-1s successor, RADARSAT-2 was successfully launched. In the winter and spring of 2008, the CIS will be performing an evaluation of the performance of RADARSAT-2 in support of its ice operations. In this work, we will provide a preliminary assessment of the use of this new SAR sensor for monitoring sea ice conditions. Its performance will be compared against RADARSAT-1 and the utility of the new advanced SAR modes (e.g. ScanSAR dual-polarization) for operational ice monitoring will be reviewed based on images collected to date. Preliminary recommendations on mode selection will also be made to assist those interested in using this new platform for ice monitoring.

Sea Ice Type and Open Water Discrimination for Operational Ice Monitoring with RADARSAT-2

Envisat ASAR alternating polarization (AP) modes are evaluated to determine the potential utility of multi-polarization data for operational sea ice monitoring in preparation for RADARSAT-2.