Radar sensors, like RADARSAT-1, can be a valuable tool for monitoring agricultural crops. RADARSAT-1 imagery can be acquired regardless of cloud cover, and the satellite can be programmed to collect imagery in a wide range of beam modes and incidence angles. This flexibility significantly increases the revisit schedule, thereby ensuring that images can be acquired during key crop growth stages. Users also have the flexibility of choosing acquisitions during either ascending or descending orbits. However, the condition of agricultural targets can change diurnally, and consequently, care must be taken in choosing between RADARSAT-1's dawn and dusk orbits. In temperate regions, early morning dew is often present on the crop canopy at the time of the satellite overpass. Consequently, this study used fine mode dawn/dusk image pairs acquired over western Canada to examine the potential effect of dew on operational crop mapping. The data consistently demonstrated that backscatter increased when dew was present on the canopy. However, overall crop separability did not appear to be affected by the presence of dew. These results indicate that although choice of orbit is less important for crop classification, the probability of dew on the canopy must be carefully considered when users are extracting quantitative crop information from radar imagery.

Radar sensors, like RADARSAT-1, can be a valuable tool for monitoring agricultural crops. RADARSAT-1 imagery can be acquired regardless of cloud cover, and the satellite can be programmed to collect imagery in a wide range of beam modes and incidence angles. This flexibility significantly increases the revisit schedule, thereby ensuring that images can be acquired during key crop growth stages. Users also have the flexibility of choosing acquisitions during either ascending or descending orbits. However, the condition of agricultural targets can change diurnally, and consequently, care must be taken in choosing between RADARSAT-1's dawn and dusk orbits. In temperate regions, early morning dew is often present on the crop canopy at the time of the satellite overpass. Consequently, this study used fine mode dawn/dusk image pairs acquired over western Canada to examine the potential effect of dew on operational crop mapping. The data consistently demonstrated that backscatter increased when dew was present on the canopy. However, overall crop separability did not appear to be affected by the presence of dew. These results indicate that although choice of orbit is less important for crop classification, the probability of dew on the canopy must be carefully considered when users are extracting quantitative crop information from radar imagery.

Synthetic aperture radar (SAR) research over the last two decades has confirmed that microwaves are sensitive to both soils and crop characteristics. Results using multi-temporal RADARSAT-1 imagery have confirmed that C-HH backscatter can detect differences in crop type, crop growth stage and crop indicators like crop height, biomass and leaf area index. Active microwave systems have a significant advantage over optical systems, particularly for crop monitoring, since SAR acquisitions are not impeded by cloud cover. The multi-beam modes associated with RADARSAT-1 also provide significant flexibility related to the timing, spatial resolution and incidence angle of the acquired imagery. Building on the success of RADARSAT-1, the announcement of the launch of RADARSAT-2 opens up new opportunities for agriculture and land cover mapping. The multi-polarized configuration of RADARSAT-2 is likely to provide more information related to crop structure and crop condition. In preparation for the availability of RADARSAT-2 data, the Canada Centre of Remote Sensing (CCRS) has been gathering airborne multi-polarized imagery to assess the added information content of this multi-dimensional data. CCRS flew the airborne CV-580 SAR over two sites in Ontario during the 1998 and 1999 field seasons. These data are being used to address the sensitivity of multi-polarized SAR data to characteristics of corn, wheat and soybean crops. This paper provides preliminary results of this analysis.

A study was conducted in 1996 and 1997 to develop a model that would simulate radar backscatter in histosols with different field managements. Measurements were made under various soil moisture content using the Canadian Remote Sensing Centre scatterometer. Seedbed and harrow in 1996, and harrow, moldboard and chisel treatments in 1997, were applied to plots with rows oriented parallel and perpendicular to the view angle of the antennas. The scatterometer operated in two bands (C, L), four polarisation (HH, HV, VH, VV) and four incidence angles (25 degrees, 30 degrees, 40 degrees, 50). This paper presents the methodology, the models and some results from 1996 data analysis. Actual models were not adequate to simulate the backscatter in seedbed plots except at some combinations of incidence angle and polarisation. They were not able to simulate the angular response of the signal when rows were perpendicular to view angle. Calibration and further development is on-going with 1997 data.

RÉSUMÉLa cartographie des activités agricoles et du couvert de résidus de culture résultant est importante pour le suivi de la mise en place de pratiques de conservation en agriculture et pour quantifier l'érosion éolienne et hydrique. Des études précédentes ont démontré que les données de télédétection peuvent fournir de l'information sur les pratiques de gestion des résidus et des cultures. Pour déterminer le rôle de RADARSAT dans la cartographie de ces pratiques, des images RSO et des données de terrain correspondantes ont été acquises en octobre 1996 au-dessus d'un site dans le sud du Manitoba. On a ainsi pu identifier les surfaces non-cultivées sur les images acquises à des angles d'incidence faibles et on a pu observer que les échos radar étaient affectés par le type de résidu recouvrant ces surfaces. À l'aide d'un second ensemble de données et d'une approche basée sur la détection du changement, il a été possible de détecter les activités reliées à la culture et aux récoltes utilisant des données en mode Standard de RADARSAT. Quoique des recherches additionnelles soient nécessaires pour ce type d'application, la présente étude conclut que RADARSAT peut fournir une information essentielle pour la détermination des risques d'érosion du sol.

RÉSUMÉLe potentiel des capteurs actifs à hyperfréquences, et plus particulièrement RADARSAT, pour des applications en sols organiques a été évalué à l'aide d'un diffusiomètre monté sur un camion. Les objectifs de l'étude étaient de modéliser la relation entre la teneur en eau du sol, la constante diélectrique et le signal radar, et d'évaluer l'impact de la culture et des pratiques culturales sur le signal. Une collecte hebdomadaire de données fut menée sur un sol organique à la ferme expérimentale de Ste-Clotilde (Québec) entre juin et septembre 1996. Les résultats obtenus ont montré que le suivi des teneurs en eau devait se faire de préférence aux faibles angles d'incidence (25°-HH, 30°-VV) en l'absence de végétation. Par contre, l'estimation de la biomasse, de la teneur en eau dans la plante et de la hauteur du couvert était préférable aux grands angles d'incidence (50°). Le moment et le type de pratiques culturales ont eu un effet sur le comportement angulaire du signal et par conséquent l'estimation de la teneur en eau. Une relation linéaire entre le signal et la constante diélectrique a été dérivée pour une surface hersée et une surface semée; elle a montré que la rugosité avait influencé surtout aux plus fortes teneurs en eau. L'orientation perpendiculaire des sillons par rapport à la visée du capteur dans un champ hersé a produit un accroissement du signal en bande L à tous les angles. Le signal en bande C a été plus fortement corrélé avec la hauteur des plants et la biomasse sèche qu'avec l'humidité des plants; on a observé l'inverse en bande L. La biomasse sèche a pu être estimée par le signal CHH. L'ajout de la hauteur du couvert dans le modèle de régression a permis d'expliquer 85% de la variation de la biomasse sèche à 50° d'angle d'incidence. Les corrélations entre les paramètres de la végétation et le signal étaient plus élevées en bande L qu'en bande C.

During the 1997 growing season, the Canada Centre for Remote Sensing acquired 10 Standard and Fine Mode RADARSAT scenes over an agricultural test site centred on Carman, Manitoba (Canada). One purpose of this multi-year project was to address the information content of RADARSAT data for mapping crop type and for extracting information on crop condition. The application of RADARSAT for extraction of crop information is particularly attractive because of the all weather capability associated with SAR acquisitions and the sensitivity of microwaves to canopy structure and moisture. During the data acquisition phase of the project, RADARSAT imaged a wide range of agricultural crops, at various developmental stages. In addition to the radar imagery, SPOT XS, Landsat Thematic Mapper and IRS-1C PAN optical imagery were acquired. During the period of peak biomass, crops were characterized on more than 300 fields across the site. In addition, within-field crop information related to crop condition (biomass, height and plant water content) was gathered on 12 fields across the study site. Results have indicated that the best separabilities among crop types were observed when crops were in the process of seed development. Also, multi-date RADARSAT and optical data appeared to improve discrimination of crops, although separating spring wheat remained difficult. Preliminary analysis has indicated that both RADARSAT and satellite optical data provide information related to crop condition.

Information on soil conservation practices, including tillage practices and crop residue management, is required to accurately estimate soil erosion risk, to establish indicators of soil quality and to predict agricultural loadings to surface waterways. A number of recent studies have examined the role of radar in providing information on tillage and crops residue management practices. These studies have concluded that microwaves interact with tillage-induced roughness and as a result, radar imagery may provide useful information on type and timing of tillage. Less is understood about the interaction of microwaves with crop residue cover, but significant correlations between backscatter and residue cover have been observed. This paper briefly summarizes two recent studies which examined the interaction of linearly polarized microwaves (focusing on C-HH) with tilled and residue covered surfaces. The paper then discusses the role of multi-dimensional SAR configurations, including the use of polarimetric SAR parameters, in more completely defining soil management practices. Preliminary results from the 1994 SIR-C data gathered over southern Manitoba suggests that cross-polarized responses and enhanced pedestals associated with multiple scattering may be useful in identifying type and amount of residue.

Mapping tillage characteristics, and the corresponding crop residue cover, is important for monitoring the adoption of conservation tillage practices and for quantifying wind and water erosion. To investigate the potential of RADARSAT for identifying tillage and residue characteristics, RADARSAT and ground data were gathered over a site in southern Manitoba in October of 1996. From the limited analysis completed to date, results are encouraging for detecting some residue and tillage classes early in the fall using RADARSAT data. Once fields have been tilled several times, differences in surface roughness and residue conditions among fields are reduced and separation into distinct classes is difficult. Consequently, the timelines of RADARSAT coverage will be important for this application.

In agriculture, soil moisture gradients near the surface are important. The objective of this study was to determine their impact on the estimation of the radar backscatter when using surface diffusion models. Two surface radar backscatter models were evaluated in a bare soil with soil moisture stratification induced by irrigation and evaporation. The models were the semi-empirical model (OM) and the Integral Equation Model (IEM). These models were coupled with a penetration depth model. Three approaches were used to calculate the reflectivity at the air-soil interface required by the models. The first one was based on the incoherent reflectivity contribution of each stratum. The second approach calculated the Fresnel reflectivity based on the mean complex dielectric constant over a fixed depth, and the third one computed the Fresnel reflectivity using the mean complex dielectric over the penetration depth of the incident signal. The estimations from the OM model were highly correlated with the observations for all combinations of incidence angles, frequencies and polarizations. However, the backscatter was systematically underestimated and bias increased with wavelength. The IEM provided the most accurate estimate but was sensitive to radar configuration and roughness. The two Fresnel reflectivity based approach tended to overestimate the backscatter in the drying sequence after intensive irrigation following held work. The incoherent reflectivity on the other end underestimated the backscatter in freshly dry disturbed soil. The sampling depth had to be chosen carefully when estimating the backscatter from the second approach, especially in K-u and L-bands.

Knowledge about soil moisture is important for a number of applications and synthetic aperture radar systems have been shown to be a useful source of data for this information. RADARSAT, with it's steerable antennae and operational status, can provide timely coverage at a variety of swath coverages and resolutions. However, to make effective use of these various products careful consideration of the differences between the various beam modes and positions is needed. This paper describes work being done at the Canada Centre for Remote Sensing and the Universite de Sherbrooke to establish an approach to utilize retro-calibration information together with current information inherent in RADARSAT products to calibrate Standard mode data for soil moisture estimation. Work is also described which is leading to a first order correction for incidence angle as a function of land-cover in an agricultural environment to further develop this capability of RADARSAT for soil moisture estimation.

This article examines temporal changes in the Spaceborne Imaging Radar-C (SIR-C) C- and L-band radar backscatter over an agricultural test site centred on Altona, Manitoba, Canada in relation to changing environmental conditions during April and October 1994. The results indicate that environmental events such as frost and rain can be monitored. However, care must be taken as some soil targets at high moisture contents may behave as specular reflectors at longer wavelengths, such as L-band at large incidence angles, thus masking soil moisture effects. The strongest correlation between radar backscatter and soil moisture (r=0.84) was obtained for the 0–2.5 cm soil profile at HH polarizations. The strength of the correlation was approximately the same at C- and L-band. All polarizations displayed a decrease in soil moisture correlation with increasing soil profile depth. It was observed that soil texture effects on the estimation of soil moisture from radar backscatter were relatively small and consequently can be neglected. Although the sensitivity to surface roughness is greater at HV and VV than at HH polarization, results indicate that roughness could be neglected when measuring soil moisture over relatively short periods of time at a given site, without significantly reducing the sensitivity of the relationship between radar backscatter and soil moisture.

RÉSUMÉCette étude examine les données SAR en fonction de l'humidité du sol dans le but de préparer une carte de l'humidité du sol. Des données SAR aéroportées à vue simple et à 7 vues en bande C avec trois polarisations, furent calibrées avec succès en utilisant des lots forestiers comme cibles de référence. L'analyse des résultats des régressions linéaires montre que :• Le signal radar rétrodiffusé dépend de l'humidité du sol. Les données C-HH (image radar de vue simple et multiple) présentent les plus fortes corrélations avec l'humidité du sol dans les champs nus.• Dans un contexte agricole semblable à celui de cette expérience, la rugosité peut être considérée comme une constante durant une période de temps donnée, donc, l'effet de rugosité sur la relation entre le signal radar et l'humidité du sol peut être ignoré.Une carte de la distribution d'humidité du sol est présentée. La précision des estimés d'humidité du sol est de 90 %. Elle montre que dans le cadre de cette étude, on peut négliger la rugosité.SUMMARYThis study examines SAR data as a function of soil moisture and roughness in order to create a soil moisture map. Single-look and seven-look airborne C-band SAR data, with three polarizations HH, VV, and HV, from May 1990 were calibrated successfully using forest lots as a reference target. An analysis of linear regression results indicates the following:• Radar backscatter strongly depends on soil moisture. The C-HH data (both one- and seven-look) show the highest correlation with the soil moisture on the bare fields.• In agricultural environments similar to the present study, roughness can be considered as a constant during a given period, and its effect on backscatter when estimating soil moisture can be ignored.A map of soil moisture distribution has been created using the inverse of linear regression equations. The estimated moisture was within 90% of the measured field values. The success in creating a soil moisture map with a high accuracy suggests that soil roughness could be disregarded and still obtain an acceptable level of precision. Additional informationNotes on contributorsHuaibin Geng• Geng Huaibin and Q. Hugh J. Gwyn are with Centre d'applications et de recherches en télédétection (CARTEL), Sherbrooke, Québec J1K 2R1; e-mail: hgwyn@courrier.usherb.ca.Q. Hugh J. Gwyn• Geng Huaibin and Q. Hugh J. Gwyn are with Centre d'applications et de recherches en télédétection (CARTEL), Sherbrooke, Québec J1K 2R1; e-mail: hgwyn@courrier.usherb.ca.Brian Brisco• Brian Brisco is with Intera Information Technologies, 2 Gurdware Rd., Nepean, Ontario K2E 1A2; e-mail: bbrisco@geocan.nrc.caJohanne Boisvert• Johanne Boisvert is with the Centre for Land and Biological Resources Research, Building 74, Central Experimental Farm, Ottawa, Ontario K1A OC6; e-mail: boisvertj@ncccot.agr.ca.R.J. Brown• R.J. Brown is with the Canada Centre for Remote Sensing, 588 Booth Street, Ottawa, Ontario K1A 0Y7; e-mail: rbrown@geocan.nrc.ca.

RÉSUMÉUne expérience fut menée à Lethbridge, Alberta, avec un diffusomètre sous différents types de labour. Les objectifs étaient de tester des méthodologies utilisées dans les études radar en agriculture, de déterminer la capacité des mesures de rugosité et de rétrodiffusion à différencier entre les types de labour, et d'évaluer l'utilisation de deux angles d'incidence pour établir les contributions respectives de l'humidité du sol et de la rugosité de surface au signal rétrodiffusé total. Les résultats expérimentaux suggèrent que l'irrigation a un effet de lissage significatif sur la rugosité des surfaces et que la direction de visée du radar par rapport à l'orientation des labours est importante lors de la différenciation des types de labour. La rétrodiffusion en bande C prise aux angles d'incidence (θ) de 40°–50° peut être utilisée pour différencier les classes de labours. Les corrélations entre le signal rétrodiffusé et les paramètres de surface indiquent que l'humidité du sol à la surface (0–2,5 cm) peut être prédite correctement aux faibles angles d'incidence (θ=20°) et que la rugosité (RMS) peut être prédite avec précision aux grands angles d'incidence (θ=50°). L'inclusion de la rugosité de surface et de la teneur en eau dans un modèle de régression multiple a augmenté la valeur des coefficients de corrélation. L'utilisation de deux modèles de régression multiple avec la rétrodiffusion en bande C mesurée à deux angles d'incidence a augmenté la précision des estimations pour la rugosité et l'humidité, bien que dans l'ensemble, l'amélioration a été faible. Les résultats de cette étude sont significatifs pour l'application des données de RADARSAT à la cartographie de la teneur en eau et des pratiques de labour.SUMMARYThe Lethbridge Scatterometer Tillage Experiment was conducted to evaluate methodologies used in agricultural radar studies, to assess the separability of tillage type based on roughness and backscatter, and to investigate the use of two incidence angles for resolving soil moisture and surface roughness contributions to total backscatter. Results from the experiment suggest that irrigation has a significant smoothing effect on rougher surfaces and that radar look direction relative to tillage direction will be important in separating tillage types. C-band backscatter collected at incidence angles (θ) of 40–50° can be used to separate tillage classes. Correlations between backscatter and surface parameters indicate that surface moisture (0–2.5 cm) can be accurately predicted at steep angles (θ) = 20°) and that roughness (RMS) can be accurately predicted at shallow angles (θ = 50°). Including both surface roughness and soil moisture in a multiple regression model increases correlation coefficients. Using two multiple regression models with C-band backscatter collected at two incidence angles increases prediction accuracy for roughness and moisture, although overall improvements are small. The results of this study are significant for the application of RADARSAT data for moisture and tillage mapping. Additional informationNotes on contributorsH. McNairn• H. McNairn is with Intermap Technologies Ltd., 2 Gurdwara Rd., Suite 200, Nepean, Ontario K2E 1A2.J.B. Boisvert• J.B. Boisvert is with the Eastern Cereal and Oilseed Research Centre, Central Experimental Farm, Agriculture and Agri-Food Canada, Ottawa, Ontario K1A 0C6.D.J. Major• D.J. Major and A.M. Smith are with the Lethbridge Research Centre, Agriculture and Agri-Food Canada, Lethbridge, Alberta T1J 4B1.Q.H.J. Gwyn• Q.H.J. Gwyn is with Centre d'Applications et de Recherches en Télédétection (CARTEL), Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec J1K 2R1.R.J. Brown• R.J. Brown is with the Canada Centre for Remote Sensing, 588 Booth St., Ottawa, Ontario K1A 0Y7.A.M. Smith• D.J. Major and A.M. Smith are with the Lethbridge Research Centre, Agriculture and Agri-Food Canada, Lethbridge, Alberta T1J 4B1.

RÉSUMÉLe radar imageur à synthèse d'ouverture (SAR) est un outil de télédétection qui peut servir à mesurer l'humidité du sol. La cartographie des teneurs en eau de surface à partir des niveaux de gris d'une image est une application possible bien que plusieurs facteurs peuvent interférer lors de la conversion. Ils doivent donc être identifiés et pris en compte. Les plus importants facteurs sont la rugosité de surface, la couverture végétale et la configuration du radar. Une fois ces facteurs quantifiés soit par des modèles, des algorithmes ou un système expert, l'information peut servir à plusieurs applications comme le suivi de l'évolution des teneurs en eau, l'initialisation et la validation de modèles d'humidité des sols, la distribution spatiale des précipitations, l'estimation des réserves en eau au printemps et à l'automne, la détection de la variabilité hydrique des champs et le rehaussement des problèmes de drainage. Le potentiel du SAR et de RADARSAT pour le suivi de l'humidité des sols est évalué à partir des besoins des utilisateurs et des connaissances acquises en utilisant le radar au sol, aéroporté et satellitaire. Les facteurs limitant sont discutés et des solutions sont suggérées.

Since the late 1970s a variety of satellite missions have used imaging radar to study the Earth. The joint U.S./German/Italian Spaceborne Imaging Radar-C/X-band Synthetic Aperture Radar (SIR-C/X-SAR) is the next step in that program. SIR-C/X-SAR flew aboard the space shuttle Endeavour in April and October 1994 as part of the Space Radar Laboratory (SRL). This paper describes the SIR-C/X-SAR data acquisition over the CCRS Altona, Manitoba test site. In addition to the SIR-C instrument, data were also acquired by the JPL AIRSAR operating at C-, L-and P-Band and the CCRS CV-580 operating at C- and X-Band

RÉSUMÉDes mesures d'humidité du sol prises à l'aide de deux techniques basées sur la mesure de la constante diélectrique furent comparées avec des mesures par gravimétrie (GRAV) et des mesures radar (bandes Ku, C et L) au cours de deux expériences. Les deux techniques d'échantillonnage sont la sonde diélectrique portative (PDP) et la réflectométrie temporelle (TDR). Elles présentent des corrélations élevées avec les mesures gravimétriques dans les deux expériences. Cependant, il est important de disposer d'équations d'étalonnage fiables entre les instruments pour comparer les moyennes d'humidité du sol des champs lorsque ces moyennes proviennent d'instruments différents. La profondeur de pénétration du signal radar a une influence marquée sur les corrélations entre les trois techniques de mesure et le radar. Par exemple, le PDP a donné les corrélations les plus élevées et le TDR les plus faibles avec la fréquence possédant les plus faibles profondeurs de pénétration (bande Ku). Une étude de la profondeur de pénétration du signal par rapport à la configuration du capteur (angle, fréquence et polarisation) et de l'humidité du sol, a montré l'influence dominante de cette dernière. La configuration du capteur influence la profondeur de pénétration uniquement en bande L. Les résultats montrent que le radar peut fournir des estimés de l'humidité du sol près de la surface. La variabilité de la rugosité sous diverses techniques culturales pourraient devenir une source importante d'erreurs dans le suivi de l'humidité du sol.

The GlobeSAR program is designed to develop RADARSAT applications in Asia, the Middle‐East, and Africa and to help prepare the scientists and end‐users in the participating countries for using RADARSAT data to meet their various needs. A collaborative approach involving the participants from each country and a team of Canadian experts has been studying the airborne SAR data and the RADARSAT simulations for a variety of applications. This paper reviews the most promising results obtained during the first phase of the GlobeSAR program for the countries in Southeast Asia.

RÉSUMÉDes méthodes opérationnelles destinées à améliorer la précision des résultats de classification des cultures sont évaluées à l'aide de données C-HH et C-HV recueillies le 10 juillet 1990 à partir d'un radar à antenne synthétique (RAS) aéroporté sur un site témoin situé dans le comté d'Oxford, dans le sud de l'Ontario. Les données RAS brutes, les données filtrées ainsi que des statistiques sur la texture des images ont été classifiées à l'aide de méthodes de classification utilisant l'une, les pixels et l'autre, les champs dans le but de déterminer leur efficacité pour la classification des cultures. Les statistiques sur la texture qui sont dérivées des densités de probabilité de la matrice de cooccurrence de niveaux de gris offrent, dans le cas des images RAS, un pouvoir de discrimination supérieur à celui que présentent les statistiques des données brutes. La classification des champs permet, toutefois, d'obtenir des résultats nettement plus précis pour une foule de données d'entrée.