InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)形變監(jiān)測的應(yīng)用

劉世博， 趙 林， 汪凌霄， 鄒德富， 周華云，謝昌衛(wèi)，喬永平，岳廣陽，史健宗

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室藏北高原冰凍圈特殊環(huán)境與災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅蘭州730000；2.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引言

多年凍土主要分布于環(huán)北極的高緯度地區(qū)和中低緯度的高海拔地區(qū)，面積約為23×106km2，占北半球陸地面積的25%［1-3］。巖土層中冰的存在是多年凍土的主要特征，由于冰的密度約比水小9%［4-5］，故隨著活動層中水分的季節(jié)凍結(jié)和融化，地表會發(fā)生周期性凍脹和融沉。氣候變暖會導(dǎo)致活動層融化深度增大，多年凍土上限附近地下冰融化，致使地表出現(xiàn)下沉的趨勢［6-8］。地表的凍脹融沉對寒區(qū)工程建筑的影響一直是凍土學(xué)的主要研究方向之一。在過去幾十年，由于人為活動的干擾和氣候變化的共同作用，地表形變已經(jīng)導(dǎo)致青藏公路、東北鐵路的破壞率達(dá)到30%以上［9-12］，嚴(yán)重危害了寒區(qū)的交通運(yùn)輸安全。因此長期且連續(xù)的地表形變監(jiān)測不僅可以獲取多年凍土對氣候變化的響應(yīng)，還可以對多年凍土區(qū)工程的建設(shè)與維護(hù)提供寶貴的信息。

地表形變的傳統(tǒng)監(jiān)測手段主要以埋設(shè)儀器、水準(zhǔn) 測量、差 分GPS（global positioning system）為主［13-16］。在蘭州的馬銜山［17］，通過多次水準(zhǔn)觀測并結(jié)合溫度與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地表10月開始凍脹，4月開始融沉，形變的較大值一般出現(xiàn)在凍土發(fā)育良好的小湖灘附近。水分遷移是導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)凍脹的主要因素。水準(zhǔn)測量是監(jiān)測多年凍土區(qū)道路形變的主要手段，在我國的青藏公路和哈大高速鐵路都對不同結(jié)構(gòu)的路基進(jìn)行長期水準(zhǔn)監(jiān)測［18-19］，獲得的形變信息為道路維護(hù)提供幫助。差分GPS在監(jiān)測多年凍土地表形變也具有極大的潛力，在阿拉斯加中北部地區(qū)利用DGPS技術(shù)獲取了該地區(qū)2001—2002年多年凍土地表形變狀況。相比較于水準(zhǔn)測量，內(nèi)置的高精度大地坐標(biāo)系統(tǒng)和快速連續(xù)的測量是其主要優(yōu)勢［16］。在西伯利亞勒拿河流域，將樹脂玻璃板用金屬管水平固定在地表（可由地表垂直移動），通過反復(fù)測量深入多年凍土內(nèi)部的鋼管頂部與地面上的有機(jī)玻璃板之間的距離來測量地表形變，作為InSAR結(jié)果的驗(yàn)證數(shù)據(jù)［20］。上述傳統(tǒng)方法可以獲取連續(xù)準(zhǔn)確的形變信息，但不能滿足大面積、大范圍、長時間序列的形變監(jiān)測需求［21］。

隨著InSAR技術(shù)的不斷發(fā)展［22-25］，利用其獲取多年凍土區(qū)地表形變逐漸成為研究熱點(diǎn)。其中DInSAR技術(shù)在加拿大北部［26］、阿拉斯加［27］和青藏高原［28］等多年凍土區(qū)都得到了較為準(zhǔn)確的多年凍土地表形變信息。但D-InSAR技術(shù)的監(jiān)測精度受到時空失相干和大氣延遲的影響［29］，且無法獲取研究區(qū)域地表形變的時間序列。為了彌補(bǔ)D-InSAR的不足，Berardino等［30］于2002年提出時間序列InSAR的小基線技術(shù)，可以獲取長時間連續(xù)準(zhǔn)確的多年凍土地表形變信息。InSAR時間序列方法目前主要分為三種：①永久散射體技術(shù)（persistent scatter，PS）［31-32］，此方法在生成差分干涉相位后僅對高相干的目標(biāo)進(jìn)行建模和形變解算；②小基線技術(shù)（small baseline subset，SBAS）［30，33］，通過識別單元內(nèi)觀測目標(biāo)的相位和強(qiáng)度均值作為此像素觀測量，處理多個干涉對來獲取各影像獲取時刻相對于初始時刻的形變量；③臨時相干點(diǎn)技術(shù)（temporal coherent point，TCP）［34］，相比于PS技術(shù)，此方法增加了觀測目標(biāo)密度，不只是選取高相干目標(biāo)。還有將上述三種方法相互組合進(jìn)行形變計(jì)算，例如StaMPS算法結(jié)合PS和SBAS技術(shù)，將PS點(diǎn)作為觀測目標(biāo)，計(jì)算各目標(biāo)的形變時序解，在形變監(jiān)測中也有著較多的應(yīng)用［35］。

近年來，許多學(xué)者利用InSAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對多年凍土區(qū)地表形變監(jiān)測的研究，獲取了較為可靠的地表形變結(jié)果，證實(shí)了該技術(shù)在多年凍土區(qū)探測地表形變的能力［36］。Liu等［37］利用InSAR技術(shù)獲取了阿拉斯加多年凍土區(qū)北坡地表的形變信息，結(jié)果顯示在1992—2000年間由于多年凍土上限地下冰融化而導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生了1～4 cm的沉降。這一結(jié)果也很好的解釋了該地區(qū)多年凍土溫度升高，活動層厚度卻沒有增厚的原因。在青藏高原多年凍土區(qū)，利用InSAR技術(shù)監(jiān)測多年凍土的形變量為公路鐵路的路基維護(hù)提供了快捷準(zhǔn)確的信息［28，38］，節(jié)省了大量的人力物力。利用InSAR技術(shù)得到的準(zhǔn)確、連續(xù)、大范圍的地表形變信息不僅可以使人們更好地了解氣候變暖下多年凍土的變化，而且隨著研究不斷的深入，根據(jù)形變結(jié)果模擬活動層厚度變化、地下冰融化狀態(tài)等方面有著很好的應(yīng)用［39-41］。

1 InSAR及多年凍土形變原理

1.1 多年凍土形變原理

多年凍土地表季節(jié)形變主要由活動層中水分相變引起地表凍脹融沉所致。如圖1所示，活動層的凍融過程可分為四個階段，分別為夏季融化、秋季凍結(jié)、冬季降溫和春季升溫［9］。夏季融化階段活動層處于吸熱狀態(tài)，熱量傳輸由上向下，融化鋒面逐漸向下遷移，其附近的自由水在重力作用下遷移至0℃附近，由此導(dǎo)致的融水再凍結(jié)使得在融化初期地表有可能出現(xiàn)輕微的抬升。隨著活動層不斷吸收熱量，地表的融沉量逐漸增大。在秋季凍結(jié)階段，活動層融化至最大深度后由底部向上開始凍結(jié)，而此時活動層上部白天吸收熱量，晚上放出熱量，此時地表處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著溫度的降低，活動層進(jìn)入雙向凍結(jié)過程，也就是進(jìn)入“零幕層”階段，此時地表形成穩(wěn)定凍結(jié)層，融化層上部凍結(jié)鋒面快速向下移動，水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移和凍結(jié)，此時地表多為抬升的趨勢。隨著凍結(jié)鋒面向下遷移速度變緩，活動層進(jìn)入相對穩(wěn)定的凍結(jié)階段。而冬季降溫過程是冰分凝過程與冷縮過程共同作用，地表以凍脹為主。到了春季升溫階段，活動層溫度升高，地表會出現(xiàn)輕微的白天融化下沉，夜晚凍結(jié)抬升的情況。

圖1 活動層季節(jié)凍融過程Fig.1 Seasonal freeze-thaw process of active layer

如圖2所示，多年凍土地表的年際形變主要是由其上限附近的地下冰融化導(dǎo)致。研究表明，多年凍土上限附近的地下冰是由于重復(fù)分凝作用造成的，具體地說，它是由正凍土中的成冰作用、已凍土中的成冰作用、正融土中的成冰作用、未凍水的不等量遷移規(guī)律、冰的自凈作用和冰的共生生長等多種作用的綜合并重復(fù)發(fā)生的結(jié)果［42］。

圖2 多年凍土年際形變原理及趨勢Fig.2 Principles and trends of interannual deformation for permafrost

當(dāng)活動層中存在溫度梯度，就會產(chǎn)生自由能梯度，從而引起水分向溫度低的方向移動。當(dāng)多年凍土發(fā)生自上而下凍結(jié)時，水分向多年凍土上限聚集，形成地下冰。這種水分遷移不僅在正凍土中出現(xiàn)，在已凍土和正融土中同樣存在。多年凍土中還存在未凍水，當(dāng)溫度梯度為正值時，未凍水將發(fā)生向上的遷移。由于這種遷移發(fā)生在非劇烈相變區(qū)，故其遷移量較小；而當(dāng)溫度梯度為負(fù)值時，水分將向下遷移，且發(fā)生在劇烈相變區(qū)，故其遷移量較大。夏季由負(fù)梯度造成的向下的遷移水量顯然要大于冬季由正梯度造成的向上遷移的未凍水量，因此水分的向下遷移并在多年凍土上部積聚，使其含冰量增加［43］。同時冰的自凈作用使未凍水向下積聚而土顆粒向上積聚，這種作用的逐年重復(fù)使含冰量繼續(xù)提高。最后，冰的共生生長作用致使多年凍土上限附近含冰量進(jìn)一步增加。

在氣候變暖的背景下多年凍土上部活動層增厚，溫度升高［44］，其上限厚層地下冰逐漸融化，地表在長期狀態(tài)下多呈現(xiàn)下沉趨勢。多年凍土地表形變是季節(jié)形變和年際形變共同作用的結(jié)果，活動層土壤含水量和多年凍土上限地下冰融化速度決定著地表的形變狀態(tài)。多年凍土的自上而下融化可能引起地表大面積的沉降［10］，致使多年凍土土壤基底承載強(qiáng)度降低，對多年凍土區(qū)工程的穩(wěn)定性造成較為嚴(yán)重的影響［45-46］。

1.2 InSAR技術(shù)原理

干涉測量的本質(zhì)就是依靠地面目標(biāo)兩次后向散射回波信號的高相干性，求取兩次信號在傳播過程中的相位差φ。如圖3所示，假設(shè)衛(wèi)星兩次通過地面點(diǎn)P，而衛(wèi)星過境時的位置分別為A1和A2，目標(biāo)點(diǎn)P到衛(wèi)星傳感器的斜距分別為R和R+ΔR。圖中z為P相對于參考橢球的高程。A1和A2之間的距離B被稱為基線，α為基線與水平面的夾角。由于衛(wèi)星的高度在運(yùn)算時已知，假設(shè)A1到參考橢球的高程為H。由圖中幾何關(guān)系可得，如果求解P的高程，首先要解決衛(wèi)星在A1位置時的入射角θ。信號在兩次傳播過程中的相位差φ可以表示為

圖3 InSAR獲取地表形變原理Fig.3 Principle of InSAR to obtain the surface deformation

式中：λ為雷達(dá)發(fā)射信號的波長。

從圖3中的幾何關(guān)系可得

由于R?B，R?ΔR，將式（1）代入式（2）得

如果已知φ、α、B、λ以及H，即可計(jì)算P點(diǎn)的高程z。

由式（1）可知波長是計(jì)算相位差的重要參數(shù)，而SAR影像是衛(wèi)星發(fā)射的電磁波與地物目標(biāo)相互作用的結(jié)果，不同波長的電磁波與地物目標(biāo)相互作用會有不同的表現(xiàn)。SAR數(shù)據(jù)的波長與衛(wèi)星雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，從圖4可以看出，星載SAR衛(wèi)星主要以C、L和X波段為主。不同波長的數(shù)據(jù)對于地表的穿透能力也不同，因此在多年凍土區(qū)的適用性也有所差異。

圖4 不同波段SAR產(chǎn)品Fig.4 SAR products for different bands

在加拿大育空地區(qū)的赫歇爾島，Short等［47］針對TerraSAR-X（X波段），RADARSAT-2（C波段）和ALOS-PALSAR（L波段）三種不同波長的SAR產(chǎn)品在連續(xù)多年凍土區(qū)監(jiān)測地表形變的能力進(jìn)行比較。TerraSAR-X較高的時空分辨率，在數(shù)據(jù)處理過程中降低了失相干現(xiàn)象出現(xiàn)的可能，可以更好地監(jiān)測一些突發(fā)事件，如滑塌造成的地表形變的動態(tài)變化。而較高的空間分辨率在監(jiān)測道路形變等較小目標(biāo)物上有著很好地應(yīng)用。但較短的波長更容易受到空氣中水汽的干擾，較差的穿透力在植被覆蓋度高的區(qū)域往往會受到干擾。TerraSAR-X數(shù)據(jù)目前處于收費(fèi)階段，盡管數(shù)據(jù)時間較長，但獲取仍較為困難。而波長較長的L波段數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的穿透力，在植被覆蓋高、土壤含水量大和地勢較為復(fù)雜的地區(qū)有著更好的應(yīng)用，可以提供更為完整準(zhǔn)確的形變結(jié)果，也具有長時間監(jiān)測多年凍土形變的優(yōu)勢。但由于ALOS數(shù)據(jù)基線較長，誤差相較于其他數(shù)據(jù)可能會更高，所以對DEM數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求更精確。在高緯地區(qū)電離層對L波段的SAR數(shù)據(jù)影響較大，會對信號的傳播帶來較大的干擾。同時較長的重訪周期在長時間形變監(jiān)測中會漏掉很多有用的信息，尤其是在凍融初始階段，對短期的季節(jié)形變和突發(fā)性形變監(jiān)測有著較大的影響。而C波段波長介于L波段和X波段之間，兼顧了二者的優(yōu)勢與不足，是目前使用最為廣泛的波段。目前有ERS1/2、Sentinel-1、RADARSAT等衛(wèi)星，在多年凍土區(qū)形變監(jiān)測方面都取得了較好的結(jié)果，在該區(qū)域的研究中RADARSAT數(shù)據(jù)的表現(xiàn)也是最為穩(wěn)定的。

2 InSAR在多年凍土區(qū)形變監(jiān)測的應(yīng)用

2.1 季節(jié)形變

由于多年凍土所處的緯度、海拔、局地氣候條件不同，其季節(jié)形變也有著不同的特征。圖5顯示目前通過InSAR技術(shù)獲取的多年凍土區(qū)季節(jié)形變特征表現(xiàn)為，青藏高原北麓河地區(qū)［48］、黑龍江北黑公路沿線［49］和俄羅斯勒拿河三角洲地區(qū)［50］為高值區(qū)，地表的最大季節(jié)形變量可達(dá)100 mm。北麓河地區(qū)于3月地表達(dá)到最大的抬升量，而北黑公路較該區(qū)融化時間更早，且凍脹量相比沉降量較小，高分辨率的TerraSAR-X數(shù)據(jù)在公路形變研究中有著較好的應(yīng)用，可以獲得更高的形變信息。Zhang等［48］發(fā)現(xiàn)在北麓河的草甸區(qū)域發(fā)育了許多凍融湖，劇烈的凍融作用致使該地區(qū)形變量高值多出現(xiàn)在熱融湖塘周圍，Strozzi等［50］在勒拿河三角洲地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。季節(jié)形變量較小的區(qū)域主要出現(xiàn)在青藏高原北部地區(qū)［51］和格陵蘭島東北部［52］，干旱的氣候致使這些地區(qū)土壤未凍水含量較低，加之較短的暖季和較少的人類活動造成了這些地區(qū)地表季節(jié)形變量分別只有12 mm和7.4 mm。

圖5 多年凍土區(qū)的季節(jié)形變量Fig.5 Seasonal deformation in permafrost areas

在青藏高原北部，形變量較大的地區(qū)主要分布在東西走向山脈之間的狹長盆地，地勢平坦地區(qū)的季節(jié)形變量往往大于陡坡地區(qū)。季節(jié)形變量較大區(qū)域融化開始時間往往要比形變量較小區(qū)域早1～2個月，Daout等［51］認(rèn)為是由于土壤水分不飽和導(dǎo)致水分主要集中在活動層底部，對于氣溫變化響應(yīng)有所延遲。在南極的利文斯頓島，InSAR結(jié)果顯示在2016年12月至2017年4月期間發(fā)生了20～30 mm的凍脹［50］，且表現(xiàn)出了明顯的空間異質(zhì)性。Strozzi等［50］認(rèn)為這是由于該區(qū)域靠近海洋，土壤中鹽分含量差異造成了形變的不同。同時土壤沉積物顆粒差異也造成了凍脹量的不同，細(xì)顆粒地表往往具有更大的凍脹量。在加拿大的馬更些河山谷，根據(jù)RADARSAT的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在2006年7月至10月該地區(qū)發(fā)生過滑坡或火燒現(xiàn)象的區(qū)域的地表融沉量可達(dá)13～18 mm，而沒有出現(xiàn)火燒現(xiàn)象的區(qū)域其融沉量只有3～7 mm，火燒現(xiàn)象明顯增加了該區(qū)域的融沉量，且發(fā)生火燒現(xiàn)象的區(qū)域地表沉降的結(jié)束時間也要晚于其他地區(qū)，Singhroy等［53］認(rèn)為是由于燃燒后產(chǎn)生的黑色腐殖質(zhì)使土壤吸收更多的熱量，更深的融化深度造成了更大的下沉量。綜上所述，多年凍土區(qū)的地形和土壤質(zhì)地通過控制水分和熱量影響著季節(jié)形變量的大小。

Envisat數(shù)據(jù)顯示，青藏鐵路拉薩—當(dāng)雄試驗(yàn)路段2007年6—8月期間的最大沉降量達(dá)到30 mm，從9月至次年的2月最大凍脹量可達(dá)40 mm［54］，從山頂至山底形變振幅總體呈增大趨勢。青藏公路沿線附近區(qū)域的季節(jié)形變量更大［55］，在該區(qū)域的公路沿線融化季地表下沉量接近80 mm。青藏公路沿線季節(jié)形變量也有著明顯的空間異質(zhì)性，根據(jù)ALOS數(shù)據(jù)顯示兩道河地區(qū)季節(jié)形變量最大值只有20 mm，相對于拉薩當(dāng)雄段公路形變量較?。?6］。在阿拉斯加的Prudhoe Bay地區(qū)，根據(jù)ERS1/2數(shù)據(jù)［37］和全球差分定位系統(tǒng)（DGPS）［16］監(jiān)測結(jié)果顯示，該區(qū)域季節(jié)融沉量在10～40 mm之間，港口和石油開采區(qū)是該地區(qū)形變的高值區(qū)域。在格陵蘭島西部，由于較多的人類活動使其季節(jié)形變量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東部，最大值可達(dá)30 mm［50］。從上述幾個例子可以看出，人類活動加劇了多年凍土地表形變的發(fā)生。

通過上述多年凍土區(qū)形變研究發(fā)現(xiàn)，多年凍土地表季節(jié)形變受到地形、土壤質(zhì)地、未凍水含量和人類活動的影響，表現(xiàn)出明顯的空間差異性，地表融沉開始和結(jié)束時間也有所不同。在歐洲的格陵蘭島東北部，該區(qū)域1995—1999年間融化季地表形變量在0.4～6.1 mm之間，而在2006—2009年間則增加到2.3～7.4 mm之間，該地區(qū)多年凍土的季節(jié)融化深度也有著明顯的增加。在全球氣候變暖的背景下，多年凍土區(qū)的季節(jié)形變量也有增加的趨勢，對氣候變暖有著很好的反饋［52］。

2.2 年際形變

隨著SAR數(shù)據(jù)的不斷增加和時序InSAR技術(shù)的發(fā)展，可以獲取較長時間的多年凍土形變信息。由表1可知，多年凍土年際形變的高值區(qū)主要集中在青藏高原的北麓河［57-58］、五道梁［59］地區(qū)和俄羅斯的勒拿河三角洲地區(qū)［60］。多年凍土上限附近的地下冰融化速率較快導(dǎo)致了較高的年間沉降量，五道梁地區(qū)年際沉降量可達(dá)10.28 mm。地表年際形變量較小的地區(qū)主要分布在青藏高原的西北部［51，61］、格陵蘭島東北部［52］和西藏當(dāng)雄縣附近［54］，這些地區(qū)多年凍土上限附近地下冰含量往往較低，地表年際形變量多在3 mm以下［51-52，54］。多年凍土的年際形變也有明顯的空間差異性，2003—2010年45景Envisat數(shù)據(jù)顯示北麓河高山地區(qū)多年凍土地表狀態(tài)較為穩(wěn)定，年平均形變量只有-0.75 mm。而地勢較低的稀疏植被區(qū)多年凍土地表形變較大，年形變量可達(dá)-16～0 mm之間。

表1 多年凍土區(qū)的年際形變量Table 1 Interannual deformation in permafrost areas

北麓河地區(qū)鐵路沿線地表下沉量為每年1.01 mm，公路附近區(qū)域年沉降量為1.47 mm，更好的保護(hù)措施和更高的通車標(biāo)準(zhǔn)使得鐵路沿線年際形變量要低于公路。青藏高原的其他區(qū)域也很好地顯示了出這一特征，根據(jù)2007—2010年Envisat數(shù)據(jù)顯示，青藏鐵路西藏當(dāng)雄縣沿線多年凍土年平均形變量為-0.14 mm，而公路年平均形變量為-0.52 mm，公路附近的形變量要遠(yuǎn)大于鐵路。多年凍土區(qū)的交通運(yùn)輸對地表年際形變也會產(chǎn)生較大影響，研究人員認(rèn)為交通運(yùn)輸線的鋪設(shè)改變了多年凍土區(qū)下墊面性質(zhì)，人類活動進(jìn)一步加劇了地表的形變，因此運(yùn)輸沿線地區(qū)年際形變一般要高于其他地區(qū)［54］。

在格陵蘭島東北部地區(qū)，利用ERS1/2及Envisat數(shù)據(jù)監(jiān)測了該地區(qū)兩個時間段的地表形變狀況，結(jié)果顯示在1995—1999年間該區(qū)域多年凍土區(qū)年平均形變量數(shù)值為-2.4～-0.3 mm，而2006—2009年間地表下沉量增長到0.8～2.7 mm·a-1，氣候變暖導(dǎo)致多年凍土上限地下冰融化速度加快，年際形變量增大。阿拉斯加北部地表的長期下沉也很好地解釋了該地區(qū)盡管氣溫升高凍土退化但活動層卻沒有明顯增加的原因，地表形變信息相比于活動層厚度數(shù)據(jù)可以更好地反映該地區(qū)多年凍土的退化趨勢。但是在氣候變暖及多年凍土區(qū)地表年際普遍發(fā)生下沉的趨勢下，還是有一些區(qū)域會出現(xiàn)一些異常的情況。例如在勒拿河三角洲地區(qū)2017年融化季地表形變相對于2016年發(fā)生了10 mm左右的上升，Chen等［60］根據(jù)氣溫統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)這很可能是由于2017年夏季融化開始時間延遲所導(dǎo)致，2017年7月的平均溫度要比2016年7月低0.6℃。多年凍土年際形變對于氣候的長期變化趨勢有著很好的反饋，對于氣候變化研究是極有意義的。

2.3 不同下墊面的形變

下墊面情況的差異造成了多年凍土區(qū)地表形變的異質(zhì)性。青藏高原現(xiàn)存多年凍土的總面積約為106萬km2［62］，由于其土壤含水量、氣溫、海拔、植被覆蓋度的不同，其地表形變特征也有所也差異，以青藏高原唐古拉和兩道河這兩個觀測場為例。

唐古拉觀測場位于青藏高原多年凍土區(qū)腹地，由表2可知該地區(qū)多年凍土未凍水含量和植被覆蓋度較低。而兩道河地區(qū)位于多年凍土區(qū)南界邊緣，土壤含水量和植被覆蓋度均高于唐古拉地區(qū)。通過InSAR反演和水準(zhǔn)實(shí)測都顯示這兩個地區(qū)出現(xiàn)了緩慢的長期沉降趨勢，且年間形變量差距不大。而由于不同土層含水量的不同，兩道河地區(qū)季節(jié)形變量明顯要大于唐古拉地區(qū)。通過表2可知，在4月和7月兩道河地區(qū)各層土壤質(zhì)量含水量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于唐古拉地區(qū)，較高的未凍水含量導(dǎo)致了較大的季節(jié)形變量。唐古拉的降水主要集中在活動層融化階段，孔隙度較大的礫質(zhì)砂壤土?xí)?dǎo)致降水或融水下滲到活動層融化鋒面以下，再次凍結(jié)導(dǎo)致活動層中冰體積的增加而使得地表高程輕微增加。而同樣土壤孔隙度較大的兩道河地區(qū)卻沒有出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，很可能由于該區(qū)域活動層土壤在融化期間其含水量較高，導(dǎo)致降水不會繼續(xù)下滲而是轉(zhuǎn)化為地表流走或者蒸發(fā)［56］。地形的起伏通過影響土壤含水量也對季節(jié)形變產(chǎn)生了影響，通過對兩道河地區(qū)的觀測發(fā)現(xiàn)在個別地勢較低且平緩的觀測點(diǎn)，兩個月的形變量可達(dá)153 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，造成了該地區(qū)內(nèi)部地表形變的異質(zhì)性。

表2 唐古拉和兩道河觀測場植被覆蓋度及土壤含水量Table 2 Vegetation coverage and soil water content in Tanggula and Liangdaohe study sites

多年凍土區(qū)地表季節(jié)形變主要由土壤含水量決定。隨著高原降雨量的增加，降水或者融水下滲對多年凍土區(qū)水文過程、感熱和潛熱通量變化有很大影響，對地表形變狀態(tài)也會產(chǎn)生很大的不確定性。較高的未凍水含量往往伴隨著較好的植被覆蓋度，結(jié)果顯示C波段數(shù)據(jù)在兩道河地區(qū)結(jié)果與水準(zhǔn)實(shí)測數(shù)據(jù)及凍融規(guī)律不太符合，較高的未凍水含量導(dǎo)致復(fù)雜的相位變化，會造成較大的誤差。植被生長過程中的變化也會影響地表形變的反演結(jié)果，而波長較長的L波段數(shù)據(jù)在植被覆蓋較高的地區(qū)較C波段數(shù)據(jù)效果更好。

2.4 活動層厚度模擬

活動層是指覆蓋在多年凍土之上的夏季融化，冬季凍結(jié)的土層［63］。活動層是多年凍土區(qū)地層水熱交換最為頻繁的區(qū)域［64］，其厚度的變化是地氣能量交換的直接結(jié)果，是影響寒區(qū)生態(tài)環(huán)境最活躍的因素。同時活動層厚度變化也直接影響多年凍土區(qū)的水文特征和植物生態(tài)環(huán)境，在多年凍土研究中有重要意義［65］。

活動層厚度的獲取方法主要以實(shí)測和模型反演為主［66］。實(shí)測是通過在野外埋設(shè)相關(guān)儀器記錄地下土層溫度信息或坑探的方式來獲取多年凍土的融化和凍結(jié)深度。野外實(shí)測數(shù)據(jù)精度高，作為模型模擬的精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)極為重要，但其空間分辨率受到限制，只能得到小范圍內(nèi)的信息。而模型模擬方法綜合考慮積雪、植被、土壤含水量等多種因素，可以獲得大范圍的活動層厚度信息。但模型反演法原理復(fù)雜，需要考慮眾多的影響因子，獲取準(zhǔn)確的活動層厚度信息較為困難。

隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)不限于利用其獲得多年凍土區(qū)地表形變信息，還根據(jù)多年凍土季節(jié)形變與活動層厚度之間的關(guān)系，計(jì)算出了較為可靠活動層厚度數(shù)據(jù)。Liu等［39］假設(shè)多年凍土地表季節(jié)沉降完全是由活動層水分相變所致，通過1992—2000年ERS1/2數(shù)據(jù)獲取的融化季沉降信息，結(jié)合土壤含水量、孔隙度、飽和含水率和土壤水分相變導(dǎo)致的體積差，獲取了阿拉斯加北坡8 000 km2的多年凍土最大融化深度，也就是活動層厚度?？杀硎緸?/p>

式中：H為融化深度；P為土壤孔隙度；S為飽和土壤含水率；ρw為水的密度；ρi為冰的密度；d為地表沉降量。文獻(xiàn)［39］默認(rèn)該地區(qū)活動層土壤含水量飽和，即S=1。

將模擬結(jié)果與該地區(qū)CALM觀測的活動層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果較為一致，證明了InSAR監(jiān)測多年凍土活動層厚度的潛力。隨后，李珊珊［54］、Jia等［61］等利用類似的反演模型并對土壤孔隙度和土壤飽和度進(jìn)行了簡化，反演了青藏高原地區(qū)的活動層厚度，均取得了較好的結(jié)果。但上述方法沒有考慮土壤濕度的影響，或假設(shè)土壤水分處于飽和狀態(tài)，這種簡單的處理會引起較大的誤差。張正加［67］在進(jìn)行青藏高原活動層厚度反演時發(fā)現(xiàn)不同地形地貌的土壤含水量具有差異性，同時地下土壤水分隨深度而變化，如果不充分考慮土壤含水量的話，會導(dǎo)致活動層厚度的估計(jì)結(jié)果存在誤差。因此根據(jù)不同土壤類型和土壤含水量的情況，建立了適合青藏高原多年凍土區(qū)的活動層厚度反演模型，并使用兩個實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對北麓河地區(qū)反演的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，誤差分別為0.3 m和0.5 m。模擬結(jié)果均取得了較好的結(jié)果，彌補(bǔ)了氣象站點(diǎn)監(jiān)測空間性不足的缺陷。

3 討論

InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)地表形變監(jiān)測方面取得了較多的成果，但目前還是存在一些問題亟待解決，其中失相干現(xiàn)象是限制InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)應(yīng)用的主要問題。在差分干涉測量時，由于兩影像獲取的衛(wèi)星天線中心與觀測目標(biāo)的連線并不完全重合，這種幾何結(jié)構(gòu)差異就引起幾何失相干。而兩幅SAR數(shù)據(jù)時間間隔較長進(jìn)而導(dǎo)致地面目標(biāo)的介電常數(shù)變化較大時，會引起時間失相干。同時大氣條件、基線長度以及軌道輕微不平行、變形運(yùn)動過快等情況都會導(dǎo)致相位的失相干，尤其是冬季積雪會對形變反演帶來極大的困難。失相干現(xiàn)象降低了相位結(jié)果的相干性，導(dǎo)致后續(xù)解纏的困難和失敗，影響研究區(qū)信息的準(zhǔn)確性與完整性。盡管近年來發(fā)展了永久散射體技術(shù)、小基線子集等方法大大緩解了失相干現(xiàn)象的發(fā)生，例如在2019年邁阿密大學(xué)推出最新的時序算法Mintpy［68］開源軟件包，可以讀 取ISCE、ARIA、FRInGE、SNAP、GAMMA和ROI_PAC等主流InSAR軟件格式數(shù)據(jù)，可以生成三維的地表形變結(jié)果。該算法通過加權(quán)最小二乘法進(jìn)行時間序列反演，利用最小樹橋接、相位閉合減小干涉圖的積分模糊度和基于相干的網(wǎng)絡(luò)修正等方法減小了相位解纏結(jié)果地誤差且內(nèi)置的PYAPS模塊可以對結(jié)果進(jìn)行大氣校正，減小大氣對時序結(jié)果造成的誤差。但目前失相干情況還是較為普遍的存在，尤其是波長較短的SAR數(shù)據(jù)在含水量較高，植被覆蓋的較好的地區(qū)更為明顯。此外，相位解纏也是數(shù)據(jù)處理中的難點(diǎn)，由于地面狀況的復(fù)雜性和干涉像對本身的質(zhì)量差異，使得相位成功解纏的難度很大。目前提出了如瞬時頻率算法（IFA）、卡爾曼濾波算法、自動抑制全局?jǐn)U散誤差的算法［69］以及SNAPHU［70］算法大大提高了解纏成功率，為多年凍土區(qū)地表形變監(jiān)測提供了更為準(zhǔn)確完整的信息。

實(shí)測數(shù)據(jù)的缺失對遙感反演的驗(yàn)證造成了很多困擾。目前很多形變反演結(jié)果并沒有相應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，只能根據(jù)是否符合凍脹融沉規(guī)律來判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。但在青藏高原多年凍土區(qū)的長期監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)地表形變并不一定完全符合融化季下沉，凍結(jié)季抬升的規(guī)律。例如在唐古拉地區(qū)2015年5月至7月中旬和2016年6月至10月地表出現(xiàn)輕微抬升，正常情況下處于融化季多年凍土區(qū)地表應(yīng)處于融沉的狀態(tài)。這一反?，F(xiàn)象可能是由于活動層融化階段降水或融水下滲到凍結(jié)鋒面導(dǎo)致再次凍結(jié)，從而引起地表出現(xiàn)輕微抬升而導(dǎo)致。這些現(xiàn)象已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室或者野外實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，Cheng［71］在青藏高原多年凍土區(qū)、Mackay［72］在北極西海岸多年凍土區(qū)均有發(fā)現(xiàn)。因此，單純以符合凍融規(guī)律作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)并不一定能反映結(jié)果的準(zhǔn)確性。

盡管InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)的應(yīng)用仍存在一定的問題，但該技術(shù)有著極為廣闊的前景，越來越多的人將目光投到了該技術(shù)對多年凍土的監(jiān)測中。目前處理SAR數(shù)據(jù)軟件和算法多樣，生成的數(shù)據(jù)格式也不同，得到的結(jié)果數(shù)據(jù)格式和文件類型等都有較大差異，在進(jìn)行時序運(yùn)算時會由于格式和內(nèi)容的不同造成很多麻煩。因此，數(shù)據(jù)輸出格式的統(tǒng)一和各軟件間相互支持是日后不斷發(fā)展的趨勢。同時，大范圍、長時間、高分辨率的SAR產(chǎn)品在自然條件較為惡劣的多年凍土區(qū)有著較大的應(yīng)用需求，地表形變產(chǎn)品的推出會加速多年凍土形變的研究。最后，隨著研究的不斷深入，InSAR不僅僅局限于對多年凍土形變監(jiān)測的應(yīng)用，還要不斷挖掘其潛力，應(yīng)用于更多的研究領(lǐng)域中。地表形變對于多年凍土退化［73-74］、全球變暖［75］、碳源碳匯轉(zhuǎn)變［76］研究都有著重要的意義，值得不斷深入的研究與探索。

4 結(jié)論

由于SAR數(shù)據(jù)種類的不斷增多和算法的不斷進(jìn)步，InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，對于多年凍土區(qū)大范圍連續(xù)的地表形變監(jiān)測及形變原理研究迫在眉睫。通過總結(jié)前人的研究，發(fā)現(xiàn)：

（1）InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)地表形變監(jiān)測方面有著較好的應(yīng)用，在歐洲、中國青藏高原、俄羅斯、美國阿拉斯加、加拿大等地都獲取了大范圍的多年凍土形變結(jié)果，且具有明顯的空間異質(zhì)性。多年凍土地表季節(jié)形變量大的區(qū)域主要集中在土壤含水量大或人類活動較多的公路鐵路沿線地區(qū)，而氣候較為寒冷干燥土壤含水量低的地區(qū)季節(jié)形變量較小。年際形變量較大的地區(qū)主要分布在富冰多年凍土區(qū)，多年凍土上限附近的地下冰在氣候變暖背景下不斷融化造成了地表出現(xiàn)年際下沉的趨勢，例如阿拉斯加北部及青藏高原北麓河地區(qū)。隨著SAR衛(wèi)星產(chǎn)品的不斷增加及InSAR技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們可以獲取更高的時空分辨率及更加準(zhǔn)確的多年凍土區(qū)地表形變信息。

（2）由于多年凍土區(qū)下墊面條件有所差異，因此不同波段的SAR數(shù)據(jù)在不同區(qū)域的適用效果是不同的。波長較短的SAR產(chǎn)品在土壤干燥、植被覆蓋度較低的地區(qū)效果較好。而波長較長的SAR產(chǎn)品在含水量高、植被條件較好的地區(qū)準(zhǔn)確性更高，在地形起伏較大或融凍泥流造成較大形變的情況下會有更好的表現(xiàn)，但對DEM數(shù)據(jù)的精度要求更高，同時高緯度地區(qū)電離層對L波段的SAR數(shù)據(jù)影響較大。因此選取合適的SAR產(chǎn)品在形變研究中極為重要。

（3）隨著衛(wèi)星產(chǎn)品的不斷增加和處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，InSAR在多年凍土區(qū)有著更好的應(yīng)用前景，但也存在著許多問題亟待解決。失相干、相位解纏錯誤及大氣對信號的干擾等問題都需要科學(xué)家對算法不斷改進(jìn)，尋求更優(yōu)的方案。同時多年凍土區(qū)形變研究也需要更好的數(shù)據(jù)獲取渠道及下載速度，由于一些產(chǎn)品處于收費(fèi)的狀態(tài)，影響了數(shù)據(jù)在形變監(jiān)測中的應(yīng)用。最重要的是，利用InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)監(jiān)測地表形變需要掌握必要的多年凍土理論知識，對于多年凍土形變及活動層變化的機(jī)理及過程有著較為清楚地認(rèn)識，這樣才能不斷推動這項(xiàng)技術(shù)在多年凍土區(qū)應(yīng)用、進(jìn)步和發(fā)展。