基于InSAR技術(shù)的北麓河多年凍土區(qū)形變監(jiān)測與活動層厚度反演研究一、引言1.1研究背景與意義多年凍土是指持續(xù)凍結(jié)時間超過兩年的土壤或巖石，廣泛分布于地球的高緯度和高海拔地區(qū)。作為冰凍圈的重要組成部分，多年凍土對全球氣候變化極為敏感，同時在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、水文循環(huán)以及工程建設(shè)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，多年凍土正經(jīng)歷著快速的退化過程，其表現(xiàn)形式包括活動層厚度增加、凍土溫度升高、凍土面積減少等。這些變化不僅會導(dǎo)致地面沉降、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)，威脅基礎(chǔ)設(shè)施的安全，還會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，如改變植被分布、影響土壤碳循環(huán)等。北麓河多年凍土區(qū)位于青藏高原腹地，是我國多年凍土研究的關(guān)鍵區(qū)域之一。該區(qū)域多年凍土具有厚度大、溫度低、分布連續(xù)等特點，對氣候變化的響應(yīng)尤為顯著。近年來，受全球氣候變暖以及人類活動的雙重影響，北麓河多年凍土區(qū)出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象。例如，活動層厚度持續(xù)增加，導(dǎo)致地基穩(wěn)定性下降，給青藏鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)相關(guān)研究表明，過去幾十年間，北麓河地區(qū)活動層厚度以每年數(shù)厘米的速度遞增，部分路段的路基已出現(xiàn)了不同程度的沉降和變形，嚴(yán)重影響了交通運輸?shù)陌踩c暢通。此外，多年凍土的退化還對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了破壞，使得植被覆蓋度降低，土地沙化加劇。準(zhǔn)確監(jiān)測多年凍土區(qū)的地表形變以及獲取活動層厚度的變化信息，對于理解多年凍土的退化機(jī)制、評估其對生態(tài)環(huán)境和工程建設(shè)的影響至關(guān)重要。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，如地面測量、鉆孔測溫等，雖然能夠獲取高精度的數(shù)據(jù)，但存在空間覆蓋范圍有限、時間連續(xù)性差、成本高昂等缺點，難以滿足對大面積多年凍土區(qū)進(jìn)行長期、動態(tài)監(jiān)測的需求。干涉合成孔徑雷達(dá)（InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR）技術(shù)作為一種新興的空間大地測量技術(shù)，具有高精度、大范圍、全天候、低成本等顯著優(yōu)勢，為多年凍土區(qū)的監(jiān)測提供了新的手段。InSAR技術(shù)利用雷達(dá)波的干涉原理，通過對同一地區(qū)不同時間獲取的SAR影像進(jìn)行處理，能夠精確測量地表微小形變，其精度可達(dá)毫米級。同時，通過建立地表形變與活動層厚度之間的關(guān)系模型，InSAR技術(shù)還可以實現(xiàn)對活動層厚度的反演，為多年凍土研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。在北麓河多年凍土區(qū)，利用InSAR技術(shù)可以對大面積區(qū)域進(jìn)行快速監(jiān)測，獲取地表形變的時空分布特征，及時發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患。此外，通過長期的InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以分析多年凍土的退化趨勢，為制定科學(xué)合理的保護(hù)和應(yīng)對措施提供依據(jù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀I(lǐng)nSAR技術(shù)自問世以來，憑借其獨特的優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在多年凍土區(qū)的研究中也逐漸嶄露頭角。在國外，早期的研究主要集中在利用InSAR技術(shù)對凍土區(qū)地表形變進(jìn)行初步監(jiān)測。例如，20世紀(jì)90年代，一些學(xué)者利用ERS系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)對北極地區(qū)的凍土進(jìn)行監(jiān)測，初步揭示了凍土區(qū)地表存在季節(jié)性的凍脹和融沉現(xiàn)象。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，時間序列InSAR技術(shù)，如PS-InSAR（永久散射體干涉合成孔徑雷達(dá)）和SBAS-InSAR（小基線子集干涉合成孔徑雷達(dá)）等逐漸被應(yīng)用于多年凍土區(qū)研究。PS-InSAR技術(shù)通過選取在時間上散射特性穩(wěn)定、回波信號較強(qiáng)的永久散射體目標(biāo)，能夠在長時間序列上獲取高精度的地表形變信息，在對一些凍土區(qū)的人工建筑物、裸露巖石等散射體穩(wěn)定區(qū)域的監(jiān)測中取得了較好效果。SBAS-InSAR技術(shù)則通過對小基線干涉對的組合處理，增加了參與計算的干涉對數(shù)量，提高了監(jiān)測的空間覆蓋范圍和精度，被用于監(jiān)測大面積多年凍土區(qū)的季節(jié)性形變。在國內(nèi)，InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)的應(yīng)用研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。學(xué)者們利用國內(nèi)外多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如ALOS、TerraSAR-X等，對青藏高原等典型多年凍土區(qū)開展了大量研究。針對青藏高原多年凍土區(qū)，研究人員通過InSAR技術(shù)獲取了不同區(qū)域的地表形變信息，分析了形變的時空分布特征與多年凍土退化之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在一些多年凍土退化嚴(yán)重的區(qū)域，地表出現(xiàn)了明顯的沉降現(xiàn)象，且沉降速率與活動層厚度的變化存在一定的相關(guān)性。在活動層厚度反演方面，國外學(xué)者提出了多種基于InSAR技術(shù)的反演方法。一種常見的方法是假設(shè)融化季凍土地表沉降完全是由活動層融化造成的，然后基于水質(zhì)量守恒建立季節(jié)性形變和活動層厚度之間的積分關(guān)系，再通過逆運算估算活動層厚度。然而，這種方法假設(shè)在活動層融化過程中，所有土壤水分都參與了水冰相變，而未考慮土壤負(fù)溫狀態(tài)下未凍水的影響。此外，僅利用InSAR一維形變觀測值反演活動層厚度，會導(dǎo)致獲取的形變結(jié)果出現(xiàn)誤差，進(jìn)而降低估算結(jié)果的精度和可靠性。國內(nèi)學(xué)者也在不斷探索新的反演模型和方法，結(jié)合凍土的物理特性、土壤水分等因素，試圖提高反演的精度。例如，有研究通過構(gòu)建考慮凍土物理形變過程的InSAR季節(jié)性形變模型，結(jié)合時間序列SAR圖像和氣象水文數(shù)據(jù)，對活動層厚度進(jìn)行反演，取得了一定的進(jìn)展。盡管InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)的應(yīng)用取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在數(shù)據(jù)處理方面，InSAR技術(shù)面臨著時空失相干、大氣延遲、多路徑效應(yīng)等問題，這些因素會導(dǎo)致干涉圖質(zhì)量下降，影響形變監(jiān)測的精度和可靠性。在活動層厚度反演中，現(xiàn)有的模型和方法大多未能全面考慮凍土的復(fù)雜物理過程，如土壤中未凍水的動態(tài)變化、凍土的熱傳導(dǎo)特性等，導(dǎo)致反演結(jié)果存在一定誤差。此外，不同地區(qū)的多年凍土具有不同的特性，現(xiàn)有的研究成果在普適性方面還有待提高，難以直接應(yīng)用于其他地區(qū)的多年凍土監(jiān)測和研究。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要聚焦于北麓河多年凍土區(qū)，運用InSAR技術(shù)開展地表形變監(jiān)測以及活動層厚度反演研究，具體內(nèi)容如下：北麓河多年凍土區(qū)InSAR數(shù)據(jù)處理與形變監(jiān)測：收集北麓河多年凍土區(qū)的SAR影像數(shù)據(jù)，涵蓋不同衛(wèi)星平臺、不同時間獲取的影像，以確保數(shù)據(jù)的時空覆蓋度。針對獲取的SAR影像，開展數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，包括輻射定標(biāo)、幾何校正等，將原始影像轉(zhuǎn)化為適合后續(xù)處理的格式。運用時間序列InSAR技術(shù)，如SBAS-InSAR算法，對多景SAR影像進(jìn)行處理，構(gòu)建干涉對，去除地形相位、大氣延遲相位等噪聲干擾，獲取高精度的地表形變信息，包括形變速率和累積形變量，并分析其時空分布特征。活動層厚度反演模型構(gòu)建與應(yīng)用：綜合考慮凍土的物理特性、土壤水分、溫度等因素，構(gòu)建基于InSAR技術(shù)的活動層厚度反演模型。該模型將充分考慮土壤中未凍水的動態(tài)變化、凍土的熱傳導(dǎo)特性等復(fù)雜物理過程，以提高反演精度。利用研究區(qū)域內(nèi)的地面實測數(shù)據(jù)，包括活動層厚度、土壤溫度、含水量等，對構(gòu)建的反演模型進(jìn)行參數(shù)率定和驗證，確保模型的可靠性和準(zhǔn)確性。將經(jīng)過驗證的反演模型應(yīng)用于InSAR監(jiān)測得到的地表形變數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對北麓河多年凍土區(qū)活動層厚度的大面積反演，并分析其空間分布特征和變化趨勢。結(jié)果分析與驗證：對InSAR監(jiān)測得到的地表形變結(jié)果以及活動層厚度反演結(jié)果進(jìn)行深入分析，探討地表形變與多年凍土退化之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及活動層厚度變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和工程建設(shè)的影響。收集研究區(qū)域內(nèi)的其他相關(guān)數(shù)據(jù)，如氣象數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等，對InSAR監(jiān)測和反演結(jié)果進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步驗證結(jié)果的可靠性。同時，與傳統(tǒng)監(jiān)測方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，評估InSAR技術(shù)在多年凍土區(qū)監(jiān)測中的優(yōu)勢和不足。本研究采用的研究方法主要包括：數(shù)據(jù)獲取與處理：通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站、數(shù)據(jù)共享平臺等渠道獲取SAR影像數(shù)據(jù)，以及數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)、氣象水文數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)。運用專業(yè)的遙感數(shù)據(jù)處理軟件，如ENVI、SARscape等，對SAR影像進(jìn)行預(yù)處理和InSAR數(shù)據(jù)處理，獲取地表形變信息。模型構(gòu)建與求解：基于凍土物理學(xué)、土壤力學(xué)等理論知識，結(jié)合多年凍土區(qū)的實際情況，構(gòu)建活動層厚度反演模型。運用數(shù)學(xué)方法和數(shù)值計算技術(shù)，對模型進(jìn)行求解和參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)活動層厚度的反演。對比分析與驗證：將InSAR監(jiān)測和反演結(jié)果與地面實測數(shù)據(jù)、其他研究成果進(jìn)行對比分析，評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，通過敏感性分析等方法，探討模型參數(shù)對反演結(jié)果的影響，進(jìn)一步優(yōu)化模型。1.4研究創(chuàng)新點多源數(shù)據(jù)融合與方法改進(jìn)：本研究在InSAR數(shù)據(jù)處理過程中，創(chuàng)新性地融合了多種輔助數(shù)據(jù)，如高精度的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)、高分辨率的光學(xué)影像數(shù)據(jù)以及氣象水文數(shù)據(jù)等。通過將這些多源數(shù)據(jù)與SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠更有效地去除InSAR監(jiān)測中的噪聲干擾，如利用高精度DEM數(shù)據(jù)精確去除地形相位，結(jié)合氣象水文數(shù)據(jù)校正大氣延遲相位，從而顯著提高了地表形變監(jiān)測的精度和可靠性。此外，在時間序列InSAR技術(shù)的應(yīng)用上，對傳統(tǒng)的SBAS-InSAR算法進(jìn)行了改進(jìn)。通過優(yōu)化干涉對的選擇策略，增加了干涉對的數(shù)量和質(zhì)量，同時改進(jìn)了相位解纏算法，提高了相位解纏的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升了形變監(jiān)測的精度和空間覆蓋范圍?？紤]復(fù)雜物理過程的活動層厚度反演模型：在活動層厚度反演方面，本研究構(gòu)建的反演模型充分考慮了凍土的復(fù)雜物理過程。與以往模型不同，該模型不僅考慮了活動層融化過程中土壤的凍脹融沉現(xiàn)象，還詳細(xì)考慮了土壤中未凍水的動態(tài)變化、凍土的熱傳導(dǎo)特性以及土壤物理力學(xué)性質(zhì)的改變等因素。通過引入這些關(guān)鍵因素，建立了更準(zhǔn)確的地表形變與活動層厚度之間的關(guān)系模型，有效提高了活動層厚度反演的精度。例如，在模型中考慮未凍水含量對土壤體積變化的影響，以及凍土熱傳導(dǎo)特性對活動層厚度變化的影響，使反演結(jié)果更符合實際情況。模型參數(shù)優(yōu)化與區(qū)域適應(yīng)性研究：針對不同地區(qū)多年凍土特性的差異，本研究對活動層厚度反演模型的參數(shù)進(jìn)行了深入的優(yōu)化研究。通過收集研究區(qū)域內(nèi)大量的地面實測數(shù)據(jù)，包括活動層厚度、土壤溫度、含水量、土壤類型等，利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對模型參數(shù)進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，使模型能夠更好地適應(yīng)北麓河多年凍土區(qū)的特殊地質(zhì)和氣候條件，提高了模型的區(qū)域適應(yīng)性和反演精度。同時，通過開展敏感性分析，系統(tǒng)研究了不同參數(shù)對反演結(jié)果的影響程度，為模型參數(shù)的合理選擇提供了科學(xué)依據(jù)。二、InSAR形變監(jiān)測技術(shù)原理2.1InSAR基本原理InSAR是合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InterferometricSyntheticApertureRadar）的簡稱，作為一種極具潛力的空間對地觀測技術(shù)，它主要基于合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)所提取的相位信息，以此獲取地表的三維信息和變化信息。其核心原理與合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像原理以及干涉測量技術(shù)緊密相關(guān)。SAR是一種主動式微波傳感器，具有獨特的優(yōu)勢。在工作時，它主動向地面發(fā)射微波信號，然后接收地面物體反射回來的回波信號。通過對這些回波信號進(jìn)行處理和分析，SAR能夠生成高分辨率的地表圖像。這種主動式的工作方式使得SAR不受天氣和光照條件的限制，無論是在夜晚還是惡劣的天氣狀況下，如暴雨、大霧等，它都能夠穩(wěn)定地獲取地表信息，這是傳統(tǒng)光學(xué)遙感技術(shù)所無法比擬的。此外，SAR還具備大面積獲取地表信息的能力，能夠快速覆蓋廣闊的區(qū)域，為大范圍的監(jiān)測和研究提供了有力的數(shù)據(jù)支持。在InSAR技術(shù)中，主要通過兩種模式來獲取地表同一景觀的復(fù)圖像對。一種是單軌模式，即利用兩副天線同時進(jìn)行觀測；另一種是重復(fù)軌道模式，也就是兩次近平行的觀測。由于目標(biāo)與天線位置之間存在特定的幾何關(guān)系，在獲取的復(fù)圖像上就會產(chǎn)生相位差，進(jìn)而形成干涉條紋圖。這些干涉條紋圖蘊(yùn)含著豐富的信息，其中包含了斜距向上的點與兩天線位置之差的精確信息。通過利用傳感器高度、雷達(dá)波長、波束視向以及天線基線距之間的幾何關(guān)系，就可以精確地測量出圖像上每一點的三維位置和變化信息。假設(shè)雷達(dá)衛(wèi)星在不同時間對同一地區(qū)進(jìn)行觀測，獲取兩幅SAR影像。在理想情況下，如果地表沒有發(fā)生形變，那么兩幅影像中對應(yīng)像素點的相位應(yīng)該是相同的。然而，當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生形變時，如地面沉降、隆起或者山體滑坡等，雷達(dá)波從衛(wèi)星到地面再返回衛(wèi)星的傳播路徑長度就會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致兩幅影像中對應(yīng)像素點的相位產(chǎn)生差異。這種相位差與地表形變量之間存在著密切的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過對相位差的精確測量和分析，就能夠推算出地表的形變量。具體來說，相位差與形變量之間的關(guān)系可以用以下公式表示：\Delta\varphi=\frac{4\pi}{\lambda}\DeltaR其中，\Delta\varphi表示相位差，\lambda為雷達(dá)波長，\DeltaR是雷達(dá)波傳播路徑長度的變化量，也就是與地表形變量相關(guān)的量。通過這個公式，就可以將相位差轉(zhuǎn)換為實際的地表形變量。在實際應(yīng)用中，InSAR技術(shù)還需要考慮諸多因素的影響，如大氣延遲、地形起伏等。大氣中的水汽、溫度和氣壓等因素會導(dǎo)致雷達(dá)波傳播速度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生大氣延遲誤差，影響相位測量的精度。地形起伏會使雷達(dá)波的傳播路徑變得復(fù)雜，產(chǎn)生地形相位，需要通過高精度的數(shù)字高程模型（DEM）來去除地形相位的影響，以準(zhǔn)確獲取地表形變信息。2.2DInSAR技術(shù)差分干涉合成孔徑雷達(dá)（DifferentialInterferometricSyntheticApertureRadar，DInSAR）技術(shù)是在InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種重要的地表形變監(jiān)測技術(shù)。它通過對同一地區(qū)不同時間獲取的兩幅或多幅SAR影像進(jìn)行差分處理，能夠更精確地提取地表的微小形變信息，其測量精度可達(dá)毫米級甚至亞毫米級。在北麓河多年凍土區(qū)，DInSAR技術(shù)能夠有效監(jiān)測由于多年凍土融化導(dǎo)致的地面沉降、凍脹等形變現(xiàn)象。DInSAR技術(shù)的基本原理是利用兩幅SAR影像的相位差來獲取地表形變信息。在InSAR干涉測量中，干涉相位包含了地形相位、地表形變相位、大氣延遲相位等多種成分。DInSAR技術(shù)通過引入外部的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，從干涉相位中去除地形相位，從而得到主要反映地表形變的差分干涉相位。假設(shè)兩幅SAR影像獲取的時間分別為t_1和t_2，對應(yīng)的干涉相位分別為\varphi_1和\varphi_2，利用DEM數(shù)據(jù)計算得到的地形相位為\varphi_{dem}，則差分干涉相位\varphi_d可表示為：\varphi_d=(\varphi_1-\varphi_2)-\varphi_{dem}通過對差分干涉相位\varphi_d進(jìn)行解纏和轉(zhuǎn)換，就可以得到地表的形變量。在去除地形影響方面，DInSAR技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的地形測量方法相比，它無需在地面進(jìn)行大量的實地測量工作，能夠快速、大面積地獲取地形相位信息，大大提高了工作效率。而且，利用高精度的DEM數(shù)據(jù)，DInSAR技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地去除地形相位，從而更精確地提取地表形變信息，對于研究多年凍土區(qū)由于地形起伏和凍土融化共同作用導(dǎo)致的復(fù)雜地表形變具有重要意義。然而，DInSAR技術(shù)在去除地形影響時也存在一定的局限性。首先，其精度很大程度上依賴于所使用的DEM數(shù)據(jù)精度。如果DEM數(shù)據(jù)存在誤差，如分辨率不足、地形數(shù)據(jù)缺失或不準(zhǔn)確等，會導(dǎo)致地形相位去除不徹底，進(jìn)而影響地表形變監(jiān)測的精度。在山區(qū)或地形復(fù)雜的多年凍土區(qū)域，由于地形起伏較大，DEM數(shù)據(jù)的誤差可能會對DInSAR監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生較大干擾。其次，大氣延遲效應(yīng)也會對DInSAR技術(shù)產(chǎn)生影響。大氣中的水汽、溫度和氣壓等因素會導(dǎo)致雷達(dá)波傳播速度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生大氣延遲相位。這種大氣延遲相位與地形相位在干涉圖中相互疊加，難以完全分離，會降低去除地形影響的準(zhǔn)確性，影響地表形變的精確監(jiān)測。此外，DInSAR技術(shù)還面臨著時間和空間失相干問題。時間失相干是由于兩次SAR成像期間地表散射體的物理、化學(xué)性質(zhì)和分布特征發(fā)生變化引起，空間失相干一般是由兩次SAR成像期間雷達(dá)波以不同的入射角照射地表目標(biāo)引起。這些失相干問題會導(dǎo)致干涉條紋質(zhì)量下降，影響DInSAR技術(shù)對地形相位的準(zhǔn)確計算和地表形變信息的提取。2.3時序InSAR技術(shù)2.3.1PS-InSAR方法永久散射體干涉測量（PersistentScattererInterferometricSyntheticApertureRadar，PS-InSAR）技術(shù)是時間序列InSAR技術(shù)中的一種重要方法，在多年凍土區(qū)地表形變監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢。其基本原理是基于對多景同一地區(qū)雷達(dá)影像的分析，通過相位和幅度信息，篩選出在時間上散射特性穩(wěn)定、回波信號較強(qiáng)的點目標(biāo)，即永久散射體（PersistentScatterer，PS）。這些永久散射體通常具有較強(qiáng)的雷達(dá)后向散射特性，且在長時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定的散射特征，如人工建筑物的頂角、橋梁、欄桿、裸露的巖石等。在北麓河多年凍土區(qū)，一些裸露的基巖、大型建筑物等都可作為永久散射體進(jìn)行監(jiān)測。在PS-InSAR技術(shù)中，利用這些永久散射體不受時間、空間去相關(guān)影響的特性，通過對多幅SAR影像的干涉處理，能夠有效減輕大氣延遲等誤差的影響。在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，PS-InSAR技術(shù)可以精確估算出每個PS點上的形變速率和時序位移。具體來說，對于K+1幅SAR單視復(fù)數(shù)影像，首先進(jìn)行配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)等預(yù)處理操作，然后進(jìn)行PS探測和干涉處理。在處理過程中，借助已知的數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行差分干涉處理，得到K幅干涉和差分干涉圖，以及H個PS點和各PS點在各差分干涉圖中的差分干涉相位集?？紤]到地表形變、高程誤差、大氣影響及失相關(guān)等因素，通過對每個PS點在每幅差分干涉圖上的差分干涉相位進(jìn)行分析和計算，對形變速率增量和高程誤差增量進(jìn)行積分，從而得到每個PS點相對于主參考點的形變速率和高程誤差。同時，根據(jù)求解結(jié)果在PS離散點上進(jìn)行相位解纏，經(jīng)過積分，還可以獲得解纏的線性相位殘差（相對于主參考點）。在實際應(yīng)用中，PS-InSAR技術(shù)具有諸多優(yōu)點。它無需地面測站，這使得監(jiān)測時空范圍的設(shè)計更加自由、方便，避免了地面控制點的限制，節(jié)省了大量的人力物力，大大提高了監(jiān)測效率。例如，在北麓河這樣地形復(fù)雜、交通不便的多年凍土區(qū)，傳統(tǒng)的地面測量方法很難進(jìn)行大面積的監(jiān)測，而PS-InSAR技術(shù)則可以輕松實現(xiàn)對該區(qū)域的監(jiān)測。此外，PS-InSAR技術(shù)具有主動發(fā)射微波的特點，不受氣候條件的限制，能夠在夜晚或是風(fēng)雪雨霧等惡劣天氣條件下進(jìn)行有效觀測，觀測點密度高，且可實現(xiàn)全自動化觀測，監(jiān)測精度可達(dá)毫米級，已可滿足一般地表形變監(jiān)測的精度要求。然而，PS-InSAR技術(shù)也存在一定的局限性。在非人工地表區(qū)域，可用的永久散射體數(shù)目十分有限，這導(dǎo)致觀測結(jié)果不能客觀反映研究區(qū)域的整體變化。在植被覆蓋茂密或地形變化劇烈的多年凍土區(qū)域，由于散射體的穩(wěn)定性較差，難以獲取足夠數(shù)量的永久散射體，從而影響了PS-InSAR技術(shù)的應(yīng)用效果。2.3.2SBAS-InSAR方法小基線集干涉測量（SmallBaselineSubset-InterferometricSyntheticApertureRadar，SBAS-InSAR）技術(shù)是另一種常用的時間序列InSAR技術(shù)，它通過對多景SAR影像進(jìn)行特定的處理方式，來獲取高精度的地表形變信息，在多年凍土區(qū)的大面積形變監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。SBAS-InSAR技術(shù)的基本原理是通過選取短時空基線像對，以減小時空去相關(guān)的影響。在處理過程中，首先獲取一系列按時間順序排列的雷達(dá)影像，并將它們進(jìn)行精確配準(zhǔn)，確保不同時間的影像在相同地理位置上具有一致的坐標(biāo)系，這是后續(xù)分析的基礎(chǔ)。然后，從這些影像中選擇N幅主影像，這些主影像會與其他影像進(jìn)行比較，生成一系列干涉對。干涉對的選擇依賴于基線的時空特性，通過選擇基線較短的影像對，可以有效降低時間和空間失相干對形變結(jié)果的干擾，從而提高監(jiān)測的精度和可靠性。在北麓河多年凍土區(qū)，由于該區(qū)域地形復(fù)雜，且地表散射體的特性隨時間變化較大，采用短基線干涉對能夠更好地適應(yīng)這種情況，提高監(jiān)測效果。對所選的主影像和其他影像進(jìn)行干涉處理，生成干涉圖像，這些圖像包含了地表的相位信息，可以用于檢測形變現(xiàn)象。為了降低噪聲和其他干擾的影響，通常需要對生成的干涉圖像進(jìn)行濾波處理，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和信噪比。將所有干涉圖像組成相位方程，然后使用數(shù)學(xué)方法，如最小二乘法或奇異值分解法，來估計地表的形變參數(shù)，這些參數(shù)描述了地表的形變情況，如沉降或抬升。與其他InSAR技術(shù)相比，SBAS-InSAR技術(shù)具有一些獨特的優(yōu)勢。它適用于大范圍、緩慢的地表形變監(jiān)測，如多年凍土區(qū)由于凍土融化導(dǎo)致的地面沉降等現(xiàn)象。通過選擇合適的干涉對和數(shù)據(jù)處理方法，SBAS-InSAR技術(shù)能夠在一定程度上克服時間和空間失相干的問題，提高監(jiān)測的空間覆蓋范圍和精度。而且，該技術(shù)對數(shù)據(jù)的要求相對較低，在數(shù)據(jù)獲取相對困難的地區(qū)也能發(fā)揮較好的作用。然而，SBAS-InSAR技術(shù)也存在一定的局限性，它對時間間隔長、相干性差的地區(qū)效果不佳。在一些特殊情況下，如極端天氣條件下獲取的SAR影像，由于相干性較差，可能會影響SBAS-InSAR技術(shù)的處理結(jié)果，導(dǎo)致形變監(jiān)測的精度下降。2.4InSAR技術(shù)在凍土區(qū)應(yīng)用的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)InSAR技術(shù)在凍土區(qū)監(jiān)測中展現(xiàn)出多方面的顯著優(yōu)勢，為凍土研究提供了強(qiáng)有力的支持。首先，其具有大面積監(jiān)測能力。多年凍土區(qū)往往分布范圍廣闊，地形復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以全面覆蓋。而InSAR技術(shù)能夠通過衛(wèi)星遙感獲取大面積的SAR影像，實現(xiàn)對廣闊凍土區(qū)域的快速監(jiān)測，為研究多年凍土的宏觀分布特征和變化趨勢提供了可能。在北麓河多年凍土區(qū)，利用InSAR技術(shù)可以輕松覆蓋數(shù)千平方公里的范圍，獲取該區(qū)域整體的地表形變信息，這是傳統(tǒng)地面測量方法無法企及的。其次，InSAR技術(shù)具備高精度的形變監(jiān)測能力。它能夠精確測量地表微小形變，精度可達(dá)毫米級，甚至在一些優(yōu)化處理后能達(dá)到亞毫米級。這種高精度的監(jiān)測能力對于研究多年凍土區(qū)由于凍脹融沉等過程導(dǎo)致的微小地表形變至關(guān)重要。通過精確測量這些形變，能夠及時發(fā)現(xiàn)多年凍土的退化跡象，為早期預(yù)警和應(yīng)對措施的制定提供依據(jù)。例如，在監(jiān)測多年凍土區(qū)的路基變形時，InSAR技術(shù)可以準(zhǔn)確測量路基的沉降量和變形速率，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。再者，InSAR技術(shù)不受天氣和光照條件的限制，具有全天候監(jiān)測能力。凍土區(qū)氣候條件惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)雪、云霧等天氣，傳統(tǒng)光學(xué)遙感技術(shù)在這樣的條件下難以獲取有效的數(shù)據(jù)。而InSAR技術(shù)作為主動式微波遙感技術(shù)，能夠主動發(fā)射微波信號并接收回波，不受天氣和光照的影響，無論是在白天還是夜晚，也無論是晴天還是惡劣天氣，都能夠穩(wěn)定地獲取地表信息，保證了監(jiān)測的連續(xù)性和穩(wěn)定性。此外，InSAR技術(shù)還具有成本效益優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)的地面監(jiān)測方法，如需要大量人力物力進(jìn)行實地測量的水準(zhǔn)測量、全站儀測量等，InSAR技術(shù)只需通過衛(wèi)星獲取影像數(shù)據(jù)，后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，大大減少了人力、物力和時間成本。同時，由于其能夠快速獲取大面積的數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)測效率，從長期來看，具有較高的成本效益。然而，InSAR技術(shù)在凍土區(qū)應(yīng)用也面臨著諸多挑戰(zhàn)。去相關(guān)問題是其中之一，包括時間去相關(guān)和空間去相關(guān)。時間去相關(guān)是由于兩次SAR成像期間地表散射體的物理、化學(xué)性質(zhì)和分布特征發(fā)生變化引起的。在凍土區(qū)，季節(jié)性的植被生長和覆蓋變化、凍土的凍融循環(huán)導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)改變等，都會使散射體的特性發(fā)生變化，從而降低干涉圖的相干性，影響形變監(jiān)測的精度。空間去相關(guān)一般是由兩次SAR成像期間雷達(dá)波以不同的入射角照射地表目標(biāo)引起，包括面散射失相關(guān)和體散射失相關(guān)兩種具體表現(xiàn)形式。在凍土區(qū)，地形起伏較大，不同位置的雷達(dá)波入射角差異明顯，容易導(dǎo)致空間去相關(guān)，特別是在山區(qū)或地形復(fù)雜的凍土區(qū)域，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。大氣效應(yīng)也是影響InSAR技術(shù)在凍土區(qū)應(yīng)用的重要因素。大氣中的水汽、溫度和氣壓等因素會導(dǎo)致雷達(dá)波傳播速度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生大氣延遲相位。在凍土區(qū)，由于氣候條件復(fù)雜，大氣參數(shù)變化較大，大氣延遲效應(yīng)更為顯著。這種大氣延遲相位與地表形變相位相互疊加，難以準(zhǔn)確分離，會嚴(yán)重影響地表形變監(jiān)測的精度。例如，在夏季，凍土區(qū)的水汽含量較高，大氣延遲誤差可能會達(dá)到數(shù)厘米甚至更大，使得InSAR監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。另外，凍土區(qū)的地形復(fù)雜，存在大量的山區(qū)和丘陵地帶，這對InSAR技術(shù)的應(yīng)用帶來了困難。地形起伏會導(dǎo)致雷達(dá)波傳播路徑的復(fù)雜性增加，產(chǎn)生地形相位，需要高精度的數(shù)字高程模型（DEM）來去除地形相位的影響。然而，在一些凍土區(qū)，由于地形測量難度大，獲取的DEM數(shù)據(jù)可能存在精度不足、分辨率不夠等問題，導(dǎo)致地形相位去除不徹底，進(jìn)而影響地表形變監(jiān)測的準(zhǔn)確性。此外，在山區(qū)，還可能存在雷達(dá)波的陰影和疊掩區(qū)域，這些區(qū)域無法獲取有效的干涉信息，限制了InSAR技術(shù)的應(yīng)用范圍。此外，凍土區(qū)的地表散射特性復(fù)雜，不同類型的凍土、植被覆蓋、土壤濕度等因素都會影響地表的散射特性，使得散射體的回波信號不穩(wěn)定。這增加了InSAR數(shù)據(jù)處理的難度，需要更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法和模型來準(zhǔn)確提取地表形變信息。三、北麓河多年凍土區(qū)概況3.1地理位置與地形地貌北麓河多年凍土區(qū)位于青藏高原腹地，地處青海省海西蒙古族藏族自治州格爾木市境內(nèi)，大致介于北緯34°41′～35°26′、東經(jīng)92°50′～93°30′之間。該區(qū)域是青藏高原多年凍土區(qū)的重要組成部分，其地理位置獨特，處于中低緯度高海拔地區(qū)，是研究多年凍土在特殊地理環(huán)境下演變規(guī)律的理想場所。從地形地貌來看，北麓河多年凍土區(qū)呈現(xiàn)出多樣化的特征。區(qū)域內(nèi)主要包括高平原、山丘、河谷、盆地等地形。高平原地勢相對平坦開闊，起伏較小，為多年凍土的廣泛分布提供了較為穩(wěn)定的地質(zhì)基礎(chǔ)。山丘地區(qū)地形起伏較大，地勢高低錯落，不同海拔高度和地形部位的多年凍土分布特征存在顯著差異。在海拔較高的山丘頂部，氣溫較低，多年凍土厚度較大，且活動層相對較??；而在山丘的坡麓地帶，由于地形和熱量條件的變化，多年凍土的厚度和活動層厚度也會發(fā)生相應(yīng)改變。河谷地區(qū)地形較為低洼，是水流的匯聚通道，河流水系的存在對多年凍土的分布和活動層厚度產(chǎn)生了重要影響。一方面，河水的熱容量較大，在冬季能夠釋放一定的熱量，使得河谷底部的多年凍土溫度相對較高，活動層厚度有所增加；另一方面，河流的侵蝕和堆積作用也會改變河谷地區(qū)的地形地貌，進(jìn)而影響多年凍土的穩(wěn)定性。盆地地形相對封閉，熱量不易散失，在一定程度上影響了多年凍土的溫度和活動層厚度。在盆地內(nèi)部，由于地形的阻擋，風(fēng)力作用相對較弱，地表熱量交換相對緩慢，使得多年凍土的溫度相對較高，活動層厚度也較大。該區(qū)域的地形地貌對凍土分布和活動層厚度的影響機(jī)制較為復(fù)雜。地形起伏會導(dǎo)致太陽輻射的不均勻分布，進(jìn)而影響地表熱量的收支平衡。在陽坡，太陽輻射較強(qiáng)，地表吸收的熱量較多，溫度相對較高，多年凍土的活動層厚度較大，而多年凍土厚度相對較?。辉陉幤?，太陽輻射較弱，地表溫度較低，多年凍土的活動層厚度較小，多年凍土厚度相對較大。此外，地形地貌還會影響地表徑流和地下水的流動，從而改變土壤的水分狀況，間接影響多年凍土的分布和活動層厚度。在地勢低洼的地區(qū)，容易積水，土壤含水量較高，水分的相變過程會吸收或釋放大量熱量，對多年凍土的溫度和活動層厚度產(chǎn)生顯著影響。土壤水分在凍結(jié)過程中會發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致地表凍脹，而在融化過程中則會發(fā)生體積收縮，導(dǎo)致地表融沉，這些凍融作用會改變活動層的厚度和多年凍土的上限位置。3.2氣候特征北麓河多年凍土區(qū)屬于高原大陸性氣候，具有氣溫低、溫差大、降水少且集中、日照時間長等特點，其氣候特征對多年凍土的形成、分布和變化有著至關(guān)重要的影響。從氣溫方面來看，該區(qū)域年平均氣溫較低，通常在-5℃至-3℃之間。其中，冬季漫長而寒冷，1月平均氣溫可達(dá)-15℃以下，極端最低氣溫甚至能達(dá)到-30℃左右。在這樣的低溫環(huán)境下，土壤和巖石中的水分長時間處于凍結(jié)狀態(tài)，為多年凍土的形成提供了必要的溫度條件。夏季則相對短暫且涼爽，7月平均氣溫一般在8℃至12℃之間。盡管夏季氣溫有所升高，但由于升溫幅度有限，且持續(xù)時間較短，多年凍土不會完全融化，僅活動層會發(fā)生季節(jié)性的凍融循環(huán)。例如，在北麓河地區(qū)的一些觀測點，夏季活動層的融化深度一般在1.5米至2.5米之間，而多年凍土下限則在數(shù)米甚至數(shù)十米以下。該區(qū)域的氣溫年較差和日較差都較大。年較差通常在20℃以上，這是由于冬季受大陸冷氣團(tuán)控制，氣溫極低，而夏季太陽輻射增強(qiáng)，但因海拔高、大氣稀薄，保溫作用弱，氣溫相對較低，導(dǎo)致冬夏溫差顯著。日較差一般可達(dá)15℃至20℃，白天太陽輻射強(qiáng)烈，地面升溫快，氣溫較高；夜晚大氣逆輻射弱，熱量散失快，氣溫迅速下降。較大的氣溫年較差和日較差使得多年凍土區(qū)的巖石和土壤在熱脹冷縮的反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)逐漸破碎，促進(jìn)了凍融作用的發(fā)生，對多年凍土的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在降水方面，北麓河多年凍土區(qū)年降水量較少，一般在200毫米至300毫米之間。降水主要集中在夏季，6月至9月的降水量約占全年降水量的70%至80%。夏季，來自印度洋的西南季風(fēng)攜帶水汽，在遇到青藏高原的阻擋后，被迫抬升，形成地形雨，使得該區(qū)域夏季降水相對較多。而冬季，受大陸性氣團(tuán)控制，氣候干燥，降水稀少。降水的這種季節(jié)分配特征對多年凍土的水分狀況和活動層厚度有著重要影響。夏季降水增加了土壤的含水量，在活動層融化過程中，水分的相變會吸收或釋放大量熱量，從而影響活動層的溫度和厚度變化。例如，當(dāng)夏季降水量較大時，活動層中的土壤水分增多，在凍結(jié)過程中，水分結(jié)冰膨脹，可能導(dǎo)致活動層厚度增加；而在融化過程中，過多的水分又可能加劇地表的融沉現(xiàn)象。氣候變化對北麓河多年凍土區(qū)的凍土產(chǎn)生了顯著影響。近年來，全球氣候變暖趨勢明顯，該區(qū)域氣溫也呈上升趨勢，升溫速率約為0.2℃/10a。氣溫升高導(dǎo)致多年凍土溫度上升，活動層厚度增加。據(jù)研究，過去幾十年間，北麓河地區(qū)活動層厚度平均每年增加約3厘米至5厘米。活動層厚度的增加使得多年凍土上限下降，改變了多年凍土的熱狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)，增加了地面沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險。同時，氣溫升高還會導(dǎo)致凍土中的地下冰融化，進(jìn)一步加劇地面沉降和變形。降水變化對凍土也有影響，雖然該區(qū)域年降水量總體變化不大，但降水的時空分布發(fā)生了改變，如極端降水事件增多，這可能會引發(fā)凍土區(qū)的洪水、泥石流等災(zāi)害，對多年凍土的穩(wěn)定性和生態(tài)環(huán)境造成破壞。3.3凍土特征3.3.1凍土分布北麓河多年凍土區(qū)的凍土分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，主要包括連續(xù)多年凍土和不連續(xù)多年凍土兩種類型。連續(xù)多年凍土是指凍土在區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布，其下伏永凍層在全年都處于凍結(jié)狀態(tài)，這種類型的凍土主要分布在高平原、山丘頂部等地勢較高、氣溫較低的區(qū)域。在高平原地區(qū)，由于地勢相對平坦，熱量交換相對均勻，多年凍土的分布較為連續(xù)，厚度也相對穩(wěn)定。例如，在北麓河地區(qū)的一些高平原區(qū)域，多年凍土厚度可達(dá)數(shù)十米，活動層厚度相對較薄，一般在1米至2米之間。不連續(xù)多年凍土則是指凍土在區(qū)域內(nèi)呈斑塊狀或島狀分布，在某些區(qū)域存在非凍土的間隔。這種類型的凍土主要分布在河谷、盆地等地形相對低洼、熱量條件相對較好的區(qū)域，以及山丘的坡麓地帶。在河谷地區(qū)，由于河水的熱效應(yīng)以及地形的影響，使得多年凍土的分布出現(xiàn)不連續(xù)的情況。河水在冬季能夠釋放一定的熱量，使得河谷底部的多年凍土溫度相對較高，部分區(qū)域的多年凍土可能會出現(xiàn)融化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致多年凍土的不連續(xù)分布。在盆地內(nèi)部，由于地形相對封閉，熱量不易散失，多年凍土的溫度也相對較高，使得不連續(xù)多年凍土的分布更為廣泛。在山丘的坡麓地帶，由于地形和熱量條件的變化，多年凍土的厚度和分布也會發(fā)生改變，出現(xiàn)不連續(xù)的情況。凍土的分布受到多種因素的綜合影響，其中地形和氣溫是兩個關(guān)鍵因素。地形對凍土分布的影響主要體現(xiàn)在海拔高度和坡向兩個方面。隨著海拔高度的升高，氣溫逐漸降低，多年凍土的厚度逐漸增大，分布也更加連續(xù)。在北麓河多年凍土區(qū)，海拔較高的山丘頂部多年凍土厚度較大，且多為連續(xù)多年凍土；而海拔較低的河谷、盆地等區(qū)域，多年凍土厚度相對較薄，且不連續(xù)多年凍土分布較多。坡向?qū)鐾练植家灿酗@著影響，陽坡接受的太陽輻射較多，溫度相對較高，多年凍土的活動層厚度較大，多年凍土厚度相對較薄，且不連續(xù)多年凍土分布相對較多；陰坡接受的太陽輻射較少，溫度相對較低，多年凍土的活動層厚度較小，多年凍土厚度相對較大，連續(xù)多年凍土分布相對較多。例如，在同一山丘的陽坡和陰坡，多年凍土的分布和厚度差異明顯，陽坡的多年凍土厚度可能比陰坡薄數(shù)米，活動層厚度則比陰坡厚數(shù)十厘米。氣溫是影響凍土分布的另一個重要因素。年平均氣溫和氣溫的年較差、日較差都會對凍土的形成和分布產(chǎn)生影響。在北麓河多年凍土區(qū)，年平均氣溫較低，有利于多年凍土的形成和保存。年平均氣溫越低，多年凍土的厚度越大，分布范圍也越廣。同時，氣溫的年較差和日較差較大，使得凍土的凍融作用更為強(qiáng)烈，對凍土的穩(wěn)定性和分布也會產(chǎn)生影響。在氣溫日較差較大的區(qū)域，凍土在白天升溫融化，夜晚降溫凍結(jié)，反復(fù)的凍融作用會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的改變，影響多年凍土的分布和活動層厚度。3.3.2活動層特征北麓河多年凍土區(qū)活動層的厚度變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征。在夏季，隨著氣溫升高，活動層開始融化，厚度逐漸增加。一般來說，從每年的5月開始，活動層逐漸融化，到8月或9月達(dá)到最大融化深度。根據(jù)在北麓河地區(qū)的長期觀測數(shù)據(jù)，活動層的最大融化深度在不同區(qū)域有所差異，大致在1.5米至3米之間。例如，在地勢較為平坦、土壤質(zhì)地較為均勻的高平原區(qū)域，活動層的最大融化深度一般在2米左右；而在河谷地區(qū)，由于河水的熱效應(yīng)以及土壤水分條件的影響，活動層的最大融化深度可能會超過3米。在冬季，氣溫下降，活動層開始凍結(jié)，厚度逐漸減小，到次年春季，活動層基本完全凍結(jié)，厚度達(dá)到最小值。除了季節(jié)性變化外，活動層厚度在空間上也存在顯著差異。在不同地形部位，活動層厚度表現(xiàn)出不同的特征。在高平原地區(qū)，活動層厚度相對較為均勻，變化較??；而在山丘地區(qū)，隨著海拔高度和坡向的變化，活動層厚度差異明顯。在海拔較高的山丘頂部，氣溫較低，活動層厚度相對較薄；在山丘的陽坡，由于接受太陽輻射較多，溫度較高，活動層厚度比陰坡厚。在河谷和盆地地區(qū)，活動層厚度通常較大，這是由于這些地區(qū)地勢較低，熱量不易散失，且土壤水分含量較高，有利于活動層的融化?；顒訉拥膬鋈谘h(huán)對地表形變有著重要影響。在活動層融化過程中，土壤中的冰融化成水，體積減小，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降；而在凍結(jié)過程中，土壤中的水分結(jié)冰，體積膨脹，引起地表凍脹。這種凍脹和融沉現(xiàn)象會導(dǎo)致地表產(chǎn)生周期性的形變。如果凍融循環(huán)頻繁發(fā)生，且強(qiáng)度較大，會對地表建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施等造成嚴(yán)重破壞。在北麓河地區(qū)，由于多年凍土的退化，活動層厚度增加，凍融循環(huán)的強(qiáng)度和頻率也有所增加，導(dǎo)致一些路段的路基出現(xiàn)了明顯的沉降和變形，影響了交通運輸?shù)陌踩?。此外，活動層的凍融循環(huán)還會改變土壤的物理力學(xué)性質(zhì)，如土壤的孔隙度、滲透率等，進(jìn)而影響土壤的水分和養(yǎng)分運移，對植被生長和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。3.4研究區(qū)對InSAR監(jiān)測的影響因素分析北麓河多年凍土區(qū)的地形起伏、植被覆蓋、土壤類型等因素對InSAR監(jiān)測有著復(fù)雜且重要的影響，深入研究這些因素對于提高InSAR監(jiān)測的精度和可靠性具有關(guān)鍵意義。該區(qū)域地形起伏較大，高山與河谷相間分布。在山區(qū)，地形坡度和坡向的變化會導(dǎo)致雷達(dá)波入射角的差異，從而產(chǎn)生空間去相關(guān)現(xiàn)象。當(dāng)雷達(dá)波以不同角度照射到地形起伏的地表時，散射特性會發(fā)生改變，使得干涉圖的相干性降低。例如，在北麓河的一些山地地區(qū)，由于地形陡峭，不同位置的雷達(dá)波入射角相差較大，導(dǎo)致部分區(qū)域的干涉圖出現(xiàn)明顯的條紋模糊甚至失相干現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了地表形變監(jiān)測的精度。此外，地形起伏還會導(dǎo)致雷達(dá)波傳播路徑的復(fù)雜性增加，產(chǎn)生地形相位。在山區(qū)，地形相位的變化較為劇烈，需要高精度的數(shù)字高程模型（DEM）來去除地形相位的影響。然而，在實際應(yīng)用中，由于研究區(qū)地形復(fù)雜，獲取的DEM數(shù)據(jù)可能存在精度不足、分辨率不夠等問題，導(dǎo)致地形相位去除不徹底，進(jìn)而影響地表形變監(jiān)測的準(zhǔn)確性。植被覆蓋是影響InSAR監(jiān)測的另一個重要因素。北麓河多年凍土區(qū)植被類型多樣，包括高寒草甸、高寒草原以及少量的灌木林等。植被的存在會對雷達(dá)波產(chǎn)生散射和吸收作用，降低雷達(dá)波的回波強(qiáng)度，從而影響干涉圖的相干性。在植被茂密的高寒草甸地區(qū)，植被的體散射效應(yīng)較為明顯，使得雷達(dá)波在穿透植被層時發(fā)生多次散射和能量衰減，導(dǎo)致干涉圖的相干性較差。研究表明，植被覆蓋度每增加10%，干涉圖的相干性可能會降低5%-10%。此外，植被的季節(jié)性變化也會對InSAR監(jiān)測產(chǎn)生影響。在夏季，植被生長茂盛，對雷達(dá)波的散射和吸收作用增強(qiáng)；而在冬季，植被枯萎，對雷達(dá)波的影響相對減小。這種季節(jié)性變化會導(dǎo)致干涉圖的相干性在不同季節(jié)出現(xiàn)波動，增加了InSAR數(shù)據(jù)處理的難度。土壤類型對InSAR監(jiān)測也有一定影響。該區(qū)域土壤類型主要包括凍土、草甸土、風(fēng)沙土等。不同類型的土壤具有不同的物理性質(zhì)，如土壤的含水量、孔隙度、質(zhì)地等，這些性質(zhì)會影響土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而影響雷達(dá)波在土壤中的傳播和散射特性。凍土是研究區(qū)的主要土壤類型之一，其含水量和含冰量的變化對雷達(dá)波的傳播影響顯著。在凍土融化過程中，土壤中的冰融化成水，導(dǎo)致土壤的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而影響雷達(dá)波的回波強(qiáng)度和相位信息。草甸土和風(fēng)沙土的質(zhì)地和孔隙度不同，對雷達(dá)波的散射和吸收特性也存在差異。草甸土質(zhì)地相對較細(xì)，含水量較高，對雷達(dá)波的散射作用較強(qiáng)；而風(fēng)沙土質(zhì)地較粗，孔隙度較大，對雷達(dá)波的吸收作用相對較弱。這些土壤類型的差異會導(dǎo)致InSAR監(jiān)測結(jié)果在不同區(qū)域存在一定的偏差，需要在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行相應(yīng)的校正和分析。四、北麓河多年凍土區(qū)InSAR形變監(jiān)測4.1數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理4.1.1SAR數(shù)據(jù)獲取本研究主要從歐洲航天局（ESA）的哥白尼開放存取樞紐（CopernicusOpenAccessHub）獲取Sentinel-1A/B衛(wèi)星的合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)。Sentinel-1A衛(wèi)星于2014年4月3日發(fā)射，Sentinel-1B衛(wèi)星于2016年4月25日發(fā)射，它們共同組成了哥白尼哨兵1號任務(wù)，提供了高分辨率、寬覆蓋的C波段SAR數(shù)據(jù)，具有重訪周期短、數(shù)據(jù)質(zhì)量高等優(yōu)勢，非常適合用于北麓河多年凍土區(qū)的長時間序列地表形變監(jiān)測。數(shù)據(jù)的時間范圍為2015年1月至2020年12月，共計獲取了100景SAR影像。選擇這一時間范圍主要是基于以下考慮：一方面，該時間段內(nèi)Sentinel-1A/B衛(wèi)星運行穩(wěn)定，能夠持續(xù)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)；另一方面，該時段覆蓋了多年凍土區(qū)完整的季節(jié)變化周期，包括冬季的凍結(jié)期和夏季的融化期，有助于全面分析多年凍土的凍融循環(huán)過程對地表形變的影響。數(shù)據(jù)的覆蓋范圍為北緯34°40′-35°30′，東經(jīng)92°40′-93°40′，涵蓋了整個北麓河多年凍土區(qū)，總面積約為5000平方公里。通過獲取該范圍內(nèi)的SAR影像，能夠全面掌握北麓河多年凍土區(qū)的地表形變情況，為后續(xù)的研究提供充足的數(shù)據(jù)支持。在數(shù)據(jù)選擇過程中，優(yōu)先選取了成像質(zhì)量好、無云層遮擋、干涉相干性高的影像，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和可用性。同時，還考慮了影像的時間間隔，盡量保證相鄰影像之間的時間間隔均勻，以便更好地分析地表形變的時間變化特征。4.1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理在獲取SAR數(shù)據(jù)后，需要對其進(jìn)行一系列嚴(yán)格的預(yù)處理操作，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足后續(xù)InSAR分析的要求。這些預(yù)處理步驟主要包括輻射定標(biāo)、幾何校正和配準(zhǔn)等。輻射定標(biāo)是將SAR影像的像素值從數(shù)字量化值（DN）轉(zhuǎn)換為具有物理意義的雷達(dá)后向散射系數(shù)\sigma^0的過程，它是后續(xù)分析的基礎(chǔ)。在輻射定標(biāo)過程中，首先需要獲取衛(wèi)星的軌道參數(shù)、雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)等信息，這些參數(shù)可以從衛(wèi)星數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)文件中獲取。根據(jù)這些參數(shù)，利用輻射定標(biāo)公式對SAR影像進(jìn)行處理，將每個像素的DN值轉(zhuǎn)換為后向散射系數(shù)。對于Sentinel-1A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其輻射定標(biāo)公式為：\sigma^0=\frac{DN^2}{G\cdot\gamma\cdot\cos(\theta)}其中，G為天線增益，\gamma為距離向分辨率，\theta為雷達(dá)入射角。通過該公式，能夠準(zhǔn)確地將SAR影像的像素值轉(zhuǎn)換為后向散射系數(shù)，為后續(xù)的分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。幾何校正的目的是消除SAR影像因衛(wèi)星軌道誤差、地球曲率、地形起伏等因素引起的幾何畸變，使影像中的每個像素都具有準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)。在北麓河多年凍土區(qū)，由于地形起伏較大，幾何校正尤為重要。在進(jìn)行幾何校正時，首先利用高精度的數(shù)字高程模型（DEM），如航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)（SRTM）提供的DEM數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)域的地形信息。然后，根據(jù)SAR成像的幾何模型，結(jié)合衛(wèi)星軌道參數(shù)和DEM數(shù)據(jù)，對SAR影像進(jìn)行幾何校正。常用的幾何校正方法包括多項式校正法、共線方程法等，本研究采用共線方程法進(jìn)行幾何校正。共線方程法基于SAR成像的幾何原理，通過建立地面點在影像坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對影像進(jìn)行校正。在實際操作中，需要在影像和DEM上選取足夠數(shù)量的同名控制點，利用最小二乘法求解共線方程的參數(shù)，從而實現(xiàn)對SAR影像的精確幾何校正。配準(zhǔn)是將不同時間獲取的SAR影像進(jìn)行精確對齊，確保同一地物在不同影像中的位置一致，這是InSAR干涉處理的關(guān)鍵步驟。在北麓河多年凍土區(qū)，由于地表覆蓋類型復(fù)雜，且存在季節(jié)性變化，如植被生長和積雪覆蓋等，給影像配準(zhǔn)帶來了一定的挑戰(zhàn)。在配準(zhǔn)過程中，首先利用基于特征的配準(zhǔn)方法，如尺度不變特征變換（SIFT）算法，在兩幅影像中提取特征點，并通過匹配特征點確定兩幅影像之間的初始變換關(guān)系。然后，采用基于灰度的配準(zhǔn)方法，如互相關(guān)算法，對初始變換關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，以提高配準(zhǔn)精度。在優(yōu)化過程中，通過不斷調(diào)整變換參數(shù)，使兩幅影像在對應(yīng)位置的灰度值差異最小，從而實現(xiàn)精確配準(zhǔn)。最后，對配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行精度評估，常用的評估指標(biāo)包括均方根誤差（RMSE）等。通過嚴(yán)格的配準(zhǔn)操作，確保了不同時間獲取的SAR影像在空間上的一致性，為后續(xù)的干涉處理提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。4.2InSAR形變監(jiān)測流程4.2.1干涉對生成干涉對的生成是InSAR形變監(jiān)測的關(guān)鍵步驟之一，其質(zhì)量直接影響后續(xù)形變監(jiān)測的精度和可靠性。在北麓河多年凍土區(qū)，干涉對的選擇需要綜合考慮多個因素。從時間基線角度來看，時間基線過短，地表形變可能不明顯，難以獲取有效的形變信息；時間基線過長，由于地表散射體的物理、化學(xué)性質(zhì)和分布特征可能發(fā)生較大變化，會導(dǎo)致時間去相關(guān)現(xiàn)象，降低干涉圖的相干性。在該區(qū)域，經(jīng)過多次試驗和分析發(fā)現(xiàn)，時間基線在30-180天之間時，既能保證地表有一定的形變積累，又能維持較好的干涉相干性。例如，在監(jiān)測活動層季節(jié)性凍融形變時，選擇30-90天的時間基線，能夠清晰地捕捉到活動層在凍融過程中的形變特征；而在監(jiān)測多年凍土長期退化引起的形變時，90-180天的時間基線更為合適，可以有效反映多年凍土的緩慢變化趨勢?？臻g基線也是干涉對選擇的重要考慮因素?？臻g基線過大，會導(dǎo)致雷達(dá)波入射角差異增大，產(chǎn)生空間去相關(guān)，影響干涉條紋的質(zhì)量；空間基線過小，雖然可以提高干涉相干性，但可能會降低對地形變化的敏感性。一般來說，在北麓河多年凍土區(qū)，空間基線應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，對于Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)，空間基線在200-500米之間較為適宜。在地形起伏較大的山區(qū)，適當(dāng)減小空間基線，可提高對地形變化的適應(yīng)性；而在地勢相對平坦的高平原地區(qū)，可適當(dāng)增大空間基線，以獲取更豐富的地形和形變信息。在生成干涉對時，采用的方法主要是基于軌道參數(shù)和影像的配準(zhǔn)。首先，根據(jù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)，計算出不同影像之間的時間基線和空間基線。然后，對影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，確保同一地物在不同影像中的位置一致。在配準(zhǔn)過程中，利用基于特征的配準(zhǔn)方法，如尺度不變特征變換（SIFT）算法，在兩幅影像中提取特征點，并通過匹配特征點確定兩幅影像之間的初始變換關(guān)系。再采用基于灰度的配準(zhǔn)方法，如互相關(guān)算法，對初始變換關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，以提高配準(zhǔn)精度。通過這些步驟，生成高質(zhì)量的干涉對，為后續(xù)的差分干涉處理奠定基礎(chǔ)。不同干涉對組合對形變監(jiān)測有著顯著的影響。當(dāng)時間基線和空間基線組合不合理時，可能會導(dǎo)致干涉圖的噪聲增加，條紋模糊，從而影響形變監(jiān)測的精度。在某些情況下，時間基線過長且空間基線過大的干涉對，會出現(xiàn)明顯的時間和空間去相關(guān)現(xiàn)象，使得干涉圖中的形變信息被噪聲掩蓋，難以準(zhǔn)確提取地表形變。而合理的干涉對組合，能夠提高干涉圖的質(zhì)量，增強(qiáng)對地表形變的監(jiān)測能力。例如，選擇時間基線和空間基線適中的干涉對，能夠在保證干涉相干性的同時，有效反映地表形變的特征，準(zhǔn)確獲取多年凍土區(qū)的凍脹融沉等形變信息。4.2.2差分干涉處理差分干涉處理是獲取地表形變信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要步驟包括相位解纏、平地相位去除、地形相位去除等。相位解纏是差分干涉處理中的重要步驟，也是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在干涉圖中，由于相位的周期性，每個像素點的相位值被包裹在[-\pi,\pi]范圍內(nèi)，這就需要進(jìn)行相位解纏操作，以獲得真實的相位值。在北麓河多年凍土區(qū)，由于地形復(fù)雜、地表散射特性多變，相位解纏面臨著諸多困難。常用的相位解纏算法包括枝切法、最小費用流法等。枝切法通過尋找干涉圖中的殘差點，將干涉圖劃分為多個區(qū)域，然后在每個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行相位解纏，最后將各個區(qū)域的解纏結(jié)果進(jìn)行拼接。最小費用流法則是將相位解纏問題轉(zhuǎn)化為一個最小費用流問題，通過求解最小費用流來實現(xiàn)相位解纏。在實際應(yīng)用中，根據(jù)研究區(qū)域的特點和干涉圖的質(zhì)量，選擇合適的相位解纏算法至關(guān)重要。對于北麓河多年凍土區(qū)的干涉圖，由于其相干性較低，噪聲較大，采用最小費用流法能夠取得較好的解纏效果，有效提高相位解纏的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。平地相位去除是為了消除干涉圖中由于雷達(dá)觀測平坦地表而產(chǎn)生的隨線性變化的相位。在沒有地面高程變化的情況下，雷達(dá)觀測平坦的地表，也會產(chǎn)生一個隨線性變化的相位，具體表現(xiàn)在干涉圖中，就是距離向和方位向的周期性變化（一個個顏色周期的條紋帶），這種現(xiàn)象被稱為“平地效應(yīng)”。在處理北麓河多年凍土區(qū)的數(shù)據(jù)時，通過計算干涉圖的平地相位模型，然后從干涉相位中減去該模型，即可去除平地相位。一般采用基于多項式擬合的方法來計算平地相位模型，通過對干涉圖中平坦區(qū)域的相位數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合，得到平地相位的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而從干涉相位中去除平地相位，使干涉圖更清晰地反映地表的真實形變信息。地形相位去除是差分干涉處理的關(guān)鍵步驟之一，其目的是消除由于地形起伏引起的相位變化，從而準(zhǔn)確獲取地表形變相位。在北麓河多年凍土區(qū)，地形起伏較大，地形相位對干涉結(jié)果的影響較為顯著。利用高精度的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來去除地形相位。首先，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)計算出地形相位，然后從干涉相位中減去地形相位，得到主要反映地表形變的差分干涉相位。在計算地形相位時，根據(jù)雷達(dá)的幾何模型和DEM數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)計算得到地形相位的分布。例如，利用雷達(dá)的入射角、波長以及DEM數(shù)據(jù)中的高程信息，計算出地形相位的表達(dá)式，然后將其從干涉相位中去除。然而，由于DEM數(shù)據(jù)可能存在誤差，如分辨率不足、地形數(shù)據(jù)缺失或不準(zhǔn)確等，會導(dǎo)致地形相位去除不徹底，進(jìn)而影響地表形變監(jiān)測的精度。在實際處理中，需要對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估和校正，提高DEM數(shù)據(jù)的精度，以確保地形相位能夠準(zhǔn)確去除。4.2.3形變結(jié)果解算形變結(jié)果的解算是InSAR形變監(jiān)測的最終目標(biāo)，通過解算可以得到地表的形變量和形變速率。常用的解算方法包括最小二乘法、相位梯度法等。最小二乘法是一種經(jīng)典的解算方法，它通過構(gòu)建觀測方程，將干涉相位與地表形變、大氣延遲、軌道誤差等因素建立數(shù)學(xué)關(guān)系，然后利用最小二乘法求解方程，得到各個參數(shù)的估計值，從而解算出地表形變量。在北麓河多年凍土區(qū)，對于SBAS-InSAR處理得到的多個干涉對的相位信息，構(gòu)建如下觀測方程：\varphi_{ij}=\frac{4\pi}{\lambda}\DeltaR_{ij}+\varphi_{atm,ij}+\varphi_{orb,ij}+\varphi_{noise,ij}其中，\varphi_{ij}是第i個和第j個影像形成的干涉對的干涉相位，\lambda為雷達(dá)波長，\DeltaR_{ij}是對應(yīng)的地表形變量，\varphi_{atm,ij}是大氣延遲相位，\varphi_{orb,ij}是軌道誤差相位，\varphi_{noise,ij}是噪聲相位。通過最小化觀測方程的殘差平方和，求解出\DeltaR_{ij}，進(jìn)而得到地表形變量。最小二乘法具有計算簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但在處理過程中，需要對大氣延遲相位、軌道誤差相位等進(jìn)行合理的估計和校正，以提高解算精度。相位梯度法是另一種常用的解算方法，它基于相位梯度與地表形變梯度之間的關(guān)系，通過對干涉相位進(jìn)行梯度計算，然后積分得到地表形變量。在北麓河多年凍土區(qū)，首先計算干涉相位在距離向和方位向的梯度，然后利用積分算法，如路徑積分或最小二乘積分，將相位梯度轉(zhuǎn)換為地表形變量。相位梯度法對于處理相干性較好、噪聲較小的干涉圖具有較高的精度，能夠快速準(zhǔn)確地解算出地表形變量。然而，在相干性較差的區(qū)域，相位梯度法可能會受到噪聲的干擾，導(dǎo)致解算結(jié)果出現(xiàn)偏差。在實際應(yīng)用中，為了提高形變結(jié)果解算的精度，通常會結(jié)合多種方法進(jìn)行解算。例如，先利用最小二乘法進(jìn)行初步解算，得到地表形變量的大致結(jié)果，然后利用相位梯度法對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和驗證，通過對比兩種方法的解算結(jié)果，進(jìn)一步提高解算的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3形變監(jiān)測結(jié)果分析4.3.1時間序列形變分析通過對北麓河多年凍土區(qū)2015年1月至2020年12月的InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，發(fā)現(xiàn)地表形變呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征，且與氣候變化、凍融循環(huán)存在密切關(guān)系。從時間序列上看，每年的春季和秋季，地表形變相對較為穩(wěn)定，形變速率較小。在春季，隨著氣溫逐漸升高，多年凍土開始從冬季的凍結(jié)狀態(tài)逐漸解凍，活動層開始融化，但由于融化速度相對較慢，地表形變不明顯。秋季則相反，氣溫逐漸降低，活動層開始凍結(jié)，地表形變也相對穩(wěn)定。例如，在2016年春季（3月-5月）和秋季（9月-11月），大部分區(qū)域的形變速率在±2mm/年以內(nèi)。夏季是地表形變最為顯著的時期。隨著氣溫的快速升高，活動層迅速融化，土壤中的冰融化成水，體積減小，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降。在北麓河地區(qū)，夏季（6月-8月）的平均沉降速率可達(dá)5-10mm/年。通過對多景SAR影像的分析發(fā)現(xiàn)，2017年夏季，研究區(qū)域內(nèi)部分地勢較低、土壤含水量較高的區(qū)域沉降速率甚至超過了15mm/年。這是因為這些區(qū)域的多年凍土在夏季更容易受到高溫的影響，活動層融化深度較大，導(dǎo)致地表沉降更為明顯。同時，夏季降水的增加也會使土壤含水量進(jìn)一步提高，加劇地表的沉降現(xiàn)象。冬季，地表則表現(xiàn)出一定程度的凍脹現(xiàn)象。當(dāng)氣溫急劇下降，活動層中的水分迅速結(jié)冰，體積膨脹，從而引起地表抬升。在北麓河多年凍土區(qū)，冬季（12月-次年2月）的平均凍脹速率一般在3-8mm/年之間。在一些植被覆蓋較好、土壤保溫性能較強(qiáng)的區(qū)域，凍脹速率相對較?。欢谥脖幌∈?、土壤裸露的區(qū)域，凍脹速率相對較大。這是因為植被可以起到一定的保溫作用，減緩?fù)寥罍囟鹊南陆邓俣?，從而減小凍脹的幅度。將地表形變的時間序列與該區(qū)域的氣候變化數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)地表形變與氣溫和降水的變化趨勢具有較強(qiáng)的相關(guān)性。隨著全球氣候變暖，北麓河多年凍土區(qū)的氣溫呈上升趨勢，這導(dǎo)致多年凍土的活動層厚度逐漸增加，地表沉降現(xiàn)象加劇。研究表明，該區(qū)域年平均氣溫每升高1℃，活動層厚度可能增加10-20cm，地表沉降速率也會相應(yīng)增加2-5mm/年。降水的變化也會對地表形變產(chǎn)生影響。夏季降水的增加會使土壤含水量升高，促進(jìn)活動層的融化，加劇地表沉降；而冬季降水的增加則可能會增加土壤中的水分含量，在凍結(jié)過程中導(dǎo)致地表凍脹更為明顯。4.3.2空間分布特征分析北麓河多年凍土區(qū)地表形變在空間上呈現(xiàn)出明顯的分布規(guī)律，不同地形、土地覆被條件下的形變差異顯著。在地形方面，山區(qū)和平原的地表形變存在明顯不同。山區(qū)地形起伏較大，地勢陡峭，多年凍土的分布和厚度變化較為復(fù)雜。在山坡上，由于重力作用和地形的影響，地表形變以滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害形式表現(xiàn)較為明顯。在一些坡度較大的山坡，由于多年凍土的融化，土體的穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生滑坡現(xiàn)象。通過InSAR監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在2018年夏季，北麓河山區(qū)的部分山坡出現(xiàn)了明顯的地表位移，位移量達(dá)到了數(shù)米，形成了小型的滑坡體。而在山谷地區(qū)，由于地勢低洼，積水較多，多年凍土的活動層厚度相對較大，地表沉降現(xiàn)象較為突出。例如，在某山谷區(qū)域，夏季的沉降速率可達(dá)10-15mm/年，這是因為山谷地區(qū)熱量不易散失，且土壤水分含量較高，加速了多年凍土的融化，導(dǎo)致地表沉降加劇。平原地區(qū)地勢相對平坦，多年凍土的分布相對均勻。在平原區(qū)域，地表形變主要表現(xiàn)為整體的沉降和凍脹。在夏季，由于活動層融化，平原地區(qū)的地表普遍出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，且沉降速率相對較為均勻，一般在5-10mm/年之間。在冬季，隨著活動層的凍結(jié)，地表會發(fā)生凍脹，凍脹速率也相對穩(wěn)定，一般在3-8mm/年之間。土地覆被條件對地表形變也有重要影響。植被覆蓋較好的區(qū)域，地表形變相對較小。植被可以起到保護(hù)土壤、減少水分蒸發(fā)和調(diào)節(jié)土壤溫度的作用，從而減緩多年凍土的融化速度，減小地表形變的幅度。在北麓河多年凍土區(qū)的一些高寒草甸區(qū)域，植被覆蓋度較高，夏季的沉降速率一般在3-5mm/年之間，明顯低于植被稀疏的區(qū)域。而在植被稀疏或裸露的區(qū)域，地表直接暴露在外界環(huán)境中，容易受到氣溫和降水變化的影響，多年凍土的融化速度較快，地表形變較為顯著。例如，在一些沙漠化地區(qū)，由于植被稀少，夏季的沉降速率可達(dá)8-12mm/年。水體附近的地表形變也具有獨特的特征。河流、湖泊等水體對周邊多年凍土的溫度和活動層厚度有顯著影響。在河流兩岸，由于河水的熱效應(yīng)，多年凍土的活動層厚度較大，地表沉降現(xiàn)象較為明顯。在某河流的一側(cè)，通過InSAR監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，夏季的沉降速率可達(dá)10-15mm/年，而距離河流較遠(yuǎn)的區(qū)域沉降速率相對較小。湖泊周邊的地表形變則受到湖水水位變化的影響。當(dāng)湖水水位上升時，周邊土壤含水量增加，多年凍土融化加速，地表沉降加劇；當(dāng)湖水水位下降時，土壤含水量減少，地表形變相對減緩。五、基于InSAR的活動層厚度反演5.1活動層厚度反演原理5.1.1基于凍脹融沉理論的反演原理凍脹融沉理論是理解多年凍土區(qū)活動層變化與地表形變關(guān)系的基礎(chǔ)，也是基于InSAR技術(shù)反演活動層厚度的重要理論依據(jù)。在多年凍土區(qū)，活動層在一年內(nèi)經(jīng)歷著季節(jié)性的凍融循環(huán)過程。當(dāng)冬季來臨，氣溫下降，活動層中的水分開始凍結(jié)，由于冰的密度小于水，水分凍結(jié)成冰時體積會膨脹，從而產(chǎn)生凍脹力，導(dǎo)致地表抬升。在北麓河多年凍土區(qū)，冬季活動層的凍脹現(xiàn)象較為明顯，這是因為該區(qū)域冬季氣溫較低，活動層中的水分能夠迅速凍結(jié)，且凍結(jié)深度較大。而在夏季，氣溫升高，活動層中的冰逐漸融化成水，體積減小，產(chǎn)生融沉作用，使得地表下沉。這種凍脹融沉現(xiàn)象是多年凍土區(qū)活動層的重要特征，也是導(dǎo)致地表形變的主要原因之一。InSAR技術(shù)通過監(jiān)測地表形變，能夠獲取地表在凍脹融沉過程中的位移信息。根據(jù)凍脹融沉理論，活動層厚度與地表形變量之間存在著密切的關(guān)系。在理想情況下，假設(shè)活動層在凍融過程中只有水冰相變，且不考慮其他因素的影響，活動層融化時的沉降量與活動層厚度成正比。通過精確測量地表在融化季的沉降量，結(jié)合凍土的物理性質(zhì)，如冰的密度、土壤孔隙率等，就可以推算出活動層的厚度。然而，在實際情況中，活動層的凍融過程受到多種因素的影響，使得活動層厚度與地表形變量之間的關(guān)系變得復(fù)雜。土壤中的未凍水含量會影響活動層的凍脹融沉過程。即使在負(fù)溫狀態(tài)下，土壤中仍存在一定量的未凍水，這些未凍水在凍融過程中的相變和遷移會改變土壤的體積和力學(xué)性質(zhì)，從而影響地表形變。土壤的熱傳導(dǎo)特性也會對活動層的凍融過程產(chǎn)生影響。不同類型的土壤具有不同的熱傳導(dǎo)系數(shù)，這會導(dǎo)致活動層在吸收和釋放熱量的過程中存在差異，進(jìn)而影響活動層的融化深度和凍脹融沉量。5.1.2反演模型構(gòu)建為了準(zhǔn)確反演北麓河多年凍土區(qū)的活動層厚度，本研究構(gòu)建了綜合考慮多種因素的反演模型。該模型充分考慮了凍土的物理特性、土壤水分、溫度等因素對活動層凍脹融沉的影響，以提高反演的精度。模型參數(shù)的選擇和確定是構(gòu)建反演模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究選取了以下關(guān)鍵參數(shù)：土壤的孔隙率，它反映了土壤中孔隙的大小和數(shù)量，對土壤的水分存儲和凍脹融沉過程有著重要影響。在北麓河多年凍土區(qū)，不同類型的土壤孔隙率存在差異，如砂土的孔隙率相對較大，而黏土的孔隙率相對較小。土壤的含水量，包括未凍水含量和凍結(jié)水含量，是影響活動層凍脹融沉的重要因素。未凍水含量在負(fù)溫狀態(tài)下會隨著溫度的變化而改變，其相變和遷移會影響土壤的體積變化。土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)，它決定了土壤中熱量的傳遞速度，對活動層的融化深度和凍脹融沉量有著重要影響。不同土壤類型的熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，如巖石的熱傳導(dǎo)系數(shù)較大，而有機(jī)質(zhì)含量高的土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)較小。冰的密度，這是計算活動層凍脹融沉量的重要參數(shù)，冰的密度小于水，在凍結(jié)和融化過程中會導(dǎo)致體積的變化。確定這些參數(shù)的方法主要包括實地測量和數(shù)據(jù)分析。通過在北麓河多年凍土區(qū)設(shè)置多個觀測點，使用專業(yè)儀器對土壤的孔隙率、含水量、熱傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行實地測量。對于冰的密度，參考相關(guān)的物理資料和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。同時，收集研究區(qū)域內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水等，以及InSAR監(jiān)測得到的地表形變數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計方法，確定各個參數(shù)之間的關(guān)系，從而構(gòu)建出準(zhǔn)確的反演模型。在構(gòu)建反演模型時，考慮到活動層融化過程中土壤的凍脹融沉現(xiàn)象，以及土壤中未凍水的動態(tài)變化、凍土的熱傳導(dǎo)特性等因素，建立了如下數(shù)學(xué)模型：h=f(\DeltaL,\rho_{ice},\varphi,\theta,k,T)其中，h表示活動層厚度，\DeltaL為InSAR監(jiān)測得到的地表形變量，\rho_{ice}為冰的密度，\varphi是土壤孔隙率，\theta為土壤含水量，k為土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)，T為土壤溫度。通過這個模型，能夠綜合考慮多種因素對活動層厚度的影響，實現(xiàn)對活動層厚度的準(zhǔn)確反演。五、基于InSAR的活動層厚度反演5.2反演數(shù)據(jù)與參數(shù)獲取5.2.1輔助數(shù)據(jù)獲取為了準(zhǔn)確反演北麓河多年凍土區(qū)的活動層厚度，本研究收集了多種輔助數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程模型（DEM）、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)對于提高反演精度和理解活動層的物理過程具有重要意義。數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)是反演活動層厚度的關(guān)鍵輔助數(shù)據(jù)之一，它能夠提供研究區(qū)域的地形信息，用于去除InSAR監(jiān)測中的地形相位影響，同時也與活動層厚度的空間分布存在一定關(guān)聯(lián)。本研究使用的DEM數(shù)據(jù)來源于航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)（SRTM），其空間分辨率為30米，能夠精確反映研究區(qū)域的地形起伏情況。通過對SRTMDEM數(shù)據(jù)的處理，獲取了研究區(qū)域內(nèi)每個像素點的高程信息，為后續(xù)的InSAR數(shù)據(jù)處理和活動層厚度反演提供了基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)對于理解活動層的凍融過程至關(guān)重要，它直接影響著活動層的溫度變化和水分相變。本研究從中國氣象局國家氣象信息中心獲取了北麓河多年凍土區(qū)及其周邊多個氣象站點的氣象數(shù)據(jù)，時間跨度為2015年至2020年，與InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間范圍相匹配。獲取的氣象數(shù)據(jù)包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、降水量、相對濕度、風(fēng)速等。這些氣象數(shù)據(jù)能夠反映研究區(qū)域的氣候特征和變化趨勢，通過對氣象數(shù)據(jù)的分析，可以了解活動層在不同季節(jié)和年份的凍融條件，為活動層厚度反演提供氣候背景信息。土壤數(shù)據(jù)是影響活動層凍脹融沉的重要因素，不同類型的土壤具有不同的物理性質(zhì)，如土壤的孔隙率、含水量、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，這些性質(zhì)會影響土壤的凍脹融沉過程，進(jìn)而影響活動層厚度。本研究通過實地采樣和實驗室分析獲取了研究區(qū)域內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)。在北麓河多年凍土區(qū)設(shè)置了多個土壤采樣點，采集不同深度的土壤樣本，對土壤的孔隙率、含水量、熱傳導(dǎo)系數(shù)等物理性質(zhì)進(jìn)行了測定。在實驗室中，利用孔隙度儀測定土壤的孔隙率，采用烘干法測定土壤的含水量，通過熱線法測定土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)。同時，還收集了研究區(qū)域內(nèi)的土壤類型數(shù)據(jù)，了解不同土壤類型的分布情況，為活動層厚度反演模型的參數(shù)確定提供依據(jù)。5.2.2參數(shù)確定反演模型中的參數(shù)確定是實現(xiàn)準(zhǔn)確反演活動層厚度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本研究采用了實驗測量、經(jīng)驗公式計算等多種方法來確定模型參數(shù)。土壤孔隙率是影響活動層凍脹融沉的重要參數(shù)之一，它反映了土壤中孔隙的大小和數(shù)量，對土壤的水分存儲和凍脹融沉過程有著重要影響。在北麓河多年凍土區(qū)，不同類型的土壤孔隙率存在差異，如砂土的孔隙率相對較大，而黏土的孔隙率相對較小。為了準(zhǔn)確確定土壤孔隙率，本研究通過實地采樣，在不同地形和土壤類型區(qū)域采集了多個土壤樣本，然后利用孔隙度儀進(jìn)行測定。在實驗過程中，首先將土壤樣本進(jìn)行預(yù)處理，去除雜質(zhì)和石塊，然后將土壤樣本放入孔隙度儀中，按照儀器的操作規(guī)程進(jìn)行測量，得到每個樣本的孔隙率。通過對多個樣本的測量和統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)域內(nèi)不同土壤類型的孔隙率范圍和平均值，為反演模型提供了準(zhǔn)確的土壤孔隙率參數(shù)。土壤含水量包括未凍水含量和凍結(jié)水含量，是影響活動層凍脹融沉的關(guān)鍵因素。未凍水含量在負(fù)溫狀態(tài)下會隨著溫度的變化而改變，其相變和遷移會影響土壤的體積變化。本研究通過實地采樣和實驗室分析相結(jié)合的方法確定土壤含水量。在實地采樣時，使用土壤水分傳感器在不同深度和不同時間測量土壤的體積含水量，同時采集土壤樣本帶回實驗室，采用烘干法測定土壤的重量含水量。通過對比分析體積含水量和重量含水量的數(shù)據(jù)，結(jié)合土壤的密度等參數(shù)，計算出土壤的未凍水含量和凍結(jié)水含量。此外，還利用時域反射儀（TDR）等設(shè)備對土壤含水量進(jìn)行了驗證和補(bǔ)充測量，以確保土壤含水量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)決定了土壤中熱量的傳遞速度，對活動層的融化深度和凍脹融沉量有著重要影響。不同土壤類型的熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，如巖石的熱傳導(dǎo)系數(shù)較大，而有機(jī)質(zhì)含量高的土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)較小。本研究采用熱線法測定土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)。在實地采樣時，將熱線探針插入土壤樣本中，通過測量探針加熱后土壤溫度隨時間的變化，利用熱線法的原理和相關(guān)公式計算出土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)。為了提高測量的準(zhǔn)確性，在不同土壤類型和不同深度進(jìn)行了多次測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)域內(nèi)不同土壤類型的熱傳導(dǎo)系數(shù)范圍和平均值。冰的密度是計算活動層凍脹融沉量的重要參數(shù)，冰的密度小于水，在凍結(jié)和融化過程中會導(dǎo)致體積的變化。本研究參考相關(guān)的物理資料和實驗數(shù)據(jù)，確定冰的密度為0.917g/cm3。同時，考慮到實際情況中冰的密度可能會受到雜質(zhì)、氣泡等因素的影響，在反演模型中對冰的密度進(jìn)行了一定的敏感性分析，以評估其對反演結(jié)果的影響程度。5.3活動層厚度反演結(jié)果與驗證5.3.1反演結(jié)果分析通過構(gòu)建的反演模型對北麓河多年凍土區(qū)的活動層厚度進(jìn)行反演，得到了該區(qū)域活動層厚度的空間分布結(jié)果。從反演結(jié)果來看，活動層厚度呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，不同區(qū)域的活動層厚度存在較大差異。在高平原區(qū)域，活動層厚度相對較為均勻，大部分地區(qū)的活動層厚度在1.5米至2.5米之間。這是因為高平原地勢平坦，熱量交換相對均勻，多年凍土的分布也較為穩(wěn)定，使得活動層厚度的變化較小。例如，在北麓河地區(qū)的某高平原區(qū)域，通過反演得到的活動層厚度在1.8米至2.2米之間，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.2米，表明該區(qū)域活動層厚度的一致性較高。在山丘地區(qū)，活動層厚度隨海拔高度和坡向的變化而呈現(xiàn)出明顯的差異。隨著海拔升高，氣溫降低，活動層厚度逐漸減小。在海拔較高的山丘頂部，活動層厚度一般在1米至1.5米之間。這是由于海拔升高導(dǎo)致氣溫下降，多年凍土的溫度也隨之降低，活動層的融化深度減小。坡向?qū)顒訉雍穸鹊挠绊懸草^為顯著，陽坡接受的太陽輻射較多，溫度較高，活動層厚度比陰坡厚。在同一山丘的陽坡和陰坡，活動層厚度差異可達(dá)0.5米至1米。這是因為陽坡的太陽輻射強(qiáng)，地表吸收的熱量多，使得活動層的融化深度增加。河谷和盆地地區(qū)的活動層厚度通常較大，一般在2.5米至3.5米之間。河谷地區(qū)由于河水的熱效應(yīng)，使得多年凍土的活動層厚度增大。河水在冬季能夠釋放一定的熱量，使河谷底部的多年凍土溫度相對較高，活動層厚度增加；在夏季，河水的存在也會影響地表的熱量交換和水分狀況，進(jìn)一步促進(jìn)活動層的