多年凍土作為全球冰凍圈的關鍵組成部分，具有廣泛的分布范圍，蘊含大量地下冰和碳庫。其退化不僅對基礎設施安全構成嚴重威脅，還會釋放大量長期封存的溫室氣體，同時影響珍貴的淡水資源儲備。然而，由于多年凍土隱藏于地表之下，科學界一直缺乏有效的遙感監測手段來精確檢測其水熱狀態變化。傳統地面觀測方法雖然精確，但難以實現大范圍監測。合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術通過捕捉微小的地表形變，能夠間接反映凍土的水文熱力動態過程，因此成為當前凍土監測的關鍵技術手段。然而，傳統的InSAR時序模型尚未充分考慮凍土區獨特而顯著的季節形變特征，這一局限性嚴重制約了監測精度和可靠性。解決這一技術瓶頸，對于準確評估多年凍土變化及其環境影響具有重要意義。
近日，蘭州大學資源環境學院牟翠翠教授研究團隊在遙感領域知名期刊《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》（影響因子：10.6）發表重要研究成果《Time-Series Models for ground subsidence and heave over permafrost in InSAR Processing: A comprehensive Assessment and new Improvement》，現已開放獲取（鏈接：https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2025.02.019）。該研究針對多年凍土區獨特的季節性地表形變特征，提出了創新性的時序模型改進方案，不僅優化了凍融循環導致的地表形變的表達能力，還首創了一套基于物理機制的凍土區參考點自動選取算法，顯著提升了InSAR監測的精度與可靠性，為凍土區地表形變監測提供了關鍵的技術突破與方法學支持。
研究團隊針對InSAR凍土信號處理能力進行了優化，分別改進了一個數學模型、一個物理模型。具體而言，在正弦函數模型中引入半年度周期分量，使其不僅能夠表征季節性形變特征，還能捕捉“冬季完全凍結階段”的特征，從而顯著提升對凍土區凍融循環形變的表達能力。該數學模型以其簡潔高效的特性，被強烈推薦替代InSAR處理軟件中常見的線性或二次函數模型，以減少多年凍土地表形變信號的丟失。此外，基于Stefan方程的物理模型得到了優化，通過深化凍融循環與地表形變之間的理論聯系，并構建兩種凍融周期的無縫拼接方法，有效增強了凍土區地表形變動態過程的模擬精度。
為驗證模型的可靠性，研究團隊開展了全面的對比分析，將InSAR反演形變、模型模擬形變與傾斜儀（tiltarm）實測地表形變數據進行系統比對。結果表明，改進模型在凍脹期和冬季完全凍結期的模擬結果與實測數據展現出極高的一致性，有力證實了模型的準確性。然而，研究團隊也觀察到改進模型在融沉期的模擬結果與實測數據存在一定偏差，這種差異很可能由秋季凍結過程中活動層中的未凍水不等量遷移現象引起的。這一發現不僅為深入理解凍土區地表形變動態過程提供了寶貴的科學依據，同時也凸顯了獲取更多實測的地面形變數據的緊迫性，得以為未來模型的發展提供充實的理論根基和驗證條件。
InSAR反演形變、模型模擬形變與傾斜儀（tiltarm）實測地表形變比對
研究成果以蘭州大學為第一單位，博士研究生范成彥為第一作者、牟翠翠教授與香港中文大學劉琳副教授為共同通訊作者，張廷軍先生為研究提供了重要支持。
蘭州大學
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