利用InSAR技术对美国全国范围内的地面沉降情况进行测绘和特征分析

《Remote Sensing of Environment》：Nationwide mapping and characterization of land subsidence in the United States using InSAR

地面沉降威胁美国公共安全与可持续发展，本研究基于23391景Sentinel-1 SAR影像，创新性融合平均变形计算、InSAR结果镶嵌与深度学习技术，首次构建40米分辨率的全美连续大陆区（CONUS）地面沉降高分辨率地图，覆盖45666平方公里，73%发生于耕地区，地下水超采为主要驱动因素，暴露626万人口及大量交通设施。

　　土地沉降（Land Subsidence, LS）是一种由于地表材料压缩或地下资源过度开采而导致地表向下的移动现象。这种现象对公共安全和可持续的社会经济发展构成了严重威胁，尤其是在美国。随着经济的复苏和气候变化带来的挑战日益加剧，土地沉降的发生频率和严重程度预计会进一步上升，这可能会对国家的长期发展造成阻碍。因此，有效的土地沉降监测对于减轻相关风险、制定应对策略具有重要意义。

在美国，土地沉降已经影响了超过44,000平方公里的国土，涉及45个州。由于土地沉降造成的洪水和结构损坏，每年的经济损失超过了1.25亿美元。尽管已有许多研究致力于在局部地区识别和分析土地沉降的原因，但全国范围内的土地沉降地图仍然缺失。这使得对土地沉降的整体趋势、潜在驱动因素以及受影响的人口和基础设施的评估变得困难。因此，本研究旨在通过开发一种新的策略，利用广泛的合成孔径雷达（SAR）数据，构建美国大陆（CONUS）的第一张高分辨率全国土地沉降地图。

本研究提出的方法包括三个关键步骤：平均形变计算、InSAR结果的拼接以及使用深度学习技术提取土地沉降区域。首先，通过计算平均形变率，可以更准确地反映地表的长期变化趋势。其次，将多个InSAR图像拼接成一个完整的地图，能够覆盖更广的区域，从而提高数据的完整性和一致性。最后，利用深度学习模型识别土地沉降区域，使得土地沉降的检测更加高效和精确。这一策略不仅克服了传统方法在大规模数据处理中的局限性，还提高了数据的可靠性和实用性。

研究使用了23,391幅从2019年1月至2021年12月期间获取的Sentinel-1卫星的升轨图像，这些图像来自28条不同的轨道路径。通过这些数据，研究人员能够构建出美国大陆地区的土地沉降地图，其空间分辨率为40米。为了确保土地沉降数据的准确性，研究团队采用了块调整方法，并通过内华达州大地测量实验室提供的全球导航卫星系统（GNSS）数据进行了验证。这一过程使得土地沉降的参考基准更加一致，提高了最终地图的可信度。

研究结果表明，土地沉降影响了美国所有48个连续州和哥伦比亚特区，总面积约为45,666平方公里。其中，约73%的土地沉降发生在耕地上，10%发生在湿地中。地下水过度开采是导致土地沉降的主要驱动因素。这些沉降区域暴露了约626万人、16万座建筑以及数千公里的铁路和公路等关键基础设施。虽然已经采取了一些措施来缓解土地沉降的影响，但现有案例表明，长期的地下水管理仍然是解决这一问题的关键。同时，严重的土地沉降仍然面临诸多挑战，需要进一步的研究和政策支持。

此外，本研究还探讨了土地沉降在关键区域的变化情况，特别是在地下水管理措施实施后的变形变化。通过对这些变化的分析，研究团队能够更好地理解土地沉降的动态过程及其对社会经济的影响。这种分析不仅有助于制定更加精准的管理策略，也为未来的监测和缓解措施提供了科学依据。

土地沉降的监测和评估对于城市规划、基础设施建设和灾害预警等方面具有重要的现实意义。通过构建全国范围内的土地沉降地图，研究人员能够更全面地了解土地沉降的分布特征和影响范围，从而为相关政策的制定提供数据支持。同时，这些数据还可以用于其他地区的研究，帮助科学家更好地理解土地沉降在全球范围内的普遍性和复杂性。

在方法论方面，本研究采用了多时相InSAR（MT-InSAR）技术，这是一种能够有效处理大规模SAR数据的先进技术。MT-InSAR技术通过分析多期的SAR图像，能够更精确地捕捉地表的微小变化，从而提高土地沉降检测的准确性。此外，研究团队还开发了一种新的深度学习模型，用于识别土地沉降区域。这一模型的引入使得土地沉降的检测更加智能化和高效化，为未来的大规模监测提供了新的思路和技术手段。

研究的实施过程中，还面临了一些挑战，包括大气效应的校正、计算资源的限制以及数据校准的问题。为了克服这些挑战，研究团队采取了一系列措施，如采用块调整方法减少大气效应的影响，优化计算流程以提高处理效率，以及通过多源数据的交叉验证确保数据的准确性。这些措施不仅提高了研究的科学性和可靠性，也为后续的研究提供了可借鉴的经验。

本研究的成果不仅为美国的土地沉降监测和管理提供了重要的数据支持，也为其他国家和地区在类似环境下的土地沉降研究提供了参考。随着全球气候变化和人类活动的加剧，土地沉降问题在世界范围内变得越来越普遍。因此，建立全国范围内的土地沉降监测体系，对于全球范围内的可持续发展具有重要意义。

为了促进数据的共享和应用，研究团队将所获得的土地沉降数据集发布在他们的官方网站上，鼓励相关领域的专家使用这些数据进行进一步的研究和分析。这种开放的数据共享模式有助于推动科学研究的进展，提高数据的利用效率，并为政策制定者提供更加全面的信息支持。同时，研究团队还详细描述了数据获取的方法，以便其他研究人员能够复现和验证他们的研究成果。

总之，本研究通过构建全国范围内的土地沉降地图，揭示了土地沉降的广泛分布及其对社会经济的影响。这一成果不仅为美国的土地沉降监测和管理提供了重要的科学依据，也为全球范围内的土地沉降研究和应对策略提供了新的视角和方法。未来，随着技术的不断进步和数据的进一步积累，土地沉降的监测和评估将变得更加精确和全面，为实现可持续发展提供更加坚实的支撑。