热带泥炭地水文动态对C波段小基线子集InSAR方法效能的影响

本文推荐研究人员针对热带泥炭地水文监测中传统方法受限的问题，开展了基于Sentinel-1 C波段SAR数据的小基线子集(SBAS)干涉测量研究。结果表明水文条件显著影响SBAS方法的空间有效性（34.4%-59.8%）和测量精度，干季相干性保持更优，为热带泥炭地生态水文监测提供了重要方法论依据。

　　

在应对全球气候变化的进程中，热带泥炭地作为重要的碳库储存着全球18-25%的泥炭体积，其生态水文动态对全球碳循环具有深远影响。然而，这些分布在印尼等地的泥炭地生态系统正面临着干旱、火灾和人类活动的多重威胁，特别是厄尔尼诺现象导致的极端干旱天气加剧了火灾风险。传统的地面监测方法在这类偏远且难以进入的区域面临巨大挑战，迫切需要发展有效的遥感监测技术。

合成孔径雷达(SAR)技术，特别是欧洲空间局的Sentinel-1 C波段卫星，以其不受天气影响、高时空分辨率的优势，为热带泥炭地监测提供了新的解决方案。其中，小基线子集(SBAS)干涉测量方法被认为是有潜力监测泥炭地表位移的有效手段。然而，一个关键科学问题尚未得到充分解答：SBAS方法本身的效能是否受到地表水文条件的显著影响？这个问题在热带泥炭地显得尤为重要，因为强烈的降雨事件会导致地下水埋深(GWL)在1米到-2米之间剧烈波动，可能严重影响SAR信号的振幅和相位。

为回答这一问题，研究团队在印度尼西亚加里曼丹中部的低地地区开展了深入研究，该区域包含了从相对完整的森林到高度人为管理的各种土地利用类型。研究利用了2017-2022年期间的Sentinel-1 SAR观测数据，结合当地监测站点网络获取的地下水埋深和泥炭表面高程数据，系统分析了SBAS方法在不同水文条件下的表现。

研究人员采用的主要技术方法包括：获取2017-2022年期间的159景Sentinel-1单视复数据(SLC)，使用SBAS干涉测量方法处理数据；基于水文年（每年11月至次年10月）划分数据子集进行独立处理；利用Copernicus DEM GLO-30数字高程模型进行地形相位移除；通过相干性阈值（0.2）筛选可靠测量点；将视线向(LOS)位移转换为垂直位移；使用SIPALAGA项目的地下水埋深数据和PASSES项目的泥炭相机系统数据进行验证；通过SEPAL平台获取土壤湿度数据辅助分析。

4.1. SBAS产品描述

研究发现SBAS方法在泥炭土壤上的地表位移监测有效面积占比为34.4%-59.8%，非泥炭土壤为20%-55%。2017-2019年较干燥条件下SBAS结果覆盖面积最大，2020-2022年较湿润条件下覆盖面积减少。城市区域在整个时间序列中保持约99%的覆盖率，而沼泽灌木丛的覆盖率从2017年的43%下降到2022年的21%。

4.2. 地表水文条件与时间序列相干性的对应关系

分析显示，在较湿润条件下，相干性受到影响，仅在最接近的SAR采集对（12天时间间隔）中保持较高值。当地表水在雨季显著淹没地面时，相干性无法长时间维持。相比之下，在旱季，相干性在较长的采集间隔（最多36天）中仍能保持。火灾事件通常会增加相干性，因为植被移除后增加了来自倒木的双反射机会。

4.3. 现场观测与SBAS位移时间序列的对应关系

SBAS推导的位移与现场泥炭表面高程测量在干旱季节显示出中等正相关（短堆栈r=0.41），而在湿润季节相关性较弱。与地下水埋深测量的相关性在不同地点和季节间变化较大。当水位高于地面时，SBAS方法测量的是水位变化而非泥炭表面高程变化。

研究结论表明，SBAS干涉测量使用Sentinel-1 C波段数据能够有效监测热带泥炭地地表位移，但其效能受到水文条件的显著影响。在干旱季节，相干性保持更好，SBAS推导的位移与现场测量结果具有更高的相关性。该方法的空间有效性在泥炭土壤上达到34.4%-59.8%，为难以进入的热带泥炭地区域提供了重要的空间分布式监测手段。

讨论部分强调，虽然SBAS方法在热带泥炭地监测中显示出巨大潜力，但需要充分考虑水文条件对测量结果的影响。特别是在地表水淹没的情况下，雷达信号反映的是水面而非泥炭表面，这可能导致位移测量的偏差。研究还指出，较短的时间序列（按水文年划分）比完整的多年堆栈更能捕捉地表位移的动态变化，这与先前在温带泥炭地的研究发现一致。

这项研究的意义在于为热带泥炭地的生态水文条件监测提供了重要的方法论基础，支持了Sentinel-1 C波段SAR在热带泥炭地监测中的应用。研究成果对于印尼等拥有大量热带泥炭地资源国家的生态系统保护和恢复工作具有重要实践价值，为应对气候变化背景下的泥炭地管理提供了科学依据和技术支持。