《Natural Hazards Research》：InSAR-Based Monitoring and Susceptibility Assessment of Land Subsidence in Jinan
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济南横跨南部丘陵岩溶泉域与北部第四纪冲积低平原，为地表形变提供了差异显著的对比环境。研究人员利用SBAS-InSAR处理了2019年1月至2025年3月获取的95景镶嵌升轨Sentinel-1A IW观测数据，在5个GNSS站点评估了相对LOS一致性，将6口监
济南横跨南部丘陵岩溶泉域与北部第四纪冲积低平原，为地表形变提供了差异显著的对比环境。研究人员利用SBAS-InSAR处理了2019年1月至2025年3月获取的95景镶嵌升轨Sentinel-1A IW观测数据，在5个GNSS站点评估了相对LOS一致性，将6口监测井的季节性LOS形变与地下水水位进行对比，并通过35 km空间块交叉验证与SHAP解释开展相对易发性评估。最负LOS形变速率约为?48 mm/year，最大累积LOS形变量约为?248 mm；GNSS-InSAR相对LOS对比的RMSE值为1.45–4.27 mm。6口井的地下水水位与季节性形变呈现总体相似的年度周期。在杜庙（Dumiao），最强相关出现在约180天偏移处（rmax = 0.677，Holm校正p = 0.117）；全部6个校正后p值均超过0.05。地貌类型对相对易发性建模贡献最强，低海拔冲积平原具有正向条件贡献。代表性采矿、建筑、填埋场和堆料场站点呈现与局部扰动一致的独特形变轨迹。在同一InSAR衍生清单内，LightGBM在内部35 km空间块交叉验证下取得折平均ROC-AUC为0.825 ± 0.153（等权块均值0.781）。由集成得分分位数阈值定义的高和极高折外得分组，捕获了以LOS速率≤ ?10 mm/year定义的83.3%正样本。这些发现区分了济南区域结构化易发性、地下水相关季节性与站点特异性形变模式。
研究背景方面，地面沉降是一种渐进、难以探测且大体不可逆的地质灾害，全球评估估计到2040年约19%的世界人口可能面临沉降风险。地下水超采、松散地层固结、结构荷载和地下开发可共同作用产生沉降，持续运动损坏道路、管线和建筑，并加剧城市内涝和地裂缝等次生灾害，因此在区域尺度制图其时空格局、潜在成因和易发性对城市基础设施管理与空间规划至关重要。传统水准测量和GNSS点测量精度高，但站点密度和成本限制了大范围长时段覆盖；InSAR提供全天候广域观测和回溯形变记录，时间序列方法如PS-InSAR和SBAS-InSAR可减轻时空失相干及大气和轨道误差。济南作为山东省会，横跨泰山北麓冲积-洪积山前平原，厚层未固结第四纪沉积物覆盖岩溶和孔隙含水层，供给包括趵突泉在内的泉群，地下水超采与华北平原其他地区沉降密切相关。现有济南研究多集中于城市核心区、较短观测期或仅形变监测，缺乏全城市跨 Extended 时段的监测以阐明地质背景与建设、工业生产、道路建设、采矿、废物处置和地下水利用等活动如何与形变空间差异相关。研究人员开展本研究以估算LOS形变速率和累积位移，评估GNSS站点相对LOS一致性，比较LOS形变与静态地下水水位、地貌和土壤类型及代表性形变区历史影像，并利用13个预测因子开展易发性分析，比较RF、XGBoost和LightGBM在空间块交叉验证下的表现并用SHAP检验模型贡献。研究结论表明：2019–2025年SBAS-InSAR序列在大体稳定研究区内识别出局部负LOS形变，最负形变速率约?48 mm/year，最大累积LOS形变约?248 mm，5个GNSS站点同日相对LOS位移比较（每站28个非参考历元）RMSE为1.45–4.27 mm；地貌类型为相对易发性提供最强信息，代表性形变区与低海拔冲积和冲积-洪积平原重叠，而条件模型贡献对低海拔冲积平原 specifically 为正，6口井地下水水位与季节性LOS形变呈现可比年度周期，杜庙最强相关出现在约180天偏移（r
max = 0.677，Holm校正p = 0.117），全部6个校正p值超过0.05，估计偏移描述季节性相位关系供进一步水文地质调查；采矿、建筑、填埋场和堆料场区具有与局部扰动一致的独特时间序列轨迹，LightGBM在内部35 km空间块交叉验证下折平均ROC-AUC为0.825 ± 0.153（等权块均值0.781），高和极高折外得分组捕获以LOS速率≤ ?10 mm/year定义的83.3%正样本。该研究意义在于区分了区域结构化易发性、地下水相关季节性和站点特异性形变模式，为济南地面沉降调查提供空间优先级，并识别出含水层和工程记录最具价值的位置以检验所提出的形变路径。
技术方法上，研究人员主要采用SBAS-InSAR（小基线集干涉合成孔径雷达）处理95景镶嵌升轨Sentinel-1A IW观测，构建短基线网络并进行差分干涉、滤波、解缠、轨道与大气校正及时间序列反演；利用GAMIT处理5个连续运行GNSS站点（JYRS、KYRS、PYRS、SHRS、ZQRS）的日解三维位移并投影至LOS方向进行相对一致性评估；采用谐波分析分离长期趋势与季节周期，并通过滞后互相关和圆形块自举评估地下水水位与季节性LOS形变的关系；构建17,370,627个有效像元的易发性样本清单，以LOS速率≤ ?10 mm/year标记正样本，采用35 km空间块五折交叉验证比较RF、XGBoost和LightGBM，并用SHAP解释因子贡献。样本队列来源包括5个GNSS站点和6口地下水监测井（杜庙、钢城、莱芜、历下、平阴、章丘）。
研究结果方面，3.1地表形变：SBAS-InSAR识别出2019–2025年济南空间连贯的负LOS形变区，最负速率约?48 mm/year，显著形变出现在北部平原、工业园区和建设堆场、莱芜矿区、钢城断层附近及填埋场或废物堆料场周边；在4,450,227个位置获得有效不确定性估计，拟合累积LOS形变变化的标准误中位数5.53 mm，5th–95th百分位范围3.66–9.88 mm；选取6个LOS速率≤ ?10 mm/year的空间连贯区A–F进行点时间序列、周边土地覆盖和历史卫星影像详细比较，各区位形变轨迹与局部扰动一致。3.2五个GNSS站点相对LOS一致性：投影GNSS LOS位移与局部平均InSAR LOS位移在2020–2021年29个共同获取日期比较，Pearson r在JYRS为0.886、KYRS为0.582、PYRS为0.729、SHRS为0.440、ZQRS为0.733，RMSE为1.45–4.27 mm，MAE为1.16–3.98 mm，平均偏差为?0.37至3.98 mm。3.3地下水水位与季节性LOS形变的时间关系：6口井拟合InSAR形变周期与地下水水位周期具有大体相似周期，平阴和章丘季节峰值近乎重合；振幅比依次为杜庙1.68、历下1.46、莱芜0.57、章丘0.48、平阴0.34、钢城0.30（10
?3）；滞后互相关峰值正相关出现在杜庙180天（r
max = 0.677）、钢城132天（0.668）、莱芜156天（0.644）、历下156天（0.833）、平阴24天（0.814）、章丘0天（0.564），单井p值为0.023、0.124、0.016、0.036、0.118、0.109，Holm校正后为0.117、0.326、0.093、0.143、0.326、0.326，全部超过0.05。3.4形变与土壤和地貌类型的关系：代表性形变区多位于低海拔冲积-洪积和低海拔冲积平原，部分靠近低海拔丘陵与冲积-洪积平原边界，并与半水成土和半淋溶土重叠。3.5易发性评估：3.5.1驱动因子选取高程、坡度、坡向、地貌类型、土壤类型、土地利用类型、道路密度、水系密度、建筑密度、人口密度、夜间灯光、断层距离和年均降水13个因子；3.5.2相关诊断显示所有连续输入列VIF < 5，最高为高程4.75和年均降水4.63，|ρ| ≥ 0.70的配对为高程与降水（0.875）、夜间灯光与道路密度（0.708）、建筑密度与人口密度（0.706），全部13个预测因子保留；3.5.3预测模型选择在随机70%/30%划分下RF、XGBoost、LightGBM的ROC-AUC分别为0.982、0.984、0.982，35 km五折空间块交叉验证下折平均ROC-AUC分别为0.847 ± 0.108、0.836 ± 0.130、0.825 ± 0.153，折平均PR-AUC分别为0.250 ± 0.153、0.242 ± 0.140、0.247 ± 0.144，19个可评估块等权平均ROC-AUC分别为0.763、0.786、0.781，配对块级符号翻转检验p值为RF对XGBoost 0.238、RF对LightGBM 0.468、XGBoost对LightGBM 0.722，LightGBM折平均召回率0.653、平衡准确率0.768；3.5.4易发性图由五个空间折LightGBM得分平均生成，集成得分20th、40th、60th、80th百分位阈值为0.0107、0.0255、0.0717、0.3641，五个类别各覆盖20%共享有效区，较高得分主要出现在济阳、天桥和章丘区；3.5.5 35 km空间块折外评估中LightGBM汇总OOF预测ROC-AUC = 0.847、PR-AUC = 0.204，折平均ROC-AUC为0.825、等权块均值0.781，极高组正样本流行率14.90%、极低组0.62%，高和极高组分别捕获11.22%和72.08%的InSAR衍生正样本，合计83.3%；3.5.6 SHAP解释显示地貌类型平均绝对SHAP值最大（1.371），其次为年均降水（0.589）和高程（0.585），低海拔冲积平原具有正的中位贡献0.84（四分位距0.60–1.03），低海拔丘陵和山地类别具有负中位数（?1.60至?2.34），盐碱土具有正的中位数0.22，半水成土具有负中位数?0.53，耕地具有正的中位数0.22，草地（?0.64）和不透水面（?0.57）具有负中位数。
讨论部分总结：4.1空间格局与可能过程指出代表性形变区与低海拔冲积和冲积-洪积平原及多种工程活动重叠，地貌类型和高程为突出模型预测因子，这些平原可含厚层未固结可压缩沉积物，对有效应力或施加荷载变化响应；地下水与季节性LOS形变在6口井显示大体相似年度变率，估计峰值滞后0–180天，Holm校正p值0.093–0.326，结果描述季节相位关系并识别更详细水文地质调查位置；人类活动可在局部触发或放大形变，代表性区与工业存储荷载、高速公路建设堆场、采矿、坝邻渗流条件、填埋场运营和废物堆料场一致；六个区历史提供过程特异性线索，采矿区C显示持续相对单调负LOS形变，建设堆场B在2022年前显示显著负位移之后继续运动并短期波动，坝区D附近软沉积物、河流渗流和交通荷载为可能影响，填埋场E自观测开始持续负运动，废物堆料场F在2022年前加速、2023年后减缓或部分回弹，与加载和卸载序列一致；SHAP响应模式提供拟合模型空间解释，低高程与较高得分相关，强高程-降水相关表明两者均含区域空间梯度信息；LightGBM判别在不同保留区域变化，折平均ROC-AUC 0.825、等权块均值0.781、汇总OOF ROC-AUC 0.847分别描述测试折判别、可评估块内平均判别和全部汇总保留观测判别；分析描述三个尺度形变，区域上代表性区与冲积和冲积-洪积平原重叠而模型赋予不同类别特异性SHAP贡献，季节上地下水记录与LOS形变呈现年度变化及估计相位偏移，站点上矿山、建设区、填埋场和堆料场显示独特形变历史；水文地层剖面、含水层压力记录、荷载历史和垂直位移测量有助于将观测格局与站点过程联系。4.2与先前研究比较指出先前2018–2023年济南中部Sentinel-1A SBAS-InSAR研究发现城市核心大体稳定而外围沉降更大、最大速率约55.5 mm/year，本研究最大负LOS形变速率约?48 mm/year量级可比且显著运动同样出现在平原和城市边缘；济南岩溶泉系统工程尺度研究利用层次分析法和GIS评估地铁建设对地下水和泉的风险，沿线研究描述降水与地下结构相关地下水流动变化，本研究2019–2025年LOS清单、季节性地下水分析和相对易发性评估扩展了此类调查的时空背景。4.3局限性与进一步调查指出研究表征单升轨LOS方向观测的渐进形变，井深、筛管段、开采量、伸长计记录和水文地层剖面不可用，这些测量可将观测季节和空间关联与含水层系统形变联系；快速局部岩溶塌陷和突水需要更细时空分辨率站点尺度观测，时变工程荷载和土地利用变化也将增加静态预测因子之外的信息；滞后估计以季节信号提取和测试的0–180天范围为条件，共享年度分量和边界到达区间在解释选定相位偏移时重要；易发性评估使用同一InSAR衍生清单的内部地理保留，其性能指该样本定义和观测期，独立形变清单和后续观测将提供外部检验，分位数类别表达相对排名且正样本捕获取决于LOS速率阈值和得分截断；报告的像元级标准误量化指定时间模型下拟合累积LOS形变变化的不确定性，残余大气和轨道效应、相位解缠及与SBAS网络和空间参考相关的协方差可贡献额外产品不确定性，GNSS差异统计汇总5个站点相对LOS一致性，这些度量共同描述时间拟合不确定性和站点尺度一致性。研究结论翻译如下：济南地表形变随区域地质背景、季节性地下水条件和个体活动站点而变化，主要结论为：（1）2019–2025年SBAS-InSAR序列在大体稳定研究区内识别出局部负LOS形变，最负形变速率约?48 mm/year，最大累积LOS形变约?248 mm，5个GNSS站点同日相对LOS位移比较（每站28个非参考历元）RMSE为1.45–4.27 mm；（2）地貌类型为相对易发性提供最强信息，代表性形变区与低海拔冲积和冲积-洪积平原重叠，而条件模型贡献 specifically 对低海拔冲积平原为正，6口井地下水水位与季节性LOS形变呈现可比年度周期，杜庙最强相关出现在约180天偏移（r
max = 0.677，Holm校正p = 0.117），全部6个校正p值超过0.05，估计偏移描述季节性相位关系供进一步水文地质调查；（3）采矿、建筑、填埋场和堆料场区具有与局部扰动一致的独特时间序列轨迹，叠加于区域条件之上，在同一InSAR衍生清单内LightGBM在内部35 km空间块交叉验证下折平均ROC-AUC为0.825 ± 0.153（等权块均值0.781），高和极高折外得分组捕获以LOS速率≤ ?10 mm/year定义的83.3%正样本，所得相对图和站点特异性关联识别出含水层和工程记录最具价值的位置以检验所提出的形变路径。
