台湾中部高速铁路沿线的地面沉降诱发水平位移：一种综合多时相InSAR、GNSS和水准测量方法

《Remote Sensing》：Land Subsidence-Induced Horizontal Displacement Along the High-Speed Rail in Central Taiwan: An Integrated Multi-Temporal InSAR, GNSS, and Leveling Approach

　　

台湾中部浊水溪冲积扇因过度抽取地下水导致的地面沉降对台湾高速铁路（THSR）的结构完整性构成重大威胁。本研究提出了一种综合方法，结合多时相干涉合成孔径雷达（MT-InSAR）、连续和流动全球导航卫星系统（GNSS）测量以及精密水准测量，以表征THSR走廊沿线的垂直和水平地表位移。研究人员使用小基线子集（SBAS）技术处理了2015–2021年期间来自升轨（A69）和降轨（D105）的Sentinel-1 C波段SAR数据，并通过2.5D分解分解为东西向（EW）和垂直分量。研究人员使用GNSS普通克里金插值对InSAR导出的EW速度场进行了校准，将R²从0.147（RMSE = 4.24 mm/yr）提高到0.992（RMSE = 0.24 mm/yr）。研究人员使用拟合了922个水准基准点和38个连续GNSS站的多项式趋势面对垂直速度场进行了校正，将RMSE从6.03 mm/yr降低到4.85 mm/yr（R²从0.889增加到0.898），并几乎消除了系统偏差（从+3.47 mm/yr降低到?0.47 mm/yr）。在云林土库地区发现了超过60 mm/yr的最大沉降，而在彰化发现了三个次级沉降中心。水平速度场显示出朝向沉降中心的汇聚模式，幅度为2–10 mm/yr，证实了含水层压实会诱发显著的横向变形。沿THSR走廊，在溪州和土库沉降区之间的东西向速度差异凸显了铁路线形和结构安全的潜在风险，水平应变率达到约10^?6/yr。GNSS观测还提供了InSAR无法探测的南北向速度分量，从而实现了更完整的三维变形表征。

台湾中部浊水溪冲积扇因长期过度抽取地下水，导致大面积地面沉降，对穿越该区域的台湾高速铁路（THSR）构成严重威胁。传统点状监测（如水准测量、GPS）空间覆盖不足，而InSAR虽能提供高空间分辨率形变数据，但受限于仅能探测视线向（LOS）位移，且2.5D分解后的东西向（EW）和垂直速度场存在系统偏差。为此，研究人员开展本研究，旨在构建一种综合多源大地测量数据的框架，精确表征THSR走廊沿线的三维地表形变，揭示沉降诱发的水平位移机制，并评估其长期工程风险。该论文发表在《Remote Sensing》。

研究人员采用了以下关键技术方法：首先，基于小基线子集（SBAS）技术处理2015–2021年Sentinel-1升轨（A69）和降轨（D105）C波段SAR数据，通过2.5D分解获取初步的EW和垂直速度场。其次，利用86个GNSS站点（包括44个连续GNSS站和42个流动站，数据来源于台湾中央研究院、中央地质调查所、水利署及工业技术研究院）进行普通克里金插值，校准EW速度场，使R²从0.147提升至0.992。再次，结合922个水准基准点（来自水利署2016–2021年年度测量）和38个连续GNSS站，通过二次多项式趋势面拟合校正垂直速度场，RMSE从6.03 mm/yr降至4.85 mm/yr。最后，利用GNSS南北向（NS）速度补充InSAR盲区，完成三维形变场构建。

研究结果如下：
3.1 校准后的东西向速度场：通过GNSS普通克里金校正，EW速度场从初始的R²=0.147（RMSE=4.24 mm/yr）提升至R²=0.992（RMSE=0.24 mm/yr）。校正后的EW场清晰显示朝向沉降中心的汇聚运动，最大速度达5–8 mm/yr，证实了水平位移与垂直压实的耦合关系。
3.2 校准后的垂直速度场：利用多项式趋势面校正后，垂直速度场与水准基准点的对比显示RMSE从6.03降至4.85 mm/yr（R²从0.889增至0.898），系统偏差从+3.47降至?0.47 mm/yr。云林土库地区最大沉降速率超过60 mm/yr，彰化地区存在三个次级沉降中心（速率15–35 mm/yr）。
3.3 水平速度场与沉降中心：水平速度场（InSAR EW + GNSS NS）呈现径向汇聚模式，指向土库和溪州沉降中心，速度幅度2–10 mm/yr。最大水平速度出现在沉降碗边缘的陡峭梯度带，而非中心，水平应变率约10^?6/yr，体现了泊松效应（Poisson effect）导致的横向应变。
3.4 THSR走廊剖面分析：沿THSR走向提取的速度剖面显示，溪州段（里程~36 km）垂直沉降15–25 mm/yr，EW速度梯度3–5 mm/yr；土库段（里程~62 km）垂直沉降>50 mm/yr，EW速度变化达8 mm/yr。EW速度在沉降中心处过零，两侧方向相反，表明汇聚运动。最大横向位移位于沉降碗的拐点处，50年累积横向位移预计达15–40 cm。
3.5 来自GNSS的南北向速度场：GNSS提供的NS速度（连续站-4.2至+6.1 mm/yr，流动站-2.6至+3.7 mm/yr）补充了InSAR无法探测的沿轨变形，与EW和垂直分量结合，实现了完整的三维形变表征。

讨论部分总结了沉降诱发水平位移的机制，指出泊松效应是含水层压实导致径向汇聚运动的关键，水平-垂直位移比（0.05–0.15）与理论模型一致。对THSR结构安全的影响评估表明，当前变形速率下，关键过渡区段（拐点）在50年设计寿命内可能累积15–40 cm横向位移，超过设计容差，亟需持续监测和地下水管理。此外，比较了EW和垂直校准策略的差异，EW通过普通克里金获得更高精度（R²=0.992），而垂直校准受限于大气噪声、尺度失配和GNSS垂直精度，RMSE最终为4.85 mm/yr。研究局限性包括InSAR对NS不敏感、流动GNSS数据时间匹配不足等。

研究结论翻译如下：本研究提出了一个综合大地测量框架，结合MT-InSAR、GNSS和精密水准测量，表征了浊水溪冲积扇的多维地表形变场——包括来自2.5D InSAR分解的EW和垂直分量，以及GNSS补充的南北向观测。除了提供高精度监测外，本研究还阐明了垂直压实与横向应变之间的力学耦合，为基础设施韧性提供了重要见解。主要结论如下：（1）通过普通克里金校准，EW速度场精度显著提升，R²从0.147增至0.992，RMSE从4.24降至0.24 mm/yr，表明即使初始信号被系统偏差掩盖，密集地面约束也能恢复毫米级形变信号。（2）校准后的垂直速度场显示土库地区最大沉降超过60 mm/yr，结合GNSS南北向速度（-4.2至+6.1 mm/yr），克服了InSAR“盲区”，实现了 EW、垂直和南北向三分量形变表征，对线性基础设施监测至关重要。（3）识别出朝向沉降中心的径向汇聚水平速度场（2–10 mm/yr），为含水层压实过程中的泊松效应提供了直接观测证据，观测到的水平-垂直位移比（0.05–0.15）与以黏土为主的含水层系统理论模型一致。（4）关键发现是THSR的最大横向风险位于沉降碗的拐点处（垂直梯度最陡处），而非沉降中心本身，这些过渡带的水平应变率约10^?6/yr。（5）假设变形速率时间稳定，预测THSR在50年设计寿命内可能经历15–40 cm的累积水平位移，这些估计受地下水管理和气候强迫变化的影响存在不确定性。结果强调，结构健康监测策略需超越传统垂直沉降视角，将多维应变积累（垂直沉降、横向扩展和差异位移）纳入维护计划和轨道调整中。本研究建立的综合框架为全球冲积扇地面沉降监测提供了可转移的稳健方法，为地下水管理和重大土木基础设施长期安全评估提供了科学依据。