《Geocarto International》：A robust adaptive InSAR-GNSS fusion approach for three-dimensional surface deformation monitoring
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摘要翻译：城市地面沉降对沿海基础设施构成威胁，尤其是在填海造地和人口密集开发区。单几何InSAR（合成孔径雷达干涉测量）可提供广域LOS（视线向）形变，但在解析三维（三维）地表运动方面存在局限。本研究针对香港地区，构建了一种稳健的InSAR-GNSS（全球导航
摘要翻译：城市地面沉降对沿海基础设施构成威胁，尤其是在填海造地和人口密集开发区。单几何InSAR（合成孔径雷达干涉测量）可提供广域LOS（视线向）形变，但在解析三维（三维）地表运动方面存在局限。本研究针对香港地区，构建了一种稳健的InSAR-GNSS（全球导航卫星系统）融合框架用于三维形变监测。研究人员利用ISCE2-MintPy SBAS-InSAR（小基线子集-合成孔径雷达干涉测量）工作流程处理了2020年1月至2024年4月的Sentinel-1A影像，同时对GNSS观测数据进行重采样和插值，以提供东向、北向和垂直方向的约束。研究人员提出了一种迭代重加权最小二乘-Helmert方差分量估计方法（称为IRLS-HVCE），将稳健异常值抑制与自适应方差分量加权相结合。独立GNSS验证表明，IRLS-HVCE实现了最低的三维组合RMSE（均方根误差），为9.87毫米/年。该框架为沿海城市的三维形变监测提供了一种实用方法。
论文解读：
**一、研究背景与问题**
地面沉降是沿海城市面临的重大工程地质问题，尤其在填海造地和软土沉积区，沉降会加剧相对海平面上升，威胁基础设施安全、排水能力、防洪体系和城市韧性。香港作为珠江口东岸的典型高密度沿海城市，长期依赖大规模填海工程缓解土地紧缺，但填海区域普遍存在软土固结和填筑材料压缩引发的持续沉降。已有InSAR研究虽在香港地区开展了大量地表形变监测，但大多集中在单一LOS方向形变、特定填海区或单一工程结构，缺乏系统性的多源数据融合来构建高时空分辨率的三维形变场。单几何InSAR仅能获取视线向形变分量，无法完整解析东、北、垂直三分量；而GNSS虽能提供高精度三维形变观测，但点状观测模式在空间覆盖上受限。因此，亟需发展一种稳健的多源融合方法，结合InSAR的空间连续性与GNSS的三维形变能力，实现香港全域高精度三维形变监测。
**二、研究目标与总体思路**
本研究旨在通过InSAR与GNSS观测的协同融合，构建香港地区高时空分辨率的三维地表形变场。研究首先利用SBAS-InSAR获取LOS向形变时间序列，建立雷达观测与东、北、垂直形变分量之间的投影关系；其次，通过Kriging插值将离散GNSS观测重构为连续的格网东、北、垂直约束；最后，在统一融合框架中联合估计三维形变场。针对传统融合方法对异常值敏感、异质数据源方差分量确定困难等问题，研究提出IRLS-HVCE估计策略，将最小二乘估计、迭代重加权最小二乘（IRLS）与Helmert方差分量估计（HVCE）相结合，同时提升对观测异常值的鲁棒性和异质数据集间方差分量的优化能力。
**三、主要技术方法**
本研究所用关键技术方法包括：其一，基于ISCE2-MintPy平台实施SBAS-InSAR时间序列处理，通过设定45天/200米的时间基线和垂直基线阈值构建干涉网络，并利用ERA-5大气校正有效抑制对流层延迟，相位解缠质量控制采用空间相干性、连通分量一致性、时间相干性等多项指标；其二，GNSS数据处理采用时间重采样和Kriging空间插值，将17个IGS14 tenv3站点中的10个作为插值控制点，7个作为独立验证点，插值误差在东、北、垂直分量分别为0.27、0.33、0.61毫米/年，三维误差均值0.80毫米/年；其三，构建InSAR LOS与GNSS ENU联合观测的间接平差模型，分别采用最小二乘、IRLS、HVCE和IRLS-HVCE四种方法进行三维形变反演，其中IRLS-HVCE方法通过Tukey双权函数抑制异常值，并以HVCE迭代更新组间方差分量，实现组内与组间权重的协同优化。
**四、研究结果**
**4.1 SBAS-InSAR揭示的LOS向形变特征**
SBAS-InSAR处理结果显示，香港地区平均LOS向形变速率介于?98.21至42.26毫米/年，均值?2.95毫米/年，最大累积沉降达?417.91毫米。主要沉降区集中于屯门、元朗、香港国际机场和启德，最大沉降速率超过?70毫米/年，这些区域多位于填海海岸或高密度建成区。东部基岩区形变较弱，表明岩性条件与工程荷载共同控制沉降的空间异质性。
**4.2 典型区域形变时间演化**
选取屯门-元朗（P1）、香港国际机场（P2）、启德发展区（P3）三个典型区域及四个特征点进行分析。A点（兆康站）和B点（屏山站）累积沉降于2024年1月超过?350毫米，呈持续快速下沉趋势；C点（机场站）累积沉降约?200毫米，呈渐进稳定下沉；D点（红磡站）则呈现约100毫米的轻微抬升趋势。分段线性回归将区域形变演化划分为三个阶段：季节性微抬升阶段、过渡性缓慢沉降阶段和加速沉降阶段。
**4.3 三维反演方法比较**
基于7个独立GNSS验证站的检验显示，最小二乘方法在东、北、垂直方向RMSE分别为16.47、5.06、4.36毫米/年，三维综合RMSE为17.77毫米/年；IRLS方法将综合RMSE降至13.82毫米/年，垂直RMSE最优为0.56毫米/年；HVCE方法综合RMSE为12.85毫米/年；IRLS-HVCE方法实现了最低综合三维RMSE为9.87毫米/年，其中东向RMSE大幅降至9.18毫米/年，北向和垂直向RMSE分别为3.57和0.65毫米/年。相比其他三种方法，IRLS-HVCE的综合三维RMSE分别降低44%、29%和23%，表明其在三维方向上具有更均衡的总体精度。
**4.4 IRLS-HVCE揭示的三维形变特征**
IRLS-HVCE结果显示香港三维形变呈西强东弱格局。香港国际机场中心跑道区沉降速率约?45至?50毫米/年，南部货运区达?70毫米/年，航站楼周边约?35至?40毫米/年。屯门-兆康-蝴蝶湾地区呈现东向运动约3?5毫米/年和垂直沉降约?25至?30毫米/年。启德发展区北部约2?3毫米/年北向运动和?8至?10毫米/年沉降，南部约5?7毫米/年北向运动和?12至?15毫米/年沉降。这些空间差异与填海历史、基础设施荷载和场地条件密切相关。
**五、讨论与结论**
研究讨论指出，IRLS-HVCE方法有效解决了多源InSAR数据融合中的两个关键问题：一是InSAR与GNSS精度差异导致的权重分配不当，二是局部相位失相干引起的点误差对三维形变场重建的干扰。方法通过HVCE实现组间自适应加权，通过IRLS抑制组内异常值，从而提升模型鲁棒性和融合精度。研究仍存在局限性：仅使用升轨SAR观测，无法完全分离和量化水平-垂直运动泄漏；GNSS站点分布稀疏，远离控制点区域插值可靠性可能受影响；残余大气、轨道和解缠误差仍可能影响融合结果。未来研究应纳入降轨SAR观测、增加GNSS站点，并开展敏感性实验以定量评估水平-垂直泄漏，同时结合水准观测和岩土信息进一步强化验证和物理解译。研究结论认为，IRLS-HVCE方法在三维形变监测中提供了均衡的精度提升，香港三维形变场的空间异质性表明填海固结、局部场地条件和基础设施荷载可能是沉降和水平运动的共同驱动因素。该研究为沿海城市三维形变监测和地面沉降风险评估提供了实用的技术框架和可靠的观测依据。
