《Remote Sensing》：A New Method for Extracting Short-Term Deformation Signals from InSAR Time Series and Its Application to the Haihe River ‘23·7’ Basin-Wide Extreme Flood Event
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为了解决从InSAR时间序列中提取极端洪水引发的短周期地表形变信号这一关键挑战，本研究聚焦于2023年7月袭击海河流域的灾难性洪水（以下简称“23·7”洪水，总持续时间约65天），提出了一种瞬态形变信号提取的新方法。利用Sentinel-1A卫星数据与PS-I
为了解决从InSAR时间序列中提取极端洪水引发的短周期地表形变信号这一关键挑战，本研究聚焦于2023年7月袭击海河流域的灾难性洪水（以下简称“23·7”洪水，总持续时间约65天），提出了一种瞬态形变信号提取的新方法。利用Sentinel-1A卫星数据与PS-InSAR技术，研究人员构建了包含线性趋势项、年与半年季节项、阶跃项和对数衰减项的多元复合拟合函数。通过非线性最小二乘拟合，该方法实现了长期构造形变、季节性波动、高频噪声与瞬态洪水相关信号的有效分离。结果表明，雄安新区以东的W形漫滩并未表现出由水体载荷引发的预期沉降，而是呈现出高达30 mm的显著地表隆升。多物理场正演模拟揭示了其潜在机制：通过LoadDef球形载荷理论计算的地表水载荷引发的弹性沉降仅约为2 mm；相比之下，基于GMS三维地下水渗流模型与有效应力原理的正演表明，孔隙水回弹效应可产生高达约36 mm的地表隆升。这两种效应的叠加在量级、方向和空间分布上与InSAR观测高度一致，证实洪水引发的地表形变主要由快速地下水补给触发的孔隙水回弹效应主导，而非水体载荷引发的沉降。所提出的框架拓展了大地测量技术在监测短周期极端水文事件中的应用潜力。
海河流域地处东亚季风气候区，降水时空变异性大，易发生流域性洪涝灾害。雄安新区作为国家发展战略的关键组成部分，其大规模建设对区域防洪安全与地质灾害评估提出了严格要求。现代大地测量技术，特别是合成孔径雷达干涉测量 (InSAR, 一种用于地表形变监测的遥感技术) 在监测地表形变方面具有全天候、高精度优势。然而，洪水引发的地表形变信号通常较弱，且被长期构造形变、地下水抽取引发的形变、季节性周期形变及高频噪声等背景信号掩盖。此外，现有信号提取方法多针对季节性或多年信号，对短周期（1-2个月）洪水相关瞬态形变的提取能力尚未得到充分验证。同时，传统观点认为洪水载荷仅引发地表沉降。为解决上述问题，研究人员以海河流域“23·7”极端洪水为研究对象，结合大地测量观测与多物理场正演模拟，阐明了极端洪水引发地表形变的复杂时空演变及其主导物理机制。研究表明，洪水引发的地表形变并非单纯的载荷沉降，而是由快速地下水补给驱动的孔隙水回弹效应主导的水力学-力学耦合响应。该研究不仅拓展了InSAR技术在监测短周期极端水文事件中的应用潜力，还为理解冲积平原洪水次生地质效应提供了全新的物理视角，论文发表在《Remote Sensing》。
研究人员主要采用以下关键技术方法开展研究：首先，基于Sentinel-1A卫星的C波段数据与永久散射体干涉测量技术 (PS-InSAR, 一种时间序列InSAR处理方法) 获取研究区的地表形变时间序列；其次，开发了包含线性趋势项、阶跃项和对数衰减项的三阶段复合拟合模型，通过非线性最小二乘拟合提取瞬态形变信号；最后，利用LoadDef软件基于球形载荷理论计算地表水弹性载荷形变，并结合地下水模拟系统 (GMS, 一种三维地下水数值模拟软件) 构建的渗流模型与有效应力原理进行孔隙水回弹效应的正演模拟。研究涉及的地下水监测井数据及白洋淀流域水文地质勘探数据为模型构建提供了基础参数约束，样本队列均来源于海河流域“23·7”洪水淹没区及周边区域。
2.1. SAR Data and PS-InSAR Processing
研究人员利用Sentinel-1A卫星数据与PS-InSAR技术处理得到地表形变时间序列。由于洪水持续时间短，形变信号具有与季节信号和噪声相似的高频特性，通过对比不同时间滤波窗口，最终选择15天的时间滤波窗口，以在保留洪水相关信号的同时最大化信噪比。
2.2. Fitting Function for Flood-Induced Crustal Deformation
针对洪水与地震形变机制的差异，研究人员构建了三阶段数学模型：洪水前呈线性趋势，洪水发生时呈阶跃式瞬时响应，洪水后呈对数衰减恢复。该函数通过叠加线性趋势项、季节性正弦余弦项、阶跃项和对数衰减项构建，以准确描述背景形变、季节变化、洪水瞬时响应与洪后恢复。
2.3. Flood-Associated Signal Extraction Workflow
通过逐步减去周期项、线性趋势项和常数项，并进行迭代拟合，该流程有效避免了多参数一次性拟合中的参数耦合问题。统计分析显示，核心淹没区的平均拟合R
2达到0.92，成功抑制了高频噪声干扰，确保了提取结果的可靠性。
2.4. Signal Extraction Results Associated with the “23·7” Flood Event and Spatiotemporal Evolution of the Deformation Field
提取结果显示，雄安新区以东的W形淹没区呈现出与洪水范围高度一致的显著地表隆升，最大隆升量达约30 mm。非淹没区的过拟合伪信号幅度远小于核心淹没区，不影响核心结论。随洪水退去，形变呈对数衰减趋势，且数月内仍有残余形变，表明入渗洪水在近地表停留时间较长。
3.1. Numerical Simulation of the Loading Effect
研究人员采用LoadDef (v2019) 软件，基于PREM地球结构模型，将洪水离散化为多个等效圆盘载荷，计算球体对称地球模型在表面质量载荷下的弹性形变。
3.2. Flood Data Sources and Preprocessing
洪水淹没数据来源于Jiao等人的SAR分析，经过格式转换与裁剪，剔除了因相位解缠误差较大而质量不佳的8月5日数据。
3.3. Flood Loading Effect Field Associated with the “23·7” Flood Event
计算结果表明，载荷引发的沉降范围在0至2 mm之间，其空间分布与洪水淹没范围一致，且随洪水消退沉降量逐渐减小。
4.1. Numerical Simulation Method for Pore Water Rebound Effect Based on the Principle of Effective Stress
基于Terzaghi提出的有效应力原理与Poland建立的地下水位波动与地表形变定量关系，研究人员利用GMS模拟的地下水位变化，计算了孔隙水压力变化引起的有效应力变化，进而推导出地表隆升形变量。
4.2. Numerical Simulation of Groundwater Level Change
研究人员利用GMS v10.8构建了三维地下水渗流模型，基于白洋淀流域水文地质勘探报告进行参数赋值（如K
x、K
y、K
z等）。模拟显示，地下水位上升的空间格局与实际洪水范围高度一致，最大水位上升达16 m，且洪水退去后地下水仍长时间存储在淹没区附近。
4.3. Surface Deformation Field of Pore Water Rebound Effect Associated with the “23·7” Flood Event
正演计算表明，孔隙水回弹效应在W形区引发了最大达36 mm的隆升，与InSAR观测到的30 mm隆升在量级上一致。结合2 mm的载荷沉降，净形变与观测高度吻合，证实了孔隙水回弹的主导地位。
4.4. Formation Mechanism of Surface Deformation Associated with the “23·7” Flood Event
综合对比证实，“23·7”洪水相关的地表形变以隆升为主，是孔隙水回弹与洪水载荷共同作用的结果，其中回弹机制占据主导地位。
在讨论部分，研究人员指出，尽管受限于Sentinel-1A 12天的重访周期及水体镜面反射导致的核心淹没区数据缺失，且模型假设存在一定简化，但所提方法在无直接独立地面真值的情况下，仍成功提取了与洪水范围高度一致的形变信号。研究结果挑战了传统洪水载荷仅引发地基沉降的假设，冲积平原的高渗透性使得地下水补给产生的孔隙回弹效应超过了瞬态地表载荷信号。该方法仅需约两年的背景时间序列作为基线，便能在洪水事件发生后约12天内提供近实时形变估计，为洪水风险管理与灾后次生地质灾害动态评估提供了大地测量观测支持。研究结论部分翻译如下：
本研究聚焦洪水等短周期极端水文事件，提出了一种用于InSAR时间序列分析与形变信号提取的模型拟合方法，并将其应用于海河流域“23·7”流域性极端洪水事件。结合球形载荷理论计算与地下水孔隙水回弹正演模拟，本研究阐明了洪水引发地表形变的时空演变及其潜在物理机制。主要结论总结如下：
(1) 针对洪水事件的快速发生与短持续时间，研究人员开发了包含线性趋势项、阶跃项和对数衰减项的地表形变拟合函数。该方法有效缓解了传统时空滤波无法完全去除的高频噪声，成功从复杂的InSAR时间序列中分离出与洪水演变密切相关的瞬态和非线性衰减形变信号。
(2) 使用所提方法提取的“23·7”洪水时间序列地表形变场显示，淹没区在事件期间并未表现出预期的沉降，而是呈现出明显的广泛地表隆升，最大值约为30 mm。提取的形变场在空间上与洪水淹没范围高度匹配，并在时间上随洪水退去呈对数衰减模式。
(3) 多物理场正演模拟显示，地表水载荷效应仅产生约2 mm的沉降，而由洪水入渗导致地下水位大幅上升所驱动的孔隙水回弹效应产生了高达36 mm的地表隆升。两种机制的净组合形变在空间格局、方向和量级上与InSAR观测高度一致。这证实淹没区显著的地表隆升由孔隙水回弹效应主导，代表了一种水文-地质力学耦合响应，而非传统认知中假设的纯载荷引发沉降。
本研究为利用大地测量技术监测极端水文事件提供了全新的技术框架，并为推进冲积平原地表水-地下水相互作用及其复杂地表形变的理解提供了关键的高精度观测约束与理论见解，同时也为区域防灾与应急预警工作提供了坚实的观测基础。
