从地表形变到多年冻土过程推断：InSAR应用、验证与定量证据的系统综述

《Sustainability》：From Surface Deformation to Permafrost Process Inference: A Systematic Review of InSAR Applications, Validation, and Quantitative Evidence

　　

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）可绘制多年冻土区的地表运动图，但形变并不能唯一地确定其背后的过程。本系统综述评估了该领域从形变探测向经验证的过程推断推进的程度。2026年7月16日对Web of Science核心合集进行检索，共获得409条记录；262篇出版物符合核心范围，其中175篇提供了372项连贯的科学结果和727项伴随指标。研究自2020年后迅速扩展，并从季节性制图向活动层厚度（ALT）、地下冰、水文、基础设施和预测建模等方面多元化发展。然而，证据成熟度沿推断链递减：描述性形变/质量结果与模型/算法结果占证据的58.3%，而针对野外观测、全球导航卫星系统（GNSS）测量或水准测量的直接验证仅占4.6%。仅有12.4%的结果报告了可辩护的分析样本量，33.9%提供了可用的不确定性信息。使用探测、探地雷达（GPR）或模型参考的ALT评估所估计的是不等价量，无法支持单一的合并精度度量。雷达视线向（LOS）位移也是一种投影后的非唯一响应，其过程解释依赖于运动几何以及热学、水文和力学假设。没有任何证据家族满足预先设定的全球荟萃分析要求。要实现累积性推断，需要明确的估计目标、匹配的独立验证、不确定性传播以及透明的数据集依赖关系。

本综述旨在系统评估InSAR-多年冻土研究从地表形变观测向可靠过程推断的进展程度，并围绕四个相互关联的目标展开：表征文献及其科学应用的演变、在连贯科学结果层面组织定量文献、评估运动几何、物理假设、验证及报告完整性所决定的推断强度，以及评估各证据家族的可比性、独立性和不确定性处理，以判断跨站点、跨时期和跨传感器的合理合并或迁移是否可行。

**1. 引言**
多年冻土区广泛发育热变化，地表形变是多年冻土系统的可观测响应，但并非多年冻土温度、活动层厚度（ALT）或退化状态的唯一代理指标。干涉合成孔径雷达（InSAR）可提供空间分布的地表相对运动信息，但其观测量为视线向（LOS）位移，是三维位移矢量的投影，需在假设水平运动可忽略时才可近似为垂直运动。因此，从干涉相位到LOS位移、再到运动几何和具体多年冻土过程的解释链至关重要。早期研究证明了季节性及多年形变探测能力，后续研究逐渐转向ALT反演、区域时间序列分析及多种应用，包括活动层推断、土壤水和地下冰估计、野火与洪水响应、岩石冰川与冻土边坡、基础设施稳定性、时间序列反演改进、自动地貌探测、易发性评估和形变预测。

**2. 材料与方法**
**2.1 综述设计、检索策略与资格标准**
依据PRISMA 2020声明进行系统综述。2026年7月16日检索Web of Science核心合集，主题查询为(InSAR OR “interferometric synthetic aperture radar”) AND (permafrost OR “frozen ground” OR “frozen soil” OR “active layer” OR thermokarst)，获得409条记录。限定为SCIE/SSCI索引的Article和Review后，共334篇进入筛选库。核心语料库包含262篇出版物（254篇英文、6篇中文、2篇法文）。资格要求同时具备实质性的InSAR使用和实质性的多年冻土相关对象、过程或应用。

**2.2 筛选与构建定量证据集**
筛选由单一作者完成，采用预先指定的资格标准、理由编码决策、全文核查和二次复核以减少主观偏差。260篇实证核心文章中，若至少能识别出一个具有明确结果或产品以及可解释数值估计、比较或性能统计的连贯科学结果，则该出版物进入结构化定量证据集，最终175篇贡献了定量证据。

**2.3 分析层级：出版物、连贯结果、指标与数据集**
采用四层证据层级：出版物为文献计量单元；连贯科学结果代表一项可识别的科学分析、比较、模型评估、关联或物理推断；伴随指标是附属于该结果的数值描述符，如同一验证实验中的均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、偏差和决定系数（R²）计为四个指标但只算一个连贯结果；数据集依赖标识符记录跨出版物对雷达数据、野外数据、校准信息或共同衍生产品的显式复用。

**2.4 文献计量与主题分析**
基于262篇核心出版物统计年度产出、累积被引和国别参与。作者关键词分析采用透明概念词典将关键词变体归为八个过程/应用概念，并计算2013–2016、2017–2019、2020–2022、2023–2026四个时期的出版物层面流行度。国别参与采用全计数法，国际合作定义为涉及至少两个国家机构的作者关系。

**2.5 证据分类、验证属性与报告完整性**
每个连贯结果按科学问题归入七个主要证据家族之一：描述性形变/质量结果、ALT或活动层推断、外部野外/GNSS/水准验证、跨传感器或跨方法一致性、环境关联、地下冰/过量冰/水文推断、模型或算法性能。每个结果评估两项报告属性：可辩护的明确分析样本量（n）要求结果特定的抽样单位，而非像素、场景、干涉图或观测的泛化计数；可用不确定性要求能定性说明精度或误差的信息，如标准差（SD）、标准误（SE）、置信区间（CI）、方差、具名验证误差指标或显式不确定度/误差界限。

**2.6 跨研究可比性与定量综合准备度评估**
仅当候选证据家族满足五个条件时才考虑正式合并：共同的科学估计目标；兼容的结果和预测变量定义；充分的独立性或显式建模的相关性；可辩护的分析抽样单位；可用于加权的可用抽样不确定性或误差结构。不满足时，采用无荟萃分析的结构化应用特定综合方法。

**3. 结果**
**3.1 文献扩展与科学应用转变**
核心语料库中78.2%的出版物出现在2020年至2026年检索日之间，年产量从2020年的15篇增至2025年的39篇。主题热图显示季节性/冻融形变和ALT在2017–2019年显著上升，而2023–2026年文献中基础设施/工程、机器学习/预测、地下冰、水文/土壤水分等概念比2013–2016年基线更常见。国别参与高度不均，中国、美国、德国、瑞士、加拿大和挪威贡献较多，但作者隶属关系不能代表证据的空间代表性。

**3.2 定量证据架构与报告完整性**
175篇出版物产生372项连贯科学结果和727项伴随指标。描述性形变/质量结果占31.5%，模型/算法性能占26.9%，环境关联占16.4%，三者合计74.7%；ALT/活动层推断占7.8%，地下冰/过量冰或水文推断占6.7%，跨传感器/跨方法一致性占5.9%，直接外部野外/GNSS/水准验证仅占4.6%。描述性形变和模型/算法结果合计占58.3%，是直接外部验证份额的十二倍以上。报告完整性方面，仅12.4%的连贯结果报告了可辩护的明确分析样本量，33.9%提供了可用不确定性。外部验证结果的明确分析样本量点估计最高（35.3%），描述性形变/质量结果最低（0.9%）。

**3.3 季节性形变与活动层推断**
季节性冻融形变是InSAR-多年冻土研究的历史核心。早期ERS和ALOS研究证明了北极低地的厘米级季节性运动和多年沉降，后续工作将季节循环与融沉和ALT联系起来，Sentinel-1、TerraSAR-X、ALOS PALSAR等多传感器时间序列扩展了观测窗口。然而，观测一致性并不蕴含唯一物理解释：季节性沉降可能反映活动层孔隙冰融化、排水和固结，也可能叠加过量冰融化导致的不可逆沉降。ALT反演是将位移转换为地下状态变量的更强推断步骤，以ReSALT为代表的物理反演方法需要土壤水和冰含量假设、时间模型及独立匹配的参考数据。验证文献表明，不同ALT验证设计估计了不等价量：现场探测、GPR、模型参考、参考不确定性内一致性、站点差异、类别空间佐证等不能自动合并。

**3.4 地下冰、热喀斯特、水文与干扰**
该分支利用形变推断不可逆融化、地下冰损失或水文变化。InSAR已用于检测地下冰相关沉降、估计过量冰模式和量化融化释放的水量，但这些推断量在本质上不同：地下冰体积、融水通量、储水变化和水文预算百分比不是可互换的结果。水文控制研究如Toolik地区220个土壤芯估计的中位预期融沉2.8 cm与InSAR观测中位值2.6 cm接近，并显示出不同植被类型间的系统差异。野火和洪水研究表明扰动后轨迹可能持续或恢复，但形变信号与质量或能量过程的量化之间需要约束加载、侵蚀、水文压实等替代解释。

**3.5 山地多年冻土、边坡过程与基础设施**
在山区和边坡环境中，运动几何成为首要解释约束。岩石冰川、冻融滑坡和融沉泥流常含显著水平或平行坡面运动，将单一LOS信号直接转换为垂直位移可能不适当。InSAR已用于根据蠕变运动学对冰缘地貌分类、重建冻融碎屑 lobe 运动历史和表征融化冰碛变形。工程应用从局部案例扩展到区域走廊和资产尺度监测，涉及青藏工程走廊、机场、公路、矿山和排水影响基础设施。工程解释需要在资产尺度而非卫星场景尺度进行验证和聚合，因为区域平均速度可能掩盖短路基上的差异运动。

**3.6 测量、处理与验证效应**
传感器和处理选择会改变恢复的科学量。不同波长、重访间隔、分辨率、观测几何和植被/电离层敏感性影响相干性、时间覆盖和位移估计可比性。多时相InSAR研究表明，多点校准可改善下游ALT和土壤水分反演，干涉图网络更密时不确定性降低。相位解缠误差可导致青藏高原多年冻土形变显著低估，时间基函数和参考策略可改变季节和长期分量估计。跨传感器一致性必须在实际测试水平上解释，例如Sentinel-1与PALSAR-2对长期模型重要性模式的一致性较强，但对单参数预测得分的一致性较弱。

**3.7 环境归因与预测建模**
环境关联研究使用空气和地表温度、度日指数、土壤水分、ALT、植被、积雪、地形、降水、火历史、水文设置和工程扰动等广泛预测变量，结果包括季节振幅、长期速度、累积形变、时间、推断ALT或灾害类别。统计方法涵盖相关、回归、GeoDetector q、非参数检验和机器学习特征重要性。预测和分类研究快速增长，但性能指标的解释关键取决于验证设计：空间随机训练/测试分割可能因邻近像素共享环境结构而高估泛化能力，空间分块、时间留出、逐站点留出或独立区域测试可提供更强迁移证据。

**3.8 跨研究可比性与定量合并准备度**
没有任何证据家族满足正式合并的全部预设条件。ALT研究混合了独立CALM/GPR比较、小站点差异、不确定性归一化一致性、定性野外佐证和模型参考比较；环境研究使用不同的预测变量-结果对、统计量和空间支持；地下冰和水文研究使用不同平衡方程和物理分母；跨传感器研究常共享站点或时间序列；模型性能研究采用特定任务指标和异质验证设计。报告完整性加剧了异质性。因此，“InSAR精度”“多年冻土形变响应”或“ALT反演性能”的单一可辩护全球估计目前无法支持。

**4. 讨论**
**4.1 领域在探测方面成熟，但在过程推断方面欠成熟**
文献在探测方面最强，能够在大范围多年冻土景观上绘制季节和长期运动；在物理归因方面日益增强，但在外部验证方面标准化不足，在迁移性方面最为有限。描述性形变和模型研究占主导地位的格局不应被视为缺陷，但当论文暗示的推断强度超过验证支持时便产生问题。

**4.2 为什么形变不能作为多年冻土退化的通用代理**
InSAR不直接观测多年冻土退化，而是观测经处理得到的相对LOS位移。物理解释需要运动几何和产生运动的假设。测量层面的大气延迟、电离层效应、残余地形、去相关、参考选择、解缠、滤波和时间反演可能使形变估计产生偏差或衰减；几何层面的垂直化在低起伏融沉区可能合理，但对岩石冰川、冻土边坡和基础设施可能不适当；过程层面季节性沉降可能反映融深、土壤水再分配、冰含量、固结和排水的不同比例。

**4.3 验证必须在空间、时间、几何和独立性上与估计目标匹配**
ALT文献清楚说明验证设计决定推断强度。点式探测、GPR剖面、GNSS标志、水准点和InSAR像素代表不同空间支持，获取日期也可能不同。验证设计应报告配对样本量、空间支持、时间匹配、参考不确定性、偏差、绝对误差指标和适当的关联或一致性度量。工程形变应在结构或资产尺度验证，岩石冰川研究应比较兼容的运动分量，水文或地下冰反演应传播形变产品和物理平衡模型的不确定性。

**4.4 依赖性和异质性指标解释了为何全球荟萃分析尚不可行**
无法进行全球荟萃分析源于科学异质性而非缺乏数值。727项数值指标中许多是同一分析的依赖描述符。仅确认了两个跨出版共享数据组，但实际复用程度可能更高。同一指标名称可描述不同科学量，RMSE可能指对野外探测的ALT误差、与地表模型的不一致或随机训练/测试分割下的预测误差。未来只有在狭窄定义的估计目标内，并经过重复、独立和不确定性感知的研究，才能进行有意义的合并。

**4.5 更具可解释性和累积性的InSAR-多年冻土科学的优先事项**
五项相互关联的优先事项构成一个工作流程：第一，在物理解释前定义估计目标；第二，在推断链中传播不确定性；第三，围绕预期声明设计验证；第四，将关联与机制区分；第五，使数据集溯源和机器可读结果报告成为常规。建议的分层报告结构为：定义观测和处理选择，定义科学估计目标和物理假设，记录验证和不确定性，识别数据集复用和迁移测试。

**4.6 优势与局限性**
该综述将文献计量演化与结果级证据架构联系起来，保留了非等价指标的原始形式，区分了科学结果与其数值描述符，并识别了显式跨出版数据集依赖。局限性包括：仅检索Web of Science核心合集且限于SCIE/SSCI Article和Review，可能遗漏Scopus独有文献、会议论文、报告和非WoS索引文献；数据依赖索引；研究选择由单一作者完成，尽管有二次复核但无法估计评分者间信度，可能存在主观选择偏差；部分出版物缺乏足够信息重建分析分母、不确定性或数据集溯源。

**5. 结论**
InSAR已从探测局部多年冻土相关运动的方法发展为涵盖季节性冻融形变、ALT推断、地下冰和水文分析、热喀斯特和干扰监测、山地多年冻土运动学、基础设施评估和预测建模的广泛观测框架。定量证据显示清晰的推断梯度：探测和制图在多种景观和传感器系统中成熟；物理归因日益得到热学、水文、冰缘和地貌信息支持，但仍有条件于模型假设和运动几何；外部验证较少且高度异质；跨独立站点、传感器和时间段的迁移性是最不标准化的证据水平。主要科学意义在于形变不应被当作多年冻土退化的通用代理。标准化估计目标、透明的LOS到过程假设、匹配的独立验证、不确定性传播、显式数据集溯源和机器可读结果报告，将使未来研究从不断扩展的案例研究集合走向真正累积和可迁移的多年冻土推断。