研究背景

高分辨率的海底地形模型是“认知海洋、开发海洋、经略海洋”的基础。然而，受限于广阔的海域面积、以及当前以声呐为主的海洋探测技术的低效率，人类对海底地形的了解甚至远不如火星与月球表面，截至2025年，全球海底仅完成27.3%海域的海底地形精密测绘。单波束与多波束测深数据是构建高精度海底地形模型的核心数据源，然而，受巨大的海洋调查成本的限制，导致全球海底普遍存在实测数据“空洞”（图1），如何进行勘测“空洞”的有效修复，进而提升海底地形的完整性和使用价值是亟需解决的科技难题和挑战。

图1 全球多波束测深数据集中的数据空值区现象

研究内容

针对上述难题，海底科学与划界全国重点实验室陈建兵博士（第一作者）和吴自银研究员（通讯作者）等提出了一种先验知识引导的测深数据空值区修复方法（图2）。该方法采用扩散模型的概率生成机制，并将V32重力异常模型作为先验知识嵌入逆向扩散过程，为模型提供了一张宏观的“海底地形框架图”，引导条件降噪网络在其每一步降噪过程中都能准确把握地形走向。最后，针对模型生成结果与原始测量数据可能存在的高程跳变，设计了循环采样机制，确保修复区域能够与周围的真实测量数据无缝衔接，避免了修复后出现“台阶”现象，最终实现与真实海底地形走势一致的空值区修复。

图2 算法整体框架

为验证方法的有效性，本研究在全球选取了12个典型海域展开实验，部分结果如图3和图4所示，可以看到所提方法成功恢复了合理的宏观海底地形结构与精细的微观地貌特征，有效避免了常见的光滑失真、结构扭曲或伪影生成等问题，定量评价结果显示，相比于基线模型，本方法使多波束修复的均方根误差降低34%，单波束修复的均方根误差降低44%。未来这一技术有望在更广泛的海洋数据质量提升中发挥关键作用，助力绘制更加清晰、完整、可信的海底地形图。

图3  基于单波束稀疏点云数据，本文方法与其他方法重构海底地形模型的对比

图4  基于多波束水深条带数据，本文方法与其他方法重建完整海底地形模型的对比

上述成果发表在国际地球科学Top期刊GIScience & Remote Sensing和Remote Sensing。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFC2806600，2022YFC2806605）、国家自然科学基金（41830540，42204049，42306210）以及海底科学与划界全国重点实验室专项科研基金（SGLabZZKT2025-02）等项目联合资助。

文章信息

Chen, J.（陈建兵）, Wu, Z.（吴自银）*, Yang, F., Wang, M., Zhang, K., Zhao, D., Shang, J., Liu, Y., Zhou, J., 2026. S2DDM: single-beam-to-DEM diffusion model for large-scale consistent seabed terrain restoration based on single-beam bathymetric data. GIScience & Remote Sensing. 63(1): 2617704. https://doi.org/10.1080/15481603.2026.2617704

Chen, J.（陈建兵）, Wu, Z.（吴自银）*, Zhao, D., Bu, X., Zhou, J., Shang, J., Wang, M., Liu, Y., 2026. MBES-DDPM: Multibeam Echo Sounder Bathymetry Swath Gap Reconstruction Based on Denoising Diffusion Probability Model. Remote Sensing. 18(3): 496. https://doi.org/10.3390/rs18030496