研究背景

多波束水体数据能够记录从换能器到海底之间的完整回波信息，是开展水下目标定位识别、海洋环境探测和海底过程研究的重要数据来源。然而，原始水体数据通常以距离-波束角形式存储，生成直观的扇形水体影像时，需要完成极坐标到笛卡尔坐标的转换，并通过插值填补波束之间的空隙，在坐标系转换与插值过程中涉及大量的坐标正反算。与此同时，水体数据量可达到同期水深数据的数百倍乃至上千倍，逐像素执行坐标计算、邻域搜索和插值，容易造成浏览卡顿与处理延迟，已成为制约水体影像实时显示和规模化应用的关键瓶颈。

研究成果

海底科学与划界全国重点实验室吴自银研究员（通讯作者）与陈建兵博士（第一作者），联合山东科技大学与浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院）开展研究，提出了一种基于像素级插值模板的多波束水体数据快速成图方法，见图1。该方法利用同一测线中水体采样点分布关系具有高度重复性的特点，在数据解析阶段，预先为扇形图中的每个像素计算左侧邻近波束号b、上方邻近采样点号n以及两个插值系数k1和k2，并将这些参数存储为四通道像素级模板文件。模板文件一次生成后，可在后续大量的水体影像成图与浏览过程中反复复用，算法只需读取该文件，即可直接获得每个像素的邻域信息和插值参数，无需重复进行坐标转换与邻域搜索。通过增加一定的存储开销，将高频、重复的在线计算前置到数据解析阶段，使成像算法的时间复杂度下降一个数量级。由于模板参数与传统算法逐像素计算得到的参数一致，效率提升并不以牺牲成像质量为代价。此外，针对横摇补偿引起的波束在船坐标系中的变化（图2），设计了模板动态校正机制，通过初始波束偏移和逐像素微调修正模板参数，在保持快速成图的同时有效消除失配畸变。

图1 像素级插值模板及基于模板的快速成图流程（a）像素级插值模板；（b）基于模板的插值过程

图2 船身横摇姿态变化与水体采样点相对位置关系（a）未开启横摇补偿；（b）开启横摇补偿

为验证方法的效率与适用性，研究团队分别开展了仿真数据和实测数据实验。仿真实验从水深、波束开角、波束数量三个维度进行变换分析，结果表明本文方法较传统R-theta算法提速约42~142倍，且水深越大、波束数量越多，速度优势越明显。实测实验则包含浅水区的沉船探测数据以及深海区羽状流探测数据，其中包含两组开启横摇补偿的深水数据，算法耗时统计结果见表1，结果表明，在浅水沉船和深海气体羽流数据上的成图效率分别提高约14倍和30倍；即使开启横摇补偿并增加模板校正步骤，仍可实现11倍以上的效率提升。处理帧率均高于相应数据采集速率，能够满足实时显示需求。本文方法突破了传统水体影像逐像素重复计算的效率限制，可为海洋调查、目标快速检测、水下应急救援等领域提供技术支撑，具有较强的工程应用价值。

表1 算法耗时统计结果

文章信息

上述研究成果已在线发表在国际地球科学与遥感领域权威期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing（一区TOP）。本研究得到了海底科学与划界全国重点实验室专项科研基金（SGLabZZKT2025-02、SZ2613）、国家重点研发计划（2022YFC2806600）等项目联合资助。

文章信息：[1] Chen J（陈建兵）, Wu Z*（吴自银）, Yang F, et al. A rapid multibeam water column data mapping method based on pixel-level interpolation templates[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2026, 64: 4210413-4210413. https://doi.org/10.1109/TGRS.2026.3719255.