重力遥感与导航团队在全球海底地形反演方面取得新进展
研究背景
海底地形是海洋科学研究中不可或缺的基础地理信息，塑造了海底起伏的基本“骨架”。船载声呐技术可对局部海域进行高精度地形测绘，但其成本高、耗时长，覆盖范围有限。日本财团-GEBCO Seabed 2030项目的最新结果表明，按现代测绘标准已完成的海底地形观测范围仅占全球海洋面积的27.3%。对于全球超过七成尚未直接测量的海域，海底地形更多依赖卫星遥测手段来获取。主被动光学遥感测深仅适用于高透明度的近岸浅水地区。而在广阔的深海和偏远海域，卫星测高可通过测量海面细微起伏，反推出海底山脉、海沟等地形对海洋重力场造成的影响，进而估算出海底起伏形态。结合全球已有的船载声呐、卫星测高重力、主被动光学测深等观测数据，国际上已陆续构建多个全球海底地形模型，如GEBCO、SRTM、SIO和ETOPO等系列。
近年来，备受关注的SWOT（Surface Water and Ocean Topography）宽刈幅测高卫星为这一领域带来了新契机。凭借更高的空间分辨率和更精细的观测能力，SWOT为海洋重力场的恢复提供了更丰富的信息，也让基于卫星测高重力反演海底地形的精度有望进一步提升。本研究基于SWOT观测数据，开发了新一代全球海底地形模型，并以重力地质法作为初始反演框架，探索了宽刈幅测高在全球海底测绘中的应用潜力，为认识海底地貌、深化海洋动力过程认知以及海洋资源勘探等提供科学基础与技术支撑。
研究内容
本研究使用的数据包括全球单波束船载测深数据、SWOT重力异常数据和多个地形参考模型。船载测深数据使用GEBCO_2022模型进行数据清洗，保留了约1.1亿个单波束测深点用于模型构建。图1给出了基于重力地质法（GGM）的全球海底地形建模框架。本文采用了迭代方式获取GGM反演中的关键参数——密度差异常数；提出了基于滑动窗口的分块反演策略，并给出了一种基于边界约束点的格网拼接方法，有效消除分区反演中边缘水深拼接的阶跃问题。基于上述数据条件与建模方案，最终构建了密度差异常数全球格网和全球海底地形模型SYSU_Topo。
图1. 基于重力地质法（GGM）的全球海底地形建模流程
图2. 本文提出的5°滑动窗口方法与边界辅助点约束的拼接算法示意图。（a）5°×5°滑动窗口及其外扩范围示意图；（b）相邻窗口拼接与重叠区均值处理；（c）基于GEBCO_2022和船载水深数据的边界辅助点生成示意图。
图3. 基于SWOT_02重力异常的全球海底地形模型SYSU_Topo
得益于宽刈幅测高新模式和本文提出的反演策略，利用10%单波束独立检核结果表明，SYSU_Topo模型较topo_27.1相比，全球平均标准差降低了约30 m。本文提出的GGM和滑动窗口结合的方法，既保留了重力地质法在小区域精度较高的优势，又通过分块格网避免了该方法中密度差异常数适用范围有限的问题。如图4所示，SYSU_Topo模型的平均绝对误差主要集中在80 m范围内，约78%的海洋区域（以5°窗口为统计单位）表现优于topo_27.1；其精度相对较差的区域则主要集中在原始单波束数据较匮乏的南半球。
图4. SYSU_Topo与topo_27.1的MAE差异、区间占比
为进一步检验新构建的全球地形模型性能，研究团队还选取了中国南海、菲律宾海、加勒比海和大西洋中脊典型区域，利用GEBCO近年新增的多波束测深数据进行了对比分析；并额外构建了一个基于传统高度计重力数据的对比模型V32_BAT，以评估SWOT宽刈幅数据带来的提升。在中国南海，SYSU_Topo的精度明显优于V32_BAT、topo_27.1、SDUST2023BCO和GEBCO_2022，表现出显著优势；在其余三个区域，SYSU_Topo虽仍优于V32_BAT，但相较部分已有模型并不占优。造成这种差异的主要原因在于，SYSU_Topo目前主要使用了公开的单波束船载数据，而菲律宾海、加勒比海和大西洋中脊等区域的现有模型已融合了更丰富的多波束测深资料。相比之下，我国南海公开的多波束数据仍相对匮乏，SWOT宽刈幅测高技术体现出了较好优势。
总结展望
本研究利用SWOT重力异常和改进的重力地质方法开发了一套新的全球海底地形产品SYSU_Topo。该模型（NetCDF格式；全球范围80°S至80°N，1弧分分辨率；https://doi.org/10.5281/zenodo.17958545）和处理代码可公开获取（https://doi.org/10.5281/zenodo.17958256）。与基于传统高度计相比，SWOT在高精度水深数据缺失的区域展现出更大的应用潜力。
本研究成果近期发表于《Scientific Data》，题为“SYSU_Topo: a 1-arc-minute global bathymetry from SWOT-derived gravity using the gravity-geological method”。中山大学遥感科学与技术学院重力遥感与导航团队冯伟教授、博士研究生安德超为共一和通讯作者，阳明交通大学黄金维教授、博士研究生孙明智、陈晓东、张泽远、中山大学杨萌副教授和钟敏教授为文章合作者。该项目得到了国家重点研发计划（2024YFC2813500）和中山大学中央高校基本科研业务费项目（24xkjc027）的联合资助。
原文信息：Feng, W., An, D., Hwang, C. et al. SYSU_Topo: a 1-arc-minute global bathymetry from SWOT-derived gravity using the gravity-geological method. Scientific Data 13, 386 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06641-5
