基于VB环境下的交互式GMT绘图软件研制

　　摘要：本文设计基于VB环境下的交互式GMT绘图软件。详细阐述VB环境下交互式GMT绘图软件总体结构,介绍GMT概述、站点分布图绘制、速度场图绘制、梯度色阶热力图绘制、时间序列图绘制、等高线图绘制和地震频率图绘制等七大模块功能,并对软件实现中相关技术问题给出处理办法。软件运行结果表明:该软件功能强、可靠性高、兼容性强,为地球科学领域各种类型的数据分析和可视化表达提供有力的工具。

　　关键词：VB环境; GMT; 地球科学; 可视化表达; 交互式地学绘图;

　　Abstract：This paper designs an interactive GMT graphics software based on VB environment,and elaborates the overall structure of the interactive GMT graphics software.The software is designed with seven models,namely an overview of GMT,site mapping,velocity field mapping,thermal gradient color mapping,time sequence diagram drawing,contour drawing,seismic frequency drawing and other related functions.Furthermore,the relevant technical problems of the software implementation are given accordingly.The results show that the software has strong function,high reliability,and strong compatibility,and provides a powerful tool for the data analysis and visualization in the field of the geoscience.

　　Keyword：VB environment; GMT; geoscience; visual expression; interactive geoscience graphics;

　　地球科学是以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科,其特点是数据量大,抽象性强,且所有数据都与空间位置相关。如何将数据成果制作成相应的点、线、面图形来显示或通过输出的图形来分析其分布规律和相互关系,即直观地表示对象的定量和定性特征,是地球科学成果表达急需解决的关键问题之一。随着地球科学的不断发展,对位置相关的成果可视化产品的设计与开发也提出更高的要求[1] 。

　　目前,地球科学领域中多数用户使用Mapinfo、AutoCAD、Matlab、Generic Mapping Tools(GMT)等软件进行成果绘图表达,取得不少成果,但也有不足,如使用Mapinfo、AutoCAD、Matlab在绘制地形、等值线等图形中还是存在一定的局限性。尽管GMT功能非常强大,能够结合地形数据、配色方案,将复杂的信息以高质量的PostScript格式输出,绘制出高分辨率2D和3D的图形[2] 。但是GMT支持UNIX及WINDOWS操作系统,主要通过命令行及脚本进行绘图处理,使得GMT交互性不强;另外,由于GMT语言具有自己的规范及编程方式,对于大多数地学工作者而言,由于缺乏相应的编程背景等,不能熟练地使用GMT进行相关绘图工作。Visual Basic 6.0是一种入门级可视化编程语言,界面友好,且提供了Excel、AutoCAD、脚本语言等相关接口。为此,本文设计开发了基于VB环境下的交互式GMT绘图软件。

　　1、件的总体结构设计

　　根据地球科学研究领域成果表达与可视化的需要,VB环境下交互式GMT绘图软件的总体结构设计如图1所示。软件主要包含GMT概述、站点分布图绘制、速度场图绘制、梯度色阶热力图绘制、时间序列图绘制、等高线图绘制、地震频率图绘制等7大模块。各模块所需数据以文件形式提供,其文件格式为GMT中的脚本命令所需格式。各个模块包含若干下拉菜单,实现不同的功能,各模块之间即相互独立,又存在联系,即某一模块的画图结果为另一模块的数据分析提供依据,通过模块之间的集成与融合,形成一个完备性的、可靠的、易操作性的交互式绘图软件。

图1 VB-GMT交互式地学绘图软件总体结构

　　2、软件的功能实现与技术问题处理

　　VB-GMT交互式地学绘图软件充分利用VB便于算法开发、丰富的交互式环境[3] (如下拉菜单、弹出式窗口、数据交互等)、可视化编程的特点以及GMT在画图上的优势进行开发,其软件主界面见图2。

图2 VB-GMT交互式地学绘图软件主界面

　　软件主要实现7大功能模块,其中GMT概述模块含有GMT的下载、安装步骤和绘图的基本流程,同时给出多个应用实例和绘图成果供参考,便于用户学习和熟练地运用GMT软件;站点分布图绘制模块主要包括站点分布的绘制、站点之间距离的计算和绘制,进而为后续的数据分析提供依据;速度场图绘制模块主要实现局域站点速度场的绘制;梯度色阶热力图绘制模块主要绘制彩色色阶图以反映区域某些因素的动态变化,而且能够表现数据的梯度、走向,色阶图,成为揭示、刻画数据平面分布特征的主要手段[4] ;时间序列图绘制模块主要利用GMT强大的画图功能来实现误差棒的绘制以反映时间序列的变化情况,为GPS时间序列分析及应用提供可视化图形及参考依据;等值线图绘制模块主要绘制区域某些数据的等值线图,来反映数据的高低变化,为地球科学工作者分析数据给予便利。地震频率图绘制模块主要实现地震频率图的绘制,可以直观了解地震发生的地点。

　　软件实现交互式绘图,是本软件最大的特点。首先在VB环境下创建一个交互对话框,具体实现代码是Private Sub Frame1_DragDrop(Source As Control,X As Single,Y As Single)End Sub,用户只需点击菜单,弹出交互对话框,根据个人需求输入想要的信息可以直接绘制成图,软件之间的交互性体现见图3。

　　2.1、站点分布图的绘制

　　站点分布图的绘制在地球科学研究领域具有十分重要作用。如在大地测量学领域,对大区域的GPS控制网进行分析时,通过将站点信息、地理因素等通过图表综合反映出来,为GPS控制网的合理建立及后续数据处理提供依据;通过绘制空间分析图,为共模误差的分离提供一些依据[5-6] 。绘制时,在VB环境下,通过使用GMT中psxy命令实现,其命令结构为:gmt psxy neq.data-R1960/2000/0/30-JX15/10-St0.3-G0/0/255-Ba10f5/a5f1WSne-X5-Y5-P-K>tmp.ps,其中neq.data是数据文件,-G设置点符号颜色,-S设置点符号形状和大小。具体绘制过程:首先用psbasemap命令创建地图底图,然后用pscoast命令绘制陆地海洋和海岸线,用psxy将读入的站点文件绘制成圆点图,最后通过VB中的命令Shell"C:\GMT_VB\point\point.bat",vbNormalF来执行绘图的脚本文件,全球GPS站点分布图绘制结果如图4所示。

图3 交互式绘图

图4 全球GPS站点分布

图5 速度场

　　2.2、速度场图的绘制

　　在地球科学数据后处理与分析中,GPS速度场占有重要的地位。尤其是分析地壳水平运动特征,速度场是不可或缺的一部分,同时速度场是研究应力应变场的基础,因此合理表达GPS速度场就显得尤为重要。通过使用GMT中psxy命令创建地图底图和绘制陆地、海洋及海岸线,点位速度绘制命令采用psvelo,其格式为psvelo,gmt psvelo velo_data.txt-H1-Ggreen-Se0.05/0.39/3-Jq-R-A0.01/0.02/0.02-P-V-O>>velo.ps,其中velo_data.txt代表台站点位速度文件,-A,设置箭头属性;-Se代表速度尺寸/置信区间/字体大小。利用站点速度文件中数据绘制成带角度和箭头的速度场图,其结果如图5所示。

　　2.3、梯度色阶图的绘制

　　梯度色阶图能够表现数据的梯度、走向等信息,便于地球科学相关成果如全球热力学数据、站点的振幅相位的解译及表达,通过其发现数据背后存在的潜在规律[7-10] 。将这些数据绘制成梯度色阶图来显示其数据特征;绘制时,首先通过使用GMT中makecpt命令生成一个色谱文件,再利用grdimage命令将网格化数据文件创建成影像图,其命令格式:gmt grdimage grace.grd-Cgrace.cpt-RgJKf20-X5-Y5-K-O-P>>grace.ps。grace.grd和grace.cpt分别为生成的grd数据和cpt数据;-J表示投影方式;-R表示图形边框范围;-B表示边框属性,包括间隔、标记和网格线;grace.ps为生成的PS格式的图形文件;-K表示有后续命令;-X5、-Y5和表示图形相对左下角的平移量。然后使用psscale命令在图上绘制彩色图例,最后通过VB中的命令Shell"C:\GMT_VB\grace\grace.bat",vbNormalF来执行绘图的脚本文件,形成梯度色阶图。结果见图6。

　　2.4、等值线图的绘制

　　等值线图是在地球科学数据的分析和管理中常用的要素属性表示方法,它能较直观地显示出区域属性要素的分布情况,便于后续分析,因此,等值线图的绘制是一个非常重要的工作。绘制时,首先用GMT中xyz2grd命令将数据格网化,生成grd文件,然后用grdcontour命令将生成的grd文件绘制成等值线图,其命令结构为:gmt grdcontour Mt_Olympus.grd-Jx-R-W1/80/80/80-C100-P-O-A500+f3+k80/80/80+s8t-G2i/10-Djunk-V>>grandeur.ps。其中,-C设置等值线间距,-A设置有标注线之间间距及标注字大小,-G是标注间隔,-T设置示坡线的间隔和长度。等值线图脚本文件生成后,再通过VB使用Shell命令调用绘图脚本文件,执行生成的等值线图。图7给出某地区高程等值线图。

图6 梯度色阶图

图7 某地区高程等值线

　　2.5、地震频率图的绘制

　　地震强度及频率图对强震工作人员直观地了解强震台站的分布情况,在大震发生后能有的放矢地快速回收强震动数据、判断灾情有较大帮助[11-14] 。因此,地震频率图的绘制也是地球科学研究领域中一个重要工作,使用psxy命令可以实现地震频率图的绘制,具体绘制过程:首先利用psxy命令将读入的数据绘制成图,当绘制折线图时,其命令结构是gmt psxy neq.data-R1960/2000/0/30-JX15/10-St0.3-G0/0/255-Ba10f5/a5f1WSneX5-Y5-P-K>tmp.ps;当绘制直方图时,其命令结构是gmt psxy neq.data-R1960/2000/0/30-JX15/10-Sb0.1-G255/0/0-Ba10f5/a5f1WSneP-K-X5-Y5>tmp.ps,neq.data是数据文件。其次使用pstext命令在图上绘制字符,最后用VB中的Shell命令执行绘图脚本文件,其绘制结果如图8所示。

图8 地震频率

　　3、结束语

　　本文开发的基于VB环境下的交互式GMT绘图软件,运行平台是我国使用较多的Windows平台,软件主要包含GMT概述,站点分布图绘制,速度场图绘制,梯度色阶热力图绘制,时间序列图绘制,等高线图绘制,地震频率图绘制等7大模块。运行结果表明:除了具备一般软件的界面友好性特点外,还能够方便地进行各种数据分析及图像绘制,避免繁杂的绘图分析工作,极大地提高工作效率,为地球科学领域各种类型的数据分析和可视化表达提供一个有力的工具,也为广大学生及各个行业工作者解决绘图问题提供极大地便利。

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