VB環(huán)境下交互式GMT地學(xué)繪圖軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

舒 穎， 賀小星，花向紅，常 越， 龔國(guó)棟,2，馬夢(mèng)然，2

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VB環(huán)境下交互式GMT地學(xué)繪圖軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

舒 穎1，2，3， 賀小星1,4，花向紅1，2，3，常 越1， 龔國(guó)棟1,2，馬夢(mèng)然1，2

(1. 武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢430079；2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079；3. 武漢大學(xué)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和防治研究中心，湖北 武漢 430079； 4.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

本文設(shè)計(jì)基于VB環(huán)境下的交互式GMT繪圖軟件。詳細(xì)闡述VB環(huán)境下交互式GMT繪圖軟件總體結(jié)構(gòu)，介紹GMT概述、站點(diǎn)分布圖繪制、速度場(chǎng)圖繪制、梯度色階熱力圖繪制、時(shí)間序列圖繪制、等高線圖繪制和地震頻率圖繪制等七大模塊功能，并對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)中相關(guān)技術(shù)問題給出處理辦法。軟件運(yùn)行結(jié)果表明：該軟件功能強(qiáng)、可靠性高、兼容性強(qiáng)，為地球科學(xué)領(lǐng)域各種類型的數(shù)據(jù)分析和可視化表達(dá)提供有力的工具。

VB環(huán)境；GMT；地球科學(xué)；可視化表達(dá)；交互式地學(xué)繪圖

地球科學(xué)是以地球系統(tǒng)(包括大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈和日地空間)的過程與變化及其相互作用為研究對(duì)象的基礎(chǔ)學(xué)科，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，抽象性強(qiáng)，且所有數(shù)據(jù)都與空間位置相關(guān)。如何將數(shù)據(jù)成果制作成相應(yīng)的點(diǎn)、線、面圖形來顯示或通過輸出的圖形來分析其分布規(guī)律和相互關(guān)系，即直觀地表示對(duì)象的定量和定性特征，是地球科學(xué)成果表達(dá)急需解決的關(guān)鍵問題之一。隨著地球科學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)位置相關(guān)的成果可視化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)也提出更高的要求[1]。

目前，地球科學(xué)領(lǐng)域中多數(shù)用戶使用Mapinfo、AutoCAD、Matlab 、Generic Mapping Tools (GMT)等軟件進(jìn)行成果繪圖表達(dá)，取得不少成果，但也有不足，如使用Mapinfo、AutoCAD、Matlab在繪制地形、等值線等圖形中還是存在一定的局限性。盡管GMT功能非常強(qiáng)大，能夠結(jié)合地形數(shù)據(jù)、配色方案，將復(fù)雜的信息以高質(zhì)量的PostScript格式輸出，繪制出高分辨率2D和3D的圖形[2]。但是GMT支持UNIX及WINDOWS操作系統(tǒng)，主要通過命令行及腳本進(jìn)行繪圖處理，使得GMT交互性不強(qiáng)；另外，由于GMT語言具有自己的規(guī)范及編程方式，對(duì)于大多數(shù)地學(xué)工作者而言，由于缺乏相應(yīng)的編程背景等，不能熟練地使用GMT進(jìn)行相關(guān)繪圖工作。Visual Basic 6.0是一種入門級(jí)可視化編程語言，界面友好，且提供了Excel、AutoCAD、腳本語言等相關(guān)接口。為此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于VB環(huán)境下的交互式GMT繪圖軟件。

1 軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地球科學(xué)研究領(lǐng)域成果表達(dá)與可視化的需要，VB環(huán)境下交互式GMT繪圖軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。軟件主要包含GMT概述、站點(diǎn)分布圖繪制、速度場(chǎng)圖繪制、梯度色階熱力圖繪制、時(shí)間序列圖繪制、等高線圖繪制、地震頻率圖繪制等7大模塊。各模塊所需數(shù)據(jù)以文件形式提供，其文件格式為GMT中的腳本命令所需格式。各個(gè)模塊包含若干下拉菜單，實(shí)現(xiàn)不同的功能，各模塊之間即相互獨(dú)立，又存在聯(lián)系，即某一模塊的畫圖結(jié)果為另一模塊的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，通過模塊之間的集成與融合，形成一個(gè)完備性的、可靠的、易操作性的交互式繪圖軟件。

圖1 VB-GMT交互式地學(xué)繪圖軟件總體結(jié)構(gòu)

2 軟件的功能實(shí)現(xiàn)與技術(shù)問題處理

VB-GMT交互式地學(xué)繪圖軟件充分利用VB便于算法開發(fā)、豐富的交互式環(huán)境[3](如下拉菜單、彈出式窗口、數(shù)據(jù)交互等)、可視化編程的特點(diǎn)以及GMT在畫圖上的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行開發(fā)，其軟件主界面見圖2。

圖2 VB-GMT交互式地學(xué)繪圖軟件主界面

軟件主要實(shí)現(xiàn)7大功能模塊，其中GMT概述模塊含有GMT的下載、安裝步驟和繪圖的基本流程，同時(shí)給出多個(gè)應(yīng)用實(shí)例和繪圖成果供參考，便于用戶學(xué)習(xí)和熟練地運(yùn)用GMT軟件；站點(diǎn)分布圖繪制模塊主要包括站點(diǎn)分布的繪制、站點(diǎn)之間距離的計(jì)算和繪制，進(jìn)而為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)；速度場(chǎng)圖繪制模塊主要實(shí)現(xiàn)局域站點(diǎn)速度場(chǎng)的繪制；梯度色階熱力圖繪制模塊主要繪制彩色色階圖以反映區(qū)域某些因素的動(dòng)態(tài)變化，而且能夠表現(xiàn)數(shù)據(jù)的梯度、走向，色階圖，成為揭示、刻畫數(shù)據(jù)平面分布特征的主要手段[4]；時(shí)間序列圖繪制模塊主要利用GMT強(qiáng)大的畫圖功能來實(shí)現(xiàn)誤差棒的繪制以反映時(shí)間序列的變化情況，為GPS時(shí)間序列分析及應(yīng)用提供可視化圖形及參考依據(jù)；等值線圖繪制模塊主要繪制區(qū)域某些數(shù)據(jù)的等值線圖，來反映數(shù)據(jù)的高低變化，為地球科學(xué)工作者分析數(shù)據(jù)給予便利。地震頻率圖繪制模塊主要實(shí)現(xiàn)地震頻率圖的繪制，可以直觀了解地震發(fā)生的地點(diǎn)。

軟件實(shí)現(xiàn)交互式繪圖，是本軟件最大的特點(diǎn)。首先在VB環(huán)境下創(chuàng)建一個(gè)交互對(duì)話框，具體實(shí)現(xiàn)代碼是Private Sub Frame1_DragDrop(Source As Control, X As Single, Y As Single) End Sub，用戶只需點(diǎn)擊菜單，彈出交互對(duì)話框，根據(jù)個(gè)人需求輸入想要的信息可以直接繪制成圖，軟件之間的交互性體現(xiàn)見圖3。

2.1 站點(diǎn)分布圖的繪制

站點(diǎn)分布圖的繪制在地球科學(xué)研究領(lǐng)域具有十分重要作用。如在大地測(cè)量學(xué)領(lǐng)域，對(duì)大區(qū)域的GPS控制網(wǎng)進(jìn)行分析時(shí)，通過將站點(diǎn)信息、地理因素等通過圖表綜合反映出來，為GPS控制網(wǎng)的合理建立及后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)；通過繪制空間分析圖，為共模誤差的分離提供一些依據(jù)[5-6]。繪制時(shí)，在VB環(huán)境下，通過使用GMT 中psxy命令實(shí)現(xiàn)，其命令結(jié)構(gòu)為：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 是數(shù)據(jù)文件，-G設(shè)置點(diǎn)符號(hào)顏色，-S設(shè)置點(diǎn)符號(hào)形狀和大小。具體繪制過程：首先用psbasemap命令創(chuàng)建地圖底圖，然后用pscoast 命令繪制陸地海洋和海岸線，用psxy將讀入的站點(diǎn)文件繪制成圓點(diǎn)圖，最后通過VB中的命令Shell "C:GMT_VBpointpoint.bat",vbNormalF來執(zhí)行繪圖的腳本文件，全球GPS站點(diǎn)分布圖繪制結(jié)果如圖4所示。

圖3 交互式繪圖

圖4 全球GPS站點(diǎn)分布

2.2 速度場(chǎng)圖的繪制

在地球科學(xué)數(shù)據(jù)后處理與分析中，GPS速度場(chǎng)占有重要的地位。尤其是分析地殼水平運(yùn)動(dòng)特征，速度場(chǎng)是不可或缺的一部分，同時(shí)速度場(chǎng)是研究應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的基礎(chǔ)，因此合理表達(dá)GPS速度場(chǎng)就顯得尤為重要。通過使用GMT 中psxy命令創(chuàng)建地圖底圖和繪制陸地、海洋及海岸線，點(diǎn)位速度繪制命令采用psvelo，其格式為 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代表臺(tái)站點(diǎn)位速度文件，-A，設(shè)置箭頭屬性；-Se代表速度尺寸/置信區(qū)間/字體大小。利用站點(diǎn)速度文件中數(shù)據(jù)繪制成帶角度和箭頭的速度場(chǎng)圖，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 速度場(chǎng)

2.3 梯度色階圖的繪制

梯度色階圖能夠表現(xiàn)數(shù)據(jù)的梯度、走向等信息，便于地球科學(xué)相關(guān)成果如全球熱力學(xué)數(shù)據(jù)、站點(diǎn)的振幅相位的解譯及表達(dá)，通過其發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后存在的潛在規(guī)律[7-10]。將這些數(shù)據(jù)繪制成梯度色階圖來顯示其數(shù)據(jù)特征；繪制時(shí)，首先通過使用GMT中makecpt命令生成一個(gè)色譜文件，再利用grdimage命令將網(wǎng)格化數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建成影像圖，其命令格式：gmt grdimage grace.grd-Cgrace.cpt-Rg-JKf20-X5-Y5-K-O-P>>grace.ps。grace.grd和grace.cpt分別為生成的grd數(shù)據(jù)和cpt數(shù)據(jù)；-J表示投影方式；-R表示圖形邊框范圍；-B表示邊框?qū)傩?，包括間隔、標(biāo)記和網(wǎng)格線；grace.ps為生成的PS格式的圖形文件；-K表示有后續(xù)命令；-X5、-Y5和表示圖形相對(duì)左下角的平移量。然后使用psscale命令在圖上繪制彩色圖例，最后通過VB中的命令Shell "C:GMT_VBgracegrace.bat",vbNormalF來執(zhí)行繪圖的腳本文件，形成梯度色階圖。結(jié)果見圖6。

2.4 等值線圖的繪制

等值線圖是在地球科學(xué)數(shù)據(jù)的分析和管理中常用的要素屬性表示方法，它能較直觀地顯示出區(qū)域?qū)傩砸氐姆植记闆r，便于后續(xù)分析，因此，等值線圖的繪制是一個(gè)非常重要的工作。繪制時(shí)，首先用 GMT中xyz2grd 命令將數(shù)據(jù)格網(wǎng)化，生成 grd 文件，然后用grdcontour 命令將生成的grd文件繪制成等值線圖，其命令結(jié)構(gòu)為：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 設(shè)置等值線間距，-A 設(shè)置有標(biāo)注線之間間距及標(biāo)注字大小，-G 是標(biāo)注間隔，-T 設(shè)置示坡線的間隔和長(zhǎng)度。等值線圖腳本文件生成后，再通過VB使用Shell命令調(diào)用繪圖腳本文件，執(zhí)行生成的等值線圖。圖7給出某地區(qū)高程等值線圖。

(a)全球熱力圖 (b)振幅梯度色階圖圖6 梯度色階圖

圖7 某地區(qū)高程等值線

2.5 地震頻率圖的繪制

地震強(qiáng)度及頻率圖對(duì)強(qiáng)震工作人員直觀地了

解強(qiáng)震臺(tái)站的分布情況，在大震發(fā)生后能有的放矢地快速回收強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)、判斷災(zāi)情有較大幫助[11-14]。因此，地震頻率圖的繪制也是地球科學(xué)研究領(lǐng)域中一個(gè)重要工作，使用psxy 命令可以實(shí)現(xiàn)地震頻率圖的繪制，具體繪制過程：首先利用psxy命令將讀入的數(shù)據(jù)繪制成圖，當(dāng)繪制折線圖時(shí)，其命令結(jié)構(gòu)是gmt psxy neq.data-R1960/2000/0/30-JX15/10-St0.3-G0/0/255-Ba10f5/a5f1WSne-X5-Y5-P-K >tmp.ps；當(dāng)繪制直方圖時(shí)，其命令結(jié)構(gòu)是gmt psxy neq.data-R1960/2000/0/30-JX15/10-Sb0.1-G255/0/0-Ba10f5/a5f1WSne-P-K-X5-Y5>tmp.ps，neq.data是數(shù)據(jù)文件。其次使用pstext命令在圖上繪制字符，最后用VB中的Shell命令執(zhí)行繪圖腳本文件，其繪制結(jié)果如圖8所示。

(a)折線圖

(b)直方圖

3 結(jié)束語

本文開發(fā)的基于VB環(huán)境下的交互式GMT繪圖軟件，運(yùn)行平臺(tái)是我國(guó)使用較多的Windows平臺(tái)，軟件主要包含GMT概述，站點(diǎn)分布圖繪制，速度場(chǎng)圖繪制，梯度色階熱力圖繪制，時(shí)間序列圖繪制，等高線圖繪制，地震頻率圖繪制等7大模塊。運(yùn)行結(jié)果表明：除了具備一般軟件的界面友好性特點(diǎn)外，還能夠方便地進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析及圖像繪制，避免繁雜的繪圖分析工作，極大地提高工作效率，為地球科學(xué)領(lǐng)域各種類型的數(shù)據(jù)分析和可視化表達(dá)提供一個(gè)有力的工具，也為廣大學(xué)生及各個(gè)行業(yè)工作者解決繪圖問題提供極大地便利。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Design and implementation of interactive GMT geoscience graphics software based on VB environment

SHU Ying1,2,3,HE Xiaoxing1,4,HUA Xianghong1,2,3,CHANG Yue1,GONG Guodong1,2,MA Mengran1,2

(1.School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China;2. Collaborative Innovation Center for Geospatial Technology,Wuhan 430079, China;3. Hazard Monitoring & Prevention Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China；4. School of Civil Engineer and architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

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.

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

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.013

2015-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助項(xiàng)目(41174010;41374011;41464001;41374007);江西省科技落地計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJLD12077);江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ13457)

舒 穎(1993-)，男，碩士研究生.

花向紅(1963-)，男，教授，博士.

P208

A

1006-7949(2017)02-0057-05

引用著錄：舒穎， 賀小星，花向紅，等.VB環(huán)境下交互式GMT地學(xué)繪圖軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪工程，2017，26(2)：57-61.