VB環境下交互式GMT地學繪圖軟件的設計及實現

舒 穎， 賀小星，花向紅，常 越， 龔國棟,2，馬夢然，2

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VB環境下交互式GMT地學繪圖軟件的設計及實現

舒 穎1，2，3， 賀小星1,4，花向紅1，2，3，常 越1， 龔國棟1,2，馬夢然1，2

(1. 武漢大學 測繪學院，湖北 武漢430079；2. 地球空間信息技術協同創新中心，湖北 武漢 430079；3. 武漢大學災害監測和防治研究中心，湖北 武漢 430079； 4.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

本文設計基于VB環境下的交互式GMT繪圖軟件。詳細闡述VB環境下交互式GMT繪圖軟件總體結構，介紹GMT概述、站點分布圖繪制、速度場圖繪制、梯度色階熱力圖繪制、時間序列圖繪制、等高線圖繪制和地震頻率圖繪制等七大模塊功能，并對軟件實現中相關技術問題給出處理辦法。軟件運行結果表明：該軟件功能強、可靠性高、兼容性強，為地球科學領域各種類型的數據分析和可視化表達提供有力的工具。

VB環境；GMT；地球科學；可視化表達；交互式地學繪圖

地球科學是以地球系統(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象的基礎學科，其特點是數據量大，抽象性強，且所有數據都與空間位置相關。如何將數據成果制作成相應的點、線、面圖形來顯示或通過輸出的圖形來分析其分布規律和相互關系，即直觀地表示對象的定量和定性特征，是地球科學成果表達急需解決的關鍵問題之一。隨著地球科學的不斷發展，對位置相關的成果可視化產品的設計與開發也提出更高的要求[1]。

目前，地球科學領域中多數用戶使用Mapinfo、AutoCAD、Matlab 、Generic Mapping Tools (GMT)等軟件進行成果繪圖表達，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功能非常強大，能夠結合地形數據、配色方案，將復雜的信息以高質量的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，主要通過命令行及腳本進行繪圖處理，使得GMT交互性不強；另外，由于GMT語言具有自己的規范及編程方式，對于大多數地學工作者而言，由于缺乏相應的編程背景等，不能熟練地使用GMT進行相關繪圖工作。Visual Basic 6.0是一種入門級可視化編程語言，界面友好，且提供了Excel、AutoCAD、腳本語言等相關接口。為此，本文設計開發了基于VB環境下的交互式GMT繪圖軟件。

1 軟件的總體結構設計

根據地球科學研究領域成果表達與可視化的需要，VB環境下交互式GMT繪圖軟件的總體結構設計如圖1所示。軟件主要包含GMT概述、站點分布圖繪制、速度場圖繪制、梯度色階熱力圖繪制、時間序列圖繪制、等高線圖繪制、地震頻率圖繪制等7大模塊。各模塊所需數據以文件形式提供，其文件格式為GMT中的腳本命令所需格式。各個模塊包含若干下拉菜單，實現不同的功能，各模塊之間即相互獨立，又存在聯系，即某一模塊的畫圖結果為另一模塊的數據分析提供依據，通過模塊之間的集成與融合，形成一個完備性的、可靠的、易操作性的交互式繪圖軟件。

圖1 VB-GMT交互式地學繪圖軟件總體結構

2 軟件的功能實現與技術問題處理

VB-GMT交互式地學繪圖軟件充分利用VB便于算法開發、豐富的交互式環境[3](如下拉菜單、彈出式窗口、數據交互等)、可視化編程的特點以及GMT在畫圖上的優勢進行開發，其軟件主界面見圖2。

圖2 VB-GMT交互式地學繪圖軟件主界面

軟件主要實現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，同時給出多個應用實例和繪圖成果供參考，便于用戶學習和熟練地運用GMT軟件；站點分布圖繪制模塊主要包括站點分布的繪制、站點之間距離的計算和繪制，進而為后續的數據分析提供依據；速度場圖繪制模塊主要實現局域站點速度場的繪制；梯度色階熱力圖繪制模塊主要繪制彩色色階圖以反映區域某些因素的動態變化，而且能夠表現數據的梯度、走向，色階圖，成為揭示、刻畫數據平面分布特征的主要手段[4]；時間序列圖繪制模塊主要利用GMT強大的畫圖功能來實現誤差棒的繪制以反映時間序列的變化情況，為GPS時間序列分析及應用提供可視化圖形及參考依據；等值線圖繪制模塊主要繪制區域某些數據的等值線圖，來反映數據的高低變化，為地球科學工作者分析數據給予便利。地震頻率圖繪制模塊主要實現地震頻率圖的繪制，可以直觀了解地震發生的地點。

軟件實現交互式繪圖，是本軟件最大的特點。首先在VB環境下創建一個交互對話框，具體實現代碼是Private Sub Frame1_DragDrop(Source As Control, X As Single, Y As Single) End Sub，用戶只需點擊菜單，彈出交互對話框，根據個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見圖3。

2.1 站點分布圖的繪制

站點分布圖的繪制在地球科學研究領域具有十分重要作用。如在大地測量學領域，對大區域的GPS控制網進行分析時，通過將站點信息、地理因素等通過圖表綜合反映出來，為GPS控制網的合理建立及后續數據處理提供依據；通過繪制空間分析圖，為共模誤差的分離提供一些依據[5-6]。繪制時，在VB環境下，通過使用GMT 中psxy命令實現，其命令結構為：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 是數據文件，-G設置點符號顏色，-S設置點符號形狀和大小。具體繪制過程：首先用psbasemap命令創建地圖底圖，然后用pscoast 命令繪制陸地海洋和海岸線，用psxy將讀入的站點文件繪制成圓點圖，最后通過VB中的命令Shell "C:GMT_VBpointpoint.bat",vbNormalF來執行繪圖的腳本文件，全球GPS站點分布圖繪制結果如圖4所示。

圖3 交互式繪圖

圖4 全球GPS站點分布

2.2 速度場圖的繪制

在地球科學數據后處理與分析中，GPS速度場占有重要的地位。尤其是分析地殼水平運動特征，速度場是不可或缺的一部分，同時速度場是研究應力應變場的基礎，因此合理表達GPS速度場就顯得尤為重要。通過使用GMT 中psxy命令創建地圖底圖和繪制陸地、海洋及海岸線，點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代表臺站點位速度文件，-A，設置箭頭屬性；-Se代表速度尺寸/置信區間/字體大小。利用站點速度文件中數據繪制成帶角度和箭頭的速度場圖，其結果如圖5所示。

圖5 速度場

2.3 梯度色階圖的繪制

梯度色階圖能夠表現數據的梯度、走向等信息，便于地球科學相關成果如全球熱力學數據、站點的振幅相位的解譯及表達，通過其發現數據背后存在的潛在規律[7-10]。將這些數據繪制成梯度色階圖來顯示其數據特征；繪制時，首先通過使用GMT中makecpt命令生成一個色譜文件，再利用grdimage命令將網格化數據文件創建成影像圖，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數據和cpt數據；-J表示投影方式；-R表示圖形邊框范圍；-B表示邊框屬性，包括間隔、標記和網格線；grace.ps為生成的PS格式的圖形文件；-K表示有后續命令；-X5、-Y5和表示圖形相對左下角的平移量。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來執行繪圖的腳本文件，形成梯度色階圖。結果見圖6。

2.4 等值線圖的繪制

等值線圖是在地球科學數據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域屬性要素的分布情況，便于后續分析，因此，等值線圖的繪制是一個非常重要的工作。繪制時，首先用 GMT中xyz2grd 命令將數據格網化，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，其命令結構為：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 設置等值線間距，-A 設置有標注線之間間距及標注字大小，-G 是標注間隔，-T 設置示坡線的間隔和長度。等值線圖腳本文件生成后，再通過VB使用Shell命令調用繪圖腳本文件，執行生成的等值線圖。圖7給出某地區高程等值線圖。

(a)全球熱力圖 (b)振幅梯度色階圖圖6 梯度色階圖

圖7 某地區高程等值線

2.5 地震頻率圖的繪制

地震強度及頻率圖對強震工作人員直觀地了

解強震臺站的分布情況，在大震發生后能有的放矢地快速回收強震動數據、判斷災情有較大幫助[11-14]。因此，地震頻率圖的繪制也是地球科學研究領域中一個重要工作，使用psxy 命令可以實現地震頻率圖的繪制，具體繪制過程：首先利用psxy命令將讀入的數據繪制成圖，當繪制折線圖時，其命令結構是gmt psxy neq.data-R1960/2000/0/30-JX15/10-St0.3-G0/0/255-Ba10f5/a5f1WSne-X5-Y5-P-K >tmp.ps；當繪制直方圖時，其命令結構是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是數據文件。其次使用pstext命令在圖上繪制字符，最后用VB中的Shell命令執行繪圖腳本文件，其繪制結果如圖8所示。

(a)折線圖

(b)直方圖

3 結束語

本文開發的基于VB環境下的交互式GMT繪圖軟件，運行平臺是我國使用較多的Windows平臺，軟件主要包含GMT概述，站點分布圖繪制，速度場圖繪制，梯度色階熱力圖繪制，時間序列圖繪制，等高線圖繪制，地震頻率圖繪制等7大模塊。運行結果表明：除了具備一般軟件的界面友好性特點外，還能夠方便地進行各種數據分析及圖像繪制，避免繁雜的繪圖分析工作，極大地提高工作效率，為地球科學領域各種類型的數據分析和可視化表達提供一個有力的工具，也為廣大學生及各個行業工作者解決繪圖問題提供極大地便利。

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[責任編輯：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

國家自然科學基金項目資助項目(41174010;41374011;41464001;41374007);江西省科技落地計劃資助項目(KJLD12077);江西省教育廳科技項目(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環境下交互式GMT地學繪圖軟件的設計及實現[J].測繪工程，2017，26(2)：57-61.