Surfer软件在台站气象服务中的应用.doc

Surfer软件在台站气象服务中的应用摘 要 本文以绘制亳州市等雨量图为例，着重介绍利用Surfer软件绘制区域底图和在底图上绘制等雨量线图的方法，展示用VB编程语言调用Surfer7.0的绘图函数，实现Surfer与VB之间的ActiveX自动化连接，从而实现区域等值线图的程序化输出。关键词 Surfer 区域底图 气象要素 等值线引 言Golden Software Surfer（简称Surfer）是一款绘制三维图和等值线图的软件，最大的特色是具有插值功能和填色绘制。用此软件绘制的区域等雨量线图能直接形象地反映出区域雨量的分布。虽然有很多文献对Surfer软件都进行了较为详尽的介绍，但由于其帮助文件大多是英文版，因此在基层台站的应用还待进一步提高。如何制作区域底图，并将区域自动站雨量数据叠加在底图上，以及怎样利用VB编程语言调用Surfer7.0的绘图函数，实现程序化操作，是本文所要解决的主要问题。1 资料说明亳州市区域地图和乡镇自动雨量站点的经纬度资料取自Micaps 1.0中的地理信息文件。本文以2007年7月2日20时至2007年7月15日20时降水资料（取自安徽省高密度自动观测站网统计数据）为例，介绍亳州市区域雨量图的绘制方法。2 Surfer 7.0软件绘制区域等雨量线图绘制区域等雨量线图前，必须做好前期基础工作。如生成区域底图文件、站点坐标文件和区域雨量数据文件等。底图文件必须要做两个，一个是闭合区域无县界底图文件，一个是闭合区域分县界底图文件，前者用于Blank等值线，后者作为区域等值线背景图用。2.1 制作区域底图文件绘制区域底图，有两种方法。一是读取区域地图边界上点的经纬度坐标，生成bln文件。另一种方法利用该地区地图，用Surfer软件在map|base map中打开地图文件即可。虽然，第二种方法较为简单，但下载本地区地图并不太容易。这里介绍第一种方法。2.1.1 制作闭合区域无县界底图文件首先用Micaps 1.0读出亳州边界经纬度资料，生成闭合无县界的bln文件Bz1.bln。Bz1.bln文件格式如下：Length，flagX1，Y1X2，Y2.Xn，Yn其中，X1，Y1是闭合曲线初始点的经纬度数据，Xn，Yn是闭合曲线终点的经纬度数据。X是某一点上的纬度数据，Y是某一点上的经度数据。Length是底图曲线中点坐标的个数，当flag1时，底图区域内的等高线可以消除掉，当flag0时，则可以消除底图区域以外的等高线，本例选flag值为0。注意：一定要是闭合等值线图，所读经纬度数据要首尾相连。2.1.2 制作区域分县界底图生成亳州分县界的bln文件Bz2.bln，方法基本与绘制闭合区域底图相同，但要保证Bz2.bln与Bz1.bln底图外围边界经纬度数据完全相同（可直接粘贴Bz1.bln内数据），在读取经纬度坐标数据时应沿一个方向一次性读取，首尾相连，避免重复。不得已重复时一定要与原来所读的数据相同，否则，底图曲线也会出现重影，影响底图质量。2.1.3 制作站点坐标文件站点坐标文件Bzxz.dat，文件格式：经度1，纬度1，站点名1经度2，纬度2，站点名2经度n，纬度n，站点名n2.1.4 制作雨量数据文件制作亳州区域自动雨量站雨量数据文件Bzyl.dat，文件格式：经度1，纬度1，雨量1，站点名1经度2，纬度2，雨量2，站点名2经度n，纬度n，雨量n，站点名n2.2 区域等雨量线图的制作（以Surfer 7.0为例）具体步骤：2.2.1 打开Surfer 7.0进入主界面（见图1）。2.2.2 将雨量数据文件转化成Surfer 7.0所能识别的grd格式文件点击菜单项Grid、Data后，打开区域雨量数据文件Bzyl.dat，出现Seattered Data Tnterpolation 对话框（见图2）：其中Grid line Geometry选项X、Y分别表示区域底图的最大外边界经纬度值。本例X选115.54、116.82；Y选32.86、34.08，在Gridding Methodtfad选项框中，选Kriging（插值方法），设置好后，点击“确定”按钮，提示已生成grd格式的文件bzyl.grd，再按“确定”按钮，随后出现Surfer-Report1对话框，关掉对话框不保存文件即可。2.2.3Blank文件点击菜单项Grid、Blank，打开bzyl.grd，再选中区域无县界闭合图地图文件Bz1.bln，生成out.grd文件。2.2.4生成等雨量线图从菜单项选Map、contour Map、New contour Map，打开out.grd文件，出现Contour Map Properties对话框（见图3），这是一个关于等值线着色和设置的对话框，其中Filled Contours 是对等值线进行色彩设置的选项，如果选中Fill Contor则可画出着色的等值线图，再选中 Color Scal则可给出色彩棒。点击Levels选项，可以对等值线间距和色彩进行具体的设置和保存（文件格式为*.lvl文件）。2.2.5 在等雨量图上叠加分县地图和自动雨量站点叠加分县地图：从菜单项Map Base Map中打开区域分县界地图 Bz2.bln即完成操作。叠加区域自动雨量站点：从菜单项Map、Post Map、New Post Map中打开雨量站点文件Bzxz.dat，弹出Post Map Properties对话框（见图4），在General界面Worksheet Column选项框中，X、Y分别选为ColumnA和ColumnB，在Labels界面Worksheet Column for Labels选项框中，选ColumnC，按“确定”按钮即可。2.2.6 完成区域等雨量线图的制作完成上述1-5项操作后，从菜单栏Edit选定Select All，然后从菜单栏Map中点击Overlay Maps，在程序界面的左侧Map目录下打去边界选项的对勾后，即完成操作。这项操作不能省略，否则叠加的底图将不能与等雨量图完全重叠。这样，一幅区域等雨量图就制作完成了（见图5）。3 用Surfer函数制作区域等值线图本文第2部分介绍的利用Surfer手动制作区域等值线图的方法，因设置较多、操作繁琐，在实际工作中实用性不强，只适合少量制图。近年来，Surfer 从7.0版本开始增加了Automation技术，提供了程序化制图的扩展空间。如何利用Vb编程语言调用Surfer绘图函数自动绘制等值线图呢？这里介绍一个简便的基于Surfer 8.0的Vb代码实现方法。Dim objSurfer As ObjectDim objPlot As ObjectDim objMapFrame As ObjectDim temp As VariantPrivate Sub cmdRun_Click（）Dim strInFile， strGridFile， strOutFile As StringOn Error Resume NextWith dlgCommon1 .DialogTitle = 打开数据文件 .Flags = 0 .CancelError = True .FileName = .Filter = 数据文件 （*.txt;*.dat;*.xls） |*.txt;*.dat;*.xls .ShowOpen If Len（.FileName） = 0 Then 如果没有文件名则退出 Exit Sub End If strInFile = .FileName 获取选中的文件名End WithStrGridFile = Left（strInFile，Val（InStrRev（strInFile，.）- 1） + .grd 把扩展名改为.grdSet objSurfer = CreateObject（Surfer.Application）创建对象（CreateObject）是Vb提供的一个方法，它表示CreateObject方法在系统注册表里查找Surfer.APPhcafion项并自动激活Surfer服务temp = objSurfer.GridData（DataFile:= strInFile，DupMethod:=srfDupNone，xMin:=115.54，xMax:=116.82，yMin:=32.86，yMax:=34.08，Algorithm:=srfKriging， OutGrid:=strGridFile）用Kriging法将资料内插到网格点上，并确定网格点的最大（小）经纬度，等值线图边界大小。outgrid为数据插值之后输出的文件名。temp = objSurfer.GridBlank（Ingrid:=strGridFile， blankfile:=D:datafilebz1.bln，OutGrid:=D: datafileout.grd）用亳州闭合区域底图bz1.bln文件去掉边界外的插值后的数据，为绘制区域等值线做准备。Set Plot = objSurfer.Documents.Add（srfDocPlot）Set ContourMapFrame = Plot.Shapes. AddContourMap （D:datafileout.grd）- -把下面的注释去掉可以不显示边界线及颜色生成一个等值线图，并指定其文件名为ContourMapFrame。Dim ContourMap As ObjectSet ContourMap=ContourMapFrame. Overlays（1）将等值线图形属性指定给变量ContourMap。ContourMap.levels.loadfile（D:datafile bzyl.lvl）加载等值线填充色彩分级文件。ContourMap.SmoothContours = 1平滑等值线。ContourMap.FillContours = True填充等值线ContourMap.ShowColorScale = TrueContourMap.ColorScale.FrameLine.Width = 0.05ContourMap.ColorScale.Width = 0.05ContourMap.ColorScale.Height = 0.05ContourMap.ColorScale.Top = -0.05显示等值线色标，并给a、b、c、d赋值。Dim myBasemap As ObjectSet myBasemap = Plot.Shapes.AddBaseMap（ImportFileName:=D:datafilebz2.bln）加载亳州分县界地图。Dim postmapframe As ObjectSet postmapframePlot.Shapes.addPostmap（dataFileName: = D:datafilebzxz.dat）生成地名标注图层或乡镇雨量点数据填图图层。Plot.Shapes.SelectAllDim sel As ObjectSet sel = Plot.Selectionsel.OverlayMaps-Plot.Export FileName:=Left（strInFile，Val（InStrRev（strInFile， .） - 1） + .bmp 输出bmpPicture1.Picture = LoadPicture（Left（strInFile， Val（InStrRev（strInFile， .） - 1） + .bmp） 显示bmpSet objSurfer = NothingEnd Sub程序运行结果如图6所示。4 结语4.1 在绘制区域等雨量线图过程中，闭合区域底图的制作至关重要，闭合就是要求数据要首尾相连，从头到尾围成一闭合的图形。4.2 闭合区域底图、闭合分县界底图和自动站站点所采用的经纬度数据一定要取自同一个数据源（如取自micaps1.0或2.0地理信息文件），两图的制作方法有所不同，所起的作用也是完全不同的。4.3 利用Vb编程语言调用Surfer函数联合编程，实现了雨量图的自动显示和输出，操作简捷，如连接自动雨量站网数据库实现ADO连接数据库自动采集，则可达到实时绘制雨量图的效果。第3章 Surfer8.0绘图软件的使用3.1 软件运行环境及特点Golden Software Surfer 8.0 （以下简称Surfer）是一款画三维图（等值线，image map，3d surface）的软件，是美国Golden Software公司的系列绘图软件之一。该软件简单易学，可以在几分钟内学会主要内容，且其自带的英文帮助文件（help菜单）是相当完美且容易阅读的，对如何使用Surfer，解释的很详细，只要学过英语的人都可以很快上手。Surfer的主要功能是绘制等值线图（contour map），是具有插值功能的绘图软件，因此，即使你的数据是不等间距的，依然可以用它作图。此外它还可以绘制张贴图、分类张贴图、矢量图、影像图、线框图、3d surface map，等形式的图形，其功能是比较强大的。Surfer的安装比较简单（目前，只有Windows操作系统下的版本，最为常用的是8.0版本），只要按其提示缺省安装即可。其安装软件的大小不到30M，一般的计算机硬件基本能够顺利使用该软件。安装好Surfer以后，其环境界面如图31所示。工作区状态栏绘图命令目标管理窗口命令菜单图3-1 Surfer8.0软件界面3.2 软件界面及命令菜单Surfer软件的界面非常友好，继承了Windows操作系统软件的特点。从图31中可以看到，其最上方为命令菜单，在命令菜单的下方是命令菜单中的快捷工具栏（共两行），左侧的空白区域为目标管理窗口，用来更加方便的管理绘制的各个图形要素，右侧的空白区域为工作区，用来绘制图形，最右侧的一个竖条工具栏是绘图命令的快捷方式。下面详细介绍各个命令菜单的主要内容。3.2.1文件菜单（F）“文件菜单”如图32所示，主要是对文件进行操作，如文件的建立、加载、打印设置等。 图3-2 文件菜单新建 用来新建一个工作窗口，点击后即出现图 31界面。打开 打开一个已经存在的Surfer可以识别的文件。关闭 关闭当前窗口。保存 保存当前窗口内容。另存为 将当前窗口内容另存为其它文件名。输入 输入Surfer识别的图形格式。输出 将窗口内容输出到图形等格式文件。页面设置 设置当前页面的尺寸等属性。打印 打印当前窗口内容。参数选择 设置Surfer的默认属性，包括缺省单位，线型，字体等。退出 退出Surfer。3.2.2编辑菜单（E）“编辑菜单”如图33所示，该菜单包含看了常用的编辑命令，如剪切、拷贝、粘贴、选择性粘贴、删除、修改目标属性以及撤销上一次操作等。 图3-3 编辑菜单 图3-4 视图菜单凡是在菜单命令后跟有三个小黑点，说明选取该命令后会打开一个对话框；凡是在菜单命令的右边有三角形符号的，表明选取该菜单会打开一子菜单。3.2.3视图菜单（V）“视图菜单”如图3-4所示，主要对Surfer的编辑屏幕进行设置，如改变视图文档的大小、缩小或放大图像的显示比例，以及控制标尺、参考网格、状态栏和对象管理器的显示或隐藏。3.2.4绘制菜单（D）“绘制菜单”如图3-5所示，主要是对图像进行手工操作，如手工填写文字文本，以及手工绘制多边形、多段直线、缺省符号、矩形、圆角矩形、椭圆等图形。3.2.5排列菜单（A）“排列菜单”如图3-6所示，主要是调整排列图像的前后关系，排列叠置图的上下覆盖关系，以及对齐图像和组合图像，并对图像进行组合、拆分、旋转、变换等。 图3-5 绘制菜单 图3-6 排列菜单3.2.6网格菜单（G）“网格菜单”如图37所示，是Surfer软件最核心的菜单之一。主要功能有：输入数据文件，并对其进行网格化；变化图命令，采用函数生成网格文件；对网格文件进行数学操作，对网格文件进行微分、地形建模、积分；对网格数据进行滤波，对网格数据进行样条光滑；对网格数据进行白化，将网格化数据转换成其它格式；从网格化数据中取部分区域数据，合并两个以上的同网格范围的网格化文件；计算网格化数据的体积，从网格化数据中取一剖面；计算两个网格化数据的残差，对网格化数据进行编辑。 3-7 网格菜单 图3-8 地图菜单3.2.7地图菜单（M）“地图菜单”如图38所示，也是Surfer软件较为重要的菜单之一。主要功能有：绘制等值线，输入底图；绘制散点图（包括分类散点图）、绘制图像图、阴影地貌图、一维或两维向量、带线框架图、3D表明图；绘制地图比例尺，对图形进行数字化、调整；以及水平对齐图形、按坐标重叠图形，将重叠图形拆分等等。3.2.8窗口菜单（W）“窗口菜单”如图39所示，主要功能是对窗口进行操作。包括对当前窗口的内容重新在新窗口生成、重叠窗口（水平重叠窗口，垂直重叠），以及排列窗口底部的图标等等。 图3-9 窗口菜单 图3-10 帮助菜单3.2.9帮助菜单（H）“窗口菜单”如图310所示，用户可以通过它访问Surfer在线帮助和在线教程，还可以访问Surfer软件的官方网站，以及查看Surfer软件的版本，检查软件更新情况等信息。如果菜单的某项呈暗灰色，则说明该菜单命令此时不可用。3.3 Surfer软件的数据格式3.3.1数据格式Surfer常用的数据文件一般是ASCII码（文本）格式的数据。对于地质作图来说，Surfer数据文件常包含四列，分别为井名列、X列、Y列和Z列，其中X列和Y列分别表示x和y坐标，Z列是在坐标（x，y）处的值（例如，高程）。井名列可以放在XYZ三列的前面，也可以放在后面（如图311）。因为在地质上，常常需要绘制同一坐标下的多种等值线图，比如地层厚度等值线图、孔隙度等值线图、渗透率等值线图等等，所以在同一个数据文件中，对于Z列这样的等值数据可以有多列，分别依次排列，而不需要建立多个文件。Surfer软件常用的ASCII码（文本）数据文件后缀名一般为“*.dat”、“*.txt”，Surfer可以直接对其读取。此外，Surfer还可以方便的读取由Microsoft Office Excel建立的“*.xls”工作簿文件。需要特别注意的是，因为Surfer软件不能良好的支持中文，当一个Excel工作簿文件里包含多个工作表，且每个工作表里都有数据时，不能用中文给Excel工作表命名，否则Surfer在读取数据的时候会出错。3.3.2 建立数据文件Surfer数据文件的建立方式有几种。一般，可以在Surfer自带的工作表编辑器中手工输入（如图311），然后点击“文件菜单（F）”的“保存”选项，保存为后缀名为“*.dat”、“*.txt”的数据文件。另外其它软件生成的文本文件，例如Excel表格数据，通过保存成文本格式，也可以转换成Surfer所需要的数据文件。通常，任何转换成“*.dat”、“*.txt”结尾的文本数据文件，都可以被Surfer直接读取。Surfer支持字符，所以字符也可以用在数据文件中，除了第一行的字符可以看作是文件头外，其它的字符一般被认为是Surfer的缺省值，此值在做等值线等图形时将不会显示。井名列单击弹出窗口3图3-11 Surfer工作表编辑器3.3 井位坐标图的绘制地质图件常常需要标有井名、井位坐标，在Surfer软件绘制井位作标图中可以通过“建立张贴图”或“建立分类张贴图”来实现。3.3.1建立张贴图打开“地图菜单（M）”，点击“张贴图（P），选择“新建张贴图（N）”，在“打开”对话框中选择数据文件test.txt（如图312），点“确定”，则一幅“张贴图”初步建立完成（如图313）。但此时“张贴图”上还没有显示井位坐标，需要对“张贴图”进一步设置。调出设置“张贴图属性对话框”有三种方法：鼠标左键双击左边目标管理窗口里面的“”；或在所画张贴图的图中心位置双击鼠标；或在张贴图的图中心位置点击鼠标右键，选中“属性”，就会出现设置张贴图属性的各种选项，可以进行修改和设置（如图313）。各属性选项介绍如下：1、“常规General”选项卡（1）“数据文件名（D）”表示出当前打开的数据文件所在的位置，可以点击“打开文件图标”，更改打开的数据文件。（如图313）（2）“工作表列”设置x坐标，y坐标具体位于数据文件的哪一列。下面的“符号S”和“角度G”选项一般不用，可以设置为无。（3）“缺省符号”设置井位坐标的符号。通常我们选择实心圈，颜色选择红色。“缺省角度（N）”和“频率（F）选择，一般使用默认值（见图3-13所示的“符号属性图”）。（4）“符号尺寸”设置井位符号的大小，通常不选“按比例（P）”选项，而是选择“固定尺寸（I），根据实际情况，一般设置为0.10cm。2、“标注Labels”选项卡（1）标注用工作表列指出数据文件中标注（井名或其他内容）所在的列。“角度”和“平面”选项可以用默认值。（如图314）选择数据文件单击弹出窗口图3-12 Surfer工作表编辑器单击弹出窗口初步建立的“张贴图”双击弹出窗口对图双击弹出窗口图3-13 张贴图属性对话框（2）符号相对位置设定粘贴的标注相对于粘贴点的位置。下拉式列表框可设定标志的位置居中、左齐、右齐、上齐、下齐，也可以根据实际需要，选择用户定义选项，指定X或Y的偏移量。（3）字体和格式设定标注所用的“字体”和“格式”，一般采用默认值即可。图3-14 标注选项卡3、“查看view”选项卡用来调整等值线图的整体方向，除了在“3D Surface”情况下，一般不用。4、“比例scale”选项卡用来设置xyz轴的比例，可以调整其长度选项。一般情况不需调整，除非X和Y相差很大，为了方便看图可以调整其到合适的长度。5、“限制limits”选项卡可以用来裁剪等值线图（通过设置xy的最小最大值），从而得到感兴趣的目标区的图形。6、“背景background”选项卡可用来设置背景填色，一般不用。最后，设置好所有的选项后，点击“文件菜单（F）”的“保存”选项，选择默认的“*.srf”格式进行保存，则井位坐标图正式绘制完毕。3.3.2建立分类张贴图“分类张贴图”的建立方法和“张贴图”的建立方法类似，只是多了一个“分类选项”（如图3-15）。以Z列数据（即等值数据）为分类依据，根据研究的目的需要，制定一定分类标准来对井进行分类。不同的类别，可以设置成不同的标志符号。双击设置标志符号和尺寸大小值双击设置大小值图3-15 分类选项卡3.4 等值线图的绘制3.4.1数据文件的网格化Surfer最主要的功能是绘制等值线图，但并不是我们具有了数据文件就可以直接绘制等值线，Surfer要求绘制等值线的数据有特殊的格式要求，即首先要将数据文件转换成Surfer认识的“网格文件”格式，才能绘制等值线。假设你有三列数据：第一列是X坐标，第二列是Y坐标，第三列是（x，y）上的值Z，存在文件test.txt中。等值线的绘制可以在前面绘制好的井位坐标图上继续进行，即先打开前面绘制好的井位坐标图“*.srf”文件，然后开始以下的操作。在绘制等值线前，首先要将数据文件test.txt转换为网格文件，步骤如下：（1）打开“网格菜单（G）”，点击“数据（D）.”，在“打开”对话框中选择数据文件test.txt（如图316）。单击弹出窗口选择数据文件图3-16 网格菜单的“数据”选项（2）在打开“网格化数据”对话框中（如图317），对“数据列”进行操作，选择要进行“网格化”的网格数据（X和Y坐标）以及格点上的值（Z列），这里我们不用选择，因只有3列数据且它们的排列顺利已经是XYZ了，如果是多列数据，则可以在下拉菜单中选择所需要的列数据。图3-17 “网格化数据”对话框（3）选择好坐标XY和Z值后，在“网格化方法（M）”中选择一种插值方法。如果你需要比原始数据的网格X和Y更密的Z数据，或是你的网格是非均匀的，则在“网格化”的过程中，Surfer会自动进行插值计算，生成更密网格的数据；如果你只是想绘制原始数据的图，不想插值，则最好选择“加权反距离法（inverse distance to a power）”或“克里格法（Kriging）”。因为这两种方法在插值点与取样点重合时，插值点的值就是样本点的值，而其它方法不能保证如此。（4）在“输出网格文件（Output GridFile）”中输入输出文件名test.grd，然后在“网格线索几何学（Grid Line Geometry）”中设置网格点数。这里需要注意的是，当X和Y的数值相差很大时，这里显示的最大最小值可能有错误（即与原始数据不同），这是Surfer软件本身的问题，遇到这种情况，必须手动改正这种错误，即输入正确的最大最小值。由于我们的数据没有此类问题，因此不必手动改正最大最小值。但必须手动改正X和Y的“间距（spacing）”或“行数”，这二者是相关的，改动一个，另一个自动改正。如果你的原始数据是等间距的，这里的X和Y的“间距（spacing）”或“行数”最好与原数据一致，这样可以减少插值带来的误差。我们的数据是不均匀的，所以必须插值，这里可以不进行任何改动。最后，点击“确定”，画等值图所需要的网格文件test.grd就生成了。另外，打开“网格菜单（G）”，选择“函数（F）.”命令也可以创建一个新的网格文件，此网格文件的Z值是一个原有网格文件的Z值的转换或是原有两个网格文件Z值的组合。输出的新网格文件的Z值与应用的数学函数有关。设此函数为C = f （A，B），这里C为输出值，而A和B为输入值。此函数会把对应的相同的（x，y）坐标上的 Z 值进行相应的数学计算，然后把计算结果写入新的网格文件。例如，函数C = log10（A）会把原来A文件中的Z值做以10为底的“对数计算”，然后把新的Z值写入新的网格文件。如果一个网格数据是空白的（blanked value），那么，新的Z值也是空白的。3.4.2绘制和设置等值线3.4.2.1绘制等值线打开“地图菜单（M）”，点击“等值线图（C），选择“新建等值线图（N）”，在“打开网格”对话框中选择刚才输出的网格文件test.grd（如图318），点“确定”，则一幅等值线图就完成了（如图319）。选择数据文件单击弹出窗口图3-18 地图菜单（M）的“新建等值线图”选项框图3-19 由test数据完成的等值线图3.4.2.2等值线图的修改和设置调出设置“等值线图属性对话框”有三种方法：鼠标左键双击左边目标管理窗口里面的“”；或在