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        診斷分析與繪圖課程的教學(xué)軟件更新

        2014-04-29 00:00:00趙荻樊雯璇
        學(xué)園 2014年1期

        【摘 要】本文通過(guò)比較GrADS和NCL兩個(gè)大氣科學(xué)專業(yè)常用軟件的功能,結(jié)合云南大學(xué)大氣科學(xué)系的教學(xué)軟、硬件條件,發(fā)現(xiàn)將NCL用于“診斷分析與繪圖”課程的教學(xué)能提高大氣科學(xué)專業(yè)本科生的數(shù)據(jù)分析和繪圖能力,為其開(kāi)展科研立項(xiàng)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)論文提供更有力的技術(shù)保障。

        【關(guān)鍵詞】診斷分析與繪圖 GrADS NCL 教學(xué)軟件 更新

        【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810(2014)01-0069-02

        隨著計(jì)算機(jī)性能的日益提高和專業(yè)數(shù)據(jù)種類的日趨豐富,計(jì)算機(jī)繪圖軟件系統(tǒng)成為大氣科學(xué)科研及業(yè)務(wù)工作中不可或缺的工具,而功能強(qiáng)大的繪圖軟件能使科研和業(yè)務(wù)工作事半功倍。診斷分析與繪圖是云南大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃中重要的實(shí)踐類課程。學(xué)生通過(guò)該門(mén)課程的學(xué)習(xí),了解大氣科學(xué)常用數(shù)據(jù)的類型和格式,掌握對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示的能力,并在本科生科研立項(xiàng)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)論文設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決科學(xué)問(wèn)題,以豐富的圖形展示研究結(jié)論。

        本文結(jié)合大氣科學(xué)系教學(xué)的軟、硬件條件,對(duì)比兩個(gè)常用專業(yè)繪圖軟件,擬選取教學(xué)效果更好的工具用于教學(xué),以切實(shí)提高學(xué)生解決科研問(wèn)題的能力。

        一 GrADS和NCL簡(jiǎn)介

        GrADS(The Grid Analysis and Display System)是由美國(guó)馬里蘭大學(xué)氣象系Brian E. Doty開(kāi)發(fā)的氣象數(shù)據(jù)分析顯示軟件。該軟件通過(guò)其集成環(huán)境,可以對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、加工、圖形顯示和打印輸出。云南大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)自2003年開(kāi)設(shè)診斷分析與繪圖課程以來(lái),一直使用GrADS作為教學(xué)軟件,目前最新版本為2.0.2版。

        NCL(The NCAR Command Language)是美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助,國(guó)家大氣研究中心(NCAR)計(jì)算與信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)并專門(mén)用于科學(xué)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化的解釋型語(yǔ)言。目前最新版本是2013年2月7日發(fā)布的6.1.2版。

        二 GrADS與NCL的功能比較

        由以上簡(jiǎn)介可以看出,GrADS和NCL兩個(gè)軟件都是由大氣科學(xué)研究人員開(kāi)發(fā),主要用于大氣科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)可視化的軟件。從使用上來(lái)說(shuō)它們之間有很多相同點(diǎn):(1)軟件安裝文件均可從各自的官方網(wǎng)站免費(fèi)下載,安裝后均可在各自的集成環(huán)境下以命令行的方式交互操作,或編寫(xiě)腳本文件解釋執(zhí)行;(2)具有各自獨(dú)有的編程語(yǔ)法,而且有很多類同于現(xiàn)代編程語(yǔ)言的特性,包括變量、運(yùn)算符、表達(dá)式、條件語(yǔ)句、循環(huán)、函數(shù)與過(guò)程;(3)支持大氣科學(xué)常用數(shù)據(jù)文件格式,能輸出多種類型的圖形;(4)具有大氣科學(xué)特殊物理量的計(jì)算函數(shù);(5)各個(gè)大氣科學(xué)學(xué)科的專業(yè)論壇中都有大量用戶對(duì)兩款軟件展開(kāi)討論,并有很多用戶發(fā)表使用經(jīng)驗(yàn),分享數(shù)據(jù)資源。這些共同點(diǎn)保證了兩個(gè)軟件均可方便地用于地學(xué)數(shù)據(jù),特別是大氣科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)的分析和可視化。

        在上述共同點(diǎn)的基礎(chǔ)上,兩個(gè)軟件在所需運(yùn)行環(huán)境、支持的數(shù)據(jù)類型、圖形顯示設(shè)置和內(nèi)建函數(shù)功能等方面又有著各自的特點(diǎn)。

        1.運(yùn)行環(huán)境

        GrADS和NCL都是基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件,可以在Linux和MacOSX系統(tǒng)下運(yùn)行。如需在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行,則要額外安裝Cygwin Unix模擬環(huán)境。

        而同在馬里蘭大學(xué)的Daniel da Silva為增加GrADS的可拓展性,基于GrADS開(kāi)發(fā)了OpenGrADS。OpenGrADS是能在Windows系統(tǒng)下直接安裝運(yùn)行GrADS版本,開(kāi)發(fā)了為高級(jí)用戶添加自定義命令和函數(shù)的框架,允許用戶添加自己的動(dòng)態(tài)鏈接插件,還提供了與其他腳本語(yǔ)言,如IDL、Malab、Perl和Python的接口。

        面對(duì)國(guó)內(nèi)Windows用戶居多的實(shí)際情況,OpenGrADS的出現(xiàn)對(duì)于GrADS的推廣起到了非常積極的作用。不論是

        經(jīng)驗(yàn)豐富的研究人員,還是大氣科學(xué)專業(yè)的初學(xué)者,都可以在學(xué)習(xí)GrADS的基本操作和語(yǔ)法后,于熟悉的Windows環(huán)境中完成數(shù)據(jù)分析和顯示的任務(wù)。如果使用NCL,在學(xué)習(xí)NCL的操作和語(yǔ)法之前,還必須具備Linux系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí),否則連程序安裝都無(wú)法完成。

        2.支持的數(shù)據(jù)類型

        最新版的GrADS和NCL能讀寫(xiě)二進(jìn)制、ASSII、標(biāo)準(zhǔn)和第4版NetCDF(Network Common Data Form)數(shù)據(jù);讀入第1、2版GRIB(GRIdded Binary)、HDF4~SDS(Hierarchical Data Format~Scientific Data Set)和第5版HDF5數(shù)據(jù)。

        兩款軟件都能處理大氣科學(xué)常用的數(shù)據(jù)格式,而對(duì)其他一些矢量數(shù)據(jù)的支持則各有側(cè)重。GrADS支持創(chuàng)建GeoTIFF、用于在地球?yàn)g覽器中顯示地理數(shù)據(jù)的KML(Keyhole Markup Language)以及美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所公司(ESRI)開(kāi)發(fā)的空間數(shù)據(jù)開(kāi)放格式Shapefile。NCL可創(chuàng)建netCDF3格式的數(shù)據(jù),另外能讀入Shapefile、MapInfo、GMT(Generic Mapping Tools)、TIGRE等文件。

        在數(shù)據(jù)支持方面,不得不提到NCL的一個(gè)大優(yōu)勢(shì):可以通過(guò)ncl_convert2nc一個(gè)命令將GRIB1,GRIB2,HDF4/5,HDF~EOS2/5或Shapefile數(shù)據(jù)方便地轉(zhuǎn)換成更易使用的netCDF格式。這體現(xiàn)了NCL在數(shù)據(jù)輸入輸出上的靈活性,為不熟悉上述幾種數(shù)據(jù)格式的學(xué)者帶來(lái)了極大的便利。

        3.圖形顯示功能

        GrADS和NCL的主要功能之一是圖形顯示。那么圖形顯示類型是否豐富,就決定了軟件是否能滿足研究者展示科研結(jié)果的需要。兩款軟件都能繪制折線圖、直方圖、等值線圖、填色圖、散點(diǎn)圖、流線圖、風(fēng)矢量圖等常用圖形,并且支持不同圖形類型的疊加顯示,都能滿足使用者的基本需求。

        但在圖形輸出類型方面,NCL比GrADS有更好的表現(xiàn)。NCL除支持上述圖形類型外,還可以繪制箱線圖、軌跡圖等大氣科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域也經(jīng)常使用的圖形。對(duì)于WRF數(shù)值模式結(jié)果這樣的特定數(shù)據(jù),還可以輸出三維圖形,表現(xiàn)物理量在三維空間上的分布和變化,這也是NCL的一大亮點(diǎn)。

        此外,由于NCL在圖形設(shè)置方面有很多的屬性參數(shù)可以設(shè)置,給用戶在坐標(biāo)軸、線條、調(diào)色板、地圖投影方式等諸多方面有更多的選擇,最終能得到更令人滿意的圖形顯示效果。當(dāng)然,滿意的圖形效果是以犧牲部分易用性為代價(jià)的。繪制同類型的圖形,GrADS只有數(shù)條設(shè)置語(yǔ)句,而NCL可能會(huì)有十多個(gè)屬性需要設(shè)置。這也是為什么通常NCL腳本文件比GrADS腳本文件長(zhǎng)的原因之一。

        4.內(nèi)建函數(shù)功能

        數(shù)據(jù)分析是這兩個(gè)軟件的另一重要功能,實(shí)現(xiàn)這一功能通常都是由軟件內(nèi)建函數(shù)來(lái)完成的。GrADS和NCL都有數(shù)學(xué)函數(shù)、分析統(tǒng)計(jì)函數(shù)、物理量計(jì)算函數(shù)等幾大類內(nèi)建函數(shù)。

        從最常用的插值和統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用來(lái)看,NCL的功能更強(qiáng)大。NCL有多個(gè)插值函數(shù),不但能完成不同分辨率空間網(wǎng)格的插值,還有線性插值、雙線性插值、樣條插值等函數(shù),甚至能進(jìn)行地球坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換;而GrADS的插值功能僅限于不同空間分辨率的插值,而且這一功能的實(shí)現(xiàn)還是通過(guò)用戶自定義函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另一方面,NCL 的內(nèi)建函數(shù)還能進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解、奇異值分解、累計(jì)分布函數(shù)等常用統(tǒng)計(jì)分析方法的計(jì)算,這為研究者們提供了極大的方便。熟練使用NCL一個(gè)軟件,即可完成從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示的全部工作內(nèi)容,若使用GrADS,則需借助Fortran或Matlab等軟件來(lái)完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析工作。

        通過(guò)上述比較,我們發(fā)現(xiàn)GrADS和NCL用做教學(xué)軟件各有優(yōu)缺點(diǎn),但就提升學(xué)生實(shí)踐能力這一目的來(lái)說(shuō),把NCL用于教學(xué)能直接提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力,以便學(xué)生把更多的時(shí)間用于科研思路培養(yǎng)上,這對(duì)本科學(xué)生在專業(yè)方向上的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是更為有利的。

        三 選用NCL的教學(xué)條件

        自2003年大氣科學(xué)系開(kāi)設(shè)診斷分析與繪圖課程以來(lái),我們一直是使用GrADS軟件進(jìn)行教學(xué),學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后能熟練使用GrADS進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、物理量計(jì)算以及圖形繪制。在進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)論文設(shè)計(jì)時(shí),往往還要學(xué)習(xí)Matlab編程,才能完成科研數(shù)據(jù)分析的工作。

        近年來(lái),大氣科學(xué)系的教學(xué)軟、硬件環(huán)境均有較大改善,這使得選取NCL用于教學(xué)成為可能。鑒于大氣科學(xué)學(xué)科中數(shù)值模式的應(yīng)用越來(lái)越普遍,而多數(shù)數(shù)值模式都是基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的,2006年修訂本科生培養(yǎng)方案時(shí),在三年級(jí)上學(xué)期增開(kāi)了Linux操作系統(tǒng)課程,其目的是讓學(xué)生了解Linux系統(tǒng),并掌握該系統(tǒng)的基本操作。這門(mén)課程的開(kāi)設(shè)為在三年級(jí)下學(xué)期診斷分析與繪圖課程中使用NCL進(jìn)行教學(xué)鋪平了道路,這是軟件環(huán)境方面的改善。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)“Linux操作系統(tǒng)”課程,消除了對(duì)NCL的運(yùn)行環(huán)境的陌生感,操作系統(tǒng)方面的障礙不復(fù)存在。在學(xué)習(xí)使用NCL的過(guò)程中,又鞏固、加深對(duì)Linux系統(tǒng)的理解,為以后安裝調(diào)試數(shù)值模式奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        在硬件環(huán)境方面,2006年大氣科學(xué)系購(gòu)進(jìn)一套曙光計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)后續(xù)兩次擴(kuò)容,現(xiàn)有集群系統(tǒng)已具有21個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),磁盤(pán)陣列容量為21T,基本滿足教學(xué)科研需要。學(xué)生申請(qǐng)賬號(hào)后,從機(jī)房電腦客戶端登錄集群,即可方便地在集群上使用NCL完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,開(kāi)展科研工作,為NCL用于教學(xué)提供了硬件保障。

        四 結(jié)論

        在對(duì)兩款軟件功能進(jìn)行對(duì)比,并結(jié)合實(shí)際教學(xué)條件綜合分析后發(fā)現(xiàn),將NCL用于“診斷分析與繪圖”課程教學(xué)可行,并具有一定的優(yōu)越性。通過(guò)合理安排教學(xué)內(nèi)容,配套適合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,能更好地實(shí)現(xiàn)本門(mén)課程的教學(xué)目的,切實(shí)提高大氣科學(xué)系本科生在科學(xué)研究方面的實(shí)踐技能。

        參考文獻(xiàn)

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