李延旭,楊婷婷,張海平,馮彥同
(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,青島 266590;2.山東省高校海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,
青島 266590;3.山東省國土測(cè)繪院,濟(jì)南 250102)
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GMT在CORS自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用
李延旭1,2,楊婷婷1,2,張海平3,馮彥同3
(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,青島 266590;2.山東省高校海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,
青島 266590;3.山東省國土測(cè)繪院,濟(jì)南 250102)
摘要:在CORS自動(dòng)化處理系統(tǒng)中,處理結(jié)果可視化是很重要的一部分,但是目前的繪圖軟件由于成圖模式單一或者繪制地學(xué)圖形效果較差而不適合應(yīng)用于CORS自動(dòng)化成圖系統(tǒng).本文結(jié)合GMT軟件在SDCORS自動(dòng)化處理系統(tǒng)中的應(yīng)用,分析了GMT在自動(dòng)化系統(tǒng)中的作用和優(yōu)勢(shì),GMT軟件適合應(yīng)用于CORS自動(dòng)化處理系統(tǒng)中并能取得較好的直觀顯示結(jié)果信息.
關(guān)鍵詞:GMT;CORS;可視化;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);自動(dòng)化成圖
0引言
近幾年來,我國不同行業(yè)已經(jīng)陸續(xù)建立了一些衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò),為滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)信息化的需要,一大批城市、省區(qū)和行業(yè)正在籌劃建立類似的連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)定位技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的日臻完善,作為測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之一的CORS匯集了大量GNSS數(shù)據(jù),將網(wǎng)絡(luò)技術(shù),GNSS定位技術(shù)結(jié)合起來,建立一個(gè)基于服務(wù)器的GNSS數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理及分析系統(tǒng)有利于CORS在定位、導(dǎo)航、工程測(cè)繪等方面更廣泛的應(yīng)用[1-2]。國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了探討分析并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)過程,如郭際明提出基于GAMIT/GLOBK軟件的參考站自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理程序[3],葉虎春提出基于Bernese軟件開發(fā)高精度全球定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)[4],但在討論定位精度后并未提及系統(tǒng)結(jié)果可視化問題。CORS數(shù)據(jù)處理的最大特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)量大,且所有數(shù)據(jù)均與空間位置有關(guān),僅靠一些簡(jiǎn)單的數(shù)字無法真正體現(xiàn)出空間位置的變化,將數(shù)據(jù)繪制成點(diǎn)、線、面顯示在地圖中能夠加深對(duì)于抽象成果的分析和判斷,這就是所說的圖形可視化[5]。圖形可視化能夠更加直觀的將處理結(jié)果展示給用戶,是CORS自動(dòng)化處理系統(tǒng)不可缺少的一部分。要滿足自動(dòng)化成圖需要滿足兩個(gè)條件:首先,軟件的成圖過程應(yīng)該由代碼控制,只能手工一一設(shè)置參數(shù)完成繪圖顯然是無法滿足要求的;其次軟件在繪制地學(xué)圖形方面存在優(yōu)勢(shì),這對(duì)成果顯示有很大幫助。目前常用的繪圖工具如Mapinfo、Matlab、AutoCAD等均不滿足以上要求,因此尋求一種合適的繪圖軟件是建立CORS自動(dòng)化處理系統(tǒng)不可缺少的[5-6]。
1GMT介紹
通用制圖工具(GMT)是在美國國家科學(xué)基金會(huì)的資助下,于1987年由Wessel、Walter和Smith共同開發(fā)的一款免費(fèi)的、開源的繪圖軟件,該軟件與地球物理學(xué)聯(lián)系緊密,可以用它繪制地震圖、斷面圖、等值線圖、速度場(chǎng)圖,還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。GMT軟件作為地學(xué)研究中必備的制圖軟件,其功能非常強(qiáng)大,可以處理柵格數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成高質(zhì)量的2-D、3-D視圖,將復(fù)雜的信息以PS(Post-Script)格式圖形輸出。GMT是命令式操作軟件,一般利用批處理的方法進(jìn)行繪圖,也可以在磁盤操作系統(tǒng)(DOS)窗口下分步成圖。GMT由于其可疊加性及參數(shù)選擇,因而成圖比較靈活,可控性強(qiáng),已在地理、大氣、海洋、地震等研究領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[7-8]。GMT軟件可以在幾乎所有的系統(tǒng)下安裝使用,Windows下用戶可以在http://gmt.soest.hawaii.edu/projects/gmt/wiki/Download下載最新版本進(jìn)行安裝,Linux下用戶可以通過sudo apt-get install gmt命令完成下載和安裝,詳細(xì)的安裝步驟和配置見參考文獻(xiàn)[9]。GMT命令可以概括為:GMT子程序名+輸入數(shù)據(jù)+任務(wù)控制>圖形輸出,結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。目前,GMT的最新版本為2015年5月4日發(fā)布的5.1.2版本。
資助項(xiàng)目: 山東省高校海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(編號(hào):2013B04)
聯(lián)系人: 李延旭 E-mail: 372944735@qq.com
圖1 GMT結(jié)構(gòu)框架
1.1作圖模式
GMT之所以靈活性很強(qiáng),原因就在于其可以自由選擇作圖模式。一個(gè)典型的GMT命令由開頭、中間和結(jié)尾構(gòu)成。開頭定義了建立圖形必須的一些基本信息(子程序名稱和輸入文件名),中間是參數(shù)設(shè)置,結(jié)尾告訴圖形設(shè)備輸出圖像并重置狀態(tài)為原始值。一般情況下,一個(gè)最終圖像是多個(gè)命令的疊加。在這種情況下,程序在完成第一個(gè)繪制命令時(shí)沒有結(jié)尾,最后一個(gè)文件則有結(jié)尾沒開頭,其他的文件只有一個(gè)中間部分[8]。為了達(dá)到圖形疊加的目的,就要用到連續(xù)和覆蓋模式選項(xiàng)-K和-O.連續(xù)選項(xiàng)-K告訴系統(tǒng)這次作圖后,還會(huì)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)覆蓋作圖,這樣這個(gè)文件就沒有結(jié)尾;覆蓋選項(xiàng)-O告訴系統(tǒng)這次作圖的結(jié)果覆蓋在前一次之上(具體覆蓋文件可以由重定向輸出決定),這樣文件就沒有開頭。在單命令作圖情況下,圖形只需一條命令就可以完成,就不需要考慮連續(xù)或覆蓋選項(xiàng)了。
1.2數(shù)據(jù)格式
GMT的處理和顯示功能都很全面,可以處理(x,y)、(x,y,z)的輸入數(shù)據(jù)格式,很多(x,y)坐標(biāo)用于顯示經(jīng)緯度,但它們也可以表示其他變量(時(shí)間、坐標(biāo)值等)。GMT實(shí)際上是將(x,y)坐標(biāo)用不同的變換方式投影到圖上,所以對(duì)于輸入數(shù)據(jù),只要求它是(x,y)或(x,y,z)的樣子[10],為了簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化輸入數(shù)據(jù),GMT只用了三種[5]文件格式。1) 柵格數(shù)據(jù)。一般情況下x對(duì)應(yīng)第一列、y對(duì)應(yīng)第二列,這種數(shù)據(jù)很直觀,方便用戶使用各種工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理;2) 網(wǎng)格(.grd)數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)就像是二維的數(shù)據(jù)均勻分布在一個(gè)等距離的格子上。在GMT里,有專門的程序用于將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到網(wǎng)格數(shù)據(jù)或把網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù),如xyz2grd和grd2xyz;3) 調(diào)色板文件。在生成影像圖、彩色圖時(shí)用于控制圖形顏色,使用GMT子程序makecpt可以生成調(diào)色板文件。
1.3任務(wù)控制
任務(wù)控制通過參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn),參數(shù)分為通用參數(shù)和獨(dú)立參數(shù)。通用參數(shù)在所有子程序中的意義相同,如-K、-O、-R等;獨(dú)立參數(shù)在各程序中意義不一定相同。合理的設(shè)置參數(shù)是使用GMT繪圖的關(guān)鍵,也是難點(diǎn)所在。在這一過程中,用戶可以根據(jù)需要設(shè)置投影類型、坐標(biāo)標(biāo)注等信息,最終繪制出滿意的圖形。寫程序時(shí)為了簡(jiǎn)化代碼,在通用參數(shù)如-R、-J等的值不變情況下除了在命令第一行寫明參數(shù)值之外,在后面用到時(shí)可以只寫參數(shù)名而省略參數(shù)值,系統(tǒng)默認(rèn)同前參數(shù)值,獨(dú)立參數(shù)一般不能省略參數(shù)值。
2GMT在SDCORS系統(tǒng)中的應(yīng)用
山東省連續(xù)運(yùn)行參考站(SDCORS)是基于高精度數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK和Bernese對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理獲得高精度的數(shù)據(jù)處理結(jié)果[11-12],使用GMT軟件將處理結(jié)果可視化進(jìn)而對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行分析的自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要介紹GMT具體繪圖命令和在SDCORS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用,討論GMT在自動(dòng)化成圖系統(tǒng)中的可用性。
2.1繪制坐標(biāo)時(shí)間序列圖
在對(duì)某一測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)變化進(jìn)行分析時(shí),繪制坐標(biāo)值隨時(shí)間變化的圖形能夠直觀的顯示出這種變化趨勢(shì),有助于對(duì)站點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。GMT不僅可以繪制坐標(biāo)的時(shí)間序列,還可以繪制多路徑等誤差時(shí)間序列圖[13]。繪制坐標(biāo)時(shí)間序列圖相對(duì)比較簡(jiǎn)單,需要輸入“時(shí)間—坐標(biāo)值”數(shù)據(jù),然后設(shè)置參數(shù)完成繪圖。
gmt psxy input.file -Rrigion -Jprojection -Btick
-Ssymbol -Wpen -Gfill> output.ps
psxy為在2-D圖形中繪制符號(hào)、多邊形和線的GMT繪圖命令。
SDCORS系統(tǒng)中用戶在系統(tǒng)主界面,如圖2所示,菜單下選擇“坐標(biāo)時(shí)間序列”選項(xiàng)可以彈出坐標(biāo)時(shí)間序列圖窗體,在彈出的窗體依次選擇測(cè)站、解算方式、成圖時(shí)間段,最后點(diǎn)擊“確定”按鈕生成X、Y、Z方向坐標(biāo)時(shí)間序列圖。使用GSview軟件能夠查看生成的圖形,圖3示出了BJFS站2012年Z方向上各個(gè)時(shí)間的測(cè)站坐標(biāo)變化情況。從圖中可以清楚地看到點(diǎn)位的坐標(biāo)變化信息,從而降低了分析數(shù)據(jù)帶來的工作量。
圖2 SDCORS系統(tǒng)主界面
圖3 BJFS站2012年Z方向坐標(biāo)時(shí)間序列
2.2繪制等值線圖
對(duì)于建立區(qū)域CORS系統(tǒng)來說,電離層和對(duì)流層建模工作是必不可少的一步,此時(shí)需要對(duì)影響電離層延遲和對(duì)流層延遲的主要因素進(jìn)行分析。但是像總電子含量和可降水汽這類因素,只能獲取觀測(cè)站點(diǎn)的值,其他大部分區(qū)域的信息無法獲得,這顯然不能滿足建模工作要求[14-15]。此時(shí),可以利用GMT軟件將已有的ASCII格式數(shù)據(jù)插值(最小曲率插值法)生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件,然后繪制等值線圖[16],這樣一方面省去了對(duì)數(shù)據(jù)插值所做的工作,另一方面完成了結(jié)果的可視化,大大降低了工作量。繪制等值線圖時(shí)要求輸入數(shù)據(jù)是網(wǎng)格文件,可以生成灰度(無需調(diào)色板文件)或者彩色(需要調(diào)色板文件)等值線圖,為了使區(qū)域變化更加清晰,在SDCORS系統(tǒng)中使用彩色等值線圖。
1) 文件準(zhǔn)備
gmt makecpt -Crainbow -T70/110/4>color.cpt
生成調(diào)色板文件。makecpt為GMT制作調(diào)色板文件命令。
gmt blockmean data.txt -R114/124/34/39-I0.01> data.xyz
gmt surface -R -I0.01 data.xyz -Gdata.grd
將輸入ASCII格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件。blockmean對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理生成中間文件,主要作用是將區(qū)域內(nèi)的高程異常離散點(diǎn)塊狀平均到要求的網(wǎng)格大小內(nèi)。
gmt pscoast -FCN.37 -M> SD.gmt
將山東省省界坐標(biāo)輸出到SD.gmt文件中。CN表示中國,37為山東省代號(hào)。
2) 底圖繪制
gmt psclip SD.gmt -JM16c -R114/124/34/39 -B2g1 -K>SD.ps
繪制底圖并確定裁剪范圍。psclip開始對(duì)地圖進(jìn)行裁剪,在 -R范圍內(nèi)只顯示SD.gmt區(qū)域內(nèi)的圖形。
gmt grdimage data.grd -R -J -Ccolor.cpt -I0.01 -K -O? SD.ps
生成等值線。grdimage是繪制彩色等值線圖的命令;data.grd為輸入網(wǎng)格數(shù)據(jù),color.cpt是剛才生成的調(diào)色板文件。
gmt psclip -C -O -K? SD.ps
這一步是psclip的結(jié)束標(biāo)志。psclip命令需要再次激活通知軟件裁剪結(jié)束,否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。
3) 圖形修飾
gmt psxy GPS.txt -R -J -B -Sc3p -G255/0/0-K -O? SD.ps
繪制測(cè)站點(diǎn)。psxy命令將GPS.txt中的坐標(biāo)點(diǎn)在圖形中表示出來。
gmt pstext GPS.txt -R -J -B -K -O?SD.ps
對(duì)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。pstext在圖上寫字串,字串的位置及大小由GPS.txt控制。需要注意的是GMT不支持漢語顯示,出現(xiàn)漢語時(shí)會(huì)出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象,如果需要在圖形中添加漢語字符可參考文獻(xiàn)[17]進(jìn)行配置。
gmt psscale -Ccolor.cpt -D18c/4.5c/9c/0.5c -O -B:"":/:"tecu":-U? SD.ps
生成彩色圖例。由于繪制的是彩色等值線圖,因此需要有圖例以便了解變量值與顏色對(duì)應(yīng)情況。psscale是繪制彩色圖例命令,顏色梯度信息由color.cpt文件給出。
SDCORS系統(tǒng)中用戶在系統(tǒng)主界面菜單下選擇“電離層可視化”可彈出電子含量成圖窗體,選擇成圖日期和小時(shí)后點(diǎn)擊“確定”即可完成繪圖,圖4為生成的山東省總電子含量等值線圖。
圖4 山東省總電子含量等值線圖
2.3繪制點(diǎn)位速度場(chǎng)圖
在CORS系統(tǒng)中,由于多種原因造成測(cè)站坐標(biāo)不斷發(fā)生變化,但是這種變化很小,為了使這種變化趨勢(shì)顯示在圖形上,就用到了另外一種圖形——點(diǎn)位速度場(chǎng)圖。點(diǎn)位速度場(chǎng)圖最大的特點(diǎn)是每個(gè)測(cè)站會(huì)延伸出一條線段,線段的方向表示點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)矢量方向,線段長度則表示這種變化的大小。因此,從圖上還可以對(duì)各個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)變化進(jìn)行對(duì)比,得到需要的信息。
gmt psxy SD.gmt -JM15c -R114/124/34/39-B1g0.5-K>vel.ps
繪制山東省省界圖。
gmt psxy vel.txt -R -J -B -Sc3p -G255/0/0 -K -O? vel.ps
在已經(jīng)生成的圖形上標(biāo)注測(cè)站點(diǎn),標(biāo)注符號(hào)為3個(gè)分辨率大小的圓,填充顏色為紅色。
gmt psvelo vel.txt -R -J -W1p -G0/0/0 -Se0.003/0.01/8 -V -O?vel.ps
psvelo為GMT繪制點(diǎn)位速度場(chǎng)的命令。
SDCORS系統(tǒng)中用戶在菜單下選擇“速度場(chǎng)成圖”可彈出速度場(chǎng)成圖窗體,再選擇成圖時(shí)間段點(diǎn)擊“確定”按鈕完成速度場(chǎng)圖繪制。圖5為利用GMT生成的山東省及部分周邊地區(qū)GPS測(cè)站點(diǎn)速度場(chǎng)圖形。
圖5 GPS測(cè)站點(diǎn)位速度場(chǎng)
3結(jié)束語
本文結(jié)合GMT軟件在SDCORS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用,討論了其在CORS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的實(shí)用性。可以看到,GMT繪制圖形豐富美觀,且自動(dòng)化程度高,在命令代碼固定的情況下只需輸入數(shù)據(jù)文件即可完成繪圖,符合CORS自動(dòng)化成圖的要求,且大大減少了數(shù)據(jù)分析帶來的工作量,基于這些優(yōu)勢(shì),可以將GMT軟件應(yīng)用在CORS自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中,能較好地直觀顯示結(jié)果信息。
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李延旭(1992-),男,河南汝州人,碩士生,主要從事GPS定位導(dǎo)航研究。
楊婷婷(1990-),女,山東泰安人,碩士生,主要從事GPS定位導(dǎo)航研究。
張海平(1977-),男,山東五蓮人,主要從事CORS管理工作。
馮彥同(1986-),男,碩士生,主要從事網(wǎng)絡(luò)RTK算法、GNSS數(shù)據(jù)處理及其理論研究。
Application of GMT in CORS Automatal Data Processing System
LI Yanxu1,2,YANG Tingting1,2,ZHANG Haiping3,FENG Yantong3
(1.GeomaticsCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;
2.KeyLaboratoryofGeomaticsandDigitalTechnology,Qingdao266590,China;
3.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)
Abstract:In CORS automatal data processing system, visualization of the processing results is a very important part.Now most of mapping softwares are not suitable for CORS automatal mapping systems for their single mapping mode or less effective in rendering geo graphic. The application of GMT in the SDCORS automatal data processing system is analyzed. It is suitable to apply GMT in CORS automatal data processing system and could achieve the better display.
Key words:GMT; CORS; visualization; data processing system; automatal mapping
作者簡(jiǎn)介
收稿日期:2015-08-17
中圖分類號(hào):P228.4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1008-9268(2015)06-0102-05
doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.024