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        基于Mapping Toolbox的地震圖件產(chǎn)出

        2019-12-20 08:53:18歐陽小波湯曜偉

        歐陽小波,湯曜偉

        (廣東省地震局,廣東 廣州 510000)

        0 引言

        Matlab 是由MathWorks 公司推出的一款強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算軟件[1],是數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算和圖形處理等多種功能的強(qiáng)有力實(shí)現(xiàn)工具,近幾年來Matlab 這個(gè)強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件包已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可,并已深入到了各行各業(yè)的眾多學(xué)科、在各大公司、科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)校園得到了廣泛應(yīng)用。其具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)代碼簡潔直觀,以矩陣為運(yùn)算基礎(chǔ),內(nèi)含有豐富的函數(shù)庫,在計(jì)算方面避免使用者花費(fèi)大量時(shí)間去編寫不必要的小程序;(2)數(shù)值計(jì)算方面,科學(xué)計(jì)算功能強(qiáng)大,涵蓋了從解微分方程,數(shù)字信號(hào)處理FFT,到最新的最優(yōu)化技術(shù)諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等;(3)數(shù)據(jù)可視化方面,Matlab提供了多種基本圖件處理函數(shù),如plot、scatter、contour 等,可以很容易的繪制出高質(zhì)量的工程圖譜;(4)Matlab 提供了強(qiáng)大的編程接口,支持Matlab 與其他編程語言進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在地理信息數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用方面,Matlab 推出了專用于地理信息圖件繪制的工具箱Mapping toolbox,在Matlab 官方的Mapping toolbox user guide 中是這樣介紹Mapping toolbox 的,“地圖工具箱包含了用于在Matlab 環(huán)境下創(chuàng)建地圖、顯示、分析或操作地理空間數(shù)據(jù)的一系列擴(kuò)展函數(shù)庫和圖形用戶接口(GUI),用戶能夠輕松的綜合多種類型的不同地理數(shù)據(jù)源并根據(jù)它們的空間位置關(guān)系完美的展示出來。總的來說,Mapping toolbox 函數(shù)庫提供了以下主要功能:(1)地理空間數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和接入;(2)地理圖像與數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化處理;(3)地圖在不同地理坐標(biāo)的投射;(4)地圖的展示和互動(dòng)函數(shù)(如抓取要素、點(diǎn)擊位置);(5)支持向量及柵格數(shù)據(jù)的地理信息計(jì)算等。由此可見Mapping toolbox 在與地理信息有關(guān)的數(shù)據(jù)的可視化功能方面十分的強(qiáng)大。

        在防震減災(zāi)工作領(lǐng)域,無論是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)還是災(zāi)害防御、應(yīng)急救援。數(shù)據(jù)的可視化工作有著不可替代的作用,在地震監(jiān)測預(yù)報(bào)科研方面,震中分布圖、震源深度分布圖、結(jié)合研究地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造狀況,地震研究人員可以分析與研究地震與對應(yīng)地區(qū)位置地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系,地震熱點(diǎn)地區(qū)地震的時(shí)空遷移變化趨勢,探查并了解其中蘊(yùn)含的規(guī)律,為今后的地震預(yù)測研究積累經(jīng)驗(yàn)以及區(qū)域震害防御提供指導(dǎo)意見。而在災(zāi)害防御、應(yīng)急救援方面,地震烈度區(qū)劃圖又為抗震設(shè)防提供重要依據(jù)。鑒于Matlab 自帶的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算能力以及Mapping toolbox 提供的多種地圖繪制功能,本文嘗試以Mapping toolbox 作為出圖工具,針對幾種常見地震圖件,根據(jù)其產(chǎn)出規(guī)范要求,利用Matlab 繪制圖件,并給出對應(yīng)實(shí)現(xiàn)代碼。作為Matlab 這種強(qiáng)大的第四代計(jì)算機(jī)語言在地震圖件產(chǎn)出中的研究探索。

        1 Mapping toolbox 繪制地震圖件流程

        從地震圖件的角度來看,有文獻(xiàn)將地震圖件大體分成了兩類,第一類是反映某個(gè)或者某幾個(gè)地震專題要素的空間分布狀態(tài),例如歷史地震分布圖、臺(tái)站分布圖、重點(diǎn)目標(biāo)及危險(xiǎn)源分布圖等。第二類是以地震專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)地圖,用于反映專題信息隨著地理位置變化而分布的情況。第一類地震圖件一般采用散點(diǎn)圖的表現(xiàn)形式,第二類圖件一般采用等高線、分級色彩圖等表現(xiàn)形式[2]。對于上面的二類地震圖件,不管如何變化,在Maltab 的Mapping toolbox 繪制過程中,均需要遵循以下幾個(gè)流程來繪制圖件。步驟1:基礎(chǔ)繪圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入;步驟2:地理底圖的導(dǎo)入;步驟3:使用各種繪圖函數(shù)(點(diǎn)、線、面)等繪制圖形;步驟4:圖形其他要素添加以及標(biāo)注等。下面就這兩類圖件按照這四個(gè)步驟繪圖中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)加以介紹。

        1.1 地理底圖導(dǎo)入

        Mapping toolbox 對目前主流的地理信息數(shù)據(jù)諸如shapefile、GeoTIFF 和KML 都有著對應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和寫函數(shù),另外,在手頭資源不充足的情況下,Mapping toolbox 也提供了網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。本文以美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司(ESRI)開發(fā)的一種空間數(shù)據(jù)開放格式shapefile 為例,說明Mapping toolbox 地理底圖導(dǎo)入操作,shaperead 函數(shù)的基本操作是Map=shaperead(filename),直接讀入名為filename 的shapefile 文件,返回值Map 是一個(gè)包含大量數(shù)據(jù)的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體。shaperead 函數(shù)第二種讀入形式為Map=shaperead(filename,Name,Value,...)Names 是地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的其他屬性部分,Value 是Name 的值,通過指定Name 和Value 值,可以有選擇性導(dǎo)入某區(qū)域地圖或某個(gè)地理要素到matlab 運(yùn)算空間。然后再通過函數(shù)mapshow(Map) 就可以將導(dǎo)入到空間中的地理底圖顯示出來。

        1.2 基礎(chǔ)繪圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入轉(zhuǎn)換

        前述說過,Matlab 的Mapping toolbox 能夠輕松的綜合多種類型的不同地理數(shù)據(jù)源并根據(jù)它們的空間位置關(guān)系完美的展示出來,在Mapping toolbox 中,向量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)是其主要處理對象,對于非地理行業(yè)內(nèi)規(guī)范的地理空間數(shù)據(jù)源如我們地震行業(yè)的地震編目數(shù)據(jù),按Mapping toolbox 中對于地理空間數(shù)據(jù)的定義來說,地震編目數(shù)據(jù)可以稱之為一種地理空間數(shù)據(jù),對如不同的非規(guī)范化的數(shù)據(jù)源,Mapping toolbox 提供了一種地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)來統(tǒng)一創(chuàng)建和顯示非規(guī)范的數(shù)據(jù),這也是一種向量數(shù)據(jù),在這種Mapping toolbox 規(guī)定的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中,有幾個(gè)成員要素是必須的,第一個(gè)是表征幾何形狀的geometry,其值分別是點(diǎn)Point,多點(diǎn)MultiPoint,線Line 或者多邊形Polygon。第二個(gè)是經(jīng)緯Lat 和Lon,最后是補(bǔ)充屬性特征如地名、街道名等,對應(yīng)編目數(shù)據(jù)的屬性就是震級大小。

        1.3 重要的繪制函數(shù)

        對于第一類地震圖件,使用mapshow 與geoshow 函數(shù)能夠很好的完成創(chuàng)建好的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的繪制,matlab 也提供了plotm、linem等函數(shù)完成點(diǎn)、線的繪制,對于等高線可以使用contourm 函數(shù)來完成該類線條的繪制工作。使用contourm 函數(shù)需要的是網(wǎng)格化數(shù)據(jù),對于給定的經(jīng)緯度范圍,需要用到網(wǎng)格創(chuàng)建函數(shù)meshgrid,其調(diào)用格式如下:[X,Y]=meshgrid(x,y)其涵義為通過數(shù)據(jù)重復(fù)在一維數(shù)組X,Y 的每一個(gè)交叉點(diǎn)上創(chuàng)建網(wǎng)格點(diǎn),當(dāng)X 和Y 都是長度為n 的一維數(shù)組時(shí),產(chǎn)生的X,Y 就是x,y 網(wǎng)格化之后的二維矩陣,在實(shí)際的地震烈度圖件繪制時(shí)候,輸入與x,y 對應(yīng)的經(jīng)緯度數(shù)組序列,即可以產(chǎn)生經(jīng)緯度網(wǎng)格平面。另外在生成網(wǎng)格之后,如果生成的網(wǎng)格較密,那么就需要對原始繪圖數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,填補(bǔ)原始數(shù)據(jù)是空白的網(wǎng)格點(diǎn),特別是對于第二類地震圖件,再利用mesh,surf,contour 等繪圖時(shí),當(dāng)利用meshgrid 函數(shù)完成經(jīng)緯度網(wǎng)格化之后,由于觀測數(shù)據(jù)是散亂分布的,想要獲得平滑的數(shù)據(jù)插值,就需要進(jìn)行插值運(yùn)算。其調(diào)用格式為:Z=girddata(x,y,z,X,Y,method) x,y,z 是原始地震數(shù)據(jù)點(diǎn),X,Y 是由x,Y 利用meshgrid 網(wǎng)格化得到的網(wǎng)格坐標(biāo),method 指定了插值方法,Matlab 提供了linear(線性),cubic(立方體),nearest(最近鄰點(diǎn))和v4(Matlab4 網(wǎng)格點(diǎn))四種插值算法,其中返回值Z 是插值結(jié)果,用cubic 與v4 得到的插值曲面連續(xù)光滑,而linear 和nearest 則不連續(xù),默認(rèn)情況下Matlab 會(huì)采用linear 線性插值。

        1.4 圖件的修飾

        Matlab 提供了各類圖件修飾的函數(shù)legend、colorbar 等來給圖件進(jìn)行要素標(biāo)識(shí),在震中分布圖中可以用legend 函數(shù)標(biāo)識(shí)不同震級大小的地震。clabel、colorbar 顏色漸變條可以用于等震線的繪制。

        2 實(shí)例繪制

        2.1 繪制震中分布圖

        地震震中分布圖是地震圖件中一種重要的基礎(chǔ)地震圖件,用于繪制地震震中分布圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源主要是各省級臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的地震目錄。目前其最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是中華人民共和國地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DB/T66—2016),已于2017 年05 年01 日開始實(shí)施,在其規(guī)范性附錄中對CSF 地震目錄和地震觀測報(bào)告交換格式有明確詳細(xì)的范例[3]。如圖1 所示。

        圖1 CSF 地震目錄標(biāo)準(zhǔn)格式范例Fig.1 The example of CSF seismic catalog standard format

        按照前述的繪圖流程,根據(jù)地震目錄格式規(guī)范和Mapping toolbox 的要求,我們要進(jìn)行繪圖工作,首先要將規(guī)范的地震目錄格式轉(zhuǎn)換成符合Mapping toolbox 要求的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體。地震震中分布圖都是采用散點(diǎn)圖的形式,其結(jié)構(gòu)體geometry 值應(yīng)選擇point,建立一個(gè)SeismicInformation 的結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)地震目錄中的關(guān)鍵數(shù)據(jù),現(xiàn)將代碼展示如下:

        [a,b]=size(catalog);%導(dǎo)入之后目錄長度

        [SeismicInformation(1:a).Geometry] = deal(′Point′);%創(chuàng)建了一個(gè)SeismicInformation 結(jié)構(gòu)體,其Geometry 成員值為點(diǎn)Point

        [SeismicInformation(1:a).lat]=catalog(a,(27:33));% 導(dǎo)入目錄中的經(jīng)緯度

        [SeismicInformation(1:a).lon]=catalog(a,(35:42));

        [SeismicInformation(1:a).Mag]=catalog(a,(47:50);%結(jié)構(gòu)體補(bǔ)充屬性震級

        這樣一個(gè)完整的用于繪制震中分布圖的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體就創(chuàng)建完成。

        然后再導(dǎo)入地理底圖,在這里使用shaperead函數(shù)導(dǎo)入整個(gè)中國區(qū)域地理底圖,并制定顯示區(qū)域(此處顯示廣東?。?。

        ChinaMap=shaperead(′china.shp′);%讀入整個(gè)中國地圖

        mapshow(ChinaMap);%軟件初始化顯示整個(gè)中國地圖

        axis off 消除坐標(biāo)軸背景

        size=length(ChinaMap);%q 確定中國地圖結(jié)構(gòu)體數(shù)組長度

        Province=’guangdong’;

        cla;

        for i=1:size %搜素整個(gè)地圖結(jié)構(gòu)體數(shù)組

        if strcmp(ChinaMap(i). Name,Province)==1

        mapshow(ChinaMap(i));%僅顯示整個(gè)中國地圖中為guangdong 省的區(qū)域

        hold on;

        end

        end

        再按震級大小分別顯示SeismicInformation結(jié)構(gòu)體

        for i=1:length(SeismicInformation)

        if SeismicInformation(i). Mag<=1

        mapshow(SeismicInformation,′Marker′,′o′,′MarkerSize′,4,′MarkerFaceColor′,′c′,′MarkerEdgeColor′,′k′);

        ........

        end

        end

        本文利用廣東臺(tái)網(wǎng)2018 年6 月至12 月數(shù)據(jù)繪制震中分布圖如圖2 所示。

        圖2 地震震中分布圖例子Fig.2 The example of epicenter distribution

        2.2 繪制地震烈度圖

        地震烈度圖是描述地震引起地面震動(dòng)及其影響程度的圖件,一般用等震線描述,等震線又是指不同地震烈度和地震震動(dòng)強(qiáng)度的分界線,地震烈度的具體數(shù)據(jù)一般按照地震烈度表由現(xiàn)場宏觀考察得到或者由強(qiáng)震計(jì)地面峰值加速度值得到,由于筆者未有相關(guān)地震烈度數(shù)據(jù)來源,利用地震發(fā)生之后各臺(tái)站地震計(jì)速度峰值數(shù)據(jù)代替作圖,為顯示圖件效果。前述地理底圖的代碼已展示,此處主要展示等值線代碼。

        lat= Stationlocatio(:,1);%臺(tái)站緯度

        longt= Stationlocatio(:,2);%臺(tái)站經(jīng)度

        Value=Stationlocatio(:,3);%地震峰值加速度值

        xi=linspace(min(lat),max(lat),50);

        yi=linspace(min(longt),max(longt),50);

        [xi,yi]=meshgrid(xi,yi);%按50 個(gè)點(diǎn)網(wǎng)格化所有經(jīng)緯度

        zi=griddata(lat,longt,Value,xi,yi,′linear′);%網(wǎng)格化之后線性插值

        [c,h]=contour(yi,xi,zi);%繪制等震線

        Clabel;%在等震線上標(biāo)注數(shù)值

        Colorbar;%加顏色漸變條

        作圖其效果如圖3 所示。

        圖3 地震烈度等震線示例圖Fig.3 The isoseismal line of the seismic intensity

        3 結(jié)語

        本文通過以上的兩類不同類型地震圖件的專題繪制研究,闡述了利用Matlab 繪制圖件的四個(gè)基本步驟,展示了Matlab 的Mapping toobox強(qiáng)大繪圖功能以及Matlab 極為簡潔的編程語言,經(jīng)過實(shí)例驗(yàn)證,Matlab 能夠繪制出滿足要求的具有較好表現(xiàn)效果的地震圖件,更好的為防震減災(zāi)工作服務(wù)。最后,需要說明的是在日常的地震圖件繪圖中,地震圖件的質(zhì)量很大程度上依賴于自備的地理底圖庫,即地理信息庫的豐滿程度,因此對于繪圖者來說,建立和保存自身常用的制圖底圖模板非常重要。

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