❶ 地形地貌研究常用工具軟體的應用方法研究
羅偉東 李 剛
（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）
作者簡介：羅偉東，男，廣東人，碩士，高級工程師，主要從事海洋地形地貌調查和研究工作。
E-mail：loky＿luo＠sina.com，電話：020-82250319，13609057863。
摘要 本文介紹了地形地貌研究主要工具軟體的基本功能，針對主要工具軟體的特點和實際應用情況，從地形數據的瀏覽、編輯、提取和轉換，數據的網格化，等深線和彩色陰影底圖等的編輯，調色板的製作與獲取，地形圖和三維立體圖的製作等方面探討地形地貌研究工具軟體應用的方法，為地形地貌研究工作的開展創造有利條件，大大提高了工作效率和質量。
關鍵詞 地形地貌 工具軟體 應用方法
1 前言
海洋地形地貌調查和研究是大多數雹沒海洋調查研究的基本內容和重要組成部分。我國自20世紀90年代初引進多波束測深系統後開展了我國近海和鄰近海域多波束海底地形地貌調查和綜合研究，積累了豐富嫌孝的資料和研究成果。提高地形地貌研究水平和工作效率是研究人員不斷探索的方向。地形地貌研究工作常用的工具軟體發揮了重要作用，能進行原始數據處理、數據網格化、數據提取轉換瀏覽、制圖等，還能進行地形坡度、距離和面積計算，地形剖面的提取製作，方便對海底地形分區、分析分布特徵和識別地貌單元等。熟練掌握地形地貌研究工作常用的工具軟體是研究人員必須具備的基本技能，合理選擇和恰當應用工具軟體是提高工作效率的有效途徑。目前，地形地貌研究可用的工具軟體有許多，如MapGIS、ArcGIS、Golden Software Surfer、CorelDRAW、Global Mapper、Fledermaus、GMT、MB-System和Caris Hips and Sips等。我國的地形地貌研究人員在以往的使用過程中，對相關軟體積累了一些經驗，但是面對種類繁多的工具軟體，要恰當合理綜合應用以提高工作效率和質量卻不是一件容易的事。在實踐工作中，常常會因為沒有掌握軟體的使用方法或沒有發揮各軟體的特點，而遇到一些困難，降低工作效率和質量。作者通過充分應用軟體已有的功能，開發其潛在功能，結合工作實際，揚長避短，綜合應用，使相應軟體更好地服務地形地貌調查和研究工作，發揮更大的作用。
2 地形地貌研究主要工具軟體概述
2.1 MapGIS、ArcGIS和Golden Software Surfer功能概述
這三款軟體，特別是MapGIS和Surfer在國內得到廣泛應用，相關文章對用法和功能的介紹很多。地形地貌研究主要的應用是利用MapGIS、ArcGIS製作規范的地形圖和地貌圖等；Surfer主要的應用是製作坡度圖和地形圖、地貌圖和三維立體圖等。
2.2 GMT功能概述
GMT（Generic Mapping Tools）是一個通用地學制圖工具軟體，發展至今已在大氣、海洋、地震等研究領域得到較為廣泛的應用。GMT是全命令行軟體，需要用戶錄入命令及其指定的輸入輸出數據和各種配置參數（如經度、緯度、顏色配置等）來進行操作。GMT雖然操作相對繁瑣，但執行效率很高，而且圖形文件輸出的主要格式為PostScript文件，這種格式可提供高質量、跨平台的圖形列印，這也是GMT得以廣泛應用的原因。
實際應用中，主要是製作二維三維地形圖。利用GMT強大的顏色渲染和標准圖框輸出功能，製作顏色逼真的彩色陰影圖、報告和論文插圖，大數據量的網格化功能也是其強項。
2.3 Global Mapper功能概述
Global Mapper（簡稱GM）是美國Global Mapper公司開發的一個簡單、實用的圖形管理與應用軟體。它可以在指定投影和地理坐標的基礎上，編輯、轉換光柵和矢量地形圖，繪制二維、三維地形圖以及點、線自編圖形，具有良好的繪圖、編輯、顯示以及數據輸出界面。其主要功能特點和實際應用包括以下四個方面：
1）瀏覽、合成、輸入、輸出、顯示大部分流行的柵格圖形和高程及矢量數據
實際應用中，主要用來直接打開瀏覽各類型如Surfer和GMT網格文件；輸入輸出（特定范圍）網格、XYZ文件及芹肆稿點、線文件；合成相同或不同格式、大小的數據（網格、XYZ）文件。
2）具有數據、圖形的轉換、編輯、拼接、列印功能和投影轉換
主要進行數據、圖形的格式轉換，如將GMT網格文件轉換成Surfer網格文件，重新網格化數據，將XYZ文件轉換成網格文件，網格、XYZ文件轉換（輸出）成圖片等。在網格文件中選取製作特定位置的地形剖面。進行坡度、距離和面積計算。結合不同地理位置的地圖，設置和改變、轉換圖片的投影方式。
3）具有簡單的地理信息功能和動態GPS接收功能
為沒有位置信息的圖片添加坐標信息，在同一個項目中打開的文件都會在相同投影下的大地坐標系中顯示。
4）在實際應用中，GM也存在不足之處：等深線功能簡單，不能調整標注間距和字體樣式及大小；地形圖圖框、比例尺不規范，文字大小和標注不可調節。
2.4 Fledermaus功能概述
加拿大IVS 3D公司生產的Fledermaus是全球海測數據3D具體化的領先商業軟體之一，是一套功能強大的互動式三維數值數據虛擬實境的系統。它可以幫助使用者完成包括海洋（海岸、海底）資源調查與制圖、環境影響評估、采礦、地質調查以及各種研究等工作。Fledermaus可直接支持廣泛的工業數據格式輸入。可直接導入、顯示數字地形圖，點、線、多邊形數據集合、衛星影像並進行分析。瀏覽器iView4D可以隨時瀏覽處理過或分析後的數據結果。
實際應用中，主要是利用其三維可視化功能和復雜區域編輯模塊，用於導入網格文件，對三維數據進行三維可視化顯示和操作，可任意角度觀察地形地貌特徵，可方便進行海底地形分區、分析分布特徵和識別地貌單元。
3 工具軟體的綜合應用
常用工具軟體在地形地貌研究中發揮了重要作用，工具軟體種類繁多，各有優點缺點，科研人員要全部掌握其功能和操作方法有一定難度也沒有必要，應該根據實際工作需要，重點掌握幾個主要軟體，揚長避短，合理應用，其他軟體的應用能滿足工作需要即可。針對所從事的工作，主要的應用情況從以下幾個方面進行闡述。
圖1 GM軟體主界面窗口
3.1 地形數據的瀏覽、編輯、提取和轉換
海底地形分區、分析分布特徵和識別地貌單元等是地形地貌的工作之一，這些工作都要對地形數據進行瀏覽、觀察、描述，以往一般是通過列印的地形圖和三維地形圖等圖件來進行識別和描述。隨著計算機軟硬體技術的發展，目前，更科學的方法是利用工具軟體完成上述工作，也可結合圖件列印的方法。利用工具軟體觀察更直觀簡便高效，可直接導入、顯示數字地形圖，調節著色、等值線間距和垂直比例，進行地形坡度、距離和面積計算，特定位置剖面顯示提取和製作，多角度、隨意縮放、顯示任意位置水深和點線多邊線標注等。GM軟體在這方面具有強大的功能（圖1），結合Fledermaus，Golden SoftwareVoxler軟體能方便地實現上述常用功能，大大提高工作效率，非常適合地形地貌研究和海洋調查使用。
GM軟體可方便地打開XYZ和多種格式的網格文件（包括大數據量文件），還能把數據轉換成自己的網格格式Global mapper grid顯示，文件小，佔用內存少，可隨意進行操作，如放大縮小編輯等，顯示效果好，這是GM軟體的主要特點之一，相比其他軟體具有明顯優勢。顯示二、三維地形圖，具有標注等深線、測線、標注符號和簡單的3D view功能，能從各個角度瀏覽地形；能實時顯示當前或指定位置的水深和經緯度；具備生成地形剖面功能，可選取任意位置進行地形剖面提取和製作；能進行地形坡度、距離和面積計算，地形坡度的計算和顯示是在應用地形剖面功能時，在地形剖面窗口中的Options/showpath detais查看。地形剖面可輸出為CSV或XYZ數據和圖片格式，CSV或XYZ數據可用Grapher等專業軟體製作成剖面圖；圖片格式可直接在CorelDRAW中導入編輯，為保證輸出後的圖片質量和字體大小合適，字體編輯時要注意調節字體的大小，輸出的圖片長度應在2000像素左右，輸出後在word中的字體大小約為小5號。剖面圖如圖2所示。
微地形地貌的瀏覽和描述方面，需要用到相關三維可視化系統，GM軟體具有簡單的3D view功能，並不能滿足實際應用的要求，目前最好的三維可視化系統是Fledermaus，Golden Software Voxler也有不錯的表現，實際應用時應結合使用。
圖2 典型地形剖面
3.2 數據的網格化
隨著多波束海底地形地貌調查和綜合研究的技術發展，對研究人員的要求也越來越高，數據網格化和數據轉換方法已經成為研究人員必須掌握的技能之一。過去認為數據的網格化是由專業處理人員完成的想法已經不符合實際。研究人員在進行研究時不是簡單地利用網格文件，實際可能應用的情況：簡單的數據編輯；數據（網格文件）的格式轉換；重新網格化，生成不同網格間距的網格文件；提取特定區域網格數據等。
在進行XYZ數據的網格化時，不同的網格化（插值）方法的繪圖效果是不一樣的。一般地，各軟體都會提供多種網格化方法供用戶選擇，如Surfer提供多達12種方法、GMT有4種方法和ArcGIS提供5種方法。合理選擇網格化方法和工具軟體能有效提高圖件製作質量，地形地貌的制圖具體使用的網格化方法，需要根據客觀環境特徵和數據本身的特點，進行相應的數據分析，才能繪制出准確、有意義的圖件。一般地，中大數據量的數據用加權反距離法（Inverse distance to a power）或者最小曲率法效果好、效率高，小數據量數據可使用克里格法（Kriging）。單一的工具軟體不能滿足實際要求，Surfer軟體只適應於網格數據量較小的數據（幾百兆的數據文件），Surfer的工作效率很低；大數據量的數據一般要選用GMT或MB-System軟體進行網格化；進行數據瀏覽轉換時可使用GM軟體。
GMT網格化採用gmtmbgrid和Surface命令；MB-System軟體採用mbgrid命令；Sur-face是張性樣條網格化法，是一種經過改良的標准最小曲率演算法，允許用戶把張量引入表面。執行surface程序前要對數據進行預處理，消除混淆現象。地形數據採用block-median對網格間隔框內的值返回中值。Gmtmbgrid演算法跟mbgrid命令一樣是採用加權反距離插值法。具體根據實際需要選擇。MB-System和GMT軟體一般配合使用。使用的具體命令如下：
blockmedian文件名.xyz -R113/120/11/13 -I200e -V ＞ ship＿ 5m.xyz
Surface文件名.xyz -R113/120/11/13 -I200e -G文件名.grd
mbgrid -I文件名 -0文件名.grd -R113/120/11/13 -A2 -C2 -E 200/200 -N -V
GM軟體網格化採用三角剖分法（triangulation/liner interpolation），這種方法對大數據量的數據處理效率低，數據邊緣效果稍差，具體操作流程：打開XYZ文件，出現Ge-neric ASCII Text File Import Options窗口，在Import type選項中，選擇Elevation Grid from3D Point Data，其他選項可以採用默認。確定後，出現Elevation Grid Creation Options窗口，在Grid Spacing中可自定義網格大小；確認後即可完成網格化過程，然後在File/Ex-port Elevation grid format，選擇合適的格式輸出數據。圖3是不同軟體網格化及制圖效果圖。左圖是用GM軟體採用三角剖分法網格化繪制而成，中圖是GMT軟體用改良的標准最小曲率演算法（surface命令）進行網格化，右圖是Surfer採用加權平均演算法；從圖中可清楚地看出，三個軟體繪制的地形圖一致性很好；GMT軟體在網格化效果和調色效果方面都是最出色的，能較好的反映微地形且色彩逼真。
3.3 等深線和彩色陰影底圖等的編輯
多波束數據經過後處理後，數據質量一般都能達到要求，特殊情況時也會有局部小范圍數據質量較差的數據，在製作成圖件時，在彩色陰影圖和等深線上都會有直接的反映。一般地，都要對其進行編輯，去偽存真。彩色陰影底圖的製作一般用GMT或Surfer，彩色陰影底圖的編輯一般選用Photoshop或者CorelDRAW，等深線的生成可用MapGIS、Surfer和GMT軟體，MapGIS具有等深線編輯功能，也可以在CorelDRAW中進行編輯，效果都很不錯。在CorelDRAW中進行編輯時，等深線一般是在Surfer生成*.emf格式文件，在Corel-DRAW中打開進行編輯，刪除等深線時應選用虛擬段刪除工具，CorelDRAW是把顯示的整條線段定義為由多條虛擬段組成，用虛擬段刪除工具選中整條線段或線段的一部分後，程序將會自動刪除選中的部分，操作很方便。添加線段時選中手繪工具，調節合適粗細，進行曲線和直線繪制。圖片輸出時同樣要注意像素的調節，確保圖像質量和字體合適。圖4為等深線和彩色陰影底圖編輯前後對比圖，底圖是用Surfer製作的，編輯方法如上述。右圖為編輯後的情況，效果非常明顯。
圖3 不同軟體網格化及制圖效果圖
圖4 等深線和彩色陰影底圖編輯前後對比圖
3.4 調色板的製作與獲取
制圖的美觀程度主要取決於調色板的著色效果，製作美觀實用的圖件是科研工作者的不懈追求。根據實際需要選擇合適的工具軟體及製作或引用合適的調色板是制圖工作的重中之重。不同的工具軟體的調色效果是有區別的。實踐應用中，GMT軟體的調色效果最好，Surfer、MapGIS和ArcGIS調色效果稍差，GM的調色效果次之。這也是GMT軟體被廣泛應用的主要原因之一。因此，在實際應用中，正式圖件及成果報告插圖等可應用GMT軟體制圖或製作彩色陰影圖。GMT軟體自身提供了許多獨有且全球流行的調色板，自身也提供相應的命令如makecpt和grd2cpt根據相應的調色板模板對特定數據進行調色板製作，但並不能滿足實際應用的需求。因此，製作或者獲取第三方調色板是可行的辦法。
調色板模板製作與管理的有效可行辦法：首先，根據工作實際，確定工作中常用的幾種地形數據類型如海陸結合數據、淺水數據和深水數據等，每種數據類型製作幾個常用的調色方案，所有的調色方案都做成各軟體特定的格式，可直接或稍為更改即可引用。由於GMT是全命令行軟體，調色板的製作並不像Surfer等友好界面軟體那麼直觀方便。一般地，在利用GMT自帶調色板模板稍加修改或者直接在Surfer軟體中製作調色板後，導出後再轉換為GMT格式的調色板。
獲取調色板的方法有兩種：一種為通過專業網站獲取相關調色板，專業網站提供多個領域的世界上主流的調色板和大量用戶自主設計的調色板。另一種方法是手頭只有地形圖圖片而沒有相應數據調色板的情況，這時最好的方法是利用相關軟體如Photoshop或其他具有取色功能的軟體進行調色板製作，著色效果跟原有圖片基本一致。
3.5 地形圖和三維立體圖的製作
發揮各地學繪圖軟體的優勢，結合應用才能做出規范且最佳效果的圖件。地形圖和三維立體圖正式圖件的製作，單一工具軟體不能滿足要求。Surfer軟體功能較全面但特點不明顯且沒有投影功能，等深線製作和編輯功能較弱；GMT的網格化和調色功能強大，等深線製作也不錯，但沒有編輯功能；由於製作正式圖件時，可採用由GMT軟體製作地形圖和三維立體圖的彩色陰影底圖，再導入MapGIS或ArcGIS製成圖件的方法，製作時要注意投影方式的匹配問題，GMT製作彩色陰影圖時應選擇合適的投影，導入前應該把PS文件轉換成BMP或JPG圖片，且要根據列印圖件的大小選擇合適的輸出像素。圖5為西太平洋地形圖，是由GMT軟體製作彩色陰影圖導入MapGIS進行中文標注等。正式圖件的等深線可直接由MapGIS生成並編輯或由GMT生成導入等。
4 結 語
地形地貌研究常用的工具軟體種類多、功能很強大。本文針對常用工具軟體的特點和實際應用情況，總結了這套工具軟體應用方法的主要特點：把各軟體的優勢應用到實際工作，揚長避短，最大限度服務地形地貌研究工作，提高工作效率和質量；根據實際應用制定相應操作流程，綜合應用，簡化操作，提高效率；挖掘新工具軟體，把GM軟體應用於地形地貌研究工作，起到非常好的應用效果。這套方法為地形地貌研究工作的開展創造有利條件，大大提高了工作效率和質量。
圖5 西太平洋三維立體圖
參考文獻
［1］陳歡歡等.Surfer 8.0等值線繪制中的十二種插值方法.工程地球物理學報，2007，2.
［2］劉方蘭等.Global Mapper系統在海洋調查中的應用.海洋技術，2011，01.
The application method study of the general-used software for studying the topographic and geomorphic features
Luo Weidong Li Gang
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：The paper introces the basic function of the general-used software for studying thetopographic and geomorphic features.Focuses on the characteristic features and the comprehen-sive application in practical experience，talking about the usages of the general-used software forstudying the topographic and geomorphic features on scanning，editing，collecting and conversionof the geographic data，data gridding，edit for the bathymetric contour and the color shader basemaps，palette make and abtain，topographic map and Creates the advantages for studying the top-ographic and geomorphic features，and also increases the efficiency and the quality of the study.
Key words：Topographic and geomorphic features Software Application method