地形地貌研究常用工具和软件的应用方法研究

(广州海洋地质调查局广州510760)

作者简介:罗卫东，男，广东人，硕士，高级工程师，主要从事海洋地形调查与研究。

邮箱:罗@ 020-82250319，13609057863。

介绍了地形地貌研究主要工具软件的基本功能，从浏览、编辑、提取和转换地形数据、网格化数据、编辑等深线和彩色阴影底图、制作和获取调色板、制作地形图和三维图等方面论述了地形地貌研究工具软件的应用方法，为地形地貌研究的发展创造了有利条件，大大提高了工作效率和质量。

关键词:地形学工具软件应用方法

1前言

海洋地形地貌调查研究是大多数海洋调查研究的基本内容和重要组成部分。自20世纪90年代初引进多波束测深系统以来，我国在我国近海及邻近海域开展了多波束海底地形调查和综合研究，积累了丰富的数据和研究成果。提高地形地貌的研究水平和工作效率，是研究者不断探索的方向。地形地貌研究中常用的工具和软件发挥了重要作用，如原始数据处理、数据网格化、数据提取、转换浏览、制图等。，以及地形坡度、距离和面积计算、地形剖面提取和制作，便于海底地形分区、分布特征分析和地貌单元识别。掌握地貌研究中常用的工具和软件是研究人员的一项基本功。工具和软件的合理选择和恰当应用是提高工作效率的有效途径。目前，有许多工具和软件可用于地貌研究，如MapGIS、ArcGIS、Golden Software Surfer、CorelDRAW、Global Mapper、Fledermaus、GMT、MB-System、Caris Hips和Sips等。我国的地形地貌研究者在以往相关软件的使用中积累了一定的经验，但面对种类繁多的工具软件，要正确合理地应用，提高工作效率和质量，并不容易。在实际工作中，我们经常会遇到一些困难，因为我们不知道如何使用软件或者不知道如何充分发挥每个软件的特点，从而降低了工作效率和质量。充分利用软件的现有功能，开发其潜在功能，结合工作实际，扬长避短，综合应用，使相应的软件更好地为地形地貌调查研究服务，发挥更大的作用。

2地貌研究主要工具和软件概述

2.1 MapGIS、ArcGIS和Golden Software Surfer功能概述

这三个软件，尤其是MapGIS和Surfer，在国内的应用非常广泛，很多相关文章中都介绍了使用方法和功能。地形地貌研究的主要应用是利用MapGIS和ArcGIS制作标准化的地形图和地貌图。Surfer的主要应用是制作坡度图、地形图、地貌图和三维地图。

2.2 GMT功能概述

GMT(Generic Mapping Tools)是一款通用地学制图工具软件，已广泛应用于大气、海洋、地震等研究领域。GMT是一个全命令行软件，它要求用户输入命令，他们指定的输入输出数据和各种配置参数(如经度，纬度，颜色配置等。)来操作。GMT的操作虽然相对繁琐，但是执行效率高，图形文件输出的主要格式是PostScript文件，可以提供高质量、跨平台的图形打印，这也是GMT被广泛使用的原因。

在实际应用中，主要是制作二维和三维地形图。利用GMT强大的色彩渲染和标准帧输出功能，可以制作出色彩逼真的彩色阴影图、报表和纸质插图，数据量大的网格功能也是它的强项。

2.3全局映射器功能概述

Global Mapper(简称GM)是美国Global Mapper公司开发的一款简单实用的图形管理和应用软件。它可以编辑和转换光栅和矢量地形图，绘制二维和三维地形图，在指定投影和地理坐标的基础上自制点和线的图形，并具有良好的绘图、编辑、显示和数据输出界面。其主要功能特点和实际应用包括以下四个方面:

1)浏览、合成、输入、输出和显示最流行的光栅图形以及高程和矢量数据。

在实际应用中，主要用于直接打开浏览Surfer、GMT等各种类型的网格文件；输入和输出(特定范围)网格、XYZ文件和点和线文件；合成相同或不同格式和大小的数据(网格、XYZ)文件。

2)具有数据和图形转换、编辑、拼接、打印和投影转换功能。

主要进行数据和图形的格式转换，如将GMT格网文件转换为Surfer格网文件，重新网格化数据，将XYZ文件转换为格网文件，将格网和XYZ文件转换(输出)为图片。在网格文件中的特定位置选择地形剖面。计算斜率、距离和面积。通过组合不同地理位置的地图，设置、改变和变换画面的投影方式。

3)具有简单的地理信息功能和动态GPS接收功能。

在没有位置信息的图片上添加坐标信息，在同一个项目中打开的所有文件都将在同一个投影下的大地坐标系中显示。

4)在实际应用中，GM也存在一些不足:等深线函数简单，无法调整标签间距、字体样式和大小；地形图的图幅和比例尺不规范，文字大小和标注不可调。

2.4 fledermaus功能概述

加拿大IVS 3D公司生产的Fledermaus是全球海洋调查数据三维具体化的领先商业软件之一，是一个功能强大的交互式三维数值数据虚拟现实系统。它可以帮助用户完成包括海洋(海岸、海底)资源调查和制图、环境影响评估、采矿、地质调查和各种研究在内的工作。Fledermaus可以直接支持广泛的工业数据格式输入。可以直接导入、显示和分析数字地形图、点、线、多边形数据集和卫星图像。浏览器iView4D可以随时浏览处理或分析的数据结果。

在实际应用中，主要利用其三维可视化功能和复杂区域编辑模块，导入网格文件，以三维可视化的方式显示和操作三维数据，可以任意角度观测地形特征，便于海底地形区划、分析分布特征和识别地貌单元。

3工具软件的综合应用

通用工具软件在地貌研究中发挥了重要作用。工具软件有很多种，每一种都有自己的优缺点。科研人员很难也没有必要完全掌握它的功能和操作方法。根据实际工作需要，重点掌握几个主要软件，扬长避短，合理应用，只要其他软件的应用能满足工作需要即可。针对工作，主要从以下几个方面阐述应用情况。

图1 GM软件主界面窗口

3.1浏览、编辑、提取和转换地形数据

海底地形的划分、分布特征的分析和地貌单元的识别是地貌学的任务之一。这些任务需要浏览、观察和描述地形数据。过去一般用印刷地形图和三维地形图来识别和描述。随着计算机软硬件技术的发展，目前比较科学的方法是利用工具软件来完成上述工作，也可以结合地图打印的方法。用工具软件观察更加直观、简单、高效，可以直接导入显示数字地形图，调整着色、等值线间距和垂直比，计算地形坡度、距离和面积，显示和提取特定位置的剖面，任意缩放，显示任意位置的水深，用多条边标注点和线等。GM软件在这方面功能强大(图1)。结合Fledermaus和Golden SoftwareVoxler软件，可以轻松实现上述常用功能，大大提高工作效率，非常适合地形研究和海洋调查。

GM软件可以轻松打开各种格式的XYZ和网格文件(包括大型数据文件)，还可以将数据转换成自己的网格格式Global mapper grid进行显示。文件小，占用内存少，可以随意操作，比如放大缩小，编辑。这是GM软件的主要特点之一，比其他软件有明显的优势。显示二维或三维地形图，具有标注等深线、测线、标注符号和简单三维视图的功能，可以从各个角度浏览地形；能实时显示当前或指定位置的水深和经纬度；具有生成地形剖面图的功能，可选择任意位置提取并制作地形剖面图；它可以计算地形坡度、距离和面积，在应用地形剖面功能时，地形坡度的计算和显示在地形剖面窗口的选项/显示路径详细信息中查看。地形剖面图可以输出为CSV或XYZ数据和图片格式，CSV或XYZ数据可以通过Grapher等专业软件制作成剖面图。图像格式可以直接导入CorelDRAW进行编辑。为了保证输出图像的质量和合适的字体大小，在编辑字体时要注意调整字体大小。输出图像的长度应该在2000像素左右，输出后word中的字体大小在5左右。剖视图如图2所示。

在浏览和描述微地形方面，需要相关的三维可视化系统。GM软件的三维视图功能简单，不能满足实际应用的要求。目前最好的三维可视化系统是Fledermaus，黄金软件Voxler也有不错的性能，在实际应用中应该会用到。

图2典型地形剖面图

3.2数据网格化

随着多波束海底地形测量和综合研究技术的发展，对研究人员的要求越来越高，数据网格化和数据转换方法成为研究人员必须掌握的技能之一。在过去，数据网格化由专业处理器完成的想法是不现实的。研究人员在进行研究时并不是简单地使用网格文件，实际可能的应用有:简单的数据编辑；数据的格式转换(网格文件)；重新网格化，生成不同网格间距的网格文件；提取特定区域的网格数据等。

网格化XYZ数据时，不同的网格化(插值)方法有不同的绘制效果。一般各种软件都会给用户提供多种网格化方法供选择，比如Surfer提供的12方法，GMT提供的4方法，ArcGIS提供的5方法。合理选择网格化方法和工具软件，可以有效提高地图制作质量。地形测绘中使用的具体网格化方法，需要根据客观环境和数据本身的特点进行分析，才能绘制出准确且有意义的地图。一般来说，加权距离反比法或最小曲率法对于大数据是有效且高效的，而克里金法可用于小数据。单一的工具软件无法满足实际需求。Surfer软件只适用于网格数据小的数据(几百兆的数据文件)，工作效率很低。GMT或MB-System软件一般用于网格大数据；GM软件可用于数据浏览转换。

Gmtmbgrid和Surface命令用于GMT网格化；MB-系统软件采用mbgrid命令；sur-surface是一种拉伸样条网格化方法，它是一种改进的标准最小曲率算法，允许用户在曲面中引入张量。在执行地面程序之前，应对数据进行预处理以消除混淆。地形数据使用块中值返回格网间隔框中的中值。Gmtmbgrid算法和mbgrid命令一样，采用加权反距离插值。根据实际需要选择。MB-System和GMT软件一般一起使用。使用的具体命令如下:

Blockmedian文件名。XYZ-r 113/120/11/13-i200e-v > ship _ 5m . XYZ

表面文件名。XYZ-r 113/120/113-i200e-g文件名。grd。

Mbgrid -I文件名-0文件名。GRD-r 113/120/113-A2-C2-E200/200-N-v

GM软件的网格化采用三角剖分/线性插值，处理大数据效率低，数据边缘效果差。具体操作流程如下:打开XYZ文件，出现通用ascii文本文件导入选项窗口。在“导入类型”选项中，选择“来自三维点数据的高程格网”，其他选项可以默认。确认后，将出现高程格网创建选项窗口，可以在格网间距中自定义格网大小。确认后，网格化过程即可完成，然后在file/ex-port高程网格格式中，选择合适的格式输出数据。图3是不同软件网格和绘图的效果图。左图用GM软件三角剖分绘制，中图用GMT软件改进的标准最小曲率算法(surface command)网格化，右图用加权平均算法显示Surfer。从图中可以明显看出，三个软件绘制的地形图具有良好的一致性；GMT软件的网格化效果和配色效果最好，能更好地反映微观地形，色彩逼真。

3.3编辑等深线和彩色阴影底图等。

经过后处理，多波束数据的数据质量一般能满足要求。在特殊情况下，小区域内会出现数据质量差的数据，在制图时会直接反映在彩色阴影图和等深线上。总的来说，应该是去伪存真的编辑。一般来说，GMT或Surfer用于制作彩色阴影底图，Photoshop或CorelDRAW用于编辑彩色阴影底图，MapGIS、Surfer和GMT可用于生成等深线。MapGIS有等深线编辑功能，也可以在CorelDRAW中编辑，效果很好。在CorelDRAW中编辑时，等高线一般会生成*。Surfer中的emf格式文件，在Corel-DRAW中打开进行编辑。删除等高线时，应选择虚拟线段删除工具。CorelDRAW将显示的整个线段定义为由多个虚拟线段组成。用虚拟线段删除工具选中整条线段或线段的一部分后，程序会自动删除选中的部分，操作方便。添加线段时，选择手绘工具，调整合适的粗细，绘制曲线和直线。在输出图片的时候，也要注意像素的调整，保证图像质量和字体合适。图4显示了编辑前后等深线和彩色阴影底图的对比。底图由Surfer制作，编辑方法如上。右图是编辑后的情况，效果非常明显。

不同软件的网格化和绘图效果。

图4等深线和彩色阴影底图编辑前后的对比

3.4调色板的制作和获取

绘图的美观程度主要取决于调色板的着色效果，制作美观实用的地图是科研人员不懈的追求。选择合适的工具软件，根据实际需要制作或引用合适的调色板，是绘图工作中最重要的。不同的工具和软件有不同的配色效果。在实际应用中，GMT软件的配色效果最好，Surfer、MapGIS和ArcGIS的配色效果稍差，GM次之。这也是GMT软件被广泛使用的主要原因之一。因此，在实际应用中，可以通过GMT软件绘制成果报告的官方地图和插图，也可以制作彩色阴影图。GMT软件本身提供了很多世界范围内独特且流行的调色板，也提供了makecpt、grd2cpt等相应的命令，根据相应的调色板模板对特定数据进行调色板制作，但无法满足实际应用的需要。因此，制作或获取第三方调色板是可行的。

制作和管理调色板模板有效可行的方法:首先根据工作实际，确定工作中常用的几种地形数据类型，如陆海结合数据、浅水数据、深水数据，并针对每种数据类型制定几种常用的配色方案。所有配色方案都做成软件专用格式，可以直接引用，也可以略加引用。因为GMT是全命令行软件，所以调色板的制作不如Surfer等界面友好的软件直观方便。一般来说，使用GMT自带的调色盘模板稍作修改或者直接在Surfer软件中制作调色盘后，导出，再转换成GMT格式的调色盘。

调色盘的获取方式有两种:一种是通过专业网站获取相关调色盘，专业网站提供了多个领域的世界主流调色盘和大量用户自主设计的调色盘。另一种方法是手头只有地形图图片，没有相应的数据调色板。这时候最好的方法就是用Photoshop等相关软件或者其他有调色功能的软件来制作调色盘，上色效果和原图基本一致。

3.5地形图和三维地图的制作

发挥本地绘图软件的优势，结合应用做出标准化的、效果最好的地图。单一的工具和软件无法满足地形图和三维地图的正式图制作要求。Surfer软件功能全面，但特色不明显且没有投影功能，等深线制作和编辑功能较弱。GMT有强大的网格化和配色功能，等深线制作也不错，但是没有编辑功能。在制作正式地图时，可以使用GMT软件制作地形图和三维地图的彩色阴影底图，然后导入MapGIS或ArcGIS制作地图。制作正式地图要注意投影方法的匹配。制作彩色阴影图时，要选择合适的投影，导入前将ps文件转换成BMP或JPG图片，并根据打印图的大小选择合适的输出像素。图5是西太平洋的地形图，是GMT软件制作的彩色阴影图，导入MapGIS进行中文标注。官方地图的等深线可以通过MapGIS直接生成和编辑，也可以通过GMT生成和导入。

4结论

地形地貌研究中常用的工具和软件种类繁多，功能非常强大。根据常用工具软件的特点和实际应用，总结出这种工具软件应用方法的主要特点:将各种软件的优点应用到实际工作中，最大限度地服务于地形地貌研究，提高工作效率和质量；根据实际应用，制定相应的操作流程，综合运用，简化操作，提高效率；挖掘新的工具和软件，将GM软件应用到地形地貌的研究中，起到了很好的应用效果。这种方法为地形地貌研究的发展创造了有利条件，大大提高了工作效率和质量。

图5西太平洋的三维透视图。

参考

【1】陈欢欢等Surfer 8.0等值线绘制中的十二种插值方法。工程地球物理学杂志，2007，2。

[2]刘，等.全球测图系统在海洋调查中的应用.海洋技术，2011，01。

地形地貌研究通用软件的应用方法研究

罗卫东李刚

(广州海洋地质调查局，广州，510760)

文摘:介绍了地形地貌研究通用软件的基本功能。着重讨论了地形地貌研究通用软件在地理数据的扫描、编辑、采集和转换、数据网格化、等深线和彩色阴影底图的编辑、调色板的制作和获取、地形图等方面的应用，为研究地形地貌创造了条件，提高了研究的效率和质量。

关键词:地形地貌特征软件应用方法