工程地球物理学报版面费

罗伟东 李 刚

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

作者简介：罗伟东，男，广东人，硕士，高级工程师，主要从事海洋地形地貌调查和研究工作。

E-mail：loky＿luo＠，电话：，。

摘要 本文介绍了地形地貌研究主要工具软件的基本功能，针对主要工具软件的特点和实际应用情况，从地形数据的浏览、编辑、提取和转换，数据的网格化，等深线和彩色阴影底图等的编辑，调色板的制作与获取，地形图和三维立体图的制作等方面探讨地形地貌研究工具软件应用的方法，为地形地貌研究工作的开展创造有利条件，大大提高了工作效率和质量。

关键词 地形地貌 工具软件 应用方法

1 前言

海洋地形地貌调查和研究是大多数海洋调查研究的基本内容和重要组成部分。我国自20世纪90年代初引进多波束测深系统后开展了我国近海和邻近海域多波束海底地形地貌调查和综合研究，积累了丰富的资料和研究成果。提高地形地貌研究水平和工作效率是研究人员不断探索的方向。地形地貌研究工作常用的工具软件发挥了重要作用，能进行原始数据处理、数据网格化、数据提取转换浏览、制图等，还能进行地形坡度、距离和面积计算，地形剖面的提取制作，方便对海底地形分区、分析分布特征和识别地貌单元等。熟练掌握地形地貌研究工作常用的工具软件是研究人员必须具备的基本技能，合理选择和恰当应用工具软件是提高工作效率的有效途径。目前，地形地貌研究可用的工具软件有许多，如MapGIS、ArcGIS、Golden Software Surfer、CorelDRAW、Global Mapper、Fledermaus、GMT、MB-System和Caris Hips and Sips等。我国的地形地貌研究人员在以往的使用过程中，对相关软件积累了一些经验，但是面对种类繁多的工具软件，要恰当合理综合应用以提高工作效率和质量却不是一件容易的事。在实践工作中，常常会因为没有掌握软件的使用方法或没有发挥各软件的特点，而遇到一些困难，降低工作效率和质量。作者通过充分应用软件已有的功能，开发其潜在功能，结合工作实际，扬长避短，综合应用，使相应软件更好地服务地形地貌调查和研究工作，发挥更大的作用。

2 地形地貌研究主要工具软件概述

MapGIS、ArcGIS和Golden Software Surfer功能概述

这三款软件，特别是MapGIS和Surfer在国内得到广泛应用，相关文章对用法和功能的介绍很多。地形地貌研究主要的应用是利用MapGIS、ArcGIS制作规范的地形图和地貌图等；Surfer主要的应用是制作坡度图和地形图、地貌图和三维立体图等。

GMT功能概述

GMT（Generic Mapping Tools）是一个通用地学制图工具软件，发展至今已在大气、海洋、地震等研究领域得到较为广泛的应用。GMT是全命令行软件，需要用户录入命令及其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）来进行操作。GMT虽然操作相对繁琐，但执行效率很高，而且图形文件输出的主要格式为PostScript文件，这种格式可提供高质量、跨平台的图形打印，这也是GMT得以广泛应用的原因。

实际应用中，主要是制作二维三维地形图。利用GMT强大的颜色渲染和标准图框输出功能，制作颜色逼真的彩色阴影图、报告和论文插图，大数据量的网格化功能也是其强项。

Global Mapper功能概述

Global Mapper（简称GM）是美国Global Mapper公司开发的一个简单、实用的图形管理与应用软件。它可以在指定投影和地理坐标的基础上，编辑、转换光栅和矢量地形图，绘制二维、三维地形图以及点、线自编图形，具有良好的绘图、编辑、显示以及数据输出界面。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、显示大部分流行的栅格图形和高程及矢量数据

实际应用中，主要用来直接打开浏览各类型如Surfer和GMT网格文件；输入输出（特定范围）网格、XYZ文件及点、线文件；合成相同或不同格式、大小的数据（网格、XYZ）文件。

2）具有数据、图形的转换、编辑、拼接、打印功能和投影转换

主要进行数据、图形的格式转换，如将GMT网格文件转换成Surfer网格文件，重新网格化数据，将XYZ文件转换成网格文件，网格、XYZ文件转换（输出）成图片等。在网格文件中选取制作特定位置的地形剖面。进行坡度、距离和面积计算。结合不同地理位置的地图，设置和改变、转换图片的投影方式。

3）具有简单的地理信息功能和动态GPS接收功能

为没有位置信息的图片添加坐标信息，在同一个项目中打开的文件都会在相同投影下的大地坐标系中显示。

4）在实际应用中，GM也存在不足之处：等深线功能简单，不能调整标注间距和字体样式及大小；地形图图框、比例尺不规范，文字大小和标注不可调节。

Fledermaus功能概述

加拿大IVS 3D公司生产的Fledermaus是全球海测数据3D具体化的领先商业软件之一，是一套功能强大的交互式三维数值数据虚拟实境的系统。它可以帮助使用者完成包括海洋（海岸、海底）资源调查与制图、环境影响评估、采矿、地质调查以及各种研究等工作。Fledermaus可直接支持广泛的工业数据格式输入。可直接导入、显示数字地形图，点、线、多边形数据集合、卫星影像并进行分析。浏览器iView4D可以随时浏览处理过或分析后的数据结果。

实际应用中，主要是利用其三维可视化功能和复杂区域编辑模块，用于导入网格文件，对三维数据进行三维可视化显示和操作，可任意角度观察地形地貌特征，可方便进行海底地形分区、分析分布特征和识别地貌单元。

3 工具软件的综合应用

常用工具软件在地形地貌研究中发挥了重要作用，工具软件种类繁多，各有优点缺点，科研人员要全部掌握其功能和操作方法有一定难度也没有必要，应该根据实际工作需要，重点掌握几个主要软件，扬长避短，合理应用，其他软件的应用能满足工作需要即可。针对所从事的工作，主要的应用情况从以下几个方面进行阐述。

图1 GM软件主界面窗口

地形数据的浏览、编辑、提取和转换

海底地形分区、分析分布特征和识别地貌单元等是地形地貌的工作之一，这些工作都要对地形数据进行浏览、观察、描述，以往一般是通过打印的地形图和三维地形图等图件来进行识别和描述。随着计算机软硬件技术的发展，目前，更科学的方法是利用工具软件完成上述工作，也可结合图件打印的方法。利用工具软件观察更直观简便高效，可直接导入、显示数字地形图，调节着色、等值线间距和垂直比例，进行地形坡度、距离和面积计算，特定位置剖面显示提取和制作，多角度、随意缩放、显示任意位置水深和点线多边线标注等。GM软件在这方面具有强大的功能（图1），结合Fledermaus，Golden SoftwareVoxler软件能方便地实现上述常用功能，大大提高工作效率，非常适合地形地貌研究和海洋调查使用。

GM软件可方便地打开XYZ和多种格式的网格文件（包括大数据量文件），还能把数据转换成自己的网格格式Global mapper grid显示，文件小，占用内存少，可随意进行操作，如放大缩小编辑等，显示效果好，这是GM软件的主要特点之一，相比其他软件具有明显优势。显示二、三维地形图，具有标注等深线、测线、标注符号和简单的3D view功能，能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；具备生成地形剖面功能，可选取任意位置进行地形剖面提取和制作；能进行地形坡度、距离和面积计算，地形坡度的计算和显示是在应用地形剖面功能时，在地形剖面窗口中的Options/showpath detais查看。地形剖面可输出为CSV或XYZ数据和图片格式，CSV或XYZ数据可用Grapher等专业软件制作成剖面图；图片格式可直接在CorelDRAW中导入编辑，为保证输出后的图片质量和字体大小合适，字体编辑时要注意调节字体的大小，输出的图片长度应在2000像素左右，输出后在word中的字体大小约为小5号。剖面图如图2所示。

微地形地貌的浏览和描述方面，需要用到相关三维可视化系统，GM软件具有简单的3D view功能，并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，Golden Software Voxler也有不错的表现，实际应用时应结合使用。

图2 典型地形剖面

数据的网格化

随着多波束海底地形地貌调查和综合研究的技术发展，对研究人员的要求也越来越高，数据网格化和数据转换方法已经成为研究人员必须掌握的技能之一。过去认为数据的网格化是由专业处理人员完成的想法已经不符合实际。研究人员在进行研究时不是简单地利用网格文件，实际可能应用的情况：简单的数据编辑；数据（网格文件）的格式转换；重新网格化，生成不同网格间距的网格文件；提取特定区域网格数据等。

在进行XYZ数据的网格化时，不同的网格化（插值）方法的绘图效果是不一样的。一般地，各软件都会提供多种网格化方法供用户选择，如Surfer提供多达12种方法、GMT有4种方法和ArcGIS提供5种方法。合理选择网格化方法和工具软件能有效提高图件制作质量，地形地貌的制图具体使用的网格化方法，需要根据客观环境特征和数据本身的特点，进行相应的数据分析，才能绘制出准确、有意义的图件。一般地，中大数据量的数据用加权反距离法（Inverse distance to a power）或者最小曲率法效果好、效率高，小数据量数据可使用克里格法（Kriging）。单一的工具软件不能满足实际要求，Surfer软件只适应于网格数据量较小的数据（几百兆的数据文件），Surfer的工作效率很低；大数据量的数据一般要选用GMT或MB-System软件进行网格化；进行数据浏览转换时可使用GM软件。

GMT网格化采用gmtmbgrid和Surface命令；MB-System软件采用mbgrid命令；Sur-face是张性样条网格化法，是一种经过改良的标准最小曲率算法，允许用户把张量引入表面。执行surface程序前要对数据进行预处理，消除混淆现象。地形数据采用block-median对网格间隔框内的值返回中值。Gmtmbgrid算法跟mbgrid命令一样是采用加权反距离插值法。具体根据实际需要选择。MB-System和GMT软件一般配合使用。使用的具体命令如下：

blockmedian文件名.xyz -R113/120/11/13 -I200e -V ＞ ship＿

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软件网格化采用三角剖分法（triangulation/liner interpolation），这种方法对大数据量的数据处理效率低，数据边缘效果稍差，具体操作流程：打开XYZ文件，出现Ge-neric ASCII Text File Import Options窗口，在Import type选项中，选择Elevation Grid from3D Point Data，其他选项可以采用默认。确定后，出现Elevation Grid Creation Options窗口，在Grid Spacing中可自定义网格大小；确认后即可完成网格化过程，然后在File/Ex-port Elevation grid format，选择合适的格式输出数据。图3是不同软件网格化及制图效果图。左图是用GM软件采用三角剖分法网格化绘制而成，中图是GMT软件用改良的标准最小曲率算法（surface命令）进行网格化，右图是Surfer采用加权平均算法；从图中可清楚地看出，三个软件绘制的地形图一致性很好；GMT软件在网格化效果和调色效果方面都是最出色的，能较好的反映微地形且色彩逼真。

等深线和彩色阴影底图等的编辑

多波束数据经过后处理后，数据质量一般都能达到要求，特殊情况时也会有局部小范围数据质量较差的数据，在制作成图件时，在彩色阴影图和等深线上都会有直接的反映。一般地，都要对其进行编辑，去伪存真。彩色阴影底图的制作一般用GMT或Surfer，彩色阴影底图的编辑一般选用Photoshop或者CorelDRAW，等深线的生成可用MapGIS、Surfer和GMT软件，MapGIS具有等深线编辑功能，也可以在CorelDRAW中进行编辑，效果都很不错。在CorelDRAW中进行编辑时，等深线一般是在Surfer生成*.emf格式文件，在Corel-DRAW中打开进行编辑，删除等深线时应选用虚拟段删除工具，CorelDRAW是把显示的整条线段定义为由多条虚拟段组成，用虚拟段删除工具选中整条线段或线段的一部分后，程序将会自动删除选中的部分，操作很方便。添加线段时选中手绘工具，调节合适粗细，进行曲线和直线绘制。图片输出时同样要注意像素的调节，确保图像质量和字体合适。图4为等深线和彩色阴影底图编辑前后对比图，底图是用Surfer制作的，编辑方法如上述。右图为编辑后的情况，效果非常明显。

图3 不同软件网格化及制图效果图

图4 等深线和彩色阴影底图编辑前后对比图

调色板的制作与获取

制图的美观程度主要取决于调色板的着色效果，制作美观实用的图件是科研工作者的不懈追求。根据实际需要选择合适的工具软件及制作或引用合适的调色板是制图工作的重中之重。不同的工具软件的调色效果是有区别的。实践应用中，GMT软件的调色效果最好，Surfer、MapGIS和ArcGIS调色效果稍差，GM的调色效果次之。这也是GMT软件被广泛应用的主要原因之一。因此，在实际应用中，正式图件及成果报告插图等可应用GMT软件制图或制作彩色阴影图。GMT软件自身提供了许多独有且全球流行的调色板，自身也提供相应的命令如makecpt和grd2cpt根据相应的调色板模板对特定数据进行调色板制作，但并不能满足实际应用的需求。因此，制作或者获取第三方调色板是可行的办法。

调色板模板制作与管理的有效可行办法：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海陆结合数据、浅水数据和深水数据等，每种数据类型制作几个常用的调色方案，所有的调色方案都做成各软件特定的格式，可直接或稍为更改即可引用。由于GMT是全命令行软件，调色板的制作并不像Surfer等友好界面软件那么直观方便。一般地，在利用GMT自带调色板模板稍加修改或者直接在Surfer软件中制作调色板后，导出后再转换为GMT格式的调色板。

获取调色板的方法有两种：一种为通过专业网站获取相关调色板，专业网站提供多个领域的世界上主流的调色板和大量用户自主设计的调色板。另一种方法是手头只有地形图图片而没有相应数据调色板的情况，这时最好的方法是利用相关软件如Photoshop或其他具有取色功能的软件进行调色板制作，着色效果跟原有图片基本一致。

地形图和三维立体图的制作

发挥各地学绘图软件的优势，结合应用才能做出规范且最佳效果的图件。地形图和三维立体图正式图件的制作，单一工具软件不能满足要求。Surfer软件功能较全面但特点不明显且没有投影功能，等深线制作和编辑功能较弱；GMT的网格化和调色功能强大，等深线制作也不错，但没有编辑功能；由于制作正式图件时，可采用由GMT软件制作地形图和三维立体图的彩色阴影底图，再导入MapGIS或ArcGIS制成图件的方法，制作时要注意投影方式的匹配问题，GMT制作彩色阴影图时应选择合适的投影，导入前应该把PS文件转换成BMP或JPG图片，且要根据打印图件的大小选择合适的输出像素。图5为西太平洋地形图，是由GMT软件制作彩色阴影图导入MapGIS进行中文标注等。正式图件的等深线可直接由MapGIS生成并编辑或由GMT生成导入等。

4 结 语

地形地貌研究常用的工具软件种类多、功能很强大。本文针对常用工具软件的特点和实际应用情况，总结了这套工具软件应用方法的主要特点：把各软件的优势应用到实际工作，扬长避短，最大限度服务地形地貌研究工作，提高工作效率和质量；根据实际应用制定相应操作流程，综合应用，简化操作，提高效率；挖掘新工具软件，把GM软件应用于地形地貌研究工作，起到非常好的应用效果。这套方法为地形地貌研究工作的开展创造有利条件，大大提高了工作效率和质量。

图5 西太平洋三维立体图

参考文献

［1］陈欢欢等.Surfer 等值线绘制中的十二种插值方法.工程地球物理学报，2007，2.

［2］刘方兰等.Global Mapper系统在海洋调查中的应用.海洋技术，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 introduces the basic function of the general-used software for studying thetopographic and geomorphic 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

通过初审发表前交。。地球物理学报版面费通过初审发表前交。

不是核心期刊。

不是核心期刊，但是感觉这个期刊的文章质量还不错。