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。

(1)输入:包括表文件(矢量数据)、栅格数据和调色板文件;(2)工作控制:GMT的命令行程序、默认配置和支持数据。其中命令行程序有60多条,包括绘制不同类型地图、数据格式转换、调色板文件生成、地图运算等功能;(3)输出:包括PostScript图形文件、表文件(矢量数据)、栅格数据、统计信息、警告和错误提示等。

GMT软件最早是在UNIX 系统上开发的,因此主要在UNIX系列的操作系统平台上运行,如Linux、FreeBSD、AIX等。经过对比测试,我们将云南数字强震动观测台网数据中心使用的GMT软件安装在FreeBSD操作系统的服务器上。

FreeBSD系统是UNIX系列的一个重要分支,能够在Intel x86 family、DEC Alpha、Sun UltraSPARC以及AMD64等多种类型的处理器平台上运行(张纪青,2002),具有很强的兼容性和稳定性。实际的安装和使用结果表明,GMT软件在FreeBSD系统上运行是可靠和稳定的。

(1)NetCDF栅格文件

默认情况下,GMT软件将二维的栅格数据存储为适应COARDS标准的NetCDF文件。NetCDF文件全称为Network Common Data Format(网络通用数据格式),由美国大气研究大学协会(UCAR)在Unidata程序中开发(David,1996)。这是一种通用的二进制数据存取方式,目的是方便程序开发人员利用C、Fortran、C++、Perl等不同的程序语言读写数据文件。由于它本身具有自我说明能力,并且可以跨越平台而不受机器的限制,因此从开始时仅用于存储气象科学数据的格式,发展成为现在许多数据采集软件的标准输出数据格式。而COARDS则是一个许多研究机构用于发布海洋和大气研究的栅格化数据的协议(Wessel,Smith,2008),这个协议使得GMT软件既可以读取其它专业软件所提供的NetCDF栅格数据文件,同时也使其创建的NetCDF栅格数据文件能够被其它领域的专业软件读取。

一个NetCDF文件由变量、维和属性3个部分组成(Laomai,2007)。变量是每个X/Y(经纬度)坐标点对应的无量纲的数值,它的物理量要由属性来说明,可以是气压、温度或高程等,它们随自变量而变化。而自变量就是维,可以是时间、高程或经纬度坐标,一个NetCDF文件可以包含多个维,每一维变量都有包括全名、度量单位及意义等其自我说明的数据。对于本研究所使用的栅格结构的数字高程模型数据,每个栅格的高程值就是其变量,经度和纬度就是它的两个维(自变量),高程就是其属性。

(2)其它栅格文件

除了默认的NetCDF格式外,GMT也支持早期版本中常用的老式二进制文件(即本地二进制栅格文件),以便新版本的软件能够处理早期生成和编辑的数据。这种文件类似NetCDF文件,也带有一个数据头文件,里面包含了定义文件内容的属性,可以用GMT程序对其进行部分编辑(Wessel,Smith,2008)。与本地二进制栅格文件结构类似的数据还有Sun公司开发的栅格文件,GMT也能够读写和处理这种数据。但由于这些数据格式特殊、适用面窄,一般很少使用。

GMT软件的矢量数据为表文件,表文件的格式要求是有n行、m列,行列一一对应的二维表。每一行代表一个点要素记录,每一列则为记录的属性字段(坐标、名称、编号、高程等)。常用的表文件有ASCII码表、二进制表和NetCDF表。

(1)ASCII码表

ASCII码表由于是文本文件,很多地理数据都比较容易转换而且编辑也比较方便,因此是绘制点、线、面等矢量数据最常用的表文件。其内容只要符合GMT软件的格式要求即可,其中每一个记录的字段必须被空格、制表符或逗号隔开,字段可以是整型或浮点型的数字,或是表示地理坐标的字符串。另外,对于线状和面状地理要素,由于多行记录才对应一个地理要素,因此需要在每个地理要素的起始数据记录前加一个分段数据头文件作为唯一标识符,形成分段数据文件。

(2)本地二进制表

本地二进制表是GMT软件自身支持的特殊格式的二进制文件,可移植性差,其它软件不能识别,主要用于执行栅格化和预处理任务。本文研究没有采用。

(3)NetCDF表

从4.3.0版本以后,GMT软件开始支持NetCDF列表文件。NetCDF列表文件包含元数据,读起来不如读取二进制表复杂,甚至比ASCII码表还简单。但由于目前GMT只能读取NetCDF列表文件,还不能输出(Wessel,Smith,2008),因此本研究中没有采取这种格式来绘制矢量数据。

(1)栅格数据的格式转换

目前ArcGIS软件是应用比较广泛的地理信息系统软件,通常使用的基础地理数据多数都是ArcGIS软件格式。而ESRI GRID是ArcGIS软件的标准栅格数据格式(党安荣等,2003),所以本研究采用的原始数据为ESRI GRID格式的云南省数字高程模型(图1)。

图1 ESRI GRID格式的云南省数字高程模型
Fig.1 Yunnan Province DEM of ESRI GRID format

图2 转换为NetCDF文件的云南省
栅格数字地图的元数据
Fig.2 Meta-data of the NetCDF file converted from Yunnan Province DEM

在GMT软件中,用命令行方式绘制地图,每个命令根据用户需要,调用若干参数。主要使用的命令有3个:(1)grdgradient命令,该命令生成地形坡度阴影图(即地貌晕渲图),使地形图具有三维立体效果;(2)makecpt命令,该命令创建一个调色板表文件,按海拔高度为地形图着色;(3)grdview命令,该命令首先通过一系列用户指定的参数绘制基础图框,然后调用grdgradient命令生成的地形坡度阴影图和makecpt命令生成的调色板表文件进行叠加和着色,从而生成具有三维立体效果的分层设色地形图(图3)。

图3 GMT软件生成的云南省数字地形图
Fig.3 Digital Yunnan Province topographic map generated with GMT software

(1)矢量数据的格式转换

云南省强震动台站分布点的原始数据为点状的ArcGIS软件shape文件,是典型的矢量数据。将台站分布点的shape文件导出为没有文件头的ASCII码表,由于只涉及点状数据,因此不需使用分段数据。每行记录的各个字段用空格分隔开,根据GMT软件的要求,第一列字段为经度坐标,第二列字段为纬度坐标(Wessel,Smith,2008)。台站分布点的ASCII码文本文件如图4。

图4 云南省强震动台站分布点的ASCII码表
Fig.4 ASCII table of Yunnan Province strong motion stations distribution points

在GMT软件中,使用psxyz命令来绘制点状矢量数据,通过调用不同参数来设置所绘地图数学基础和地图要素的各种属性。

本研究调用参数“-Jm4i”指定地图投影为墨卡托投影,比例尺为4英寸/经纬度; 参数“-St0.5”将台站分布点的形状设置为三角形,并指定其外接圆的直径大小为0.5英寸; 参数“-G250/0/0”指定符号的颜色为红色。用GMT软件绘制的云南省强震动台站分布点参看图5。

把云南省强震动台分布点的矢量数据叠加绘制到先前生成的云南省地形图上,就完成了云南省强震动台分布图的绘制。最终生成的地图为PostScript(PS)格式文件,它是可供打印高质量图形的文件,但需要 GSview等软件才能显示。最终生成的云南省强震动台分布如图6,红色三角形代表强震动台站,地形图的海拔高程由蓝到红逐渐升高。

可以将PS(PostScript)文件转换为其它格式,如PhotoShop软件的png图像格式,或再转换为GIF、JPG等格式。

图5 GMT软件绘制的云南省强震动台站分布图
Fig.5 Yunnan Province strong motion stations distribution map plotted with GMT software