MATLAB在地理地圖中的應用x1

第頁MATLAB在地理地圖中的應用一、引言 1、MATLAB是MathWork公司推出的一款功能十分強大的工程語言，也被稱為矩陣實驗室（matrixlaboratory），它是計算數(shù)學專家倡導并開發(fā)的，其主要的功能是矩陣數(shù)值運算。MATLAB作為一個科學計算平臺，為數(shù)據(jù)分析處理和可視化以及程序開發(fā)提供了最核心的數(shù)值處理和高級圖形工具代碼。MATLAB屬于解釋語言，軟件自身可以處理海量數(shù)據(jù)。及其它程序設(shè)計語言相比，它的功能強大，可擴展性強，不同領(lǐng)域的專家都能以其為基礎(chǔ)，開發(fā)形影的工具箱，形成開放式的利用體系。MATLAB中包括了被稱作工具箱（Toolbox）的各類應用問題的求解工具。工具箱世紀上是對MATLAB進行擴展應用的一系列MATLAB函數(shù)，可以用來求解各類學科的問題，包括信號處理、圖像處理、小波分析，自動控制、系統(tǒng)仿真、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。此外，它還具有方便靈活、界面友好的用戶環(huán)境，已成為準確、可靠的科學計算軟件的標準。在地理信息處理方面，MATLAB的mapping工具箱同時支持對矢量和柵格地圖的操作，具有地理量測、地圖投影、顯示等功能。 2、ArcGIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（EnvironmentSystemResearchInstitute，縮寫ERSI）研制的GIS軟件，是世界上應用最廣泛的GIS軟件之一，是我國GIS領(lǐng)域人盡皆知的商業(yè)軟件。自1978年第一個ARC/INFO產(chǎn)品誕生以來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及GIS技術(shù)的不斷成熟，2019年推出的ArcInfo8;2019年7月ERSI至GIS體系結(jié)構(gòu)模式:g，到現(xiàn)在已推出ArcGIS10.2，ERSI的GIS產(chǎn)品不斷更新、擴展，形成適應各種用戶、各種機型的系列產(chǎn)品。ArcGIS作為空間信息系統(tǒng)（SIS）的一種基礎(chǔ)工具軟件，其在數(shù)據(jù)采集，空間數(shù)據(jù)庫建立、空間查詢、制圖及輸出等方面具有強大的功能。制圖最大的特點是基于已有的地理數(shù)據(jù)進行制圖，跟著傳統(tǒng)的制圖方式有著極大的區(qū)別。傳統(tǒng)的制圖員方式?jīng)]有任何的數(shù)據(jù)支撐，使用制圖工具可以對地圖圖元進行隨意的繪制和修改，能夠靈活的修改地圖的每個細節(jié)，但是地圖生產(chǎn)過程非常緩慢，也不適應做多個專題的地圖生產(chǎn)。使用GIS平臺進行制圖，地圖制圖是建立已有的數(shù)據(jù)上，制圖者只需要關(guān)注數(shù)據(jù)管飯和符號化規(guī)則就能夠快速的完后曾地圖的制作，但是由于是使用規(guī)則的符號化，故此，對于烏龜這的地圖符號的表達需要耗費一定的時間。制圖的難點：盡管已經(jīng)擁有地理數(shù)據(jù)，然而對于地圖制圖來說，這只是最基本的一個環(huán)節(jié)。地理數(shù)據(jù)只是經(jīng)過數(shù)字化后的一系列的帶坐標的幾何圖形，本身不存在任何的符號，要把這些數(shù)字化圖形轉(zhuǎn)化為我們所能識別的地圖，還需要進行所謂的“符號化”過程，也就是我們常說的配圖。如果要進一步制圖專題圖，也許還需要對數(shù)據(jù)進行一系列的處理（如坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分割、要素聚合和簡化、幾何邏輯驗證、字段處理等）以及制作基于行業(yè)標準的地圖符號庫。這對于地圖的生產(chǎn)者來說，在對于數(shù)據(jù)、行業(yè)符號標準以及所使用工具的熟悉程度都提出更高的要求。 3、Mathematica是一款科學計算軟件，很好的結(jié)合了數(shù)值和符號計算引擎，圖形系統(tǒng)，編程軟件，文本系統(tǒng)和其他應用的高級連接。Mathematica是由美國科學家斯蒂芬·沃爾夫領(lǐng)導的沃爾夫勒姆研究公司開發(fā)的一款廣泛使用的計算軟件。它擁有強大的數(shù)值計算和符號運算能力。最初，Mathematica的影響主要限于物理學、工程學和數(shù)學領(lǐng)域。但是，隨著時間的變化，mathematica在許多在重要的領(lǐng)域得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在，它已經(jīng)被應用于科學的各個領(lǐng)域：物理、生物、社會學和其它領(lǐng)域。WolframResearch于2019年3月23日發(fā)布了Mathematica8.0.1簡體中文版。該版本增加了500多個新函數(shù)，功能涵蓋更多應用領(lǐng)域，并擁有更友好更高質(zhì)量的中文用戶界面、中文參考資料中心及數(shù)以萬計的中文互動實力，使中國用戶學習和使用Mathematica更加方便快捷。以下給了一個用Mathematica繪圖的例子： 4、GMT（theGenerticMappingtools）是一款準用于繪制地圖的軟件，也是一個被地理學屆廣泛使用的繪圖工具，可以完成海岸線，國界，河流的繪制。該軟件遵照GPL發(fā)布，并得到了美國國家科學基金會的資助。我們通常所見到的地球物理或是地質(zhì)中的繪制的有關(guān)地球的圖片都是來自于它。這是一款非常強大的軟件，可以用來繪制各種地理圖。如地球剖切面，各類等高線圖，海底地形圖等等。 GMT處理具有地理坐標和笛卡爾坐標的數(shù)據(jù)集（包括過濾、趨勢擬合、網(wǎng)格化、投影等等）以及生產(chǎn)從簡單的x-y坐標軸的平面圖到人為描述的表面和3D視角圖像。GMT支持30多種地圖投影和轉(zhuǎn)換以及需要支持的數(shù)據(jù)，如：GSHHHG海岸線，河流和界線。以下給出GMT做出的一個及地震有關(guān)的圖像實例： 繪制全球圖：pscoast-JM25c-R0/360/-65/65-B60/30-W1/1p-N1/red-N2-A500-Gyellow-Slightblue-Cblue>map.ps該圖繪制了：海岸線，筆寬1p；國界線，筆寬默認0.25p；州界，默認畫筆屬性；陸地填充色黃色；海洋淺藍色；內(nèi)陸湖泊藍色；小區(qū)域圖：pscoast-JM12c-R250/300/30/60-B5/5-W1/1p-I1-A0-Gyellow-Slightblue-Cblue-Lf-70/33/33/1000+u>a.ps左右兩圖分別的位于區(qū)別是-A0和-A1000,右圖顯得更干凈一些。 5、交互式數(shù)據(jù)語言IDL（InteractiveDataLanguage）一直是應用程序開發(fā)和科學家進行可是話語分析的首選語言。它時進行科學數(shù)據(jù)分析、可視化表達和跨平臺應用開發(fā)的高效軟件。從簡單、高效的交互式分析到大規(guī)模的商業(yè)應用，IDL集成了各種工程所需的可視化和分析工具。由于其強大的功能和獨特的特點，IDL語言可應用于任何領(lǐng)域的三維數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值計算、三維圖像建模、科學數(shù)據(jù)讀取等功能中，概括的說，在地球科學（包括氣象、說文、海洋、土壤、地質(zhì)、地下水等）、醫(yī)學影像、圖像處理、GIS系統(tǒng)，軟件開發(fā)、搞笑啊教學、實驗室、測試技術(shù)、天文、航空航天、信號處理、防御工程、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、華寧工程領(lǐng)域，IDL語言都可以得到廣泛而又深遠的應用。 IDL語言的可視化的優(yōu)勢：支持基于OpenGL的硬件加速圖形技術(shù)?？焖俚亩S繪圖、多位繪圖、體積可視化、圖像顯示、動畫、可以及時觀察到計算的結(jié)果快速分析超大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力，極大的提高了數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化的速度，數(shù)據(jù)雨大，速度優(yōu)勢越明顯。同時支持多種工作方式?！懊罱换ナ健?，“程序執(zhí)行”和“菜單操作”，使不同的用戶可以根據(jù)需要選擇配合使用。 以下給出IDL做圖的實例：spdimg=image(wdspd,rgb_table=2,title=diplayname)grdx=axis('x',location=[0,0],axis_range=[0,360],coord_transform=[0,0.25],minor=0,major=19)grdy=axis('y',location=[0,0],axis_range=[-90,90],coord_transform=[-90,0.25],minor=0,major=7)二、MATLAB繪制地圖的方法和命令 1、Mapping工具箱是MATLAB提供的及地理信息系統(tǒng)密切相關(guān)的工具箱，為地理信息處理提供一個使用方便、功能強大的信息處理環(huán)境。它同時支持對向量和柵格地圖進行分析和操作；大量的地圖投影和顯示函數(shù)允許用戶選擇最好的顯示方式；使用外部接口函數(shù)用戶可以方便地讀取地理數(shù)據(jù)文件；圖形用戶窗口工具可以讓用戶通過交互，輕松完成地理信息處理。概括地說，Mapping工具箱具有如下幾個主要的特點。地理信息分析和操作。mapping工具箱提供了大量的分析函數(shù)，支持對向量或者柵格地圖的操作和分析。多種地圖投影方式。地圖投影是地圖顯示的基礎(chǔ)，MATLAB中的mapping工具箱提供的多種投影方式可以讓用戶根據(jù)自己的需要任意選擇或者定制。功能強大的地圖顯示。對于向量數(shù)據(jù)，mapping工具箱可以進行二維或三維的的高線繪制，地表繪制及光照表面繪制；同時還支持諸如向量場繪制、條形繪制等各種專題圖繪制。ATLAS及其它地圖數(shù)據(jù)。mapping工具箱本身帶有群愛去及美國地一些向量或者柵格地圖數(shù)據(jù)，地理數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化表達簡化了地圖及atlas數(shù)據(jù)顯示、操作和提取。同時，對于較流行的地理數(shù)據(jù)文件格式，mapping工具箱提供了外部接口函數(shù)，通過接口函數(shù)，用戶可以方便的讀入這些文件數(shù)據(jù)。 2、常用繪圖函數(shù)axesm:創(chuàng)建地圖坐標；格式：axesm(PropertyName，PropertyValue，);plotm:投影二維直線到當前的地圖坐標；格式：plotm(lat,lon);surfm:投影數(shù)據(jù)網(wǎng)格到當前的地圖坐標系；格式：h=surfm(lat,lon,map)nanm：構(gòu)造空矩陣；格式：[map,maplegend]=nanm(latlim,lonlim,scale);meshgrat：生成緯線和經(jīng)線網(wǎng)格，將規(guī)格數(shù)據(jù)網(wǎng)格轉(zhuǎn)會為地理網(wǎng)格地位網(wǎng)格；格式：[latgrat,longrat]=meshgra(map,maplegend);imbed:把數(shù)據(jù)插入到規(guī)則的柵格矩陣中。格式：newmap=imbedm(lat，lon，value，map，maplegend，units)；其中，lat,lon可以是插入的具體的經(jīng)緯度坐標，也可以是一個范圍，value是插入的值，map，maplegend是未插入數(shù)據(jù)前的地圖。contourm:繪制地圖數(shù)據(jù)的等值線圖；格式：contourm(lat,lon,Z);三、MATLAB應用實例 MATLAB在地理學中，以及地球科學中的應用廣泛。被大量的使用在了工程計算和地圖顯示和制作中。1、繪制全球海岸線 %載入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是世界海岸線圖 >>loadcoast %新建地圖坐標軸，投影方式為Mercator投影 >>axesmmercator %添加邊框 >>framen %繪制地圖 >>plotm(lat,long) 結(jié)果如下圖：2、繪制法國地圖 %新建一個地圖坐標，其投影方式以及經(jīng)緯度范圍自動適應法國的區(qū)域 >>h=worldmap('France'); %讀取相應的shapfile文件到工作空間中，landareas中是polygon類型的數(shù)據(jù) >>landareas=shaperead('landareas.shp','UseGeoCoords',true); %繪制地圖 >>geoshow(landareas,'FaceColor',[11.5]); %以向量的形式保存EiffelTower的位置 >>TowerLat=48.85; >>TowerLon=2.28; %在地圖上添加紅點來指示Tower的位置，并標注它 >>geoshow(TowerLat,TowerLon,'marker','.','MarkerEdgeColor','red') >>textm(TowerLat,TowerLon+0.5,'EiffelTower'); %讀取河流數(shù)據(jù) >>rivers=shaperead('worldrivers','UseGeoCoords',true); %顯示河流 >>geoshow(rivers,'Color','blue') 最后形成了如下的地圖3、繪制全球地形圖 %導入柵格數(shù)據(jù)文件topo >>loadtopotopo %topo包括上高程數(shù)據(jù)，構(gòu)造一個隊地理參考topo的參考矩陣 >>topoR=makerefmat('RasterSize',size(topo),'Latlim',[-9090],'Lonlim',[0360]); %構(gòu)造一個equal-area投影坐標來觀看地形數(shù)據(jù) >>axesmsinusoid %產(chǎn)生一個暈渲地形圖 >>geoshow(topo,topoR,'DisplayType','texturemap') %應用一個合適的地形圖顏色映射 >>demcmap(topo)