應用Matlab自動繪制氣象等值線圖

張慧，史奎橋，楊揚，史艷玲，楊劍虹，郭寧，張兵兵

（1.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧錦州　121000；2.錦州市氣象局，遼寧錦州　121000）

應用Matlab自動繪制氣象等值線圖

張慧1，史奎橋1，楊揚1，史艷玲2，楊劍虹2，郭寧2，張兵兵1

（1.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧錦州121000；2.錦州市氣象局，遼寧錦州121000）

為了提高制作氣象服務材料的效率，應用集科學計算、數(shù)據(jù)分析和可視化等功能于一體的Matlab高級計算語言編制代碼，實現(xiàn)區(qū)域自動站氣象數(shù)據(jù)的自動讀取、氣象數(shù)據(jù)等值線圖的自動繪制，并在此基礎上應用Matlab自帶的圖形用戶界面工具箱形成可人機交互的可執(zhí)行文件。實現(xiàn)繪制等值線一鍵式操作表明基于Matlab繪制氣象等值線這一方法是能滿足氣象業(yè)務服務中及時準確的要求，且操作方便，避免了不同計算機語言間的轉(zhuǎn)換。

計算機技術與應用；矩陣實驗室；數(shù)據(jù)庫；等值線圖；可執(zhí)行文件；掩膜提取

張慧，史奎橋，楊揚，等.應用Matlab自動繪制氣象等值線圖［J］.廣東氣象，2016，38（4）：74-77.

Matlab（矩陣實驗室）是一款集科學計算、數(shù)據(jù)分析和可視化等功能于一體的高級技術計算語言［1-3］，近年來越來越廣泛應用于氣象業(yè)務工作和研究中。汪曉濱等［4］應用Matlab換算和處理飛機人工增雨航跡數(shù)據(jù)，準確模擬出飛機航跡且用圖形直觀顯示航跡模擬結果；劉峰等［5］應用Matlab讀取Micaps、Grib和NetCDF 3種氣象數(shù)據(jù)并應用Matlab繪制等值線、填色等值線、風矢量和流線4種圖形；董言治等［6］利用Matlab自帶的函數(shù)對南海觀測數(shù)據(jù)進行剔點處理、趨勢項提取和迭代初始值的確定；孟力力等［7］在VB（Visual Basic）編寫的人機交互界面，采用基于組件對象模型COM（component object module）調(diào)用Matlab編寫的用于實現(xiàn)理論模型中的工程計算和圖像圖形處理的M.源函數(shù)文件，最終實現(xiàn)日光溫室熱環(huán)境模擬模型軟件的可視化。但是在氣象業(yè)務中如何應用Matlab實現(xiàn)人機交互式訪問SQL數(shù)據(jù)庫并提取相應數(shù)據(jù)繪制行政邊界區(qū)域內(nèi)的等值線圖的研究還較少。本研究應用Matlab自動讀取區(qū)域自動站的氣象數(shù)據(jù)、繪制行政邊界內(nèi)等值線圖、編制人機交互界面且生成可執(zhí)行文件，并給出了相應的編程代碼。

1　應用Matlab訪問SQL數(shù)據(jù)庫

針對局地氣象服務的局限性，在山洪地質(zhì)災害易發(fā)和多發(fā)區(qū)，加密布設局區(qū)域自動氣象站［8］。區(qū)域自動氣象站的氣象數(shù)據(jù)定時上傳到氣象局SQL服務器上，存儲在數(shù)據(jù)庫中。

1.1配置數(shù)據(jù)源

在應用Matlab訪問SQL服務器之前要配置數(shù)據(jù)源［9］：電腦主機“控制面板”-“管理工具”-“數(shù)據(jù)源（ODBC）”-“添加”-“創(chuàng)建數(shù)據(jù)源”。在創(chuàng)建數(shù)據(jù)源中選擇“SQL server”出現(xiàn)圖1a。在命名數(shù)據(jù)源中輸入例如“qixiang”，在服務器選項中輸入SQL的IP地址例如“···”。點擊下一步后出現(xiàn)圖1b，輸入SQL服務器的登錄ID和密碼例如“l(fā)enovo”和“123456”。在確定計算機所用網(wǎng)絡與SQL服務器為同一網(wǎng)絡后，點擊下一步出現(xiàn)圖1c界面。在更改默認數(shù)據(jù)庫的選項框中，選擇區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫例如AhGis2015，點擊下一步，最終設置成功的對話框如圖1d。

圖1　配置數(shù)據(jù)源

1.2應用Matlab訪問SQL數(shù)據(jù)庫

在安裝Matlab軟件時首先要查看計算機的設置是32 bit還是64 bit，根據(jù)計算機屬性確定Matlab是安裝32還是64 bit。

建立鏈接對象，語句為con=database（′qixiang′，′lenovo′，′123456′）。其格式為3個引號中的內(nèi)容分別對應1.1節(jié)配置數(shù)據(jù)源時的“數(shù)據(jù)源命名”、“SQL服務器的登錄ID”和“SQL服務器的密碼”。應用ping（con）語句檢查Matlab與SQL服務器是否鏈接成功，若成功在Matlab的command window窗口下顯示內(nèi)容如圖2。若鏈接失敗則圖2中最后一行的內(nèi)容顯示為Auto-CommitTransactions：′False′。

圖2　Matlab與SQL服務器連接成功所顯示的內(nèi)容

建立并打開游標的語句為curs=exec（con，′selectfrom database′），其中“con”是上文中的鏈接對象，selectfrom database表示從database（數(shù)據(jù)庫）選擇所有的數(shù)據(jù)。但是在氣象業(yè)務中，經(jīng)常要選擇某一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，其語句可改為（例如）：“”表示選擇AhGis2015Meso2015_hour數(shù)據(jù)庫下應用觀測時間字段來選擇行政區(qū)域內(nèi)所有區(qū)域自動氣象站2015年5月14日08：00至5月19日08：00 5 d的氣象數(shù)據(jù)。其中下劃線部分是要根據(jù)各自的數(shù)據(jù)庫建立格式自行修改的地方。

把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)讀取到Matlab中的語句是A=fetch（curs）和B=A.data。讀取到的數(shù)據(jù)用變量B保存。

關閉連接語句為close（curs）和close（con）。具體代碼為

2　數(shù)據(jù)的處理分析

從數(shù)據(jù)庫讀取的數(shù)據(jù)需要統(tǒng)計分析后才能用于氣象業(yè)務服務中。例如行政區(qū)域內(nèi)設有79個區(qū)域自動站，每個自動站一天24組氣象數(shù)據(jù)，累計5 d，共為79×24×5組氣象數(shù)據(jù)。每組氣象數(shù)據(jù)包括時間、溫度、降水、風速、風向等17類不同的氣象觀測數(shù)據(jù)。若是需要每一個區(qū)域自動站累計5 d的降水總量，則要應用Matlab完成數(shù)理統(tǒng)計。最終形成79行×3列的數(shù)組，表示79個區(qū)域自動氣象站各自的緯度、經(jīng)度和5 d累計降水量。

3　繪制氣象等值線圖

繪制氣象等值線的基本步驟為：a）采用克里金、三次樣條差分等差值方法對區(qū)域自動站數(shù)據(jù)進行差值，形成柵格數(shù)據(jù)；b）應用掩膜提取方法裁剪出行政區(qū)域范圍內(nèi)的柵格數(shù)據(jù)［10］；c）繪制等值線圖；d）根據(jù)業(yè)務規(guī)定確定圖相中色階分布；e）添加縣級行政區(qū)域名稱、圖例說明和相應的文字說明；f）輸出圖片。具體的程序（例子）如下：

%%%%%a）差值生成柵格數(shù)據(jù)%%%%%

cx=linspace（最小經(jīng)度，最大經(jīng)度，1 000）；%注意此處通過最大、最小經(jīng)緯度所限定的范圍能包含這79個區(qū)域自動站。

cy=linspace（最小緯度，最大緯度，1 000）；

［lon lat］=meshgrid（cx，cy）；%形成1 000 ×1 000的柵格矩陣

%第2部分數(shù)據(jù)處理分析的最終結果存儲在變量data中，

latout=data（：，1）；%緯度

lonout=data（：，2）；%經(jīng)度

temp=data（：，3）；%5 d累計降水

Z=griddata（x，y，z，lon，lat，′v4′）；%通過區(qū)域站的散點降水數(shù)據(jù)差值生成柵格矩陣數(shù)據(jù)，選擇的差值方法為Matlab自帶的“V4”方法。

%%%%%b）掩膜提取行政區(qū)域范圍內(nèi)的柵格數(shù)據(jù)%%%%%

jinzhou=shaperead（′area.shp′）；%調(diào)入準備好的地區(qū)邊界“.shp”文件

isin=inpolygon（lon，lat，jinzhou.X，jinzhou. Y）；

Z（～isin）=NaN；%去掉行政區(qū)域以外的數(shù)值，相當于surfer軟件中的白化功能［11］。

%%%%%c）繪制等值線%%%%% contourf（lon，lat，Z，5）；%等值線分為5份shading flat colorbar hold on

plot（jinzhou.X，jinzhou.Y，′-k′，′linewidth′，2）%繪制等直線圖像

axis off

%%%%%d）根據(jù)業(yè)務規(guī)定確定圖相中色階分布%%%%%

z_max=max（max（Z））；z_min=min（min（Z））；color_data=［］；cmin=z_min；cmax=z_max；

caxis（［cmin cmax］）；colormap（jet（64））；

color_map=cmin：（cmax-cmin）/64：cmax；size_color=size（color_map）；for i=1：（size_color（1，2）-1）if color_map（1，i）<=9.9

color_data（i，：）=［0.60001.0000 0.4000］；%小雨0-9.9 mm設置為淺綠色

elseif（color_map（1，i）>=10&color_ map（1，i）<=24.9）

color_data（i，：）=［0.14510.7216 0.1569］；%中雨10-24.9 mm設置為深綠色

elseif（color_map（1，i）>24.9&color_ map（1，i）<=49.9）

color_data（i，：）=［00.8000 0.8000］；%大雨25-49.9 mm設置為淺藍色

elseif（color_map（1，i）>49.9&color_ map（1，i）<=99.9）

color_data（i，：）=［0.18040.3569 0.8784］；%暴雨50-99.9 mm設置為深藍色

else

color_data（i，：）=［0.96860.2941 0.9686］；%大于100 mm設置為紫色

end

end%RGB 3個分量都在0～1之間，相應的顏色從黑變化到白色。

%%%%%e）在圖片中添加縣級名稱、圖例說明等%%%%%

annotation（gcf，′textbox′，［0.4163 0.3425 0.07043 0.07407］，...

′String′，｛′凌?！洌?..′FitBoxToText′，′off′，...

′EdgeColor′，′none′）；%其中［0.4163 0.3425 0.07043 0.07407］表示文本內(nèi)容在圖片中的位置［文本起始橫坐標文本起始縱坐標文本長度文本寬度］。同樣可以應用這種方法添加圖例說明，圖片題目，文字說明。

%確定圖例顏色%

annotation（gcf，′textbox′，［0.72 0.22 0.08 0.03］，...

′FitBoxToText′，′off′，...

′EdgeColor′，［0.96860.2941 0.9686］，...

′BackgroundColor′，［0.96860.2941

0.9686］）；%圖例的繪制是以文本框textbox為基礎的，其中［0.72 0.22 0.08 0.03］表示圖例在圖片中的位置［圖例起始橫坐標圖例起始縱坐標圖例長度圖例寬度］；［0.96860.2941

0.9686］表示圖例的顏色。注意圖例的顏色要與c）中規(guī)定的顏色一一對應。

%%%%%輸出圖片%%%%%%

set（gcf，′PaperPositionMode′，′auto′）%按照窗口大小輸出圖像

print-dbmp-r300降水分布圖%圖片格式為bmp格式，分辨率為300，其清晰度可以滿足業(yè)務需求。例如圖3是降水空間分布等值線圖。

圖3　降水空間分布等值線圖

4　制作可執(zhí)行文件

在氣象業(yè)務工作中，經(jīng)常需要將上述設計好的等值線程序制作成可執(zhí)行文件，通過輸入一些簡單的時間變量一鍵式就能實現(xiàn)等值線的繪制，這種人機交互的形式有利于不熟悉Matlab的氣象業(yè)務人員應用該軟件［12］。Matlab具備設計友好的圖形用戶界面（GUI）功能［1］。Matlab提供所有GUI支持的用戶控件，并且允許設計者對界面的外觀、屬性和行為相應方法進行設置。Matlab提供的GUI的開發(fā)環(huán)境（GUIDE）與VBVC類似，只要設計者直接用鼠標把需要的對象拖拽到目標的位置，就完成了GUI的布局設計。GUIDE將用戶設計完成的GUI存儲在一個FIG文件中，同時自動生成包含GUI初始化和GUI界面布局設置代碼的M-文件。生成可執(zhí)行文件的基本步驟為：a）進行GUI布局設計；b）將布局控件與相應的代碼程序鏈接，使其實現(xiàn)一定功能；c）生成可執(zhí)行文件，其代碼為“mcc-m可執(zhí)行文件名稱”。注意可執(zhí)行文件的名稱要與布局設置代碼M-文件的名稱一致，且不能為中文。圖4為應用Matlab開發(fā)的錦州市內(nèi)降水空間分布等值線繪制的一個可執(zhí)行文件界面。

圖4　生成可執(zhí)行文件界面

Matlab可以進行科學計算、數(shù)據(jù)分析和設計友好型界面。憑借其強大的科學運算、靈活的程序設計流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設計已經(jīng)在氣象業(yè)務研究中得到了廣泛的應用。本研究介紹了如何應用Matlab語言訪問SQL服務器，獲得區(qū)域自動站的氣象數(shù)據(jù)；通過數(shù)值統(tǒng)計分析后自動繪制成氣象等值線圖像；并在此基礎上設計形成人機交互的可執(zhí)行文件。應用Matlab一種語言就完成了數(shù)據(jù)的讀取、分析、可視化和人機交互友好界面，且操作方便，避免了不同計算機語言間的轉(zhuǎn)換。

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TP39

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.019

2015-11-10

張慧（1986年生），女，碩士，助理工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象、生態(tài)氣象服務。E-mail：zhanghui.107@163.com

史奎橋（1961年生），男，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象服務和農(nóng)業(yè)氣象試驗。E-mail：jzstynqzx@163.com