MATLAB在地理地圖中的應(yīng)用x

1、MATLAB在地理地圖中的應(yīng)用一、引言1、MATLAB是Math Work公司推出的一款功能十分強(qiáng)大的工程語言，也被稱為矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory），它是計(jì)算數(shù)學(xué)專家倡導(dǎo)并開發(fā)的，其主要的功能是矩陣數(shù)值運(yùn)算。MATLAB作為一個(gè)科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，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(jí)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)。與其它程序設(shè)計(jì)語言相比，它的功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)，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(yīng)用問題的求解工具。工具箱世紀(jì)上是

2、對(duì)MATLAB進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用的一系列MATLAB函數(shù)，可以用來求解各類學(xué)科的問題，包括信號(hào)處理、圖像處理、小波分析，自動(dòng)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(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算軟件的標(biāo)準(zhǔn)。在地理信息處理方面，MATLAB的mapping工具箱同時(shí)支持對(duì)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、Arc GIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（Environment System Research Institute，縮寫ERSI）研制的GIS軟件，是世界上應(yīng)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(gè)ARC/IN

3、FO產(chǎn)品誕生以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及GIS技術(shù)的不斷成熟，1999年推出的Arc Info 8;2001年7月ERSI至GIS體系結(jié)構(gòu)模式:，到現(xiàn)在已推出Arc GIS10.2，ERSI的GIS產(chǎn)品不斷更新、擴(kuò)展，形成適應(yīng)各種用戶、各種機(jī)型的系列產(chǎn)品。Arc GIS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、制圖與輸出等方面具有強(qiáng)大的功能。制圖最大的特點(diǎn)是基于已有的地理數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)地圖圖元進(jìn)行隨意的繪制和修改，能夠靈活的修改地圖的每個(gè)細(xì)節(jié)，但是地圖生產(chǎn)過

4、程非常緩慢，也不適應(yīng)做多個(gè)專題的地圖生產(chǎn)。使用GIS平臺(tái)進(jìn)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(hào)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(hào)化，故此，對(duì)于烏龜這的地圖符號(hào)的表達(dá)需要耗費(fèi)一定的時(shí)間。制圖的難點(diǎn)：盡管已經(jīng)擁有地理數(shù)據(jù)，然而對(duì)于地圖制圖來說，這只是最基本的一個(gè)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(biāo)的幾何圖形，本身不存在任何的符號(hào)，要把這些數(shù)字化圖形轉(zhuǎn)化為我們所能識(shí)別的地圖，還需要進(jìn)行所謂的“符號(hào)化”過程，也就是我們常說的配圖。如果要進(jìn)一步制圖專題圖，也許還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理（如坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分割、要素聚合和簡化、幾何邏輯驗(yàn)證

5、、字段處理等）以及制作基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的地圖符號(hào)庫。這對(duì)于地圖的生產(chǎn)者來說，在對(duì)于數(shù)據(jù)、行業(yè)符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)計(jì)算軟件，很好的結(jié)合了數(shù)值和符號(hào)計(jì)算引擎，圖形系統(tǒng)，編程軟件，文本系統(tǒng)和其他應(yīng)用的高級(jí)連接。Mathematica是由美國科學(xué)家斯蒂芬·沃爾夫領(lǐng)導(dǎo)的沃爾夫勒姆研究公司開發(fā)的一款廣泛使用的計(jì)算軟件。它擁有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)運(yùn)算能力。最初，Mathematica的影響主要限于物理學(xué)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域。但是，隨著時(shí)間的變化，mathematica在許多在重要的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，它已經(jīng)被應(yīng)用于科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域

6、：物理、生物、社會(huì)學(xué)和其它領(lǐng)域。Wolfram Research 于2011年3月23日發(fā)布了Mathematica 8.0.1簡體中文版。該版本增加了500多個(gè)新函數(shù)，功能涵蓋更多應(yīng)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(jì)的中文互動(dòng)實(shí)力，使中國用戶學(xué)習(xí)和使用Mathematica更加方便快捷。以下給了一個(gè)用Mathematica繪圖的例子：4、GMT（the Genertic Mapping tools）是一款準(zhǔn)用于繪制地圖的軟件，也是一個(gè)被地理學(xué)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(xué)基金會(huì)的資助。我們

7、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(qiáng)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(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)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(biāo)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(gè)與地震有關(guān)的圖像實(shí)例：繪制全球圖：pscoast -JM25c -R0/360/-65/65 -B60/30 -W1/1p -N1/red -N2 -A500 -Gyellow -

8、Slightblue -Cblue > map.ps該圖繪制了：u 海岸線，筆寬1p；u 國界線，筆寬默認(rèn)0.25p；u 州界，默認(rèn)畫筆屬性；u 陸地填充色黃色；u 海洋淺藍(lán)色；u 內(nèi)陸湖泊藍(lán)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（Interactive Data Language）一直是應(yīng)用程序開發(fā)和科學(xué)家

9、進(jìn)行可是話語分析的首選語言。它時(shí)進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)分析、可視化表達(dá)和跨平臺(tái)應(yīng)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(yīng)用，IDL集成了各種工程所需的可視化和分析工具。由于其強(qiáng)大的功能和獨(dú)特的特點(diǎn)，IDL語言可應(yīng)用于任何領(lǐng)域的三維數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值計(jì)算、三維圖像建模、科學(xué)數(shù)據(jù)讀取等功能中，概括的說，在地球科學(xué)（包括氣象、說文、海洋、土壤、地質(zhì)、地下水等）、醫(yī)學(xué)影像、圖像處理、GIS系統(tǒng)，軟件開發(fā)、搞笑啊教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室、測試技術(shù)、天文、航空航天、信號(hào)處理、防御工程、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、華寧工程領(lǐng)域，IDL語言都可以得到廣泛而又深遠(yuǎn)的應(yīng)用。IDL語言的可視化的優(yōu)勢：u 支持基于OpenGL的硬件加速

10、圖形技術(shù)。u 快速的二維繪圖、多位繪圖、體積可視化、圖像顯示、動(dòng)畫、可以及時(shí)觀察到計(jì)算的結(jié)果u 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。u 同時(shí)支持多種工作方式?！懊罱换ナ健保俺绦驁?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(shí)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,ma

11、jor=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提供的與地理信息系統(tǒng)密切相關(guān)的工具箱，為地理信息處理提供一個(gè)使用方便、功能強(qiáng)大的信息處理環(huán)境。它同時(shí)支持對(duì)向量和柵格地圖進(jìn)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，Mappin

12、g工具箱具有如下幾個(gè)主要的特點(diǎn)。1) 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(duì)向量或者柵格地圖的操作和分析。2) 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。3) 功能強(qiáng)大的地圖顯示。對(duì)于向量數(shù)據(jù)，mapping工具箱可以進(jìn)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(shí)還支持諸如向量場繪制、條形繪制等各種專題圖繪制。4) 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(dá)簡化了地圖及atlas數(shù)據(jù)顯

13、示、操作和提取。同時(shí)，對(duì)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(biāo)；格式：axesm(Property Name，Property Value，);plotm:投影二維直線到當(dāng)前的地圖坐標(biāo)；格式：plotm(lat,lon);surfm:投影數(shù)據(jù)網(wǎng)格到當(dāng)前的地圖坐標(biāo)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(huì)為地理網(wǎng)

14、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(biāo)，也可以是一個(gè)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(yīng)用實(shí)例MATLAB在地理學(xué)中，以及地球科學(xué)中的應(yīng)用廣泛。被大量的使用在了工程計(jì)算和地圖顯示和制作中。1、繪制全球海

15、岸線%載入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是世界海岸線圖>> load coast%新建地圖坐標(biāo)軸，投影方式為Mercator投影>> axesm mercator%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(gè)地圖坐標(biāo)，其投影方式以及經(jīng)緯度范圍自動(dòng)適應(yīng)法國的區(qū)域>> h=worldmap('France');%讀取相應(yīng)的shapfile文件到工作空間中，landareas中是polygon類型的數(shù)據(jù)>> landareas=shaperead('landa

16、reas.shp','UseGeoCoords',true);%繪制地圖>> geoshow(landareas,'FaceColor',1 1 .5); %以向量的形式 保存Eiffel Tower的位置>> TowerLat=48.85;>> TowerLon=2.28;%在地圖上添加紅點(diǎn)來指示Tower的位置，并標(biāo)注它>> geoshow(TowerLat,TowerLon,'marker','.','MarkerEdgeColor','red&

17、#39;)>> textm(TowerLat,TowerLon+0.5,'Eiffel Tower');%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(dǎo)入柵格數(shù)據(jù)文件topo>> load topo topo%topo包括上高程數(shù)據(jù)，構(gòu)造一個(gè)隊(duì)地理參考topo的參考矩陣>> topoR=makerefmat('RasterSize',size(topo),'Latlim',-90 90,'Lonlim',0 360);%構(gòu)造一個(gè)equal-area 投影坐標(biāo)來觀看地形數(shù)據(jù)>> axesm sinusoid%產(chǎn)生一個(gè)暈渲地形圖>> geoshow(topo,topoR,'DisplayType','texturemap')%應(yīng)用一個(gè)合適的地形圖顏色映射>>