Surfer软件在气象资料自动成图中的应用研究

余国河+吴苏+李鹏+阙艳红

摘要：Surfer软件具有强大的数据插值和绘图功能，可用于气象研究领域各种气象要素的数据资料处理与分析。基于Surfer软件提供的Surfer ActiveX Automation技术，通过在.NET环境中使用C#语言对Automation相关对象的属性设置与方法调用，完成不同气象要素等值线图的自动绘制。利用此原理并结合实际应用，实现了两套气象领域业务应用系统，业务运行表明系统界面友好、操作简单、功能完备并且专业有效，极大地提高了工作效率。

关键词：Surfer；数据插值；气象绘图；等值线图；C#

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8174-03

在气象研究领域，常常要处理和分析大批量的气象要素数据，其中必然涉及各种图件的绘制工作。随着现代计算机技术的发展与应用，各种专业绘图软件迅速面市，并且伴随业务应用的不断深入，绘图软件的性能和功能也在不断地提高和完善。传统手工绘制图件的过程不仅速度慢、效率低、而且绘图质量在很大程度上由业务人员的技术水平所决定。通过利用计算机绘制气象图件，不仅可以大大减轻工作量，提高工作效率，而且可以对原始数据进行预处理与分析，从而能够保证图件绘制的精度与准确性。在众多的绘图软件中，美国Golden Software公司编制的Surfer软件，以其直观易学、操作简单、功能完善、对系统要求低等优点得到广大用户的青睐，成为应用最广泛的绘图软件之一。

Surfer具有强大的数据插值功能和绘制图件能力，包括克里金法、距离倒数加权法、多元回归以及移动平均法等十二种插值方法都有提供，以便用来满足不同应用的插值需求，而且利用Surfer能够轻松制作基底图、等值线图、分类数据图、剖面图、3D曲面图等，已成为气象、地质、水文水利、土地管理工作者必备的专业成图软件[1]。Surfer软件还提供各种GIS软件文件格式的转换接口以及不同图形图像文件格式的输入输出接口，极大方便了数据的共享与转换，而且提供了Surfer ActiveX Automation技术，有效支持了基于Surfer软件的二次开发。论文结合Surfer软件强大的数据插值与绘图功能，提出通过C#调用Surfer自动绘制气象要素等值线图的自适应方法，针对土壤墒情监测和冻土深度监测业务应用领域，以相关领域气象整编资料为数据源，制作具有气象数据资料浏览与分析功能的业务应用软件。

1 Surfer软件

Surfer是在Windows操作环境下运行的二维和三维图形绘制软件，能够迅速地将离散的数据通过插值算法转换为连续的数据曲面，从而绘制等值线图、3D立体图、阴影地貌图、矢量图等。软件采用Automation技术公开其接口，提供了近60种不同种类的ActiveX Automation对象，它们几乎覆盖了Surfer的所有功能[2]。在安装Surfer软件之后，开发人员就可以在其他开发环境中创建、调用它所提供的Automation对象，用以实现相应的数据可视化功能。

1.1 原始数据准备

在使用Surfer软件进行图形绘制时，首先需要根据不同的作图目的，提供满足一定条件数据文件格式的原始数据。其中， ASCII码形式的XYZ数据格式是比较基本的格式。基于原始数据，就可以利用Surfer软件的网格化功能，将原始数据转换为基于网格图形的必须文件，然后再利用网格化的数据使用Surfer软件的绘图功能绘制各种图形，而使用Surfer软件最常见的应用就是从XYZ数据文件创建一个基于网格的各类图形。

1.2 离散数据插值

绘制等值线图时，关键的工作之一便是将离散点资料插值成规则的网格点资料。气象观测资料通常是离散点数据，通常包含有台站编号、台站名称、台站位置坐标（通常是经纬度）以及属性项（如降雨量、气温、土壤含水量等）等数据项，在进行数据分析前需要根据具体情况读取数据并生成离散点文本数据格式。Surfer软件提供了许多数学插值模型，如反距离加权插值法、最小曲率法、线性插值三角网法、克里金插值法、局部多项式法等，利用这些数学模型，可以很方便地进行插值。在实际应用中，应根据Surfer软件中不同插值方法的基本原理，针对各类数据不同的特点，以及要进行的各种不同的应用分析，科学地选择正确的插值方法[3]，进行参数设置生成网格文件，从而最终绘制出正确、有意义的等值线图。

1.3 绘图功能

Surfer软件的主要功能是绘制等值线图（Contour Map），此外还可以绘制post map， classed post map， vector map， image map， wireframe map，3d surface map 等形式的图形。在气象工作中，总是可以得到大量研究对象各方面特性或特征数据，在对其进行分析时，往往借助于等值线来对其进行一些必要的分析[4]。在将气象领域离散点资料处理成GRD文件格式以后，利用Surfer软件的Contour功能便可进行等线图的绘制。在应用中，可能为了更好结合实际业务以及美观的要求，需要进行一些额外的设置[5-7]，例如等值线颜色填充与否、等值线间隔、数据轴修改、散点图数据点和图形图层的使用、透明度、色阶和标题、网格文件的白化、地理信息的叠加等。

1.4 Surfer ActiveX Automation技术

Surfer软件具有独特的绘图功能和开放的接口技术，它提供了开放的对象调用，通过属性和方法实现对Surfer相关功能的调用，实现Surfer应用的二次开发功能。一方面Surfer软件的Scripter程序能够适用于任何ActiveX自动化兼容的客户端，从而很容易使用各种ActiveX客户端编程语言来定制Surfer功能。另一方面Surfer软件采用Automation技术来公开其接口[8]，Automation接口是指具有Automation功能的服务器系统提供的允许其它外部程序访问其对象的编程接口，即一个应用程序通过某个对象去“操纵”另一个应用程序的机制。通过Surfer提供的ActiveX Automation编程接口，允许Scripter脚本工具或其他高级编程语言（如VB、C#、C++等）编程调用Surfer的绘图功能[9]，从而可以灵活采用各种编程语言进一步开发，快速、批量地进行图形绘制，极大地提高工作效率。endprint

2 C#与Surfer自动化接口

C#是微软公司发布的一种运行于.NET Framework框架之上的、面向对象的高级程序设计语言。C#由C语言和C++派生而来，在继承了其强大性能的同时，又依靠.NET框架类库，具有类似Visual Basic的快速开发能力。当前，C#以其强大的操作能力、优雅的语法风格、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言[10，11]。实现气象专题图的绘制功能，主要是在.NET平台下，利用C#语言通过对Surfer Automation接口提供的系列对象的调用来实现。Surfer Automation对象模型层次结构如图1所示。

2.1 Surfer Automation对象介绍

Surfer Automation对象模型由一系列的对象构成，每个对象又有若干方法和属性构成，通过访问具体的方法和属性能够调用Surfer对应的功能。其中，常用的自动化对象有：Application、Documents、Shapes、MapFrame、ContourMap等。Application对象表示Surfer程序，在所有的Surfer自动化对象中Application对象是最基本的，在调用Surfer进行绘图前需要先对其进行实例化。Documents对象是文档类对象的基类，它派生出的类有PlotDocument、WksDocument等，其中PlotDocument对象对应Surfer软件中的工作场景，而WksDocument对象对应的是工作表。Shapes是所有绘图对象的集合。利用Surfer进行二次开发时，借助通过对各个对象赋予不同的参数值和调用对象具体的方法，就可以实现Surfer的自动化技术。

2.2 核心代码实现

按照Surfer软件中基于网格的图形类型的绘制流程，.NET环境中利用C#语言调用Surfer软件进行等值线的自动绘制与输出主要可以分为如下4个步骤：（1） 实例化Application对象并进行相关设置，从而启动Surfer程序；（2） 读取XYZ数据文件，进行数据列信息、网格化方法、网格线几何特征等网格化相关参数设置后生成GRD文件；（3） 读取GRD文件，进行等值线相关参数设置后生成叠加基底图的等值线图；（4） 设置输出参数，并导出等值线图。其中部分关键代码如下：

3 应用

在气象科研中，通过使用仪器设备对气象要素进行监测时会产生大量的资料数据，如果使用传统手段对这些数据进行分析将会面临工作量大、效率低、易出错的问题，在绘制不同气象要素的等值线图时尤为明显。因此，在实际应用中，利用Surfer强大的数据插值与绘图功能，根据不同业务领域的特点，在.NET环境中利用C#语言实现了不同气象要素数据的浏览与分析功能。

3.1 基于GStar-II观测仪的土壤墒情浏览系统

该软件用于土壤水分的分析、研究，目前实现了对土壤重量含水率、体积含水量、土壤相对湿度和有效水分贮存量四种土壤水分要素的区域水分分布图、多层逐时曲线图和多站逐时曲线图三种显示方式的浏览和查询，软件的“水分分布图”功能则是利用上文所述的原理实现的。针对河南省各个县市安装的125套土壤水分自动观测站，自动收集2013年10月22日且土壤深度为10CM的重量含水率观测数值并进行平均值计算，利用软件的“水分分布图”功能自动分析得出河南省土壤水分（重量含水率）分布图，具体实现效果如图2所示。

3.2 基于GStar-IV观测仪的冻土监测浏览系统

该软件用于土壤冻融的分析、研究，目前实现了对土壤重量含水率、体积含水量、土壤相对湿度和有效水分贮存量、地温、冻土深度和干土层厚度七种土壤水分要素的区域水分分布图、多层逐时曲线图和多站逐时曲线图三种显示方式的浏览和查询，其中，冻土深度数值是结合当地土壤环境特征，并根据各层次土壤温度与土壤水分含量，利用一定的算法计算得出的。针对全国试点安装的11套冻土深度与干土层厚度自动观测仪，自动收集2013年1月22日冻土深度观测数值，利用该软件的“冻土与干土层分布”功能自动分析得出中国冻土分布图，具体实现效果如图3所示。

4 结论

基于Surfer软件强大的数据插值与绘图功能，能够对气象资料数据进行有效且深入的分析。论文通过对Surfer ActiveX Automation技术进行深入研究，利用Surfer Application编程接口，在.NET环境中利用C#语言实现了等值线图的自动绘制。利用上述原理并结合实际应用，实现了“基于GStar-II观测仪的土壤墒情浏览系统”与“基于GStar-IV观测仪的冻土监测浏览系统”两套业务应用系统，系统界面友好、操作简单、功能完备且专业有效，极大地提高了工作效率。随着今后工作的深入，可以在此基础上进行更为专业复杂的业务系统开发。

参考文献：

[1] 张宗灏，王咏青，景安华，等.中尺度自动气象站Web图形显示系统[J].气象科技，2008，36（3）：372-374.

[2] 厉玉昇，申双和，冶林茂，等.C++与Surfer Automation在气象绘图中的应用[J].计算机应用与软件，2008，25（4）：279-280.

[3] 卢涵宇，王华军，柳锦宝，等.基于Surfer的地学数据快速可视化研究及应用[J].广西大学学报：自然科学版，2011，36（2）：279-284.

[4] 张铁军，王锡稳，张鸿，等.Surfer自动控制技术在气象资料自动成图中的应用[J].干旱气象，2007，25（2）：90-94.

[5] 陈忠云，陈华，张亚斌，等.应用Surfer Automation绘制地质等值线图[J].物探化探计算技术，2009，31（4）：409-413.

[6] 杨晓武，黄兴友，徐平.加密自动气象站实时监控与查询显示系统[J].气象科技，2008，36（4）：506-509.

[7] 李兴宝，候方.基于自动气象站与自动雨量站的气象服务、监视及自动报警系统[J].气象科技，2009，37（1）：110-113.

[8] 陈正旭，封秀燕，王亚云.多岛屿地图上绘制气象要素等值线色块的自适应方法[J].气象科技，2009，37（3）：356-359.

[9] 沈良朵，邹志利.融合MATLAB和SURFER的三维地形自动可视化处理[J].计算机工程与应用，2012，48（3）：17-21.

[10] 申启杰，凌捷.基于C#的插件框架设计和实现[J].计算机应用与软件，2010，27（1）：148-150.

[11] 刘四方，尹晓旭，郭亚坤.基于C#的船载测控设备远程监控系统实现[J].计算机应用与软件，2012（3）：298-300.endprint

2 C#与Surfer自动化接口

C#是微软公司发布的一种运行于.NET Framework框架之上的、面向对象的高级程序设计语言。C#由C语言和C++派生而来，在继承了其强大性能的同时，又依靠.NET框架类库，具有类似Visual Basic的快速开发能力。当前，C#以其强大的操作能力、优雅的语法风格、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言[10，11]。实现气象专题图的绘制功能，主要是在.NET平台下，利用C#语言通过对Surfer Automation接口提供的系列对象的调用来实现。Surfer Automation对象模型层次结构如图1所示。

2.1 Surfer Automation对象介绍

Surfer Automation对象模型由一系列的对象构成，每个对象又有若干方法和属性构成，通过访问具体的方法和属性能够调用Surfer对应的功能。其中，常用的自动化对象有：Application、Documents、Shapes、MapFrame、ContourMap等。Application对象表示Surfer程序，在所有的Surfer自动化对象中Application对象是最基本的，在调用Surfer进行绘图前需要先对其进行实例化。Documents对象是文档类对象的基类，它派生出的类有PlotDocument、WksDocument等，其中PlotDocument对象对应Surfer软件中的工作场景，而WksDocument对象对应的是工作表。Shapes是所有绘图对象的集合。利用Surfer进行二次开发时，借助通过对各个对象赋予不同的参数值和调用对象具体的方法，就可以实现Surfer的自动化技术。

2.2 核心代码实现

按照Surfer软件中基于网格的图形类型的绘制流程，.NET环境中利用C#语言调用Surfer软件进行等值线的自动绘制与输出主要可以分为如下4个步骤：（1） 实例化Application对象并进行相关设置，从而启动Surfer程序；（2） 读取XYZ数据文件，进行数据列信息、网格化方法、网格线几何特征等网格化相关参数设置后生成GRD文件；（3） 读取GRD文件，进行等值线相关参数设置后生成叠加基底图的等值线图；（4） 设置输出参数，并导出等值线图。其中部分关键代码如下：

3 应用

在气象科研中，通过使用仪器设备对气象要素进行监测时会产生大量的资料数据，如果使用传统手段对这些数据进行分析将会面临工作量大、效率低、易出错的问题，在绘制不同气象要素的等值线图时尤为明显。因此，在实际应用中，利用Surfer强大的数据插值与绘图功能，根据不同业务领域的特点，在.NET环境中利用C#语言实现了不同气象要素数据的浏览与分析功能。

3.1 基于GStar-II观测仪的土壤墒情浏览系统

该软件用于土壤水分的分析、研究，目前实现了对土壤重量含水率、体积含水量、土壤相对湿度和有效水分贮存量四种土壤水分要素的区域水分分布图、多层逐时曲线图和多站逐时曲线图三种显示方式的浏览和查询，软件的“水分分布图”功能则是利用上文所述的原理实现的。针对河南省各个县市安装的125套土壤水分自动观测站，自动收集2013年10月22日且土壤深度为10CM的重量含水率观测数值并进行平均值计算，利用软件的“水分分布图”功能自动分析得出河南省土壤水分（重量含水率）分布图，具体实现效果如图2所示。

3.2 基于GStar-IV观测仪的冻土监测浏览系统

该软件用于土壤冻融的分析、研究，目前实现了对土壤重量含水率、体积含水量、土壤相对湿度和有效水分贮存量、地温、冻土深度和干土层厚度七种土壤水分要素的区域水分分布图、多层逐时曲线图和多站逐时曲线图三种显示方式的浏览和查询，其中，冻土深度数值是结合当地土壤环境特征，并根据各层次土壤温度与土壤水分含量，利用一定的算法计算得出的。针对全国试点安装的11套冻土深度与干土层厚度自动观测仪，自动收集2013年1月22日冻土深度观测数值，利用该软件的“冻土与干土层分布”功能自动分析得出中国冻土分布图，具体实现效果如图3所示。

4 结论

基于Surfer软件强大的数据插值与绘图功能，能够对气象资料数据进行有效且深入的分析。论文通过对Surfer ActiveX Automation技术进行深入研究，利用Surfer Application编程接口，在.NET环境中利用C#语言实现了等值线图的自动绘制。利用上述原理并结合实际应用，实现了“基于GStar-II观测仪的土壤墒情浏览系统”与“基于GStar-IV观测仪的冻土监测浏览系统”两套业务应用系统，系统界面友好、操作简单、功能完备且专业有效，极大地提高了工作效率。随着今后工作的深入，可以在此基础上进行更为专业复杂的业务系统开发。

参考文献：

[1] 张宗灏，王咏青，景安华，等.中尺度自动气象站Web图形显示系统[J].气象科技，2008，36（3）：372-374.

[2] 厉玉昇，申双和，冶林茂，等.C++与Surfer Automation在气象绘图中的应用[J].计算机应用与软件，2008，25（4）：279-280.

[3] 卢涵宇，王华军，柳锦宝，等.基于Surfer的地学数据快速可视化研究及应用[J].广西大学学报：自然科学版，2011，36（2）：279-284.

[4] 张铁军，王锡稳，张鸿，等.Surfer自动控制技术在气象资料自动成图中的应用[J].干旱气象，2007，25（2）：90-94.

[5] 陈忠云，陈华，张亚斌，等.应用Surfer Automation绘制地质等值线图[J].物探化探计算技术，2009，31（4）：409-413.

[6] 杨晓武，黄兴友，徐平.加密自动气象站实时监控与查询显示系统[J].气象科技，2008，36（4）：506-509.

[7] 李兴宝，候方.基于自动气象站与自动雨量站的气象服务、监视及自动报警系统[J].气象科技，2009，37（1）：110-113.

[8] 陈正旭，封秀燕，王亚云.多岛屿地图上绘制气象要素等值线色块的自适应方法[J].气象科技，2009，37（3）：356-359.

[9] 沈良朵，邹志利.融合MATLAB和SURFER的三维地形自动可视化处理[J].计算机工程与应用，2012，48（3）：17-21.

[10] 申启杰，凌捷.基于C#的插件框架设计和实现[J].计算机应用与软件，2010，27（1）：148-150.

[11] 刘四方，尹晓旭，郭亚坤.基于C#的船载测控设备远程监控系统实现[J].计算机应用与软件，2012（3）：298-300.endprint

2 C#与Surfer自动化接口

C#是微软公司发布的一种运行于.NET Framework框架之上的、面向对象的高级程序设计语言。C#由C语言和C++派生而来，在继承了其强大性能的同时，又依靠.NET框架类库，具有类似Visual Basic的快速开发能力。当前，C#以其强大的操作能力、优雅的语法风格、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言[10，11]。实现气象专题图的绘制功能，主要是在.NET平台下，利用C#语言通过对Surfer Automation接口提供的系列对象的调用来实现。Surfer Automation对象模型层次结构如图1所示。

2.1 Surfer Automation对象介绍

Surfer Automation对象模型由一系列的对象构成，每个对象又有若干方法和属性构成，通过访问具体的方法和属性能够调用Surfer对应的功能。其中，常用的自动化对象有：Application、Documents、Shapes、MapFrame、ContourMap等。Application对象表示Surfer程序，在所有的Surfer自动化对象中Application对象是最基本的，在调用Surfer进行绘图前需要先对其进行实例化。Documents对象是文档类对象的基类，它派生出的类有PlotDocument、WksDocument等，其中PlotDocument对象对应Surfer软件中的工作场景，而WksDocument对象对应的是工作表。Shapes是所有绘图对象的集合。利用Surfer进行二次开发时，借助通过对各个对象赋予不同的参数值和调用对象具体的方法，就可以实现Surfer的自动化技术。

2.2 核心代码实现

按照Surfer软件中基于网格的图形类型的绘制流程，.NET环境中利用C#语言调用Surfer软件进行等值线的自动绘制与输出主要可以分为如下4个步骤：（1） 实例化Application对象并进行相关设置，从而启动Surfer程序；（2） 读取XYZ数据文件，进行数据列信息、网格化方法、网格线几何特征等网格化相关参数设置后生成GRD文件；（3） 读取GRD文件，进行等值线相关参数设置后生成叠加基底图的等值线图；（4） 设置输出参数，并导出等值线图。其中部分关键代码如下：

3 应用

在气象科研中，通过使用仪器设备对气象要素进行监测时会产生大量的资料数据，如果使用传统手段对这些数据进行分析将会面临工作量大、效率低、易出错的问题，在绘制不同气象要素的等值线图时尤为明显。因此，在实际应用中，利用Surfer强大的数据插值与绘图功能，根据不同业务领域的特点，在.NET环境中利用C#语言实现了不同气象要素数据的浏览与分析功能。

3.1 基于GStar-II观测仪的土壤墒情浏览系统

该软件用于土壤水分的分析、研究，目前实现了对土壤重量含水率、体积含水量、土壤相对湿度和有效水分贮存量四种土壤水分要素的区域水分分布图、多层逐时曲线图和多站逐时曲线图三种显示方式的浏览和查询，软件的“水分分布图”功能则是利用上文所述的原理实现的。针对河南省各个县市安装的125套土壤水分自动观测站，自动收集2013年10月22日且土壤深度为10CM的重量含水率观测数值并进行平均值计算，利用软件的“水分分布图”功能自动分析得出河南省土壤水分（重量含水率）分布图，具体实现效果如图2所示。

3.2 基于GStar-IV观测仪的冻土监测浏览系统

该软件用于土壤冻融的分析、研究，目前实现了对土壤重量含水率、体积含水量、土壤相对湿度和有效水分贮存量、地温、冻土深度和干土层厚度七种土壤水分要素的区域水分分布图、多层逐时曲线图和多站逐时曲线图三种显示方式的浏览和查询，其中，冻土深度数值是结合当地土壤环境特征，并根据各层次土壤温度与土壤水分含量，利用一定的算法计算得出的。针对全国试点安装的11套冻土深度与干土层厚度自动观测仪，自动收集2013年1月22日冻土深度观测数值，利用该软件的“冻土与干土层分布”功能自动分析得出中国冻土分布图，具体实现效果如图3所示。

4 结论

基于Surfer软件强大的数据插值与绘图功能，能够对气象资料数据进行有效且深入的分析。论文通过对Surfer ActiveX Automation技术进行深入研究，利用Surfer Application编程接口，在.NET环境中利用C#语言实现了等值线图的自动绘制。利用上述原理并结合实际应用，实现了“基于GStar-II观测仪的土壤墒情浏览系统”与“基于GStar-IV观测仪的冻土监测浏览系统”两套业务应用系统，系统界面友好、操作简单、功能完备且专业有效，极大地提高了工作效率。随着今后工作的深入，可以在此基础上进行更为专业复杂的业务系统开发。

参考文献：

[1] 张宗灏，王咏青，景安华，等.中尺度自动气象站Web图形显示系统[J].气象科技，2008，36（3）：372-374.

[2] 厉玉昇，申双和，冶林茂，等.C++与Surfer Automation在气象绘图中的应用[J].计算机应用与软件，2008，25（4）：279-280.

[3] 卢涵宇，王华军，柳锦宝，等.基于Surfer的地学数据快速可视化研究及应用[J].广西大学学报：自然科学版，2011，36（2）：279-284.

[4] 张铁军，王锡稳，张鸿，等.Surfer自动控制技术在气象资料自动成图中的应用[J].干旱气象，2007，25（2）：90-94.

[5] 陈忠云，陈华，张亚斌，等.应用Surfer Automation绘制地质等值线图[J].物探化探计算技术，2009，31（4）：409-413.

[6] 杨晓武，黄兴友，徐平.加密自动气象站实时监控与查询显示系统[J].气象科技，2008，36（4）：506-509.

[7] 李兴宝，候方.基于自动气象站与自动雨量站的气象服务、监视及自动报警系统[J].气象科技，2009，37（1）：110-113.

[8] 陈正旭，封秀燕，王亚云.多岛屿地图上绘制气象要素等值线色块的自适应方法[J].气象科技，2009，37（3）：356-359.

[9] 沈良朵，邹志利.融合MATLAB和SURFER的三维地形自动可视化处理[J].计算机工程与应用，2012，48（3）：17-21.

[10] 申启杰，凌捷.基于C#的插件框架设计和实现[J].计算机应用与软件，2010，27（1）：148-150.

[11] 刘四方，尹晓旭，郭亚坤.基于C#的船载测控设备远程监控系统实现[J].计算机应用与软件，2012（3）：298-300.endprint