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用GMT绘制中国及周边构造分区与GPS速度场
2020-01-30
Mapping
GMT

GMT对地图的处理十分优秀，而且只需要短短几行代码。本文介绍了如何用等距圆锥投影绘制不同范围大小的地形图，以及如何在地形图上绘制断层、文字和矢量等。

这种图像通常出现在论文的第一幅图。主要介绍区域构造背景，根据不同的研究需要，可以叠加不同的信息。上图展示了最终图像，其包括了以下几个图层：

  • 等距圆锥投影底图
  • 地形起伏
  • 海岸线和国界
  • 带有三角标示的汇聚板块边界
  • 汇聚方向回汇聚速率标示
  • 中国大陆构造分区
  • 中国大陆GPS速度场

以上每一条都是一句或几句GMT命令，将他们按顺序写入脚本即可。

1. 绘制等距圆锥投影底图#

等距圆锥投影在所有经纬线的比例尺上都不会畸变，因此在绘制高纬度地图时通常选用这种投影方式。 其参数为：

-JD<lon>/<lat>/<lat1>/<lat2>/<width>
  • <lon>/<lat> 投影中心位置
  • <lat1>/<lat2> 两条标准纬线
  • <width> 图像宽度，后面可以跟单位i（英寸）、c（厘米）等

在这个例子中我们用-R选定绘图范围为

R=65/140/10/60

这时投影中心位置应设为

lon=(65+140)/2=102.5lon = (65+140)/2 = 102.5lat=(10+60)/2=35lat = (10+60)/2 = 35

两条标准纬线决定了圆锥的角度，这个可以根据自己的喜好修改，只需要保证他们的值不超过绘图范围即可。所以投影参数应该设置为

J=D102.5/35/36/42/7.5i

然后我们用psbasemap绘制底图。

Terminal window
gmt psbasemap -R$R -J$J -Bxa10f5 -Bya10f5 -BWSne -K > $ps

2. 绘制地形起伏#

截取地形数据#

绘制地形起伏需要用到地形起伏数据，GMT中文社区的数据集提供了不同分辨率的地形区起伏数据链接。由于地形起伏数据是通常是全球范围的，我们需要用到grdcut先将绘图范围内的地形起伏截取出来。

Terminal window
etopo=$data_dir/etopo1.grd #确定数据的位置
gmt grdcut $etopo -Gtopo.grd -R
  • -G选项指定了截取出来的文件路径。
  • -R表示截取范围继承上一个命令中的范围，在这里则继承psbasemap中的-R$R

绘制地形起伏#

这一步最重要的是选择一个好看的色标，图中色标是我自定义的一个全球色标，更多色标可以参考cpt-city。有色标之后就可以用grdimage命令绘制地形起伏

Terminal window
topocpt=$data_dir/cpt/china.cpt #确定色标文件的位置
gmt grdimage topo.grd -R -J -C$topocpt -O -K >> $ps

添加光照效果#

有时为了使图像更加立体，尤其是为了更好地反应造山带或海沟的特征这是一种很好的方式。这时我们需要先生成一个光照文件，在数学上其实是计算网格文件的方向梯度，所以使用grdgradient命令。

Terminal window
gmt grdgradient topo.grd -Ne0.7 -A50 -Gtopo_i.grd
  • topo.grd是之前截取出的地形起伏文件
  • -A50表示方向差分沿方位角50˚
  • -Ne0.7表示对计算后的梯度值做归一化。其归一化公式如下 gn=A(1.0−e2)g_n = A(1.0 - e^{\sqrt{2}}) 这里A=0.7A=0.7为归一化振幅
  • -Gtopo_i.grd表示输出文件topo_i.grd

现在需要修改上面的grdimage命令，在其中加入生成的光照文件，这时绘制地形起伏命令可以写为

Terminal window
gmt grdimage topo.grd -R -J -C$topocpt -O -K -Itopo_i.grd >> $ps

3. 绘制海岸线和国界#

GMT提供了全球的海岸线数据。也包括了国界，通过pscoast绘制它们。

Terminal window
gmt pscoast -R -J -O -K -A100000 -Dl -W0.3p -N1 >> $ps
  • -A指定了绘制湖泊和岛屿的最小面积，数值越小湖泊越密。这里的数值很大则忽略了绝大部分湖泊
  • -Dl指定了海岸线的精度为l（low），GMT提供了5个不同精度的版本，从高到低依次为：full、high、intermediate、low和crude对应f|h|i|l|c
  • -W0.3p指定了海岸线的粗细
  • -N1表示绘制国界（不可作为发表使用）。

4. 绘制板块边界和构造分区#

用psxy可以绘制这些信息，类似的数据集可以在GMT中文社区中找到

Terminal window
block=$data_dir/cntectonic.gmt
phpb=$data_dir/PlateBoundary/Philippine.plate
indianbp=$data_dir/PlateBoundary/Indian.plate


# tectonics
gmt psxy $block -R -J -O -K -W1.2p,255,-  >> $ps


# plate boundary
gmt psxy $phpb -R -J -O -K -W1.5p,0/105/167 -Sf0.5c/0.1c+r+t+o0.1 >> $ps
gmt psxy $indianbp -R -J -O -K -W1.5p,0/105/167 -Sf0.5c/0.1c+r+t+o0.1 >> $ps
  • 绘制构造分区时-W1.2p,255,-指定了线型：1.2p粗、白色和虚线
  • 绘制板块边界时-W1.5p,0/105/167中0/105/167表示用RGB方式指定颜色。
  • -Sf0.5c/0.1c+r+t+o0.1定义了表示俯冲方向的三角的位置和大小
    • 0.5c/0.1c分别表示相邻符号之间的距离和符号的大小，单位是厘米
    • +r表示符号绘制在线段右侧
    • +t表示符号为三角，更多断层符号请参考psxy说明
    • +o0.1表示线段上的第一个符号距离线段起始偏移0.1

5. 绘制GPS速度场#

GPS数据来源于 Zhao et al. (2015)，分别有以下几列

#  Velocities of campaign stations with respective to EURASIA plate from 2009-2014
#  Lon.— Longitude in angle degree
#  Lat.— Latitude in angle degree
#  Ve  — Velocity(mm/a) in east component
#  Vn  — Velocity(mm/a) in north component
#  sVe — Velocity error(mm/a) in east component
#  Vn  — Velocity error(mm/a) in north component
#  Site— station code
#  Lon.     Lat.    Ve     Vn       sVe     sVn     Site
   112.6    40.9    4.25   -0.12    0.19    0.21    A002
   112.4    40.2    4.85   -0.77    0.28    0.17    A004
   113.1    41.0    5.77   -2.54    0.88    0.70    A005
   113.2    40.8    3.49   -1.10    0.28    0.27    A006
......

对于这样的数据格式我们可以用psvelo并配合awk绘制

Terminal window
gps=$data_dir/gps_campagin.txt


awk '{print $1,$2,$3,$4,$5,$6,0}' $gps | gmt psvelo -J -R -Se0.02c/0.95/0 -A0.15c+e+p0.75p -G255/23/23 -W0.1p,255/23/23 -K -O >> $ps
  • psvelo中如果要绘制矢量则需要指定-Se，其要求输入有7列，前6列与数据中的前6列一致分别是经度、纬度、东西方向速度、南北方向速度、东西方向速度误差和南北方向速度误差（误差用于绘制置信椭圆）。第7列为两个方向的相关性。所以这里用awk输出数据表的前6列并将第7列设为0
  • -Se0.02c/0.95/0表示绘制矢量，0.02c表示矢量的缩放比例，即速度为1时矢量长度为0.02厘米；0.95表示绘制95%的置信椭圆；0设置文本大小，这里没有文本即为0
  • -A0.15c+e+p0.75p设置了箭头的大小、方向和粗细
  • -G255/23/23表示矢量填充的颜色

6. 绘制板块汇聚方向和回汇聚速率标示#

绘制板块汇聚方向示意#

本质上这是画了一个很粗的箭头。这里画单一箭头用psxy中的绘制矢量标示即可

Terminal window
echo 80 23 15 1c | gmt psxy -R -J -O -K -SV0.5c+e -W4p -G0 >> $ps
echo 133 22 310 1c | gmt psxy -R -J -O -K -SV0.5c+e -W4p -G0 >> $ps
  • 我们用echo命令为psxy输入了4列分别为经度、纬度、方向和矢量长度
  • -SV0.5c+e表示箭头大小为0.5厘米，箭头绘制在矢量尾端
  • -W4p矢量粗细为4p
  • -G0填充黑色

绘制汇聚速率文字标示#

GMT中pstext用于在图上添加文字。

Terminal window
echo 80 22 ~4 cm/yr | gmt pstext -A -R -J -O -K -F+f10p+a105 -G255 >> $ps
echo 134 21.8 ~8 cm/yr | gmt pstext -A -R -J -O -K -F+f10p+a40 -G255 >> $ps
  • 输入为三列分别是经度、纬度和文字内容
  • -A标示旋转角度为水平方向逆时针旋转的角度
  • -F+f10p+a105用于控制文字的属性
    • +f10p表示字体大小为10p
    • a105表示旋转105˚

7. 一些注意事项#

把这些命令按顺序写在脚本里就可以绘制出完整的图像，但为了脚本的规范我们还需注意

  • 所有的变量都应该在脚本开头定义，文中为了方便说明才分别定义了每一个变量。

  • 设置一些GMT参数来美化图像，GMT默认的边框我个人感觉有点粗可以设定其粗细和刻度文字大小

    Terminal window
    gmt set FONT_ANNOT_PRIMARY 10
    gmt set MAP_FRAME_WIDTH 0.08
    gmt set MAP_TICK_LENGTH_PRIMARY 0.08

  • 在所有绘图命令后加一句结尾语句。

    Terminal window
    gmt psxy -R -J -O -T >> $ps

  • 转换图像格式，建议最后将图像转化成一些通用的图像格式如jpg、png、pdf等

    Terminal window
    gmt psconvert -A -P -Tg $ps

  • 在脚本结尾删除中间文件。文中生成的 topo.grd、topo_i.grd 都属于中间文件，要在最后删除。如果进行来图像格式转化，ps文件也要删除。

用GMT绘制中国及周边构造分区与GPS速度场
https://fuwari.vercel.app/posts/gmt-map/
Author
Mijian Xu
Published at
2020-01-30
License
CC BY-NC-SA 4.0
用GMT、PyVista和Paraview对速度模型、地形起伏、Moho面起伏进行三维可视化
用GMT绘制极坐标剖面
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