GMT5 Tutorial

GMT5 教程 | 編者: Po-Chin Tseng

製作地圖(地理投影法)

目錄

  1. 總覽
  2. GMT介紹及安裝
  3. 網路資源及配套軟體
  4. 第零章: 基本概念及默認值
  5. 第一章: 製作地圖(地理投影法)
  6. 第二章: XY散佈圖(其他投影法)
  7. 第三章: 等高線圖及剖面
  8. 第四章: 地形圖與色階
  9. 第五章: 地震活動性與機制解
  10. 第六章: 向量與速度場
  11. 第七章: 台灣地理資訊
  12. 第八章: 直方、圓餅、三元圖
  13. 第九章: 三維空間視圖
  14. 第十章: 地質圖

5. 投影法

GMT在投影法方面，分成兩部份，如下圖，一部份是地理投影法，另一部分是其他投影法，

本章節將主要介紹地理投影法，其中又分成四個子部份，分別是:

5.1 目的

本章將學習如何繪製

  1. 麥卡托投影法(Mercator Projection)
  2. 蘭伯特正形圓錐投影(Lambert Conic conformal Projection)
  3. 等距方位投影(Azimuthal Equidistant Projection)
  4. 羅賓森投影法(Robinson Projection)

將依序利用這四種繪製台灣、美國、桃園機場的航線圖以及世界行政分區地圖。

5.2 學習的指令與概念

5.3 麥卡托投影(-Jm -JM)

首先可以從Google Map或是Google Earth抓出台灣的經緯度範圍，

使用十進制度小數的格式是由於數學計算上的方便以及GMT預設採用的座標表示法，關於經緯度表示格式之間的轉換關係， 可以參考WIKI百科。 請開啟命令提式字元(cmd.exe)或是終端機(terminal)，開啟方式可參考4-1， 接著輸入下方指令:

gmt pscoast

會看到一連串關於pscoast的說明，如果你對各選項的意思已經了解，可以透過:

gmt pscoast -

你將只看到選項用法出現在影幕上。通常GMT指令的語法如下:

gmt 模組 (輸入檔) [-選項1 -選項2 -選項3 ...] > 輸出檔名.ps

簡單來說，先選定你要用的模組，給定輸入的資料，配合該模組底下的選項，來達到你要繪製的圖形， 而-開頭會被GMT視作選項，沒有-開頭則被當做資料，所以其先後順序沒差， 不過為養成好習慣，建議按照下面的範例來輸入每一行指令。

# 第1行
gmt psxy (輸入檔) -J -R [-選項1 -選項2 ...] -K  > 輸出檔名.ps
# 中間各行
gmt psxy (輸入檔) -J -R [-選項1 -選項2 ...] -K -O >> 輸出檔名.ps
                          .  
                          .  
                          .
# 最後1行
gmt psxy (輸入檔) -J -R [-選項1 -選項2 ...] -O >> 輸出檔名.ps

這樣的好處是，在debug時候，可以快速發現自己遺漏了哪個部份，而>及>> 符號為輸出導向的符號，分別是「取代」與「累加」。

pscoast屬於比較特殊的模組，它可以用來畫海岸線、國界、河流等等的資訊，如果你在安裝GMT時有特別注意的話 你會發現在安裝GMT時，一同安裝的GSHHG資料庫，裡面包含上述的資訊，而pscoast會去調用此資料庫的資料， 因此不需要給定輸入檔，只需透過選項來調用需要的資訊。接下來，我們來看會用到的選項有哪些，中括號[]表示可選選項， 剩下的是必選選項。

選定好的範圍是119.0/123.0/21.5/26.0，預定地圖的寬度為15公分，海洋顏色為藍色，海岸線的寬度是1公分， 顏色及樣式則採用預設值黑色及實線，指令如下:

gmt pscoast -R119.0/122.5/21.5/26.0 -JM18 -S0/0/255 -W1 > 5_3_taiwan.ps

來看看結果的圖長什麼樣。

在預設紙張大小為A4的情況下，看到台灣北部並沒有被涵蓋在A4的紙張上，是什麼原因呢？ 原來是因為GMT預設紙張方向是橫向(Landscape)，如果要改成縱向(Portrait)，需要加上-P這個選項。 再來是這海岸線的解析度也太粗糙了吧！我們可以透過-D這個選項來改善這問題，其解析成度分別是 詳細(full)、高度(high)、中度(intermediate)、 低度(low)、粗糙(crude)，海岸線的解析度預設值是低度(l)， 也可以透過自動(auto)，依照地圖尺寸來決定海岸線的解析度。 接著陸地是白色，似乎有點單調，來試看看用-G英文單字，來更改陸地的顏色， 於是乎將指令改寫如下:

gmt pscoast -R119.0/122.5/21.5/26.0 -JM18 -S0/0/255 -Gspringgreen2 -W1 -Df -P > 5_3_taiwan.ps

看起來，這圖已經有點起色了，但好像還缺少點什麼，例如地圖比例尺(map scale)、 地圖方向標(map directional rose)、座標框架(map boundary frame and axes attributes)等等， 這些我們將在下一節提到。

5.4 蘭伯特投影(-Jl -JL)

美國幅員遼闊，經度橫跨約55度，且主要在中緯度，不適合使用麥卡托投影(-JM)，因此這邊介紹蘭伯特投影法(-JL)。 與前一節一樣，先初步畫出美國的國土，給定範圍在-130/-66/24/52，但-JL的用法較不一樣， 它需要的格式是-JL中心點經度/中心點緯度/固定緯度線1/固定緯度線2/寬度，指令如下:

gmt pscoast -R-130/-66/24/52 -JL-98/35/33/45/25 -S0/0/255 -Gspringgreen2 -W1 -Df > 5_4_unitedstate.ps

其結果為

中心點的經度，表示該經度線為垂直線，而中心點緯度則不影響，兩條固定緯度線則請想像用圓錐去罩住一顆球， 當你罩的緯度範圍越大，越接近平面。接下來看看有什麼地方需要改善，

透過上述的選項，將這張美國地圖做了一些改善，包括省略面積500km^2以下的湖泊，加上經緯度外框、網格線、 比例尺、方向標，更改湖泊、河川的顏色，把墨西哥(MX)及加拿大(CA)國土變成灰色，以下是指令及成果圖。

gmt pscoast -R-130/-66/24/52 -JL-98/35/33/45/25 -A500 -BWESN ^
-Bxa10g10 -Bya10f5g10 -C104/210/223 -Df -EMX,CA+g210 ^
-Gspringgreen2 -N1/2,red -S0/0/255 -Lg-125/27+c27+w500+f+l"km" ^
-I1.5/1,41/143/194,solid -Tdg-70/27+w1.5+f2 -W1 -F+g255+r > ^
5_4_unitedstate.ps

應該注意到上面的指令，多出現了一種符號^。因為使用的選項很多，造成指令過長， 這時候就需要換行符號來告訴電腦，這指令編寫長度到這要進行換行，在Windows環境中使用^， Linux及MAC則使用\。

5.5 等距方位投影(-Je -JE)

在這節開始之前，先介紹在Windows的環境下什麼是批次檔(.bat)，或是在Linux或MAC環境下的shell scripts(.sh)。 主要的原因是:

編者在編譯此教程是預設在Windows環境底下，但為了處理資料方便，另外安裝了Gawk for Windows， 並把執行檔(bin)路徑加入系統環境變數下，設定方式可參考此網頁， 如果你熟悉使用Linux其他指令，也可以安裝Cygwin。

回到本節重點，要利用等距方位投影法來繪製桃園機場的航線圖，首先要收集的是桃園機場的航班資訊， 利用在3.1提到的政府資料開放平台， 找到了桃園國際機場定期航班的資料檔(.csv)，依照網頁上的欄位說明， 了解到第一欄為班機性質，本範例只選用客機起飛(PD)的資料，但這份資料缺少了各機場的經緯度資訊， 利用Google大神，找到了提供機場經緯度的資料，下載好airports.dat後， 透過Python(一種程式語言)，將兩筆資料整理合併，完成後的檔案有5欄， 分別是流水碼、班機性質、目的地、緯度、經度，也整理了一份航線的資料檔給GMT用。 先來看成果圖及批次檔，再逐行說明。

使用的資料檔:

成果圖

批次檔

set ps=5_5_TPEairline.ps

gmt pscoast -Rg -JE121.2342/25.0797/12 -S0 -G50 -W.2,white -A1000 -K > %ps%
echo 40 -45 | gmt psxy -R -JE -Sa.8 -Gred -K -O >> %ps%
echo -80 20 | gmt psxy -R -JE -Sa.8 -Gred -K -O >> %ps%
awk "{print $5, $4}" TPE_airline.dat | gmt psxy -R -JE -Sc.15 -G159/174/229 -K -O >> %ps%
gmt psxy TPE_airline.gmt -R -JE -W.3,yellow -K -O >> %ps%

gmt pscoast -R40/-45/-80/20r -JE121.2342/15.0/12 -S0 -G50 -W.2,white -A1000 -X13.5 -K -O >> %ps%
awk "{print $5, $4}" TPE_airline.dat | gmt psxy -R -JE -Sc.2 -G159/174/229 -K -O >> %ps%
gmt psxy TPE_airline.gmt -R -JE -W.3,yellow -O >> %ps%

gmt psconvert %ps% -Tg -A -P

透過範例，學習到的新用法:

可以看到兩點的經緯度透過>分開，原來GMT會自動將>內的資料視為同一組，藉由此方式， 就輕鬆地完成兩機場之間的連線。psxy除了能畫符號，也能透過-W來繪製線。

透過繪製桃園機場的航線圖，學習如何利用批次檔來完成一張圖，往後都會以此模式來介紹不同的圖形繪製。

5.6 羅賓森投影法(-Jn -JN)

由羅賓森(Arthur H. Robinson)博士在1963年提出，此方法不等積、不等角，使用筆直的緯線及空間均勻分佈的經線， 加上對經緯度線乘上一個插值表，來實現視覺上平衡。本節將製作全球行政分區地圖， 透過pscoast -E+l > CountryCode.txt可以將各國的國碼及國名輸出成一個檔案，透過Python做了隨機排序及整檔， 輸出這次範例所需要的資料檔，但要如何利用這個檔案，幫不同國家上色呢？ 本節將會使用到setlocal讓批次檔現可以接受一個選項引數， ENABLEDELAYEDEXPANSION啟用延遲環境變數擴充功能，來批次設定國家的顏色。讓我們來看成果及批次檔吧！

使用的資料檔:

成果圖

批次檔

set ps=5_6_globalNationalBoundary.ps

setlocal ENABLEDELAYEDEXPANSION
set vidx=0
for /F "tokens=2" %%A in (CountryCode.dat) do (
    set /A vidx=!vidx! + 1
    set var!vidx!=%%A
)
set var

set vidx=0
for /F "tokens=1" %%A in (CountryCode.dat) do (
    set /A vidx=!vidx! + 1
    set color!vidx!=%%A
)
set color

gmt pscoast -R-180/180/-79/90 -JN0/25 -W1 -Ba -K > %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var1%+g%color1% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var2%+g%color2% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var3%+g%color3% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var4%+g%color4% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var5%+g%color5% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var6%+g%color6% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var7%+g%color7% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var8%+g%color8% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var9%+g%color9% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -E%var10%+g%color10% -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JN -A10000 -N1 -W.2 -S255 -O >> %ps%

gmt psconvert %ps% -Tg -A -P

透過範例，學習到的新用法:

顏色變數的設定用法與國碼相同，當這些變數都設置好後，就交給GMT來把圖畫出來吧！-JN中心經度/寬度， 將投影法設定為羅賓森投影法，剩下的指令或選項都以在前面各節描述。

5.7 習題

已經學過了四種不同應用方向的投影法，接下來，將有兩個習題，來熟習GMT的用法吧！

5.8 參考批次檔

列出本章節使用的批次檔，供讀者參考使用，檔案路經可能會有些許不同，再自行修改。

上一章 – 下一章