GrADS網絡交互繪圖技術及應用

趙奎鋒

(1.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016；2.陜西省氣象科學研究所，西安 710016)

氣象實況觀測數據是站點離散數據，在氣象預報服務和科研工作中，常常用到科學繪圖技術對這些離散數據進行分析，勾畫氣象要素面上的分布情況，以便直觀地呈現其分布特點。實際業務中，經常使用的科學繪圖軟件有Golden Surfer、NCL(the NCAR command language)、GrADS(grid analysis and display system，格點分析和顯示系統)等[1-4]，其中GrADS 是當今氣象學科中廣泛使用的數據處理和顯示軟件系統，可讀取格點或站點氣象資料(二進制或GRIB 碼格式)，并進行加工處理。可實現等值線、流線、填圖、地圖、曲線等多種圖形顯示。隨著網絡技術的發展，基于WEB技術的在線資料共享方式受到歡迎，但是多數共享采用的是資料后臺處理成圖表后的靜態共享，較少采用網絡在線交互出圖。OpenGrADS是基于GrADS的擴展，提供CGI(common gate interface，公共網關接口)接口，支持WEB環境下的交互出圖。本文介紹結合Python軟件利用OpenGrADS進行觀測數據在線交互繪圖的技術及應用。

2 相關技術

2.1 Python CGI

Python是一種解釋腳本語言，類似 VBScript、JavaScript、Perl等腳本語言。如圖1所示，Python的CGI編程，是利用WEB服務器和一個Python自定義的腳本之間交換信息。通過設立的HTTP服務器，在某個目錄中的文件被請求作為一個程序執行，并將結果發送到瀏覽器來顯示。這個函數被調用的通用網關接口或CGI程序稱為CGI腳本[5-6]。

圖1 Python CGI架構圖

IIS(Internet information services，互聯網信息服務)常常用來搭建WEB運行環境。對于一些簡單的通用網關接口腳本，IIS使用windows scripting host來解析VBScript 和 JavaScript，而對于Python的CGI腳本語言，IIS使用配置的Python腳本解釋程序來解析，其配置需要在IIS管理器中將擴展名為“.py”的程序映射到Python安裝目錄的執行程序，并賦予“全部動作”執行的權限即可。通過配置，給IIS運行python CGI程序搭建了運行環境。

2.2 OpenGrADS

OpenGrADS是一個致力于改進GrADS的界面和擴展性的項目。它通過改進用戶定義命令和自定義功能，允許用戶添加自己的動態鏈接插件，引入了PHP、Perl和Python等腳本語言，使其可以基于GrADS發展更多的擴展，并且十分方便地與WEB結合，應用于網絡交互界面[7]。

從1.9 rc1版本開始，OpenGrADS增加了一項功能，即實現了對GIS的Shape地圖文件的支持，通過調用Shape格式的地理信息數據庫的數據非常簡便地繪制出地圖底圖[8]。

3 設計思路

3.1 離散數據的提取、修正與格點化處理

服務器端存儲了自動氣象站、區域站的觀測數據。由于設備故障或其他因素，可能存在一些奇異數據，尤其以區域站的奇異數據最多；因此，在從CIMISS(China intergrated meteorological information service system，全國綜合氣象信息共享系統)中通過MUSIC(meteorological unified service interface community，氣象數據統一服務接口)提取站點離散數據后，需加以修正之后才可以用來繪圖。

這里用到Python CGI程序處理數據。如圖2左側所示，通過表單用戶選取起止時間，服務器端利用CGI程序從CIMISS共享系統中提取該時段的自動站、區域站數據，在線交互修改、消除奇異值后，提交給數據處理分析程序，將其加工成GrADS所支持的格式。上述經修正的數據為文本格式，要通過轉換格式處理為GrADS所支持二進制數據[9]。

圖2 網絡交互GrADS繪圖流程

3.2 OpenGrADS繪圖

如圖2所示，在Python CGI程序中導入OpenGrADS模塊，代碼如下：

import grads

from grads.gacore import GaCore

導入OpenGrADS模塊后，添加如下代碼以打開ctl描述文件：

ga('openaws_mask.ctl', Quiet=True, Block=True)

ga('openaws.ctl')

利用“ga”命令可以運行桌面版GrADS的gs腳本，從而設置x坐標軸、y坐標軸、色斑圖顏色、等值線間隔、色標標注方式、地圖底圖等[10]。

值得一提的是，自從GrADS2.0.a8版本開始，GrADS引入了對SHP地圖的支持，可以非常方便地自定義繪制地域范圍，通過地理信息系統定義好地圖之后，在繪圖時調用即可，代碼如下：

ga('set mpdraw off'') #關閉默認地圖

ga('draw shp shaanxi)#繪制以shaanxi.shp命名的地圖

還可以根據需要將河流的SHP地圖文件疊加繪制到圖形中。繪制完成后，將圖形存于WEB服務器的目錄下，并在瀏覽器中顯示，代碼如下：

ga('printimaws.png x1000 y773 white')

4 應用效果

在業務應用中，通過動態WEB頁面的交互，可以提供多個選項以便繪制出符合業務服務需求的標準圖形。如：起止時間段、數據類型(國家自動氣象站、區域氣象站或者兩者混合輸出)、色標類型(是否采用中國氣象局規定的色標)、繪制地圖的區域(全國或某省某市范圍)、插值的分辨率、疊加的地圖(地質災害易發區、河流、交通信息等)。這些選擇通過WEB以表單形式選擇。由于GrADS對中文的支持不足，可以通過Python豐富的圖形處理插件對圖形進行后期處理，如標注圖形名稱、時間區間、數量單位等信息，減少了業務人員后期處理的工作量。

5 小結與討論

(1)交互環境下的快速實時繪圖是氣象業務服務不可或缺的技術，在交互環境下選擇繪圖起止時間段、行政區域、分辨率參數，疊加河流和地質災害易發區等地理信息，業務人員還可以對奇異數據進行訂正，能繪制出反映天氣情況的真實圖形。

(2)利用Python語言的擴展性和豐富的插件，便捷地部署CGI交互環境，同時由于OpenGrADS具有Python擴展庫，使得GrADS能部署于服務器端，從而能提供快速繪圖的網絡環境。

(3)GrADS2.0.a8版本開始引入了對SHP地圖的支持，極大地方便了自定義行政區域范圍的繪圖，采用中國氣象局規定的色標繪制符合標準的圖形，通過Python豐富的圖形處理插件對圖形進行后期處理，減少了業務人員后期處理的工作量。