Golden Software Surfer(V23.1.162)地图向导(Map Wizard)

1 引言

Golden Software的软件是最古老的科学与工程数据处理软件, 在微软还没有EXECL绘图的年代, Golden Software就开发出二维的科学绘图软件Grapher(1983年), 国内一些高校甚至为研究生开设了Grapher课程, 来普及Grapher的使用。Grapher主要用于二维数据处理和图形显示以及拟合X与Y之间的关系式, 后来Golden Software推出了三维数据处理软件Surfer, 最近发布了最新版本Surfer V23.1.162 (1/02/2022)。这个笔记简要回顾了Surfer最常用的Map Wizard功能。

2 等值线图

地图向导(Map Wizard)提供了一种快速生成地图的方法。其中等值线图是科学和工程领域最常用的一种三维数据表示方法。尽管云图看起来更好看一些，但有时等值线图更能清晰地显示和表达数据，特别是一些局部数据，例如在地下开挖围岩的应力集中区域。等值线图是三维数据的二维表示。前两个维度是X和Y坐标，第三维(Z)是由X,Y对应的值来表示的。等值线的相对间距表示数据表面之间的相对坡度。等值线图可以由数据、图像或网格文件创建，它也可以与任何其它地图层进行叠加。

地图向导可以创建12种类型的地图，在此选择等值图(Contour)。对于XY不规则的间距，Surfer需要进行插值以便形成光滑的表面，理论上来说，间距越小表面越光滑，计算结果相对来说越精确。有13种插值方法可供选择，根据以前的使用经验，对于一般的土木工程地形，不同的插值方法对结果(开挖与回填体积计算)的影响并不大，最常使用的插值方法是Kriging法。当生成等值线图后，可以改变图形的各种显示属性。

3 地图工具

使用地图工具(Map Tools)可以对上述创建的等值线图进行修改，其中一个工具是设置限制(Set Limits), 即前言中提到的局部区域显示，我们可以通过设置新的范围来显示感兴趣的部分(X 3000,Y 7000)。3D View 工具能够显示出数据的3D模型。另一个非常有用的功能是Profile，即画断面(Cross Section)。

4 结束语

在土木工程特别是工业场地设计过程中, 需要计算场地的开挖和回填量。传统的计算方法根据地形图在AutoCAD中取典型剖面, 然后粗略计算剖面之间土的体积。对于地形不太复杂的场地来说, 这个计算过程不是很复杂, 但对于地形起伏较大的场地来说, 需要切割许多剖面, 计算量非常大, 而且很显然计算结果不准确。

在工业场地设计中, 我们需要满足两个条件: 第一个条件是设计坡度要求, 通常在2%到4%；第二个条件是需要留出构筑Berm(一种小型的坝基Embankment, 用于围堰)的土方量，因此这是一个土方开挖和回填的优化问题。大约10年前左右, AutoDesk的Civil3D刚刚推出, 一方面价格太贵, 另一方面学习曲线(Learning Curve)太大, 因此我使用Surfer来解决这个问题。第一步需要准备地形的三维数据，不得不说在早期这是一个非常耗时的过程，对于有电子图形的项目来说可以在AutoCAD中直接取出地形坐标, 相对容易一些, 而对于一些只有纸质版的地形图来说, 首先需要使用数字化软件提取点的坐标, 然后进行坐标转换转化为真实的地形坐标；第二步在Surfer中建立三维地形图, 然后与场地设计平面进行叠加, 计算开挖和回填体积。 几乎在所有情况下, 计算都不会一次完成, 需要进行多次循环操作, 以取得最优的设计方案。

现在Surfer的数据处理功能已经变得非常强大, 其中最显著的一个特性是点云功能(LiDAR Point Clouds)。LiDAR是一种越来越流行的数据收集方法，用于许多领域，包括考古学、测量学、地理信息系统等。使用Surfer广泛的LiDAR处理和可视化功能，以利用LiDAR所提供的所有优势。