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model_info_2d/model_info_2d.py
tangxiao 743bcff449 v0.0.7
2025-04-06 18:43:26 +08:00

452 lines
23 KiB
Python

import numpy as np
import cartopy.crs as ccrs
from typing import Union
from .proj_info import proj_LC, proj_MERC
class model_info_2d(object):
"""
用于创建模式网格, 并包含了相关信息, 提供了方便坐标与经纬度相互转换的工具
基于Numpy和Cartopy.crs构建, 仅支持方形网格
"""
def __init__(
self,
proj : ccrs.PlateCarree = None,
nx : int = None,
ny : int = None,
dx : float = None,
dy : float = None,
lowerleft : list = None,
center : list = None,
nt : int = None,
dt : float = None,
var_list : list = None,
type : str = None,
globe : ccrs.Globe = None,
debug : int = 0,
rotate_deg : Union[int, float] = 0,
rotate_poi : list = None,
) -> None:
"""
用于初始化网格, 如果不给定左下角经纬度坐标, 则默认投影坐标原点位置为网格
中心, 并依据此建立网格
必选参数:
proj : 目标网格所在的投影, 是cartopy.crs类
nx : x方向网格个数
ny : y方向网格个数
dx : x方向网格距离(在目标网格投影下, 例如兰伯特是米, 等经纬是度)
dy : y方向网格距离
可选参数:
lowerleft_lonlat : 左下角坐标(经纬度)
nt : 每个模式输出文件的时间段个数
dt : 每个模式输出文件的时间间隔(小时)
var_list : 模式包含的变量列表
type : 模式的类型(只是一个标记)
globe : 地球形状设定
debug : 设置打印的信息
更新记录:
2022-08-20 22:08:27 Sola 编写源代码
2022-08-20 22:08:33 Sola 添加注释
2022-08-21 11:29:55 Sola 修改输出网格为ny, nx形式
2022-08-21 12:25:09 Sola 增加对非经纬度左下角的支持
2022-08-21 16:27:56 Sola 修正返回网格id数组类型为float的问题
2022-09-27 22:19:15 Sola 简化网格生成方法
2022-09-28 16:41:03 Sola v2 加入了列表识别, 根据__iter__属性识别合适方法
2022-09-28 16:41:38 Sola v2 加入了检测proj是否包含坐标转换的方法
2022-09-28 16:42:12 Sola v2 加入了转化传入对象为numpy数组的功能
2022-09-28 18:28:38 Sola v2 修正了计算网格id时, 未输出ix, iy的bug
2023-03-14 10:02:41 Sola v3 增加输出边界网格的功能(调整get_grid, 使其支持边界宽度及边缘网格id)
2023-03-18 15:17:40 Sola v4 删除扩展边界的选项
2023-03-18 15:18:04 Sola v4 修正输入高维数组时, 计算报错的问题
2023-03-18 16:22:17 Sola v5 增加支持获取加密网格的方法, 用于超采样清单
2023-03-19 21:53:51 Sola v0.0.2 加入了默认的网格(经纬度网格), 以方便了解功能
2023-04-29 18:54:06 Sola v0.0.3 加入了从WRF读取数据, 以及输出cartopy.crs的功能
2023-09-07 10:42:59 Sola v0.0.4 设定了默认的地球形状, 以修正默认投影与模式的偏差, 加入globe参数
感谢韩雨阳的帮助, 指出了两个差异的问题所在
2024-07-22 20:36:52 Sola v0.0.5 增加了判断坐标(坐标数组)是否在模式网格内的功能
2024-12-18 10:11:55 Sola v0.0.6 增加了与墨卡托投影相关的计算内容
2025-04-06 16:39:26 Sola v0.0.7 增加提供网格中心坐标计算网格的功能(优先级低于左下角坐标)
2025-04-06 16:45:22 Sola v0.0.8 增加坐标旋转功能
测试记录:
2022-09-28 16:28:10 Sola v2 新的简化网格生成方法测试完成, 结果与旧版一致
2022-09-28 18:27:59 Sola v2 测试了使用proj_LC投影的相关方法, 网格与WRF一致
"""
try:
self.type = 'lonlat' if type is None else type # 类型
self.nx = 360 if nx is None else nx # x方向网格数
self.ny = 180 if ny is None else ny # y 方向网格数
self.projection = ccrs.PlateCarree() if proj is None else proj # 投影类别, 使用cartopy的crs提供
self.dx = 1 if dx is None else dx # 在该投影下x方向间距
self.dy = 1 if dy is None else dy # 在该投影下y方向间距
self.dt = 1 if dt is None else dt # 时间间隔(小时)
self.nt = 1 if nt is None else nt # 每个文件中包含多少时间点
self.var_list = [] if var_list is None else var_list # 变量列表
self.globe = ccrs.Globe(ellipse="sphere", semimajor_axis=6370000, semiminor_axis=6370000) if globe is None else globe
if lowerleft is None:
if not center is None:
center_x, center_y = self.projection.transform_point(center[0], center[1], ccrs.PlateCarree())
else:
center_x, center_y = 0, 0
zero_lon, zero_lat = ccrs.PlateCarree().transform_point(
center_x-self.dx*(self.nx-1)/2, center_y-self.dy*(self.ny-1)/2, self.projection)
self.lowerleft = [zero_lon, zero_lat]
else:
if len(lowerleft) == 2:
self.lowerleft = lowerleft # 左下角坐标(经纬度)
else:
zero_lon, zero_lat = ccrs.PlateCarree().transform_point(\
lowerleft[0], lowerleft[1], lowerleft[2])
self.lowerleft = [zero_lon, zero_lat]
self.lowerleft_projxy = self.projection.transform_point(
self.lowerleft[0], self.lowerleft[1],
ccrs.PlateCarree()
) # 计算投影下的坐标
self.rotate = 0 if rotate_deg is None else np.deg2rad(rotate_deg)
if rotate_poi is None:
self.rotate_poi_x, self.rotate_poi_y = 0, 0
else:
self.rotate_poi_x, self.rotate_poi_y = self.projection.transform_point(*rotate_poi, ccrs.PlateCarree())
finally:
if debug > 0:
print(f"{self.__dict__}")
def grid_id_float(self, original_x, original_y, original_proj=ccrs.PlateCarree()):
"""
获取经纬度对应的网格xy值, 返回浮点数
2022-09-28 11:05:09 Sola 更新为识别传入的对象类型, 判断是否可迭代
2022-09-28 15:21:07 Sola 增加对proj是否包含相应方法的识别
2022-09-28 18:25:24 Sola 修正正常情况下未输出ix, iy的bug
"""
# 如果是可迭代对象, 则丢给对应的功能处理
if hasattr(original_x, '__iter__'):
ix, iy = self.grid_ids_float(original_x, original_y, original_proj)
else: # 如果非可迭代对象, 就有函数本体进行计算
# 判断投影本身是否具有计算网格ID方法
if hasattr(self.projection, 'grid_id_float'):
if original_proj != ccrs.PlateCarree():
# 如果有, 且传入坐标非经纬度坐标, 就将其转化为经纬度坐标
lon, lat = ccrs.PlateCarree().transform_point(
original_x, original_y, original_proj)
else: # 否则直接使用xy作为经纬度坐标
lon, lat = original_x, original_y
# 调用proj的方法计算经纬度
ix, iy = self.projection.grid_id_float(lon, lat)
else: # 如果投影方法本身不具备计算网格ID的方法, 那就手动计算网格
x, y = self.projection.transform_point(
original_x, original_y, original_proj)
ix = (x - self.lowerleft_projxy[0])/self.dx
iy = (y - self.lowerleft_projxy[1])/self.dy
return ix, iy
def grid_id(self, original_x, original_y, original_proj=ccrs.PlateCarree()):
"""
获取经纬度最近的网格xy值, 返回整数
2022-09-28 15:29:32 Sola 增加判断传入的是单个值还是可迭代数组的功能
"""
if hasattr(original_x, '__iter__'): # 如果传入的是可迭代对象, 则丢给对应函数处理
ix, iy = self.grid_ids(original_x, original_y, original_proj)
else: # 如果传入的是单个数值, 则由对应功能计算浮点数坐标, 然后取整
ix, iy = self.grid_id_float(original_x, original_y, original_proj)
ix, iy = [round(n) for n in [ix, iy]]
return ix, iy
def grid_ids_float(self, original_x_array, original_y_array,
original_proj=ccrs.PlateCarree()):
"""
将经纬度向量或矩阵转换为网格xy值, 返回浮点数
2022-08-21 16:34:07 Sola 修正了忘了求网格的错误(这错误太不应该了)
2022-08-21 17:53:45 Sola 修正了两个ix_array的错误(复制粘贴的恶果)
2022-09-28 15:34:39 Sola 增加判断proj是否由计算网格id的功能
2022-09-28 15:46:50 Sola 简化原本的网格计算, 使用转置的方式代替判断返回数组长度
2022-09-28 16:40:27 Sola 增加将输入数组转化为numpy数组的功能, 防止传入列表
2022-10-19 18:52:25 Sola 修正了除错距离的bug
2023-03-18 15:39:06 Sola 在计算前, 先将数组展开到1维, 返回时折叠
注意事项:
当前存在一个bug, 输入的投影必须是cartopy的投影, 否则无法计算经纬度,
但是是否有必要在自己写的proj中加入该功能? 需要考虑
"""
original_x_array, original_y_array, shape = flat_array(\
np.array(original_x_array), np.array(original_y_array))
if hasattr(self.projection, 'grid_ids_float'): # 如果投影有相应方法
# 判断是否是经纬度坐标, 不是则转化为经纬度坐标
if original_proj != ccrs.PlateCarree():
lon_array, lat_array, _ = ccrs.PlateCarree().transform_points(
original_proj, original_x_array, original_y_array).T
lon_array, lat_array = lon_array.T, lat_array.T
else: # 如果是经纬度坐标, 则使用原来的数据
lon_array, lat_array = original_x_array, original_y_array
# 调用投影的坐标计算方法进行计算
ix_array, iy_array = self.projection.grid_ids_float(
lon_array, lat_array)
else: # 如果没有, 则采用默认方法
ix_array, iy_array, _ = self.projection.transform_points(
original_proj, original_x_array, original_y_array
).T # 计算转换后的坐标(m)(转置后)
# 将m转化为网格坐标
ix_array = ((ix_array - self.lowerleft_projxy[0])/ self.dx).T
iy_array = ((iy_array - self.lowerleft_projxy[1])/ self.dy).T
ix_array, iy_array = fold_array(ix_array, iy_array, shape)
return ix_array, iy_array
def grid_ids(self, original_x_array, original_y_array,
original_proj=ccrs.PlateCarree()):
"""
将经纬度向量或矩阵转换为网格xy值, 返回整数
2022-08-21 16:30:39 Sola 修正了返回数组类型为float的问题
"""
ix_array, iy_array = self.grid_ids_float(
original_x_array, original_y_array, original_proj
)
ix_array, iy_array = [np.round(n_array) for n_array in [ix_array, iy_array]]
return ix_array.astype(int), iy_array.astype(int)
def grid_lonlat(self, ix, iy):
"""
通过网格id获取经纬度坐标
2022-09-28 16:03:27 Sola 增加判断传入的是数值还是数组的功能
2022-09-28 16:05:07 Sola 增加判断proj是否有计算网格的功能
"""
if hasattr(ix, '__iter__'): # 如果传入的是可迭代对象, 则调用相应功能
lon, lat = self.grid_lonlats(ix, iy)
else: # 如果不是, 则由本函数继续运算
if hasattr(self.projection, 'grid_lonlat'): # 如果投影本身可以计算
lon, lat = self.projection.grid_lonlat(ix, iy) # 计算网格对应经纬度
else: # 如果投影不能根据网格ID计算经纬度, 则手动计算
x = self.lowerleft_projxy[0] + ix * self.dx
y = self.lowerleft_projxy[1] + iy * self.dy
lon, lat = ccrs.PlateCarree().transform_point(x, y, self.projection)
return lon, lat
def grid_lonlats(self, ix_array, iy_array):
"""
通过网格id矩阵获得经纬度坐标矩阵
2022-09-28 16:07:40 Sola 增加判断proj是否有计算网格的功能
2022-09-28 16:08:38 Sola 简化原本的网格计算, 使用转置的方式代替判断返回数组长度
2022-09-28 16:40:27 Sola 增加将输入数组转化为numpy数组的功能, 防止传入列表
2023-03-18 15:39:06 Sola 在计算前, 先将数组展开到1维, 返回时折叠
"""
ix_array, iy_array, shape = flat_array(np.array(ix_array), np.array(iy_array))
if hasattr(self.projection, 'grid_lonlats'):
lon_array, lat_array = self.projection.grid_lonlats(ix_array, iy_array)
else:
x_array = self.lowerleft_projxy[0] + ix_array * self.dx
y_array = self.lowerleft_projxy[1] + iy_array * self.dy
lon_array, lat_array, _ = ccrs.PlateCarree().transform_points(
self.projection, x_array, y_array).T
lon_array, lat_array = lon_array.T, lat_array.T
lon_array, lat_array = fold_array(lon_array, lat_array, shape)
return lon_array, lat_array
def get_grid(self, type=None):
"""
范围模式所有网格的经纬度坐标
type: None | "corner" | "edge" | "corner_2d"
2023-03-14 10:05:43 Sola 更新边界宽度的功能及边缘网格的功能
获取的边缘网格从左下角开始顺时针排序(左优先)
2023-03-14 10:30:23 Sola 经过测试, 代码可以正常运行
2023-03-18 15:40:20 Sola 删除边界宽度的功能(没有用了)
2024-08-02 18:01:48 Sola 添加生成边界经纬度的功能
"""
# 获取网格信息, 下标从0开始
ys, xs = np.meshgrid(range(self.ny), range(self.nx), indexing='ij')
if type is None:
xlon, xlat = self.grid_lonlats(xs, ys) # 从网格信息获取经纬度信息
elif type.lower() in ["corner", "c"]: # 四角的网格 (4, ny, nx)
result = []
result.append(self.grid_lonlats(xs - 0.5, ys - 0.5))
result.append(self.grid_lonlats(xs - 0.5, ys + 0.5))
result.append(self.grid_lonlats(xs + 0.5, ys + 0.5))
result.append(self.grid_lonlats(xs + 0.5, ys - 0.5))
xlon = np.array([x[0] for x in result])
xlat = np.array([x[1] for x in result])
elif type.lower() in ["edge", "e"]: # 四边中心的网格
result = []
result.append(self.grid_lonlats(xs - 0.5, ys))
result.append(self.grid_lonlats(xs, ys + 0.5))
result.append(self.grid_lonlats(xs + 0.5, ys))
result.append(self.grid_lonlats(xs, ys - 0.5))
xlon = np.array([x[0] for x in result])
xlat = np.array([x[1] for x in result])
elif type.lower() in ["corner_2d", "c2d"]: # 四角网络 (ny + 1, nx + 1)
ys, xs = np.meshgrid(range(self.ny+1), range(self.nx+1), indexing='ij')
xlon, xlat = self.grid_lonlats(xs-0.5, ys-0.5)
return xlon, xlat
def get_density_grid(self, density=10, flat=False):
"""
获取一个更密的网格, 原先的每个网格均匀返回多个点, 例如返回10*10=100个点
可用于超采样, 以进行清单的分配等操作, 注意不要设置太大的密度, 否则
可能内存会寄
更新记录:
2023-03-18 16:09:39 Sola 编写源代码
2023-03-18 16:21:46 Sola 测试功能正常, 从网格到经纬度及反向都正常
2023-10-18 16:19:10 Sola 增加了将结果展开成2D的功能
"""
sub_jj, sub_ii, jj, ii = np.meshgrid(range(density), range(density),
range(self.ny), range(self.nx), indexing='ij')
fii = ii - 0.5 + (sub_ii + 0.5)/density
fjj = jj - 0.5 + (sub_jj + 0.5)/density
if flat:
fii = np.transpose(fii, (2, 0, 3, 1)).reshape((self.ny*density, self.nx*density))
fjj = np.transpose(fjj, (2, 0, 3, 1)).reshape((self.ny*density, self.nx*density))
xlonf, xlatf = self.grid_lonlats(fii, fjj)
return xlonf, xlatf
def get_ccrs(self):
"""
获取用于绘图的地图投影, 目前只支持兰伯特投影
"""
if type(self.projection) is proj_LC:
proj = ccrs.LambertConformal(
central_longitude = self.projection.stdlon,
standard_parallels = [
self.projection.truelat1,
self.projection.truelat2,
],
globe = self.globe
)
elif type(self.projection) is proj_MERC:
proj = ccrs.Mercator(
central_longitude=self.projection.stdlon,
globe = self.globe
)
else:
proj = ccrs.PlateCarree(globe = self.globe)
return proj
def get_extent(
self,
cx : float = None,
cy : float = None,
dx : float = None,
dy : float = None,
ratio : float = 1
) -> list:
"""
用于获取指定数据范围的经纬度坐标
参数:
cx: 中心点x坐标
cy: 中心点y坐标
dx: 中心点周围x网格数
dy: 中心点周围y网格数
"""
if cx is None:
cx, cy, dx, dy = self.nx/2, self.ny/2, self.nx/2, self.ny/2
XLON, XLAT = self.get_grid()
# ys, ye, xs, xe = np.floor(cy-dy), np.ceil(cy+dy), np.floor(cx-dx), np.ceil(cx+dx)
lon_start, _ = self.grid_lonlat(cx-dx*ratio, cy)
lon_end, _ = self.grid_lonlat(cx+dx*ratio, cy)
_, lat_start = self.grid_lonlat(cx, cy-dy*ratio)
_, lat_end = self.grid_lonlat(cx, cy+dy*ratio)
# if lon_start > lon_end:
# lon_end += 360
# XLON, XLAT = XLON[cy-dy:cy+dy, cx-dx:cx+dx], XLAT[cy-dy:cy+dy, cx-dx:cx+dx]
# clon, clat = np.mean(XLON), np.mean(XLAT)
# dlon, dlat = (np.max(XLON) - np.min(XLON))/2*ratio, (np.max(XLAT) - np.min(XLAT))/2*ratio
# clon, clat = (lon_end + lon_start)/2, (lat_end + lat_start)/2
# dlon, dlat = (lon_end - lon_start)/2*ratio, (lat_end - lat_start)/2*ratio
# extent = [(clon-dlon+180)%360-180, (clon+dlon+180)%360-180, clat-dlat if clat-dlat>=-90 else -90, clat+dlat if clat+dlat<=90 else 90]
constrain_lon = lambda x: (x+180)%360-180
constrain_lat = lambda x: min(abs(x), 90) * (1 if x > 0 else -1)
extent = [constrain_lon(lon_start), constrain_lon(lon_end), constrain_lat(lat_start), constrain_lat(lat_end)]
return extent
def is_in_domain(self, origin_x, origin_y, use_float=False):
"""
用于判断坐标(经纬度)是否在模式网格范围内
"""
if use_float:
ix, iy = self.grid_id_float(origin_x, origin_y)
else:
ix, iy = self.grid_id(origin_x, origin_y)
result = (0 <= ix) & (ix < self.nx) & (0 <= iy) & (iy < self.ny)
return result
def flat_array(
x : np.ndarray,
y : np.ndarray
) -> tuple:
"""
用于将数组展开, 并检查数组性质是否一致
更新记录:
2023-03-18 15:25:30 Sola 编写源代码
"""
shape = x.shape
if not shape == y.shape:
print(f"[WARNING] dimension mismatch, {x.shape}, {y.shape}")
x, y = x.reshape(-1), y.reshape(-1)
return x, y, shape
def fold_array(
x : np.ndarray,
y : np.ndarray,
shape : tuple
) -> tuple:
"""
用于将展开的数组折叠回去
更新记录:
2023-03-18 15:26:42 Sola 编写源代码
"""
x, y = x.reshape(shape), y.reshape(shape)
return x, y
def from_wrf(file: str) -> model_info_2d:
"""
接受一个文件路径, 其应当是一个由WPS或WRF输出的文件, 包含了WRF模式网格的相关
信息. 仅识别兰伯特投影
更新记录:
2023-04-29 18:36:30 Sola 编写源代码
"""
# import need library
import netCDF4 as nc
# open dataset
with nc.Dataset(file) as nf:
dx, dy = nf.DX, nf.DY
nx, ny = nf.dimensions["west_east"].size, nf.dimensions["south_north"].size
truelat1 = nf.TRUELAT1
stdlon = nf.STAND_LON
lat1, lon1 = nf.CEN_LAT, nf.CEN_LON
if nf.MAP_PROJ == 1: # Lambert proj
truelat2 = nf.TRUELAT2
# make projection
proj = proj_LC(dx=dx, dy=dy, truelat1=truelat1, truelat2=truelat2,
lat1=lat1, lon1=lon1, stdlon=stdlon, nx=nx, ny=ny)
elif nf.MAP_PROJ == 3: # Mercator proj
proj = proj_MERC(dx=dx, dy=dy, truelat1=truelat1, lat1=lat1,
lon1=lon1, stdlon=stdlon, nx=nx, ny=ny)
elif nf.MAP_PROJ == 6: # lon-lat proj
proj = ccrs.PlateCarree
dx /= 111177.473
dy /= 111177.473
# make model_info
model = model_info_2d(proj=proj, nx=nx, ny=ny, dx=dx, dy=dy,
lowerleft=proj.grid_lonlat(0, 0))
return model
def from_ctl(file: str) -> model_info_2d:
with open(file, "r") as f:
lines = f.readlines()
for line in lines:
if "PDEF" in line.upper():
if "LCC" in line.upper():
_, nx, ny, _, lat1, lon1, knowi, knowj, truelat1, truelat2, stdlon, dx, dy = line.split()
nx, ny = int(nx), int(ny)
lat1, lon1, knowi, knowj, truelat1, truelat2, stdlon, dx, dy =\
float(lat1), float(lon1), float(knowi), float(knowj), float(truelat1), float(truelat2), float(stdlon), float(dx), float(dy)
proj = proj_LC(dx=dx, dy=dy, truelat1=truelat1, truelat2=truelat2, lat1=lat1, lon1=lon1,
knowni=knowi, knownj=knowj, stdlon=stdlon, nx=nx, ny=ny)
model = model_info_2d(proj=proj, nx=nx, ny=ny, dx=dx, dy=dy, lowerleft=proj.grid_lonlat(0, 0))
return model