引言

GrADS(Grid Analysis and Display System)是当今气象界和海洋界广泛使用的一种数据处理和显示软件系统^[1-2]。该软件系统通过其集成环境，可以对气象和海洋数据进行读取、加工、图形显示和打印输出。GrADS运行时，用户可以在GrADS提供的交互式环境下输入单个绘图命令进行绘图操作。另外，GrADS同时提供用户一个解释性的描述语言绘图环境，用户也可以使用GrADS描述语言进行简单编程，完成后台批处理操作。该软件具有操作简单、功能强大、显示快速、出图类型多样化、图形美观等特点。该软件兼具多种地图投影坐标系统，已经成为国内外气象、海洋数据显示的标准平台之一。

目前，GrADS作为一种数据处理和显示软件系统在气象领域得到了广泛使用^[3-11]。但是，由于汉字处理技术本身的特殊性，GrADS图形软件还不能处理汉字信息，没有进行汉字标注显示的功能。因此，如果需要在绘出了的图形上添加中文标注，则往往需要借助其他绘图软件(如Photoshop、Windows画图等)做一下额外的处理，添加上中文标注信息。因此，它的图形添加中文信息的步骤比较繁琐，图形处理效率很低，给国内科学工作者带来极大的不便，也不便于在实际业务系统中实现自动批处理操作。本文针对在GrADS软件中存在的这一无法显示汉字标注的问题进行了研究，使用户在不需要使用任何额外软件和编译工具的情况下，方便地使用GrADS软件进行汉字标识。

1 研究思路

在研究开发GrADS软件的汉字显示功能时，遵循模块化设计、程序易于维护、用户使用方便等的原则。尽量使用户在使用时操作简单，不用任何其他额外的软件工具，且不用进行编译和安装等操作。这就要求研究开发时根据GrADS软件的特点，充分利用GrADS提供的功能，实现GrADS软件在绘图区域绘制汉字的功能。根据这一要求，本研究的基本思路如下：

(1) 考虑到GrADS软件本身具有标注英文和符号的功能，其实现的方法是将英文字母及符号的形状信息提取出来，然后以图形的方式绘制到绘图区。根据此特点，可以将汉字看作特殊的标识符号，只要将汉字形状信息提取出来，然后以图形的方式绘制到绘图区。

(2) 将汉字的字形信息数值化后，保存在一个数据文件中，然后利用GrADS的数据读取功能来读取汉字的形状信息。

(3) GrADS为用户提供的描述语言，具有简单的编程功能。可以对汉字形状信息进行简单地编程处理，并利用描述语言中的绘图语句进行绘图，从而实现汉字显示功能。

2 汉字显示的主要技术 2.1 自定义汉字库的创建

在GrADS绘图中实现汉字显示就是利用GrADS的绘图功能，在绘图区绘制出汉字的形状。因此实现汉字显示的技术关键就是获取每个汉字的形状信息，创建自定义汉字库。本研究在创建自定义汉字库时，使用点阵汉字技术中的汉字点阵信息来表示汉字字形，采用了16×16点阵和24×24点阵共两种。将汉字的点阵信息经过编码后，以GrADS的二维数据片的形式写入到数据文件中。为了GrADS能正确读取自定义汉字库的数据信息，还必须配备相应的数据描述文件。自定义汉字库的具体创建步骤如下：

(1) 应用辅助软件，从标准字库中提取汉字的点阵信息。标准字库使用我国1981年公布的GB2312-80方案，其一级汉字为3755个(按拼音排序)，二级汉字3008个(按部首排序)。由于本研究使用的辅助软件是网络资源中搜索的免费测试软件，只能提取到一级字库的3755个汉字。因此，自定义汉字库仅包含标准汉字库中的一级汉字库，即总共3755个常用汉字。

(2) 利用FORTRAN程序对提取信息进行处理。统计出每个汉字的有效点数、每个有效点在点阵数组的位置，并统计出3755个汉字的最大有效点数。

(3) 将自定义汉字库数据文件的x轴维数大小定义为所有汉字的最大点数加1。y轴维数大小定义为所有汉字个数，这里应该为3755。

(4) 将汉字的点阵信息存储在数据文件中。在GrADS软件中，x轴表示行，y轴表示列。一个汉字的点阵信息占用一行，即第一个汉字存在第一行，最后一个汉字存在第3755行。每一行的信息包括：① 该汉字的有效点数；② 每个有效点在点阵中的位置。其中，第一列存放该汉字的有效点数，其后各列依次存放每个有效点在点阵中的位置信息。为了节省数据存储空间，将有效点在点阵中的位置x和y值进行压缩编码，即按照x×100.+y的编码规则将x和y坐标值合成一个实型数，作为该有效点的位置信息存放在一个数值单元中。

(5) 创建相应的数据描述文件。数据描述文件中，数据文件名即为自定义汉字库的文件名，x方向格点数为最大点数加1，y方向格点数为3755，z方向格点数为1，时次(t)数为1，具体时间可以随意给定，变量数为1。变量名称为了避免与通常的变量名重名，所以取名为‘cnziku01’。

从以上步骤来看，自定义汉字库的x方向格点数为点阵字库中所有汉字的最大有效点数加1。汉字的不同点阵数、不同字体的最大有效点数也就不同，自定义汉字库的x方向格点数的也不同。一般来说，汉字点阵数越大，最大有效点数也就越大。就字体而言，楷体字的最大有效点数最小，宋体字的有效点数次之，黑体字的最大有效点数最大(见表 1)。

在实际的业务工作中，标准汉字库的一级汉字(共3755个常用汉字)基本能够满足需求。如果有标准汉字库的二级汉字和其他字符的点阵信息，那么也可以对自定义汉字库进行扩充。扩充自定义汉字库时，需按照上面介绍的自定义汉字库方法，将扩展汉字的点阵信息追加在自定义汉字库数据文件中。

2.2 创建自定义汉字库索引

用户输入汉字是与标准汉字库相联系的，而用于汉字显示的汉字信息则是与自定义汉字库相联系的。汉字显示程序需在标准汉字库与自定义汉字库之间建立一个索引，将标准汉字库与自定义汉字库之间建立一一对应的联系，从而实现根据输入汉字信息进行汉字显示的功能。

首先，利用GrADS的描述语言定义字符串的功能，将自定义汉字索引定义成一个长字符串，并赋值给字符串变量“zikuidx”。标准汉字库的一级汉字有3755个字符，如果作为一个整行一次输入，则在文本编辑器中往往会造成无法显示的尴尬，既不美观，也不利于程序的维护。因此，这里采用了GrADS的描述语言的字符串连接技术，将汉字分成若干行，每行10个汉字，对汉字库索引字符串进行累加连接。这样处理后，汉字库索引字符串整齐有序，便于查看和维护。

写入汉字库索引字符串的内容包括：① 标准汉字库中的一级汉字；② 每个汉字在自定义汉字库中的位置。其中，一级汉字共3755个，在索引字符串中的排放顺序与标准汉字库中的顺序一致。自定义汉字库的汉字存放顺序也与标准汉字库的顺序一致，在GrADS打开后，可以按照GrADS的纵坐标(y轴)来进行查找定位，数值从1到3755。为了便于汉字的快速查找，这里将单个汉字的信息固定长度为6个字节，汉字本身占2个字节，自定义汉字库中的位置数值写成四位整数，占4个字节，不够的数位以0补充。比如汉字“啊”，其位置数值为1，因此，写入索引长字符串中的写法是“啊0001”。

创建汉字库索引的程序代码较长，如果直接放在主程序代码中不符合模块化编程的原则，也不便于程序的维护。因此，将汉字索引创建的功能封装成一个独立的函数子程序zkcode()。这样在主程序中只要使用以下语句：

zikuidx＝zkcode()

即可方便地获取自定义汉字库索引字符串。

2.3 中英文混合显示技术

显示汉字程序从输入参数中获取输入汉字串，接下来即可对逐个汉字单独处理显示。但是，为了方便，通常用户在输出汉字会夹杂一些英文字符。这就要求显示汉字程序具有处理中英文混合输入的功能。要实现中英文混合显示，则从中英文混合输入的汉字串中分离出汉字和英文字符是关键。

在计算机的文本文件中，汉字与英文字符的区别主要有：每个汉字占用2个字节长度存储空间，而英文字符只占一个字节的存储空间；汉字的2个字节的最高位都为1，单个字节数值都大于160(16进制为A0H)，而英文字符的内码则小于128(16进制为80H)。因此，当某个单字节字符的内码小于128(80H)时，可以判别该字符为英文字符；否则可以判别该单字节为汉字的一部分。

实际上，在构成输入字符串的英文字符中，内码最小的字符为‘!’(33)，内码最大的字符为‘~’(126)。为了程序实现的方便，在输入字符串中判别是否为汉字，可将单个字符(以变量c表示)与字符‘!’和‘~’进行比较，当‘！’ ≤c≤‘~’时是英文字符，当c≤‘~’或者c≥‘~’时这个字符为汉字字符，它和下一个字符将合成一个汉字。

由于GrADS系统是采用高级语言C开发的。因此，在UNIX系统中，字符的内码数据在内存中存储为无符号整数，汉字的内码都大于英文字符的内码，因此字符是否大于’~’可以作为区分中英文字符的判据。而在WINDOWS系统和LINUX系统中，字符的内码数据存储为有符号整数，汉字的两个字节的最高位都为1，其内码都是负整数，比英文字符的内码小，所以字符是否小于‘!’可以作为区分中英文字符的判据。利用这一特性，可将汉字显示技术在不同业务平台中移植，使其适合于不同的业务系统，如Windows、Linux和UNIX系统等。

2.4 快速查找自定义汉字库

在自定义汉字库索引中按照逐个汉字顺序查找的方式查找输入汉字，速度非常慢。因此，前面在创建自定义汉字库索引时，就考虑了快速查找的需要，在索引长字符串中使用顺序排放的方式，并且单个记录长度固定，以便于快速查找。本研究采用快速查找方法中的折半查找方法^[13]。应用折半查找方法时，首先将汉字库索引字符串视为共有3755个记录的有序系列，单个记录长度为6个字节。每个记录中前2个字节是汉字，用于与输入汉字进行直接比较。每个记录中后4个字节是汉字在自定义汉字库中的位置数据，数值范围为1~3755。查找时将索引字符串分成两段，以第1878个记录为界，从1~1877个记录是低值区，从1879~3755个记录是高值区。将输入汉字与第1878个记录中的汉字比较，如果输入汉字与此汉字相同，则表示查找成功。在查找不成功时，如果输入汉字小于此汉字，则在索引长字符串系列的低值区重新查找；否则在高值区重新查找。重新查找时，将低值区或高值区中的字符串视作一个新的有序系列，应用前面的方法进行分段查找，如此循环，直到找到输入汉字或者查完整个有序系列为止。如果输入汉字查找成功，则可以直接获取此汉字在索引中记录的后四个字节的位置数值，得到汉字在自定义字库中的确切位置。应用快速查找技术，使查找速度提高了5~10倍，提高了程序的运行效率。

2.5 解码自定义汉字库信息

自定义汉字库中的信息是对汉字点阵信息经过编码处理后的信息。因此，在程序读取自定义汉字库信息时，需要对自定义字库的信息进行解压处理。首先，读出自定义汉字库中汉字的第一个记录单元的数值，即得到此汉字的总有效点数。其次，根据有效点数的数值，读取每个有效点的压缩编码。然后，对压缩编码进行解码，得到x坐标值和y坐标值。解码的具体公式为

x=INT(code/100)

y=code-INT(code/100)*100

其中，code是汉字的压缩编码，INT()为取整函数。

在实际的编程中，由于GrADS描述语言的数值和字符串可以直接等价使用。因此，在进行解码时，可以在读出复合数值后，将压缩编码的数值当成字符串来处理，即将4位数字字符串的后2位数字赋给y，将前1位或者2位数字赋给x。

2.6 绘制汉字

绘制汉字时，需要根据函数获取的字体大小、颜色、位置等输入参数，结合汉字的点阵信息中每个有效点的x和y坐标的数值，计算出每个点在绘图区域的x和y坐标值。程序显示输出汉字时，往往不是仅仅显示输出一个汉字，而是输出中英文混合的字符串。因此，在计算每个有效点在绘图区的位置时，还要考虑汉字在输入字串中的相对位置信息。再利用GrADS的画点语句‘draw mark’，在绘图区的相应位置上绘制汉字的有效点，从而完成汉字的显示输出。

3 结论与讨论

根据GrADS软件本身的功能特点，探讨了GrADS中汉字显示技术问题，在GrADS中实现了汉字显示功能。文中介绍的汉字显示技术，有以下特点：

(1) 程序执行效率高。程序开发中使用了快速查找技术，使程序的执行速度大大提高。

(2) 研究了字符串的中英文分离技术，实现了中英文混合输入的功能。

(3) 程序使用方便，它可以作为GrADS的一个用户自定义函数来使用，用户使用时不需要任何额外的软件支持，也不需要额外的编译安装。

(4) 研究了不同操作平台中数据存储格式的差异，解决了在不同的操作平台中移植问题。

因此，本文介绍的技术弥补了GrADS绘图软件不能显示汉字的不足，使GrADS绘图软件使用起来更为方便，可直接应用于科研工作和实际业务系统中进行自动批处理操作。目前，该技术已经广泛应用于国内气象业务部门的日常业务运行当中。如国家气象中心用于数值天气预报业务系统的图形批量处理业务；广东东莞市气象局用于地面气象要素可视化业务；上海台风研究所用于气象要素诊断业务等。同时，该技术也被收编到中国科学院大气物理研究所的《GrADS使用手册》中，在许多气象工作者的科研工作中得到推广应用。另外，文中详细介绍的关键方法和技术，除了2.1部分内容外，其他技术都不完全局限于GrADS软件，在其他软件的相似工作中具有一定的借鉴意义。