gctl_mesh/lib/mesh/regular_grid.h

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 * Geophysical Computational Tools & Library (GCTL)
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 * Copyright (c) 2023  Yi Zhang (yizhang-geo@zju.edu.cn)
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 * to include some description of your company and the realm of its activities. 
 * Also add information on how to contact you by electronic and paper mail.
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#ifndef _GCTL_REGULAR_GRID_H
#define _GCTL_REGULAR_GRID_H

#include "gctl/graphic.h"
#include "mesh.h"

#ifdef GCTL_MESH_EXPRTK
#include "exprtk.hpp"
#endif // GCTL_MESH_EXPRTK

namespace gctl
{
	/**
	 * @brief 规则网格对象
	 * 
	 */
	class regular_grid : public base_mesh
	{
	public:

		/**
		 * 以下为mesh类型的虚函数实现
		 */
		
		/**
		 * @brief （基类纯虚函数的具体实现）保存网格到Gmsh文件。
		 * 
		 * @param filename 文件名
		 * @param packed 索引是否为紧凑（从0开始）
		 */
		void save_gmsh(std::string filename, index_packed_e packed = Packed);

		/**
		 * @brief （基类纯虚函数的具体实现）显示网格的维度信息
		 */
		void show_mesh_dimension(std::ostream &os) const;

		/**
		 * @brief （基类纯虚函数的具体实现）读入二进制网格文件
		 *
		 * @param filename 文件名
		 */
		void load_binary(std::string filename);

		/**
		 * @brief （基类纯虚函数的具体实现）写入二进制网格文件
		 *
		 * @param filename 文件名
		 */
		void save_binary(std::string filename);

		/**
		 * 以下为regular_grid的专有函数
		 */

		regular_grid(); ///< 构造函数

		/**
		 * @brief 构造函数
		 *
		 * @param in_name 网格名称
		 * @param in_info 网格说明
		 * @param xnum 网格x方向单元数量
		 * @param ynum 网格y方向单元数量
		 * @param xmin 网格x方向最小值
		 * @param ymin 网格y方向最小值
		 * @param dx 网格x方向单元长度
		 * @param dy 网格y方向单元长度
		 */
		regular_grid(std::string in_name, std::string in_info, int xnum, int ynum, 
			double xmin, double ymin, double dx, double dy);

		virtual ~regular_grid(); ///< 析构函数

		/**
		 * @brief 初始化规则网格
		 *
		 * @param in_name 网格名称
		 * @param in_info 网格说明
		 * @param xnum 网格x方向单元数量
		 * @param ynum 网格y方向单元数量
		 * @param xmin 网格x方向最小值
		 * @param ymin 网格y方向最小值
		 * @param dx 网格x方向单元长度
		 * @param dy 网格y方向单元长度
		 */
		void init(std::string in_name, std::string in_info, int xnum, int ynum, 
			double xmin, double ymin, double dx, double dy);
		
		/**
		 * @brief 清除规则网格
		 */
		void clear_regular_grid();

		/**
		 * @brief 使用mathgl显示规则网格
		 * 
		 * @param datname 数据名称
		 * @return 状态代码
		 */
		int view(std::string datname);

		/**
		 * @brief 使用gmt绘制规则网格
		 *
		 * @param datname 数据名称
		 */
		void plot(std::string datname);

		int get_xdim() const; ///< 获取规则网格的x方向单元数量
		int get_ydim() const; ///< 获取规则网格的y方向单元数量
		double get_xmin() const; ///< 获取规则网格的x方向最小值
		double get_ymin() const; ///< 获取规则网格的y方向最小值
		double get_dx() const; ///< 获取规则网格的x方向单元长度
		double get_dy() const; ///< 获取规则网格的y方向单元长度

#ifdef GCTL_NETCDF

		/**
		 * @brief 从netcdf文件中读取规则网格数据
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param d_type 数据类型
		 * @param xname x坐标变量名
		 * @param yname y坐标变量名
		 * @param zname z坐标变量名
		 */
		void load_netcdf_grid(std::string filename, mesh_data_type_e d_type, 
			std::string xname = "x", std::string yname = "y", std::string zname = "null");

		/**
		 * @brief 保存规则网格数据到netcdf文件中
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param d_type 数据类型
		 * @param xname x坐标变量名
		 * @param yname y坐标变量名
		 */
		void save_netcdf_grid(std::string filename, mesh_data_type_e d_type, 
			std::string xname = "x", std::string yname = "y");
		
		/**
		 * @brief 保存规则网格数据到netcdf文件中
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param datname 数据名称
		 * @param xname x坐标变量名
		 * @param yname y坐标变量名
		 */
		void save_netcdf_grid(std::string filename, std::string datname, 
			std::string xname = "x", std::string yname = "y");

#endif // GCTL_NETCDF

		/**
		 * @brief 从surfer文件中读取规则网格数据
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param datname 数据名称
		 * @param d_type 数据类型
		 * @param grid_type 网格类型
		 */
		void load_surfer_grid(std::string filename, std::string datname, mesh_data_type_e d_type, surfer_file_type_e grid_type = Surfer7Grid);
		
		/**
		 * @brief 保存规则网格数据到surfer文件中
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param datname 数据名称
		 * @param grid_type 网格类型
		 */
		void save_surfer_grid(std::string filename, std::string datname, surfer_file_type_e grid_type = Surfer7Grid);

		/**
		 * @brief 保存规则网格数据到Gmsh文件中
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param out_mode 输出模式
		 * @param packed 索引是否为紧凑（从0开始）
		 */
		void save_gmsh(std::string filename, output_type_e out_mode, index_packed_e packed = Packed);
		
		/**
		 * @brief 保存规则网格数据到Gmsh文件中
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param datname 数据名称
		 * @param out_mode 输出模式
		 * @param packed 索引是否为紧凑（从0开始）
		 */
		void save_gmsh(std::string filename, std::string datname, output_type_e out_mode, index_packed_e packed = Packed);

		/**
		 * @brief 保存规则网格数据到文本文件中
		 *
		 * @param filename 文件名
		 * @param datname 数据名称
		 */
		void save_text(std::string filename, const array<std::string> &datname);

		/**
		 * @brief 从点云数据中提取规则网格数据
		 *
		 * @param in_posi 点云位置数组
		 * @param in_val 点云数据数组
		 * @param search_xlen 搜索范围x方向长度
		 * @param search_ylen 搜索范围y方向长度
		 * @param search_deg 搜索范围角度
		 * @param datname 新建数据名称
		 * @param d_type 新建数据类型
		 */
		void load_data_cloud(const array<point2dc> &in_posi, const array<double> &in_val, double search_xlen, 
			double search_ylen, double search_deg, std::string datname, mesh_data_type_e d_type = NodeData);

		/**
		 * @brief 从规则网格数据中提取点云数据
		 *
		 * @param datname 数据名称
		 * @param in_posi 点云位置数组
		 * @param out_val 输出的点云数据数组
		 */
		void extract_points(std::string datname, const array<point2dc> &in_posi, array<double> &out_val);

		/**
		 * @brief 从规则网格数据中提取剖面数据
		 *
		 * @param datname 数据名称
		 * @param start_p 剖面起点
		 * @param end_p 剖面终点
		 * @param size_p 剖面点数
		 * @param out_posi 输出的剖面位置数组
		 * @param out_val 输出的剖面数据数组
		 */
		void extract_profile(std::string datname, const point2dc &start_p, const point2dc &end_p, int size_p, 
			array<point2dc> &out_posi, array<double> &out_val);

		/**
		 * @brief 计算规则网格数据的梯度数据
		 *
		 * @param datname 数据名称
		 * @param gradname 梯度数据名称
		 * @param d_type 梯度数据类型
		 * @param order 梯度阶数
		 */
		void gradient(std::string datname, std::string gradname, gradient_type_e d_type, int order = 1);
		
		/**
		 * @brief 计算两个规则网格数据的和
		 *
		 * @param newname 新数据名称
		 * @param datname 数据名称
		 * @param datname2 数据名称2
		 */
		void sum(std::string newname, std::string datname, std::string datname2);

		/**
		 * @brief 计算两个规则网格数据的差
		 *
		 * @param newname 新数据名称
		 * @param datname 数据名称
		 * @param datname2 数据名称2
		 */
		void diff(std::string newname, std::string datname, std::string datname2);

		/**
		 * @brief 计算规则网格数据的布尔数据
		 *
		 * @param newname 新数据名称
		 * @param datname 数据名称
		 * @param maskname 掩码数据名称
		 * @param reverse 是否反转掩码
		 */
		void boolean(std::string newname, std::string datname, std::string maskname, bool reverse = false);

#ifdef GCTL_MESH_EXPRTK

		/**
		 * @brief 计算规则网格数据的函数值，其中f为节点位置（x，y）的函数
		 *
		 * @param expression_str 表达式字符串
		 * @param newname 新数据名称
		 * @param x_str x变量名称
		 * @param y_str y变量名称
		 * @param f_str f变量名称
		 */
		void function(std::string expression_str, std::string newname, std::string x_str = "x", std::string y_str = "y", std::string f_str = "f");
		
		/**
		 * @brief 计算规则网格数据的函数值，计算不同网格数据合成的函数值
		 *
		 * @param expression_str 表达式字符串
		 * @param var_list 变量名称列表
		 * @param data_list 数据名称列表
		 */
		void calculator(std::string expression_str, const array<std::string> &var_list, const array<std::string> &data_list);

#endif // GCTL_MESH_EXPRTK

#ifdef GCTL_MESH_WAVELIB

		/**
		 * @brief 计算规则网格数据的小波数据
		 *
		 * @param datname 数据名称
		 * @param wavename 小波数据名称
		 * @param order 小波阶数
		 * @param summary 是否输出小波处理摘要
		 */
		void wavelet(std::string datname, std::string wavename, int order, bool summary = true);

#endif // GCTL_MESH_WAVELIB

	protected:
		int rg_xnum, rg_ynum; ///< 规则网格的x方向单元数量和y方向单元数量
		double rg_xmin, rg_ymin; ///< 规则网格的x方向最小值和y方向最小值
		double rg_dx, rg_dy; ///< 规则网格的x方向单元长度和y方向单元长度

		array<vertex2dc> nodes; ///< 规则网格的节点数组
		array<rectangle2d> elements; ///< 规则网格的单元数组
	};
}

#endif //_GCTL_REGULAR_GRID_H