基于Python语言的HITRAN数据库接口可视化工具的开发与应用

第48卷第1期化

工

自

动

化

及

仪

表79基于Python语言的HITRAN数据库接口

可视化工具的开发与应用王明吉倪子颜李玉爽姚岱男张政刘博(东北石油大学电子科学学院)摘

要

采用Python语言开发HITRAN应用程序编程接口

(HAPI

"可视化工具#该工具可对HITRAN-

online提供的功能和数据进行远程访问，实现获取数据、筛选数据，提供4种不同线型，计算吸收系数、吸

收光谱、透射光谱、辐射光谱并绘制图谱功能#多次使用结果表明：基于Python语言的HITRAN数据库接

口可视化工具界面简洁、方便，没有编程语言基础的使用者也可快速按照所需获取数据，大幅提高了工作

效率#关键词

图形用户界面

HAPI

Python中图分类号 TH865

文献标识码

B

文章编号

1000-3932(2021)01-0079-06高分辨率传输分子吸收数据库HITRAN包

含用于计算和模拟光在气体中传输与扩散的各

除可对HITRANonline提供的功能和数据进行远

程访问，还提供以下功能［3］:a.

使用大量第三方Python库处理数据；b.

HT线型的Python实现，该线型也可以简

种光谱参数［1］，对光学研究有很大的参考价值，是

光学研究者常用的工具之一

#当前版本HI-

TRAN2016提供了

HITRANonline交互式互联网

应用程序，用户可以在线查询获取数据#此外,

化为高斯(多普勒)、洛伦等传统的线型；C.

TIPS-2011

的

Python

实现；d.

考虑压力、温度和光路长度的高分辨率光

谱模拟；e.

计算吸收系数、吸收光谱、透射光谱、辐射

HITRAN2016还提供了

HITRAN应用程序编程

接

口

(The

HITRAN

Application

Programming

In­terface

,HAPI),用户可以对HITRANonline提供

的功能和数据进行远程访问#对比HITRANon­光谱；line,

HAPI

扩展了过滤数据、绘制图像、下载用户

定义的输出数据、计算吸收和传输以及应用高级

线型函数等功能巴使用起来更加方便、快捷、灵

f.

使用许多工具函数模拟实验光谱，用于光

谱计算。用户在使用过程中需要应用Python语言编

写程序来调用HAPI中的相应函数，以实现上述

功能，这就要求使用者有一定的编程语言基础#

没有编程语言基础的使用者在应用该数据库的

活。HAPI是基于Python语言的应用程序,对于不

熟悉编程语言的用户来说使用起来极为不便，因

此笔者开发

HITRAN

数据库接口可视化工具,

为

无程序语言基础用户的使用提供有利条件。1

HITRAN数据库应用程序编程接口HAPI是HITRAN数据库为用户提供的免费

的应用程序编程接口，是基于Python语言的函数

集。目前最新版本为

V.1.1.0.9.7,该版本

过程中会受到很大限制，只能在HITRANonline

上对数据进行远程获取#2图形用户界面图形用户界面(Graphical

User

Interface,

GUI)指采用图形方式显示的计算机操作用户界基金项目：中国石油科技创新基金项目(2718D-5007-0608)。作者简介：王明吉(1963-),教授，从事测试技术计量与仪器的研究#通讯作者：李玉爽(1979-),教授，从事激光检测及信号处理的研究,****************

80化工自动化及仪表2021

年面。传统的字符界面操作复杂，非专业用户难以

理解和操作。HAPI就是依靠使用者编写程序调

用函数,实现HAPI的功能。3.1.2开发环境HAPI是应用Python语言开发的应用程序。

Python作为一种面向对象的解释性脚本语言,具

用功能函数实现上述HAPI的各种功能,属于传

统的字符操作界面。而在图形用户界面中，使用

者不需要学习复杂的代码,可以通过窗口、按键、

有简洁直观、灵活方便及可移植等特点，并且

Python语言的使用是免费的⑸。目前，最新版本的

菜单等图形对象向计算机等电子设备发出指令,

设备接收指令后,通过图形反馈操作的结果⑷。笔者开发的HITRAN数据库接口可视化工

具是将用户通过编程调用HAPI中的功能函数这

一复杂的字符界面操作过程转换成以图形方式

V.1.1.0.9.7

支

持

Python2.6+

,因

为

Python3全新版本与&,止/02不完全兼容,所以笔

者将Python2.7.14作为开发语言。除此之外，许多

开源的科学计算库都提供了

Python的调用接口

并免费使用，因此本设计的界面框架应用与

Python2.7.14匹配的wxPython作为辅助工具,开

表达函数和参数,使用者根据需求选择相应的函

数和参数，本工具根据使用者的选择调用HAPI

中的功能函数，以满足使用者的需求。发HITRAN数据库接口可视化工具。本设计基于

Windows系统开发验证,但由于Python的跨平台

3基于Python语言的HITRAN数据库接口可

视化工具3.1开发原理及环境特征，也可运行于Linux或MecOS平台。3.2

程序实现3.1.1开发原理根据使用者的需求并结合HAPI的内置函数

设计人机交互界面。该人机交互界面通过应用鼠

本设计应用Python和开源wxPython开发

HITRAN

数据库接口

可视化工具,

本工具通过

HAPI接口在线访问HATRAN数据库获取数据、

标事件、键盘事件和菜单事件,将使用者选择的

功能和参数转换为对HAPI内置函数的参数并调

筛选数据并保存至本地,还可提供利用数据绘制

特定图谱的功能！系统结构如图1所示！图1系统结构示意图本设计分为主界面、数据获取模块、数据筛

主界面如图3所示,本设计在

()函

数创建框架中添加ok()函数,用笔记本

选模块、图形绘制模块与帮助模块5部分,以面

向使用者为理念实现各个模块功能！主界面介绍

HITRAN数据库；数据获取模块从HITRAN数据

模式将各个模块在一个窗口显示出来,每一个页

面即notebookpage

()函数显示一个模块,每一个

模块功能的实现都依托HAPI中相应的功能函

库获取相应条件的数据，并保存文件至相应目

录;数据筛选模块对已获取数据进行相应条件的

数。3.2.1

数据获取模块实现数据获取模块功能的核心函数是fetch_

byjds(),调用该函数可以从HITRANonline服务

查看或保存；图形绘制模块对已获取数据进行相

应计算并生成曲线图形；帮助模块帮助使用者了

解光谱参数,并可通过该模块访问HITRANon-

line。程序流程如图2所示。上逐行下载数据并保存到本地。从图2可以看

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表81—►帮助查看或保存文件图2程序流程wxRadioButton

()函数创建选择按钮,列出参数组

供使用者选择$

HITRAN数据库目前提供49种气

体分子及其分子种类中最重要的同位素分子光

谱参数,因此本设计应用wxComboBox()函数创

建下拉框，在MolecularsChoices

()函数中列出49

种分子,同时在wxNotebook()函数中创建49个

notebookpage

()函数,列出每种分子同位素,使

MolecularsChoices

()函数与

notebookpage

()函数

产生联动,实现使用者快速查找同位素并选择需

图3

主界面要查询的分子的功能$

OnButtonClick()函数连接

fetch_by_ids()函数,点击按钮触发事件,程序开

出，使用者需要输入本地目录名、获取数据的波

段、获取数据的分子与参数组。获取后的数据以

文件形式保存至使用者定义的目录下。本设计应

用wxTextCtr()函数创建对话框,实现使用者在对

始执行fetch_by_ids()函数,实现模块功能$在用

户图形界面设计过程中，应用()函数和

er

()函数对界面进行分割,分布上述函

话框中输入目录名与获取数据的波段范围'应用数在界面中的位置,如图4所示$图4数据获取模块图形用户界面

823.2.2数据筛选模块化

工

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仪

表2021

年行筛选的数据必须为HITRAN数据库下载的数

据，为避免出错，选择文件部分应选用

数据筛选模块的核心函数是select

(),对已

经下载的数据进行选择或筛选到标准输出或保

存到指定文件(使用者可以对数据的波段%参数

ckerCtrl

()函数访问本地文件,并将获

取数据模块中定义的目录默认为选择文件所

进行筛选，筛选后的数据以.txt格式保存。数据

筛选模块的图形用户界面如图5所示。由于进

在的目录。数据筛选模块其余部分的实现过程

与数据获取模块类似,本节不做详细描述。图5数据筛选模块图形用户界面3.2.3图形绘制模块图形绘制模块是根据吸收系数计算分子不

同线型的吸收、透射率和辐射光谱,由absorption-

用者的输入进行判断,进而实现该模块功能。图

形用户界面如图6所示。3.2.4帮助模块帮助模块可以查看HAPI、光谱参数信息与

Coefficient_Lorentz

()

%

absorptionSpectrum

()等多

个函数实现这些功能。图形用户界面布局与上面

访问HITRANonline网站。为了使界面简洁,应用

两个模块类似，将选择吸收线型、设置影响条件、

输入文件名和波段、图形绘制这些步骤分模块列

r()函数在界面上方设置菜单栏，下设3

个选项，em

()函数分别实现3个功

能。图形用户界面如图7所示。出。因为功能函数较多,该模块采用if语句对使

图6

图形绘制模块图形用户界面

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表83图7

帮助模块图形用户界面3.3运行结果接口可视化工具的效果，以HiO和NH3为例,各为验证基于Python语言的HITRAN数据库

二]旦凶个模块的程序运行结果如图8所示文件已保存（data文件夹中）圃

2020/1/13

21:29

DATA

文件

2020/1/13

2L29

HEADER

□

2020^/13

21^7

文本如

也

文件

604

KB4

KB17

KB©

Figure

1NH3

k(w):p=5

atm,T=1960KJ

-记事本(F)(E)(O)(V)(H)文件编辑格式查看報助3900

4000金创Q|昌目|2000.094867

1.

082E-302000.114106

1.273E-272000.231336

3.192E-292000.273352

5.193E-302000.297854

1.393E-272000.333096

6.201E-302001.018361

3.

309E-272001.071420

1.150E-272001.128124

5.

473E-302001.139879

1.106E-282001.156295

1.

289E-302001.194479

1.

925E-292001.213395

1.

678E-282001.258784

6.

679E-272001.331354

2.148E-292001.348611

1.

906E-272001.412840

1.

801E-26图8运行结果4结束语[1]

Gamache

R

R,Roller

C,Lopes

E,et

al.

Total

Internal基于Python语言的HITRAN数据库接口可

视化工具界面简洁、方便,没有编程语言基础的

Partition

Sums

for

166

Isotopologues

of

51

Molecules

Important

in

Planetary

Atmospheres：

Application

to

使用者也可以快速获取所需数据,并可对数据依

照需求再筛选、在线查看或保存成文件,方便对

数据进行下一步处理,提高工作效率。此外,本工

[3]

HITRAN2016

and

Beyond

[J].

Journal

of

Quantitative

Spectroscopy

and

Radiative

Transfer,2017,203

：70

〜

ov

R

V,Gordon

I

E,Rothman

L

S,et

al.

具还提供了4种不同线型的吸收系数、吸收光

谱、透射光谱和辐射光谱,对HITRAN数据库使

HITRAN

Application

Programming

Interface

(HAPI):

A

Comprehensive

Approach

to

Working

with

Spectroscopic

Data

[J].

Journal

of

Quantitative

Spectr­用者有极大帮助。在本程序的基础上,可进一步

实现更复杂的数据处理，以满足各种不同需求。oscopy

and

Radiative

Transfer,

2016,

177：

15〜30.[4]

冯斌•图形用户界面外观设计法律保护问题研究

参考文献[1]

Gordon

I

E,Rothman

L

S,Hill

C

,et

al.

The

HITR-

[D]•南京:南京大学,2017.[5]

Lutz

M.

Learning

Python

[M].南京：东南大学出版

社,2008.(收稿日期：2020-02-24,修回日期：2020-03-27)AN2016

Molecular

Spectroscopic

Database

[J].

Journal

of

Quantitative

Spectroscopy

and

Radiative

Transfer,2017,203

：3〜69.

84化

工

自

动

化

及

仪

表2021

年Development

and

Application

of

Visual

Tools

for

HITRAN

Database

1“"什54"

Based

o.

ot

Python

18.9889"WANG

Ming-ji,

NI

Zi-yan,

LI

Yu-shuang,

YAO

Dai-nan,

ZHANG

Zheng,

LIU

Bo(School

of

Electronic

Science

and

Technology,

Northeast

Petroleum

University)Abstract

Making

use

of

Python

language

to

develop

a

visual

tool

fOr

HITRAN

application

programming

interface

(HAPI

$

was

implemented

to

provide

remote

access

to

the

functions

and

data

provided

by

HITRA-

Nonline

so

as

to

obtain

data,

screen

data

and

provide

four

different

lines,

as

well

as

calculate

absorption

coefficient,

absorption

spectrum,

transmission

spectrum

and

radiation

spectrum

and

drawing

maps.

Many

applications

showed

that,

the

visual

tool

for

HITRAN

database

interface

based

on

Python

language

is

sim­ple

and

convenient,

and

users

without

programming

language

basis

can

quickly

obtain

the

data

as

required

and

which

greatly improves

work

words

graphic

user

interface,

HAPI,

Python(Continued

from Page

62)the

recognition

and

display

of

the

water

meter

reading

can

be

completed by

the

digital

image

processing

and

pattern

recognition

method.

In

the

recognition

algorithm

design,

the

improved

p-tile

method

was

used

to

re­alize

the

binary

processing

of

water

meter

images with

different

phenotypes

after

the

inclination

correction

of

water

meter images.

Then

the

characters

of the

water

meter image

were

segmented

and

normalized.

Finally,

the

characters were

recognized

by

the

combination

of

grid

feature

matching

and

template

matching.

The

out­put

of

the

final

water

meter

reading

was

completed

by

carry

processing,

including

the

verification

of

the

al­gorithm by

experiments

to

meet

the

actual

field

application

words

image

recognition,

camera-type

water

meter,

improved

p-tile

method,

mesh

feature

matching,

template

matching

,

carry

processing安特威"聚烯烃工艺高频程控球阀"成功通过

石化联合会科技成果鉴定2020年11月27日，苏州安特威阀门有限公司“聚烯烃工艺高频程控球阀”科技成果鉴定会顺利召开。经

鉴定委员会审查、讨论，一致认为：该科技成果达到了国际同类产品的先进水平。鉴定会由中国石油和化学工业联合会王翊民处长主持，来自南通大学、华东理工大学、华中科技大学、中

国石化南京阀门供应储备中心、中国特种设备检测研究院、中石化上海工程公司、中国寰球工程有限公司、中

国寰球大庆石化工程有限公司、华陆工程科技有限公司、浙江卫星石化股份有限公司、东华能源股份有限公司

等单位的专家以及各石化公司的用户代表齐聚一堂，听取了

"聚烯烃工艺高频程控球阀"产品研制和应用情况

的汇报，审阅了用户使用报告、第三方检测报告等相关资料，并到现场调研考证,经过认真讨论、提问，一致认

为安特威"聚烯烃工艺高频程控球阀”达到了国际同类产品的先进水平，建议进一步加快该产品的推广应用$