應用IDL實現氣象數據三維可視化

法潔錦 許瀟鋒

摘 要：在三維氣象數據分析中，通過靈活運用IDL的三維繪圖函數，可實現復雜數據的快速可視化，提高科研人員工作效率。本文系統介紹了IDL中7個三維繪圖函數的功能，并以繪制三維云圖為例，展示了運用這些函數實現三維可視化的過程。

關鍵詞：IDL；三維可視化；三維云圖

隨著科技高速發展和大數據時代到來，各種數據都在以海量的速度增長，熟練運用軟件編程處理和快速顯示數據結果已經是科研人員必備的素養之一。除學科專用軟件外，IDL（Interactive Data Language）已逐漸成為處理海量數據和實現快速可視化的必備工具之一。IDL是一種數據分析和圖像化應用的高級編程語言，可以實現全色三維圖像的繪制，并能在多種硬件平臺上運行，還可以方便地與C、C++連接，并支持數據庫接口標準。在氣象數據分析和教學中，經常需要處理并顯示一些三維數據。對于初學者來說，處理這樣的數據會比較麻煩，而使用IDL自帶函數卻可以簡便地實現三維圖像的繪制和處理，提高科研和教學的效率。本文將系統介紹IDL中7個三維繪圖函數的功能，并給出利用這些函數繪制三維云圖的示例，以期為從事相關研究的人員提供參考。

一、 IDL常用功能

（一） 高效編程

IDL是基于矩陣運算的計算機語言，它語法簡單，自帶大量功能函數，具備結構化和解釋性語言的雙重優點。IDL可以快速實現科學數據讀寫、三維可視化、數值計算和三維圖形建模，是科學數據分析和可視化的理想工具。IDL已經在地球科學、GIS開發、醫學影像、航空航天、信號處理、數學分析和環境工程等諸多領域得到廣泛應用。

（二） 數據處理

IDL集成了數學分析和統計軟件包，包括標準數學模型算法、內部函數和IMSL函數庫，能夠支持復雜的科學計算。IDL還提供了大量的專業函數，支持讀寫和處理多種科學數據格式，如HDF、NetCDF和Grib等。通過調用這些函數，可以快速批處理海量科學數據，為科研人員節約大量繁瑣的編程時間。

（三） 可視化功能

IDL提供了大量可視化工具，可繪制二維圖像、三維曲面、三維體圖、等值線圖和投影地圖等，還可以繪制動畫和進行交互式三維圖形瀏覽。IDL自帶了30多種地圖投影函數，并支持自定義投影，使得其在處理遙感數據時更加方便。用戶只需要幾條語句就可以快速實現數據可視化，獲得滿意的顯示效果。

二、 IDL三維繪圖功能

IDL擁有直接圖形法、對象圖形法和智能可視化工具等三類主要三維繪圖模式。直接圖形法是依靠當前顯示設備快速顯示圖形的可視化模式，占用內存小、方便快捷。對象圖形法通過調用封裝好的程序包可以實現復雜繪圖，在重用性、可修改性和可操作性上具有優勢，特別適用于3D繪圖。智能可視化工具包含一系列的預處理和分析功能，是基于對象圖形法的系統集成應用。常用的三維繪圖命令有：SHADE_VOLUME、INTERVAL_VOLUME、ISOSURFACE、VOLUME（直接圖形法）、IDLgrVolume（對象圖形法）、XVOLUME、IVOLUME（智能化工具），其命令格式如表1所示。

三、 繪制三維云圖示例

在氣象和環境分析中，利用IDL可以簡單快速地顯示數值模擬結果的三維結構特征。下文以一個對流云模擬數據為例，說明利用多個IDL函數實現三維可視化的過程。首先，讀取數據文件并賦給變量data，然后分別利用SHADE_VOLUME、INTERVAL_VOLUME、ISOSURFACE、VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME、IVOLUME等函數繪制了云水含量的三維圖，各種方法實現過程及說明見表1。其中，SCALE3、POLYSHADE、TETRA_SURFACE、TV等函數分別實現坐標轉換、曲面著色、曲面提取和顯示圖像等功能。表1中一些方法對應的繪圖結果見圖1。其中VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME具有交互性，利用鼠標可以實現圖形縮放、旋轉等功能。此外，XVOLUME還能利用工具條繪制等值面和軸向剖面等，

其功能同IVOLUME。此外，SHADE_VOLUME、INTERVAL_VOLUME、ISOSURFACE等函數繪制三維等值面圖。VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME、IVOLUME等函數繪制三維體元圖，還可以通過設置顏色和透明度以顯示不同數值。

四、 結束語

隨著大數據時代的到來，如何從海量數據中提取有效信息是解決實際問題的關鍵。因此，要求科研人員和專業人士不僅具備深厚的專業知識，還需要掌握快速分析數據的專業軟件。本文以繪制三維云圖為例，系統介紹了運用IDL三類圖形法中7個函數實現三維數據可視化的方法。希望藉由此例，為科研人員快速分析和處理數據、提高科研效率提供參考和幫助。

參考文獻：

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作者簡介：法潔錦，許瀟鋒，江蘇省南京市，南京信息工程大學大氣科學與環境氣象國家級實驗教學示范中心。