法潔錦 許瀟鋒

摘 要：在三維氣象數(shù)據(jù)分析中，通過靈活運(yùn)用IDL的三維繪圖函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速可視化，提高科研人員工作效率。本文系統(tǒng)介紹了IDL中7個(gè)三維繪圖函數(shù)的功能，并以繪制三維云圖為例，展示了運(yùn)用這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)三維可視化的過程。

關(guān)鍵詞：IDL；三維可視化；三維云圖

隨著科技高速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時(shí)代到來，各種數(shù)據(jù)都在以海量的速度增長，熟練運(yùn)用軟件編程處理和快速顯示數(shù)據(jù)結(jié)果已經(jīng)是科研人員必備的素養(yǎng)之一。除學(xué)科專用軟件外，IDL（Interactive Data Language）已逐漸成為處理海量數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)快速可視化的必備工具之一。IDL是一種數(shù)據(jù)分析和圖像化應(yīng)用的高級(jí)編程語言，可以實(shí)現(xiàn)全色三維圖像的繪制，并能在多種硬件平臺(tái)上運(yùn)行，還可以方便地與C、C++連接，并支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口標(biāo)準(zhǔn)。在氣象數(shù)據(jù)分析和教學(xué)中，經(jīng)常需要處理并顯示一些三維數(shù)據(jù)。對(duì)于初學(xué)者來說，處理這樣的數(shù)據(jù)會(huì)比較麻煩，而使用IDL自帶函數(shù)卻可以簡便地實(shí)現(xiàn)三維圖像的繪制和處理，提高科研和教學(xué)的效率。本文將系統(tǒng)介紹IDL中7個(gè)三維繪圖函數(shù)的功能，并給出利用這些函數(shù)繪制三維云圖的示例，以期為從事相關(guān)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(yùn)算的計(jì)算機(jī)語言，它語法簡單，自帶大量功能函數(shù)，具備結(jié)構(gòu)化和解釋性語言的雙重優(yōu)點(diǎn)。IDL可以快速實(shí)現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)讀寫、三維可視化、數(shù)值計(jì)算和三維圖形建模，是科學(xué)數(shù)據(jù)分析和可視化的理想工具。IDL已經(jīng)在地球科學(xué)、GIS開發(fā)、醫(yī)學(xué)影像、航空航天、信號(hào)處理、數(shù)學(xué)分析和環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（二） 數(shù)據(jù)處理

IDL集成了數(shù)學(xué)分析和統(tǒng)計(jì)軟件包，包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型算法、內(nèi)部函數(shù)和IMSL函數(shù)庫，能夠支持復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算。IDL還提供了大量的專業(yè)函數(shù)，支持讀寫和處理多種科學(xué)數(shù)據(jù)格式，如HDF、NetCDF和Grib等。通過調(diào)用這些函數(shù)，可以快速批處理海量科學(xué)數(shù)據(jù)，為科研人員節(jié)約大量繁瑣的編程時(shí)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(dòng)畫和進(jìn)行交互式三維圖形瀏覽。IDL自帶了30多種地圖投影函數(shù)，并支持自定義投影，使得其在處理遙感數(shù)據(jù)時(shí)更加方便。用戶只需要幾條語句就可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(duì)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(dāng)前顯示設(shè)備快速顯示圖形的可視化模式，占用內(nèi)存小、方便快捷。對(duì)象圖形法通過調(diào)用封裝好的程序包可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜繪圖，在重用性、可修改性和可操作性上具有優(yōu)勢，特別適用于3D繪圖。智能可視化工具包含一系列的預(yù)處理和分析功能，是基于對(duì)象圖形法的系統(tǒng)集成應(yīng)用。常用的三維繪圖命令有：SHADE_VOLUME、INTERVAL_VOLUME、ISOSURFACE、VOLUME（直接圖形法）、IDLgrVolume（對(duì)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(huán)境分析中，利用IDL可以簡單快速地顯示數(shù)值模擬結(jié)果的三維結(jié)構(gòu)特征。下文以一個(gè)對(duì)流云模擬數(shù)據(jù)為例，說明利用多個(gè)IDL函數(shù)實(shí)現(xiàn)三維可視化的過程。首先，讀取數(shù)據(jù)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(shù)繪制了云水含量的三維圖，各種方法實(shí)現(xiàn)過程及說明見表1。其中，SCALE3、POLYSHADE、TETRA_SURFACE、TV等函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的繪圖結(jié)果見圖1。其中VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME具有交互性，利用鼠標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)圖形縮放、旋轉(zhuǎn)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(shù)繪制三維等值面圖。VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME、IVOLUME等函數(shù)繪制三維體元圖，還可以通過設(shè)置顏色和透明度以顯示不同數(shù)值。

四、 結(jié)束語

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，如何從海量數(shù)據(jù)中提取有效信息是解決實(shí)際問題的關(guān)鍵。因此，要求科研人員和專業(yè)人士不僅具備深厚的專業(yè)知識(shí)，還需要掌握快速分析數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件。本文以繪制三維云圖為例，系統(tǒng)介紹了運(yùn)用IDL三類圖形法中7個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、提高科研效率提供參考和幫助。

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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(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。