应用IDL实现气象数据三维可视化

法洁锦 许潇锋

摘 要：在三维气象数据分析中，通过灵活运用IDL的三维绘图函数，可实现复杂数据的快速可视化，提高科研人员工作效率。本文系统介绍了IDL中7个三维绘图函数的功能，并以绘制三维云图为例，展示了运用这些函数实现三维可视化的过程。

关键词：IDL；三维可视化；三维云图

随着科技高速发展和大数据時代到来，各种数据都在以海量的速度增长，熟练运用软件编程处理和快速显示数据结果已经是科研人员必备的素养之一。除学科专用软件外，IDL（Interactive Data Language）已逐渐成为处理海量数据和实现快速可视化的必备工具之一。IDL是一种数据分析和图像化应用的高级编程语言，可以实现全色三维图像的绘制，并能在多种硬件平台上运行，还可以方便地与C、C++连接，并支持数据库接口标准。在气象数据分析和教学中，经常需要处理并显示一些三维数据。对于初学者来说，处理这样的数据会比较麻烦，而使用IDL自带函数却可以简便地实现三维图像的绘制和处理，提高科研和教学的效率。本文将系统介绍IDL中7个三维绘图函数的功能，并给出利用这些函数绘制三维云图的示例，以期为从事相关研究的人员提供参考。

一、 IDL常用功能

（一） 高效编程

IDL是基于矩阵运算的计算机语言，它语法简单，自带大量功能函数，具备结构化和解释性语言的双重优点。IDL可以快速实现科学数据读写、三维可视化、数值计算和三维图形建模，是科学数据分析和可视化的理想工具。IDL已经在地球科学、GIS开发、医学影像、航空航天、信号处理、数学分析和环境工程等诸多领域得到广泛应用。

（二） 数据处理

IDL集成了数学分析和统计软件包，包括标准数学模型算法、内部函数和IMSL函数库，能够支持复杂的科学计算。IDL还提供了大量的专业函数，支持读写和处理多种科学数据格式，如HDF、NetCDF和Grib等。通过调用这些函数，可以快速批处理海量科学数据，为科研人员节约大量繁琐的编程时间。

（三） 可视化功能

IDL提供了大量可视化工具，可绘制二维图像、三维曲面、三维体图、等值线图和投影地图等，还可以绘制动画和进行交互式三维图形浏览。IDL自带了30多种地图投影函数，并支持自定义投影，使得其在处理遥感数据时更加方便。用户只需要几条语句就可以快速实现数据可视化，获得满意的显示效果。

二、 IDL三维绘图功能

IDL拥有直接图形法、对象图形法和智能可视化工具等三类主要三维绘图模式。直接图形法是依靠当前显示设备快速显示图形的可视化模式，占用内存小、方便快捷。对象图形法通过调用封装好的程序包可以实现复杂绘图，在重用性、可修改性和可操作性上具有优势，特别适用于3D绘图。智能可视化工具包含一系列的预处理和分析功能，是基于对象图形法的系统集成应用。常用的三维绘图命令有：SHADE_VOLUME、INTERVAL_VOLUME、ISOSURFACE、VOLUME（直接图形法）、IDLgrVolume（对象图形法）、XVOLUME、IVOLUME（智能化工具），其命令格式如表1所示。

三、 绘制三维云图示例

在气象和环境分析中，利用IDL可以简单快速地显示数值模拟结果的三维结构特征。下文以一个对流云模拟数据为例，说明利用多个IDL函数实现三维可视化的过程。首先，读取数据文件并赋给变量data，然后分别利用SHADE_VOLUME、INTERVAL_VOLUME、ISOSURFACE、VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME、IVOLUME等函数绘制了云水含量的三维图，各种方法实现过程及说明见表1。其中，SCALE3、POLYSHADE、TETRA_SURFACE、TV等函数分别实现坐标转换、曲面着色、曲面提取和显示图像等功能。表1中一些方法对应的绘图结果见图1。其中VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME具有交互性，利用鼠标可以实现图形缩放、旋转等功能。此外，XVOLUME还能利用工具条绘制等值面和轴向剖面等，

其功能同IVOLUME。此外，SHADE_VOLUME、INTERVAL_VOLUME、ISOSURFACE等函数绘制三维等值面图。VOLUME、IDLgrVolume、XVOLUME、IVOLUME等函数绘制三维体元图，还可以通过设置颜色和透明度以显示不同数值。

四、 结束语

随着大数据时代的到来，如何从海量数据中提取有效信息是解决实际问题的关键。因此，要求科研人员和专业人士不仅具备深厚的专业知识，还需要掌握快速分析数据的专业软件。本文以绘制三维云图为例，系统介绍了运用IDL三类图形法中7个函数实现三维数据可视化的方法。希望藉由此例，为科研人员快速分析和处理数据、提高科研效率提供参考和帮助。

参考文献：

[1]金盛，夏德深，陈鸿.IDL语言与图像处理和分析[J].工业控制计算机，1997（4）：6-8.

[2]杨朝辉，陈映鹰.IDL在三维地层可视化中的应用研究[J].工程勘察，2008（6）：50-53.

[3]杨何群，周红妹，尹球，韩涛，葛伟强.FY-3气象卫星MERSI数据快速预处理的IDL实现[J].遥感技术与应用，2012（4）：566-574.

作者简介：法洁锦，许潇锋，江苏省南京市，南京信息工程大学大气科学与环境气象国家级实验教学示范中心。