IDL对象图形法应用于科学数据可视化.docx

IDL对象图形法应用于科学数据可视化董彦卿交互式数据处理开发语言IDL一直是应用程序开发和科学家进行可视化与分析的首选语言，因为它功能强大、简单易学，很少的几行代码就能实现其他语言很难实现的功能。IDL拥有的对象图形法能灵活、方便地构建图形图像，本文以气象数据为例，介绍利用对象图形法快速实现气象数据可视化，一起领略IDL应用于科学数据可视化的魅力。1. IDL的优势与其他常规语言相比较，IDL语言的优势主要体现在以下几个方面： 语法简单、功能强大IDL是第四代面向对象的语言，语法简单，功能强大，并内建大量数学、统计、图像处理和信号分析工具包。图1 IDL函数 快速构建应用程序原型IDL是一种解释性语言，在一些问题上有着立竿见影的结果，同时IDL降低了设计、编译、测试的周期。IDL内置了大量成熟算法和应用模型，而且大部分的工具都提供源程序，可供用户参考。可以很方便的参考这些代码。 快速可视化IDL下有智能可视化（iTools Visualizations）、直接图形法（Direct Graphics）和对象图形法（Object Graphics）三种可视化模式。三种模式各有其优点：智能可视化方便、快捷，包含了一系列的预置处理和分析功能，它是基于对象图形法的一个系统集成应用；直接图形法的绘图质量高、速度快；对象图形法灵活、可操控性好。在实际的应用中，可根据需求选择相应的可视化模式。 一次编写跨平台运行IDL语言不依赖于操作系统平台，代码可以一次编写，多处运行，保护了用户的投资。IDL支持Windows、UNIX、Macintosh、Linux等多种操作平台，基本上消除了对操作系统的依赖性，实现跨平台的代码共享。 灵活的外部语言接口IDL既是ActiveX/COM控件，又是ActiveX/COM容器。利用ActiveX技术，您可以将IDL的图形功能嵌入到VB，VC+等编写的Windows程序中。同样，在Windows系统中用户也可以在IDL中使用ActiveX控件来扩展IDL程序的功能。同时IDL也提供了IDL-Java/COM Bridge可以在IDL代码中使用JAVA对象。通过IDL-Java/COM Bridge， IDL应用软件可以有效地利用Java的I/O技术、网络技术和其它的一些功能。图2 灵活的外部语言接口 有效的数据管理手段IDL DataMiner是一个开放数据库连接（ ODBC ）接口，借助它IDL用户可快速访问、查询并管理ODBC兼容数据库，支持Oracle、Informix、Sybase、MS SQL Server等大型商用数据库。 灵活多样的程序发布部署方式IDL的程序可以通过两种方式发布：IDL虚拟机（Virtual Machine）和IDLRuntime。IDL虚拟机为IDL用户和软件开发人员提供了IDL应用程序发布的便捷工具，因虚拟机是一个免费的程序发布工具且适用于所有IDL支持的平台。针对大型的商业应用程序，IDL Runtime是一种高性价比的IDL软件发布方法，它不仅可以发布IDL程序，而且可以发布其他语言与IDL混编的软件。图3 IDL的Virtual Machine2. 气象数据可视化2.1. 气象数据特点气象数据复杂多样，包括风场、大气温度、云等各种要素数据，数据格式多样。IDL支持文本、二进制、图像数据（BMP、JPEG、Motion JPEG2000、GIF、PNG、TIFF/GeoTIFF等）科学数据格式（HDF、HDF5、CDF、HDF-EOS、NCDF或grib1）。对各种尚未直接支持格式的数据，根据数据格式说明可以轻松编写数据解析的功能模块。2.2. 实例编写这里以实现图4为例，按照数据读取、可视化及分发部署的基本步骤来说明如何编写实现类似的可视化Demo。图4 大气层层面模拟对图4进行分析，基本技术路线为：先读取数据再进行显示。而显示除了显示控制界面（GUI）之外，还需要实现下面几个实体的显示：1) 蓝色的地球及矢量叠加；2) 外框下半部分绿色包围线；3) 上半部分绿色包围线及红色切面（未闭合）；4) 两个扇形部分外包围线及红色切面；基于上述几点分析，主显示框架可以调用xobjview，xobjview是IDL提供的一个对象查看、操控的一个通用框架，可以快速显示任何一个图形图像类对象。其余显示实体可以用球体对象类、矢量类和编写扇形类三个类来创建实现。2.3. 数据读取数据读取是基础，只有成功读取数据才能保证正确的显示。Demo中需要读取的是全球大陆边界矢量，矢量的读取可以利用IDL自带的IDLffShape类，使用这个类可以轻松解析shape文件格式。针对上面的要求，要实现矢量叠加显示在蓝色地球上，需要先创建球体，再解析显示shape。下面为创建地球和解析shape及显示的源码，功能介绍可参考”;”后面的注释。;创建空的model为IDL对象显示的体系基础。 oModel = OBJ_NEW(IDLgrModel);直径为1的地球 MESH_OBJ, 4, vertices, polygons, REPLICATE(1, 72, 72), $ /CLOSED ;绘制地球出来 oOrb = OBJ_NEW(IDLgrPolygon, vertices,polygons = polygons,$ color = 0,0,128, style =1,TEXTURE_MAP=oImage) ;添加地球对象到model中 oModel-Add,oOrb;创建矢量对象，解析矢量文件并创建多边形对象 shapeFile = OBJ_NEW(IDLffShape, FILE_DIRNAME(ROUTINE_FILEPATH(CreateGraphics)+shapefilecontinents.shp);shapefilechina.shp); shapeFile-Getproperty, N_Entities = nEntities ;设置颜色 color = 255,255,0 ;读取矢量 FOR i=0, nEntities-1 DO BEGIN entitie = shapeFile-Getentity(i) IF PTR_VALID(entitie.parts) NE 0 THEN BEGIN cuts = *entitie.parts, entitie.n_vertices FOR j=0, entitie.n_parts-1 DO BEGIN tempLon = (*entitie.vertices)0,cutsj:cutsj+1 - 1*!dtor tempLat = (*entitie.vertices)1,cutsj:cutsj+1 - 1*!dtor IF N_ELEMENTS(tempLat) GT 1 THEN BEGIN verts = FLTARR(3,N_ELEMENTS(templat) verts0,* = COS(tempLat)*COS(templon) verts1,* = COS(tempLat)*SIN(templon) verts2,* = SIN(templat) polyLines = LINDGEN(N_ELEMENTS(templat)+1)-1 polylines0 = N_ELEMENTS(templat) tempPlot = OBJ_NEW(IDLgrPolyline, $ verts, $ Polylines = polyLines , $ color = color) oModel-Add,tempPlot ENDIF ENDFOR ENDIF shapeFile-Destroyentity, entitie ENDFOR ;销毁矢量对象 OBJ_DESTROY, shapeFile实现的效果如图5所示： 图5 地球与矢量线叠加2.4. 可视化对地球外围的对象来说，下半球是一个完整的半球，上半球中的图形拆开后都有一个类似的特点：可以利用一个圆弧绕中心一直径旋转再加红色剖面得到，故先实现根据输入参数创建曲面多边形的函数createCureveSurface，输入不同的参数该函数可以返回对应的扇形对象。;函数功能：创建扇形条多边形;density: 每一度网格个数;maxR:大半径;minR:小半径;startLon,endLon 起点终点经度;startLat,endLat 起点终点纬度;sliderNums :线条数，疏密程度;outSideColor:外边颜色;inSideColor:内边颜色FUNCTION createCureveSurface,density, $ maxR = maxR, $ minR = minR, $ startLon = sTartLon, $ endLon = endLon, $ startLat = sTartLat, $ endLat = endLat, $ sliderNums = sliderNums, $ outSideColor = outSideColor, $ inSideColor = inSideColor ;创建model oModel = OBJ_NEW(IDLgrModel) ;球面方向多边形 nums = (endLat-startLat)/density angle = startLat*!Dtor+FINDGEN(nums+1)*(endLat - startLat)/nums*!Dtor inArr = MAKE_ARRAY(3,nums+1,/float) inArr0,* = maxR*COS(angle) inArr2,* = maxR*SIN(angle) ;生成点集和链接关系 Mesh_Obj, 6, Vertex_List, Polygon_List , $ inArr, P1 =(endLon - startLon)/density , P2=0,0,0, $ P3 = 0,0,1, $ P4 =startLon*!Dtor, P5 = endLon*!Dtor ;创建对象 oPoly = OBJ_NEW(IDLgrPolygon, vertex_list, $ Polygons = polygon_list, $ color = outSideColor,style =1) ;添加对象关系 oModel-Add,oPoly ;球面切方向多边形 nums = (endLon - startLon)/density inArr = MAKE_ARRAY(3,sliderNums+1,/float) inArr2,* = minR +(maxR-minR)*FINDGEN(sliderNums+1)/sliderNums ; Mesh_Obj, 6, Vertex_List, Polygon_List , $ inArr, P1 =(endLat-startLat)/density , P2=0,0,0, $ P3 = COS(startLon*!dtor+!pi/2),SIN(startLon*!dtor+!pi/2),0, $ P4 =startLat*!Dtor, P5 = endLat*!Dtor oPoly = OBJ_NEW(IDLgrPolygon, vertex_list, $ Polygons = polygon_list, $ color = inSideColor,style =1) oModel-Add,oPoly RETURN,oModelEND基于该函数，则系统可以一次进行外围对象实体的创建，即依次创建外围下半球、上半球的三个扇形及剖面线。代码及注释如下：;创建下面的半球参数 angle = 0-FINDGEN(37)*90/36*!Dtor inArr = MAKE_ARRAY(3,37,/float) inArr0,* = 1.3*COS(angle) inArr2,* = 1.3*SIN(angle) ;生成点集和链接关系 Mesh_Obj, 6, Vertex_List, Polygon_List , $ inArr, P1 =36 , P2=0,0,0, $ P3 = 0,0,1, $ P4 =0, P5 = 360*!Dtor ;创建对象 oPoly = OBJ_NEW(IDLgrPolygon, vertex_list, $ Polygons = polygon_list, $ color = 96,196,0,style =1) ;添加对象到model中 oModel-Add,oPoly ;创建上面的半球 angle =0-angle inArr0,* = 1.3*COS(angle) inArr2,* = 1.3*SIN(angle) ;生成点集和链接关系 Mesh_Obj, 6, Vertex_List, Polygon_List , $ inArr, P1 =27 , P2=0,0,0, $ P3 = 0,0,1, $ P4 =0*!Dtor, P5 = 270*!Dtor ;创建对象 oPoly = OBJ_NEW(IDLgrPolygon, vertex_list, $ Polygons = polygon_list, $ color = 96,196,0,style =1) ;添加对象到model中 oModel-Add,oPoly ; ;左侧红色斜面 inArr = MAKE_ARRAY(3,11,/float) inArr2,*=1+0.3*FINDGEN(11)/10 ;生成点集和链接关系 Mesh_Obj, 6, Vertex_List, Polygon_List , $ inArr, P1 =18 , P2=0,0,0, $ P3 = 1,0,0, $ P4 =0*!Dtor, P5 = 90*!Dtor ;创建对象 oPoly = OBJ_NEW(IDLgrPolygon, vertex_list, $ Polygons = polygon_list, $ color = 196,0,0,style =1) ;添加对象到model中 ;oModel-Add,oPoly ;红色底面 inArr = MAKE_ARRAY(3,11,/float) inArr0,*=1+0.3*FINDGEN(11)/10 ;生成点集和链接关系 Mesh_Obj, 6, Vertex_List, Polygon_List , $ inArr, P1 =18 , P2=0,0,0, $ P3 = 0,0,1, $ P4 =270*!Dtor, P5 = 360*!Dtor ;创建对象 oPoly = OBJ_NEW(IDLgrPolygon, vertex_list, $ Polygons = polygon_list, $ color = 196,0,0,style =1) ;添加对象到model中 ;oModel-Add,oPoly ;右侧小侧面 oModel-Add, createCureveSurface(3, $ maxR = 1.3, $ minR = 1.2, $ startLon = 350, $ endLon = 360, $ startLat = 0, $ endLat = 90, $ sliderNums = 10, $ outSideColor = 96,196,0, $ inSideColor =196,0,0 ) ; oModel-Add, createCureveSurface(3, $ maxR = 1.2, $ minR = 1.1, $ startLon = 340, $ endLon = 350, $ startLat = 0, $ endLat = 90, $ sliderNums = 10, $ outSideColor = 96,196,0, $ inSideColor =196,0,0 ) ; oModel-Add, createCureveSurface(3, $ maxR = 1.1, $ minR = 1.0, $ startLon = 330, $ endLon = 340, $ startLat = 0, $ endLat = 90, $ sliderNums = 10, $ outSideColor = 96,196,0, $ inSideColor =196,0,0