IDL

气象中IDL的应用

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2016-06-23

气象资料和产品的种类及数量急剧增加，气象科研人员和气象预报人员对气象资料进行可视化分析的需求愈发迫切。 IDL 为直观、清晰、生动、形象的可视化表现通用、标准的气象信息提供了一个理想的工具。
IDL能够高效读写气象行业格式数据，对数据进行快速的处理、分析和二三维可视化。它能够运行在主流的Windows、Linux、Unix和Mac系统平台，开发的程序基本无需做特别的更改就能移植到另外一平台下。
气象数据读写与显示
GRIB码 ( GRIdded Binary，FM 92 GRIB)是与计算机硬件无关的压缩二进制代码，该编码有利于资料的存储和快速传输。气象行业中通常用它来存储数值天气分析和预报的格点资料，现行的 GRIB 码有 GRIB 1和GRIB 2两种格式。
IDL提供了GRIB1和GRIB2的读写函数，可直接对数据进行读写操作。同时IDL还支持常规二进制文件、ASCII码文件、通用图像文件格式（JPG、BMP、PNG和TIFF等）和科学数据集格式（CDF、netCDF、HDF、HDF5）等。

图1 气象数据读取与显示
气象预报与数据二三维可视化
气象预报的准确性是依赖于对大量数据的计算和计算结果可视化分析。科学计算可以将数值转换为图像，如风矢量、等压面、等温面、云层、风力等，使得预报人员能够对未来天气做出准确的分析和预测。
使用IDL可以轻松地获得丰富的可视化效果，如线图、影像、等值线、面数据和体数据的显示。IDL支持OpenGL软硬件加速的功能，可加速实现2D及3D数据分析、图像处理、可视化、三维建模和虚拟现实。利用IDL先进的对象图形法，通过旋转和缩放，可从各个不同视角进行可视分析。
如下几个例子是二维环境下显示气象数据：

图2风矢量和高度场可视化

图3 云图动画展示
三维图形图像的显示、放大、透视，直观地同步显示大气环境的三维景象和大气参数的空间分布，并叠加三维地形和植被遥感图，使大气环境数值模拟仿真的效果更加逼真。
显示方式：三维等值面显示，三维地形和遥感图叠加和廓线显示。

图4 风场三维可视化

图5 500hPa高度场的三维显示

图6 立体云图

气候监测分析
根据多时相气温监测数据，利用IDL的分析和可视化功能可以对气象情况和变化趋势进行研究和预测，总结气候变化规律。
以下实例通过在地球对象上叠加等值面实现了全球温度数据的可视化效果。看上去复杂的图形实现起来却非常简单。首先将影像数据投影在球体上创建地球对象，然后将基于真实地理坐标的温度场数据（经纬度、高度）生成三维格网，再根据对应点的温度值生成三维等值面对象，最后将它们在同一场景中结合显示出来。

图7 全球温度数据可视化实现流程

如下为一些IDL数据可视化分析的效果。

图8 厄尔尼诺现象小波分析

图9 全球温度场可视化

图10 海拔10m出的风向和风力可视化分析

图11 纬向平均纬向风

气象模拟
IDL的三维渲染、体数据处理与显示功能都可以对气象中的自然现象进行模拟分析。模拟分析显示以各种天气现象的物理形成过程为基础，在对数学模型进行适当简化基础上通过计算机模拟显示出来。
如下一个例子：输入DEM数据和地表影像，创建了新的物理模型对象。可以通过任意地选择DEM文件和地表影像进行三维重建，建立灵活、直观的三维环境。不仅可以在云产生的动态显示过程中，通过叠加矢量场、温度和气压环境渲染、生成温度和压力等值面等程序原有功能，对过程中的大气环境进行实时分析，还实现了对场景中物理模型（如：桥梁、房屋等）的任意添加、删除，以及模型的旋转、缩放等功能。