NCL 語言中圖形繪制基本概念辨析

李玉鵬 李 吉＊ 高夢竹 曲驊倩

（1、長白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130062 2、吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長春130062 3、伊通滿族自治縣氣象局，吉林 四平130700 4、成都信息工程大學(xué)，四川 成都610200 5、黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150001 6、桓仁滿族自治縣氣象局，遼寧 本溪117200）

NCL 是一種專門為大氣科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)處理以及圖形繪制而開發(fā)的編程語言，其在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用在國內(nèi)外十分廣泛[1，2]。NCL 支持豐富的數(shù)據(jù)類型，如NetCDF 3/4、GRIB 1/2、HDF 4/5、HDF-EOS 2/5、shapefile、ASCII 以及二進(jìn)制文件，而且對數(shù)據(jù)接口進(jìn)行了封裝，使得讀取不同數(shù)據(jù)格式都十分方便。NCL有令人喜愛的數(shù)據(jù)可視化能力，默認(rèn)參數(shù)下輸出的圖形質(zhì)量已經(jīng)十分出色，國內(nèi)外眾多氣象相關(guān)的期刊上的圖形很多都由NCL 繪制。除了在圖形繪制方面的優(yōu)勢外，NCL 還內(nèi)建了許多氣象專業(yè)常用的公式和函數(shù)，可以方便使用者直接調(diào)用，另外，NCL 支持眾多的投影和網(wǎng)格類型，因此也可以對眾多模式結(jié)果進(jìn)行后處理和可視化[3，4]。

NCL 雖然有著優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理和高品質(zhì)圖形繪制能力，但其語言設(shè)計(jì)方面和Matlab、Grads 等其他氣象常用編程語言有著較大的差異，其特有的以@為標(biāo)志的面向?qū)ο蟮膶傩栽O(shè)置更讓眾多初學(xué)者都感到不適。

而在數(shù)據(jù)可視過程中，draw、frame、gsnDraw、gsnFrame 這幾個語句是十分重要也是十分常見的，但往往不易理解。因此本文主要對以上這些語句以及背景概念進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 理解draw 與frame 過程

下面來詳細(xì)地分析draw 和frame 的區(qū)別。首先draw（plot）,括號內(nèi)還可以是數(shù)組，這個“過程”即procedure，相當(dāng)于執(zhí)行“繪制”，繪制不是直接地繪制到png、pdf 等圖形中，而是繪制在workstation 中，這一過程就像執(zhí)行了一個動作，當(dāng)然這個動作的對象必須是view object（可理解為圖形對象），view object 可以通過gsn 方式或者create 方式產(chǎn)生。frame (wks) 也是一個procedure，它的參數(shù)同樣也可以是一個數(shù)組，它所做的就是先對workstation 中的圖形對象進(jìn)行更新，然后再清空。同樣workstation 對象除了通過gsn_open_wks 產(chǎn)生，也同樣可以由create 方式生成。通俗一點(diǎn)說就是：每調(diào)用frame(wks)一次，都會產(chǎn)生一個畫板，如果之前draw(plot)了，那么畫板上就會有plot的圖，如果前面沒有draw 任何plot，那么產(chǎn)生的畫板就是空白的，表現(xiàn)在(e)ps 或pdf 文件中就是空白頁。

所以，當(dāng)完成完整的一組繪制時再進(jìn)行frame，而且如果緊接著沒有新的draw 動作，馬上再frame，新產(chǎn)生的畫板也是空白的，并不會產(chǎn)生之前圖形的副本，即frame 一次清空一次wks 中的圖形對象。如果從頭到尾一直都沒frame，那么最后也還會frame 的，因?yàn)橹灰闪藈orkstation，腳本結(jié)束時會自動有一次frame。同樣，如果沒有draw 過任何東西，這張畫板就是空白的(以上這些討論都是基于gsnDraw 和gsnFrame 屬性都是False的情形)。gsnDraw 屬性表示是否在調(diào)用gsn function 或者procedure 時順便執(zhí)行draw 命令。gsnFrame 表示是否在調(diào)用gsn function 或者procedure 時順便執(zhí)行frame 命令。如果所需繪制的圖形中包含不同場的疊加等較為復(fù)雜的操作時，這時往往要執(zhí)行不止一條gsn 命令，這兩個屬性一般都設(shè)成False。所以一般當(dāng)要產(chǎn)生和操作的圖形對象比較多時，gsnDraw 和gsnFrame 最好還是關(guān)掉，采用顯示手動的方式控制整個繪圖流程。

2 gsn 繪圖function 和procedure 的區(qū)別

function 有返回值，調(diào)用時前邊必須要有一個變量來接收這一返回值。而且其作用效果是跟隨圖形對象的。如果把gsnFrame 和gsnDraw 設(shè)成了False，那么必須執(zhí)行draw(wks)，然后這個function 產(chǎn)生的圖才會被打印到畫板上。以gsn_add_text這個function 為例，draw (plot) 之后再執(zhí)行該function，然后再frame 是沒有效果的，因?yàn)楦街形淖中畔⒌膒lot 根本沒有被draw 過。如果一直執(zhí)行draw 動作而后面不跟隨frame，所有圖都會被放到同一個頁面中，當(dāng)frame 時會一起出現(xiàn)在畫板上，當(dāng)然如果你一直draw 的是一個圖形對象的話，你可能看不出來是多個對象，因?yàn)檫@些對象正好完全重疊在一起了，只能看到最上面的。

procedure 無返回值，不能賦值給變量。而且這一動作可以自行完成，不需要后續(xù)的draw 跟隨。procedure 執(zhí)行的結(jié)果不附著于其操作的圖形對象，也可以說它是和圖形對象分離的另一個過程（雖然中間可能會用到view object 對象，主要用來作為繪圖位置等信息的參考），所以當(dāng)圖形對象又經(jīng)歷了放大（gsnMaximize）、覆蓋（overlay）之類的操作后，procedure 之前的結(jié)果不會被更新，所以，就可能會出現(xiàn)procedure 的繪制結(jié)果錯位或者消失（被覆蓋）。

通過下邊這段代碼及其執(zhí)行結(jié)果可以幫助我們更準(zhǔn)確地理解上述內(nèi)容。

圖1 代碼的執(zhí)行結(jié)果

其執(zhí)行的結(jié)果如圖1 所示，結(jié)合圖和代碼不難發(fā)現(xiàn)：如果只關(guān)注大寫字母的順序，它們的圖層順序由底到頂依次為C-＞A-＞B-＞D，從而我們不難分析得到：與frame 不同，draw 重復(fù)使用時不會清空之前結(jié)果；procedure 生成時也需要借助于plot 對象，但draw 的時候只draw 自身圖形，與plot 相分離，本身自帶draw 功能，不帶frame 功能；function 跟隨、附著于plot 對象，但自身無draw 和frame 功能；只要生成了一個wks，即使gsnFrame 設(shè)置為False，程序結(jié)束時仍會自帶一個frame(wks)。

最后用一系列類比來加強(qiáng)對上面論述的理解，當(dāng)gsnDraw和gsnFrame 都設(shè)置為False 時，這時是手動控制繪圖流程，具有更大的自由度和靈活性，當(dāng)需要繪制復(fù)雜的圖形時，往往需要采用這種設(shè)置。gsn_open_wks 函數(shù)表示繪畫開始，主要作用是提供繪畫的畫本，會根據(jù)后期的繪畫需要進(jìn)行紙張供給。gsn 繪圖函數(shù)的作用可以類比于篆刻圖形印章的過程，其繪制內(nèi)容最初是保存在模子上的，只有當(dāng)執(zhí)行“蓋章”（draw）這一動作時，圖形才會被印在畫紙上。而gsn 繪圖過程的作用可以類比于直接在畫紙上作畫，沒有中間過程，其繪制內(nèi)容直接出現(xiàn)在當(dāng)前的畫紙上。而frame 這個過程則相當(dāng)于將當(dāng)前作畫的畫紙從繪畫本子上取下來并放到作品集中，而這個作品集就是我們程序運(yùn)行的最終輸出結(jié)果，也就是我們看到的pdf 文件（單頁或是多頁），或者png（一張或多張）等圖形。

3 結(jié)論

以上較為詳細(xì)地介紹了NCL 在圖形繪制過程中可能遇到的一些基本概念問題。

3.1 詳細(xì)介紹了draw 和frame 過程（procedure）的區(qū)別和用法。

3.2 詳細(xì)辨析了gsn 繪圖過程與函數(shù)的區(qū)別和用法。

3.3 在繪制復(fù)雜圖形時，要將gsnDraw 和gsnFrame 屬性設(shè)為False，這樣可以更自由地控制繪圖順序和顯示效果。