[IDL] 아이디엘 대기 환경 자료 처리 및 가시화 : HDF 형식인 전지구 오존량 자료를 이용한 가시화

 정보

• 업무명    : 대기 환경 자료 처리 및 가시화 : HDF 형식인 전지구 오존량 자료를 이용한 가시화

• 작성자    : 이상호

• 작성일    : 2020-03-31

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• 수정이력 :

 

 내용

[개요]

• 안녕하세요? 기상 연구 및 웹 개발을 담당하고 있는 해솔입니다.

• 대기 환경 정보는 다양한 차원의 관측 자료 및 분석 자료로 구성되어 있기 때문에 이용자가 적절한 분석 및 가시화 기술이 요구됩니다.

• 따라서 오늘 포스팅에서는 HDF 형식인 전지구 오존량 자료를 이용한 가시화를 소개해 드리고자 합니다.

• 추가로 대기과학 전공자를 위한 IDL를 소개한 링크를 보내드립니다.

[IDL] 아이디엘 대기과학 전공자를 위한 IDL (Interactive Data Language) 소개

 

[특징]

• 대기 환경 자료를 이해하기 위해서 자료 처리 및 가시화 기술이 요구되며 이 프로그램은 이러한 목적을 달성하기 위해 고안된 소프트웨어

 

[기능]

• 위도, 경도, 전지구 오존량 자료 읽기

• 자료 전처리

• 가시화

 

[활용 자료]

• 자료명 : TOMS_AI_20051201.hdf

• 자료 종류 : 오존량 자료

• 확장자 : hdf

• 영역 : 전지구

• 기간 : 2005년 12월 01일 - 2005년 12월 28일

TOMS_AI.zip

1.15MB

 

[사용법]

• 입력 자료를 동일 디렉터리에 위치

• 소스 코드를 실행 (idl -e Visualization_Using_Ozone_Data_of_HDF_Format)

• 가시화 결과를 확인

 

[사용 OS]

• Windows 10

 

[사용 언어]

• IDL v8.5

 

 소스 코드

• 해당 작업을 하기 위한 컴파일 및 실행 코드는 IDL로 작성되었으며 가시화를 위한 라이브러리는 Coyote's Guide to IDL Programming를 이용하였습니다.
  

• 소스 코드는 단계별로 수행하며 상세 설명은 다음과 같습니다.
  

  • 1 단계는 주 프로그램은 작업 경로 설정, HDF 파일 읽기, 변수 전처리하여 메모리상에 저장하고 가시화를 위한 초기 설정합니다.
    

  • 2 단계는 plot 매핑에 따라 영상 장면 표출하여 이미지 형식으로 저장합니다. 이 과정에서 포스트 스크립트 (PS) 형식에서 PNG로 변환합니다.

 

[명세]

• 전역 변수 설정

  • cd를 통해 작업 디렉터리 설정

  • file_search를 통해 HDF 형식인 파일 목록 확인

  • 위/경도, 오존량에 대한 배열 (dim) 설정

cd, 'C:\SYSTEM\PROG\IDL\HDF'

fileList = file_search("./INPUT/*.hdf", count = iNumber)

dim = [288, 180, iNumber]

lon1D = fltarr(dim[0])
lat1D = fltarr(dim[1])
val2D = fltarr(dim[0], dim[1])
val3D = fltarr(dim[0], dim[1], dim[2])
valMean2D = fltarr(dim[0], dim[1])
valSd2D = fltarr(dim[0], dim[1])

 

• HDF 파일 읽기 및 전처리

  • 반복문 및 hd_sd_getdata를 통해 2차원 전지구 오존량 (ozone) 읽기

  • 즉 2차원 자료를 3차원으로 변환 (val3D)

for iCount = 0L, dim[2] - 1 do begin

    hdf_file = fileList(iCount)
    print, hdf_file

    sd_id = hdf_sd_start(hdf_file, /read)

    sds_name = "O3"
    sds_index = hdf_sd_nametoindex(sd_id, sds_name)
    sds_id = hdf_sd_select(sd_id,sds_index)
    hdf_sd_getdata, sds_id, ozone

    hdf_sd_endaccess, sds_id
    hdf_sd_end, sd_id

    val3D(*, *, iCount) = ozone(*, *)

endfor

 

 

• 위/경도 자료 설정

  • findgen를 통해 288개 경도와 180개 위도 생성  

lat1D = 89.5 - findgen(180)
lon1D = -179.375 + (findgen(288) * 1.25)

 

• 요약 통계량 확인

  • 최소값 (min), 평균값 (mean), 최대값 (max) 계산

  • help를 통해 자료형 및 배열 정보 확인

print, min(lon1D, /nan), mean(lon1D, /nan), max(lon1D, /nan)
print, min(lat1D, /nan), mean(lat1D, /nan), max(lat1D, /nan)
print, min(val3D, /nan), mean(val3D, /nan), max(val3D, /nan)

help, lon1D, lat1D, val3D

 

 

• 가시화

  • 데이터 세트에서 정보는 여전히 숨겨져 있기 때문에 가시화 필요

  • 가시화는 일반적인 정적 탐색 데이터 분석에서 웹 브라우저의 동적 대화식 데이터 시각화에 이르기까지 다양함

 

• 전지구 오존량을 위한 설정 및 가시화

  • 시간에 따른 반복문 수행

  • 관심 영역 (ROI)과 중심 위/경도 (cnLon, cnLat) 설정

  • 이미지 저장 파일명 (psName) 및 제목명 (mainName)

  • fnMakePsPlot를 통해 이미지 저장

for iCount = 0L, dim[2] - 1 do begin
    hdf_file = fileList(iCount)
    dateYmd = STRMID(hdf_file, 14, 8)

    psName = "Img01_" + dateYmd
    mainName = "HDF Ozone Amount : " + dateYmd

    val2D = val3D[*, *, iCount]

    fnMakePsPlot, lon1D, lat1D, val2D, dim, cnLat, cnLon, ROI, psName, mainName, 200, 500, 50, 33

endfor

 

 

• 2005년 12월에 전지구 오존량의 평균 및 표준편차를 위한 설정 및 가시화

  • 시간에 따른 위/경도의 평균 (mean) 및 표준편차 (stddev) 반복문 수행

  • 요약 통계량 확인

  • fnMakePsPlot를 통해 이미지 저장

for i = 0L, dim[0] - 1 do begin
    for j = 0L, dim[1] - 1 do begin
        valMean2D(i, j) = mean(val3D(i, j, *), /nan)
        valSd2D(i, j) = stddev(val3D(i, j, *), /nan)
    endfor
endfor

print, min(valMean2D, /nan), mean(valMean2D, /nan), max(valMean2D, /nan)
print, min(valSd2D, /nan), mean(valSd2D, /nan), max(valSd2D, /nan)
help, valMean2D, valSd2D

dateYmdPeriod = '20051201-20051228'
psName = "Img02_Mean_" + dateYmdPeriod
mainName = "HDF Mean Ozone Amount : " + dateYmdPeriod
fnMakePsPlot, lon1D, lat1D, valMean2D, dim, cnLat, cnLon, ROI, psName, mainName, 200, 400, 20, 33

psName = "Img03_Stdev_" + dateYmdPeriod
mainName = "HDF Stdev Ozone Amount : " + dateYmdPeriod
fnMakePsPlot, lon1D, lat1D, valSd2D, dim, cnLat, cnLon, ROI, psName, mainName, 0, 100, 20, 33

 

 

• 2005년 12월 01-28일 오존량 평균

 

• 2005년 12월 01-28일 오존량 표준편차

 

• 동영상 애니메이션 설정

  • 반복문 수행한 이후 spawn를 통해 1초마다 동영상 애니메이션 생성

com = "convert -loop 0 -delay 100 "+ "./FIG/*.png" + " " + "./GIF/Img01.gif"
spawn, /hide,  com

 

 

• 사용자 편의성 함수 정의

  • 전달 인자

    • 1차원 위도 (lon1D), 1차원 경도 (lat1D), 2차원 값 (val2D), 배열 정보 (dim), 중심 위도 (cnLat), 중심 경도 (cnLon), 관심 영역 (ROI), 이미지 저장 파일명 (psName), 제목명 (mainName), 최소값 (zmin), 최대값 (zmax), 등고선 간격 (interval), 컬러 테이블 (color_table)

  • 기능

    • plot를 통해 위/경도에 따른 값 매핑

    • 포스트 스크립트 (PS)를 PNG로 변환

;====================================================================
; Subroutine : Function Make Postscript to Png Graph
;====================================================================
pro fnMakePsPlot, lon1D, lat1D, val2D, dim, cnLat, cnLon, ROI, psName, mainName, zmin, zmax, interval, color_table

      set_plot, "ps"

      device, filename = psName + ".ps", decomposed = 0, bits = 8, /color, xsize = 20, ysize = 9, /inches, font_size = 13, /Helvetica

      !p.font = 0 & !p.charsize = 2.0 & !p.charthick = 1.6  & !p.multi = [0,1,1] & !p.background = 255

      xvert = [0.1, 0.1, -0.1, -0.1 ,0.1]
      yvert = [-0.1, 0.1, 0.1, -0.1, -0.1]

      usersym, xvert, yvert, /fill

      start_color = 0 & end_color = 255 & colorn = end_color - start_color + 1

      cgloadct, color_table

      latmin = ROI(0) & latmax= ROI(1) & lonmin = ROI(2) & lonmax= ROI(3)

      cgMAP_SET, cnLat, cnLon, /CYLINDRICAL $
                , limit = [latmin, lonmin, latmax, lonmax] $
                , position = [0.05, 0.0, 0.85, 0.90], /noborder, /ISOTROPIC

      for i = 0L, dim[0] - 1 do begin
        for j = 0L, dim[1] - 1 do begin

          nLon = lon1D[i]
          nLat = lat1D[j]
          nVal = val2D[i, j]

          if (lonmin gt nLon or nLon gt lonmax or finite(nLon, /nan) eq 1) then continue
          if (latmin gt nLat or nLat gt latmax or finite(nLat, /nan) eq 1) then continue
          if (finite(nVal, /nan) eq 1) then continue

          plots, nLon, nLat, psym = 8, symsize = 14, color = BYTSCL(nVal, zmin, zmax)

        endfor
      endfor

      cgColorbar, NColors = 255, BOTTOM = 1 $
              , Divisions = 5, COLOR = "black" $
              , Position = [0.1, 0.90, 0.8, 0.94] $
              , Range = [zmin, zmax] $
              , CHARSIZE = 1.5,CHARthick = 2 $
              , VERTICAL = 1, RIGHT = 1, Format = "(i3)"

      cgLoadct, 2

      contour, val2D, lon1D, lat1D, /overplot, C_THICK = 2 $
        , LEVELS = zmin + findgen(10) * interval $
        , C_LABELS = zmin + findgen(10) * interval $
        , C_CHARSIZE = 1.5, C_CHARTHICK = 2 $
        , C_COLORS = BYTSCL(zmin + findgen(10) * interval, zmin, zmax)

      cgMAP_CONTINENTS, /coast, /countries, COLOR = "black"

      lats = [-90:90:30]
      lons = [-180:360:60]

      lats_names = strarr(n_elements(lats))
      lons_names = strarr(n_elements(lons))

      for i = 0L, n_elements(lats) - 1 do begin
        if (lats[i] gt 0) then begin
          lats_names[i] = textoidl(string(lats[i]) + "\circN")
        endif else if (lats[i] eq 0) then begin
          lats_names[i] = textoidl(string(lats[i]) + "\circ")
        endif else begin
          lats_names[i] = textoidl(string(-lats[i]) + "\circS")
        endelse
      endfor

      for i = 0L,n_elements(lons) - 1  do begin
        if (lons[i] gt 0) then begin
          lons_names[i] = textoidl(string(lons[i]) + "\circE")
        endif else if (lons[i] eq 0) then begin
          lons_names[i] = textoidl(string(lons[i]) + "\circ")
        endif else begin
          lons_names[i] = textoidl(string(-lons[i]) + "\circW")
        endelse
      endfor

      cgMap_grid, color = "black", charsize = 1.8, thick = 2.5, lats = lats,  latnames = lats_names, lons = lons, lonnames = lons_names $
        , linestyle = 1, bthick = 300, /box_axes, /no_grid

      cgText, 0.45, 0.95, mainName, /normal, charsize = 2, CHARTHICK = 2, color = 0, alignment = 0.5

      device, /close_file

      com = "convert -flatten -background white " + psName + ".ps" + " " + "./FIG/" + file_basename(psName, ".ps") + ".png"
      spawn, /hide, com

      file_delete, ps_name + ".ps"

      return

end

 

[전체] 

 

 참고 문헌

[논문]

• 없음

[보고서]

• 없음

[URL]

• 없음

 

 문의사항

[기상학/프로그래밍 언어]

• sangho.lee.1990@gmail.com

[해양학/천문학/빅데이터]

• saimang0804@gmail.com