*SoftwareX 6（2017）285原始软件出版物TopoZeko：一个用于地球科学中三维和四维地形可视化的MATLAB函数Harry Zekollari*瑞士联邦理工学院水力学、水文学和冰川学实验室（VAW），瑞士苏黎世瑞士联邦森林、雪和景观研究所（WSL），瑞士Birmensdorf比利时布鲁塞尔自由大学地球系统科学系我爱你易于使用的MATLAB功能，用于3-D和4-D地球科学可视化。可视化特别适合制作时间相关的动画（视频）。快速功能，可用于在不同的空间尺度上可视化各种景观附加功能包括每日阴影/日照周期可视化。免费提供和未来的更新基于用户的反馈。ar t i cl e i nf o文章历史记录：2016年7月14日收到2017年9月10日收到修订版2017年10月16日接受关键词：MATLAB函数可视化工具4D可视化地形gr a p h i c al a b st r a cta b st r a ctTopoZeko是一个MATLAB函数，用于绘制具有明显地形的各种自然环境，如山区的冰川，火山和湖泊此功能扩展了现有的MATLAB绘图例程，并允许高质量的3-D景观可视化，用单一颜色定义特征表面类型或用色标定义变量的大小作为输入，只需要地下（通常是基岩）和表面的高程，可以通过各种输入参数进行补充。除了动画之外，还提供了几个可视化示例，这些示例可以直接在代码中生成此外，一个简单的函数来计算太阳的位置，它可以用来可视化每天的日照/阴影周期的©2017作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.0此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00059法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用MATLAB编程语言 2012年a或更新版本编译要求，操作环境依赖性Linux，OS X，Microsoft Windows如果可用，链接到开发人员文档/手册zekollari.be/topozeko2017问题支持电子邮件zharry@ethz.ch，harry. wsl.ch，zekollari@gmail.com通信地址：VAW-ETHZ，Hönggerbergring 26，8049 Zürich，Switzer-land。电子邮件地址：zharry@ethz.ch。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.10.0042352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx·····286H. Zekollari/SoftwareX 6（2017）2851. 动机和意义在地球科学文献中，具有空间模式的变量通常在2-D平面中表示，其中使用色标来定义其大小。这种经典的可视化方法适合于说明一个变量的空间变异性，但它不足以同时表示空间变化的变量和地形[1]。为此，可以使用2-D平面，其中两个字段（变量和地形）重叠，但这里的可能性通常是有限的，并且插图中充满了信息（例如： 图 1），可能导致图形不清楚和不直观。因此，在许多情况下，地形的3-D平面表示更合适（关于2/3/4D可视化的优点和局限性的详细讨论，请参见[2]和[3]）。在这样的3D地形可视化中，颜色（比例）可以用于表示变量然而，在地球和环境科学中使用的大多数软件中，制作这样的3D+和4D是不可行的，或者非常复杂和耗时。例如，在广泛使用的数值计算环境MATLAB中就是这里介绍了一个用户友好的MATLAB函数TopoZeko，用于生成3D+和4D景观可视化。给出了由该函数产生的图的几个示例，以及该函数特别适合的随时间变化的动画（视频）的示例此外，一个简单的函数来计算太阳的位置，它可以用来可视化每天的日照/阴影周期的景观。TopoZeko属于最近开发的一系列用户友好工具，适用于MATLAB [5-8 ]和其他数值计算环境[ 9 - 11 ]中的2. 功能描述和示例TopoZeko基于MATLAB脚本，这些脚本在早期的建模研究中用于可视化Morteratsch冰川（瑞士）和Hans Tausen冰帽（格陵兰）[12这些脚本被扩展，概括和转换成一个单一的MATLAB函数，以适用于不同的设置和目的。 仅仅依靠标准的MATLAB函数，不可能在一个图形中组合不同的配色方案。通过MATLAB区分两种不同的地表类型（例如陆地和水域）不可能以简单的方式进行，只能通过不同的技术步骤来实现TopoZeko处理这些重要的技术细节，这些技术细节使得在MATLAB中生成3D+和4D可视化成为一项耗时且复杂的任务。通过一些技术操作，显示正确的颜色条，并相应地调整标签。简而言之，遵循以下四个步骤：(i) 绘制基岩地形图（并最终调整其透明度(ii) 地物的配色方案（MATLAB中的色彩映射表）将转换为由表面配色方案（一种颜色用于3-D+图，一系列颜色用于4-D图）和基础配色方案组成的串联配色方案(iii) 颜色方案的限制是适应（通过caxis）(iv) 表面地形以其实际高程绘制（最终其透明度），并进行调整，并着色以满足功能输入Fig. 1. Morteratsch冰川和周围地形的二维可视化（海拔高度为m a.s.l.）2001年粗黑线代表冰川轮廓，而细黑线是冰厚度等值线（间隔50 m）（数据来自[4]）。该图是使用标准MATLAB函数pcolor、contourf和contour创建的。TopoZeko因此在很大程度上扩展了标准的3-D MATLAB绘图选项，并提供了新的可视化可能性，可用于地球科学应用。存在其他MATLAB拓扑图绘制工具箱（例如Topoclave [5]），但这些工具箱不允许组合不同色标的3-D彩色可视化。仅有的两个强制性函数输入是地下高程（通常是基岩）（第一输入）和地表高程（第二输入），它们需要以相等大小的2-D矩阵的形式给出。在最基本的情况下，函数调用的内容是：TopoZeko（基岩高程矩阵、地表高程矩阵）这可以补充多达40个可选的输入参数，以适应具体需求的数字（表1）（见附录A的例子）。对于以下示例，使用了加拉帕戈斯群岛（厄瓜多尔）（100 m分辨率，覆盖面积为19 600 km2）和Morteratsch冰川（瑞士）（25 m分辨率，覆盖面积为84 km2）的数字高程模型（DEM）及其重建的基岩地形[4]2.1. 3D+可视化当没有定义可选参数extra_dimension时，会生成3D+可视化效果（参见表1）。对于地下（基岩）高程与表面高程不同的所有栅格点，表面将以sur_color定义的颜色显示（未定义sur_color时，白色用作标准）。 图图2显示了TopoZeko在Morteratsch冰川上的几个应用。图2a是一个标准图形（view_orientation是唯一定义的可选参数，函数调用见附录A），其中冰面为白色。 图图2b示出了相同的环境，但是具有不同的视点和光源位置，显示了基岩的反转色标以及另外的轴。图2c冰川是从侧面观察的，基岩是透明的（50%透明），这表明明显的基岩过度加深。H. Zekollari/SoftwareX 6（2017）285287图二. 通过调整TopoZeko的输入变量获得的Morteratsch冰川的3-D+可视化。图a、b和c代表2001年的情况，而图d是未来可能出现的没有冰的景观，所有的基岩洼地都充满了水。函数调用见附录A在冰川的汇合区域 在冰川退缩的情况下，这种过度加深可能成为冰川湖，如图所示。2d，其中垂直尺寸被缩小，所有的冰被移除并且基岩凹陷被水填充。图2中的轴不是等距的，但如果需要，这可以通过修改轴的范围（可选参数xlim，ylim和zlim）和/或通过改变图形的大小（可选参数size_cm，size_pix）来获得。TopoZeko也可以应用于非常不同的景观和完全不同的规模。图3显示了加拉帕戈斯群岛（厄瓜多尔）最西端的两个岛屿：IslaIsabela（最大的岛屿）和相邻的Isla Fernandina（图3）。图2覆盖84平方公里，而图3覆盖19 600平方公里）。这里的火山口表面显示为红色，这是一个假设的景观与活跃的表面火山活动。2.2. 四维可视化当 定 义 变 量 extra_dimension 时 生 成 4-D 可 视 化 。 当extra_dimension定义为on时（例如：TopoZeko（bedrock_elevation_matrix，surface_elevation_matrix，地下（如冰厚、湖深、. . .）作为变量绘制。 可替代地，另一个（外部）变量（例如，冰厚度变化、表面速度、表面梯度、. . .）可以用作extra_dimension的输入（例如：TopoZeko（boundary_elevation_matrix，surface_elevation_matrix，图4a类似于冰川的经典可视化（图4a）。2a），但在这里，冰厚（表面和基岩高程之间的差异）在0和349 m之间变化，表示为额外的维度（参见图2 a）。图中的二维表示。①的人。 图图4 b示出了如何以非常不同的方式容易地表示冰厚度，其中具有另一垂直缩放、不同的视图方向以及基岩和第四维（即冰厚度）的其他（离散）颜色方案。冰川中冰厚度最高的部分对应于基岩过度加深的区域（另见图1）。2c）。如果所有的冰都消失了，这个凹陷将充满水，由此产生的湖泊将达到90米深，如图所示。4杯3. 动画TopoZeko制作的人物特别适合通过图像序列制作动画。动画可以制作成288H. Zekollari/SoftwareX 6（2017）285−表1TopoZeko函数的可选参数概述。请注意，美国拼写（例如'bed_colors'）是MATLAB中的标准拼写，用于变量名称。参数3-D+4-D说明标准值（其他）可能值和示例axes轴显示轴bed_colors基岩颜色数128，应大于1bed_colormap颜色表MATLAB colormap（颜色方案）基岩bed_colormap_flipud反转颜色映射表（颜色方案）基岩‘‘on’bed_transmitting基岩透明度1 0到1caxis颜色条的范围[c1 c2]，其中c1小于c2，且两者都是实数cbar_colors第4维颜色数128，应大于1cbar_position颜色条“northoutside”的位置cbar_tick_format颜色条上刻度的格式，例如1.5：5相关数字D2绘图制作第四维的额外二维图（厚度/深度，额外变量）D4_colormap-第4维的MATLAB colormap（配色方案）D4_colormap_flipud反转第4维的色彩映射表（配色方案）‘off’‘jet’‘off’extra_dimension是否绘制第4个维度“on”：第4个维度是厚度/深度字段“variable”：变量将被绘制为第4个label_size标签所有标签的字体大小（轴、颜色条、x，y，z-标签和标题）。定义后，将忽略所有其他可选标注大小参数正整数light_orientation光源的方向[90 45][lo1 lo2]其中lo1是方位角，lo2高度（以角度表示）size_cm图的图像大小，单位为cm [20 20][s1 s2]，其中s1和s2为正实数数字size_pix图的图像大小，以像素[p1 p2]为单位，其中p1和p2为正实数sur_color三维图中冰/熔岩/湖泊等表面的颜色[1 1 1]（白色）[1 0 0]（红色）[0 1 0]（绿色）[0 0 1]（蓝色）[1 1 0]（黄色）。. .sur_material外观表面材料sur_translation曲面的透明度1 0到1tick标记显示轴上的标记tick_size刻度所有轴和颜色条的字体大小刻度18正整数title标题图的标题，例如title_size标题字体大小22正整数vertical_scaling函数用于描述的z地形1介于0和1之间的实数view_orientation视图摄像机视点的方向[0 45][vo1 vo2]其中vo1是方位角，vo2高度（以角度表示）xlabel旋转x轴上的标签，例如xlabel_size字体大小x-label 18正整数xlimx轴的范围[x1 x2]，其中x1小于x2，且两者都是实数xvaluesxvalues第一列和最后一列x-values [xval 1 xval 2]，其中xval 1小于xval2和两者都是实数ylabel旋转y轴上的标签例如ylabel_size字体大小y-label 18正整数y轴的范围[y1 y2]，其中y1小于y2，并且两者都是实数第一行和最后一行y值[yval1 yval2]，其中yval1小于yval 2和两者都是实数zlabelz轴上的标签，例如“this is the z -label”zlabel_rotation z -label的zlabel_size字体大小z-label 18正整数zlimz轴的范围[z1 z2]，其中z1小于z2，并且两者都是实数H. Zekollari/SoftwareX 6（2017）285289−−−+−图3.第三章。 Isla Isabela（左）和Isla Fernandina（右）（加拉帕戈斯群岛，厄瓜多尔）的3D+可视化通过调整TopoZeko的输入变量获得。火山口的表面以红色显示函数调用见附录A（有关本图例中颜色的解释，请参阅本文的网络直接在MATLAB中进行（有关更多信息，请参阅提供的脚本如果需要更高的质量，建议将所有可视化保存为图像（提供的脚本中的示例），然后在专用程序（如Photoshop，GIMP（通用图像处理程序）或QuickTime Pro）中制作动画。3.1. Morteratsch冰川的退缩本文根据野外观测资料，提出了一个气候变暖条件下假设冰川仅在堆积区发生变化（表面高程变化为0.1 m a−1），即高于平衡线海拔（ELA），2001年（DEM年份）约为3000 m在消融区（ELA下的区域），冰厚度的变化随着海拔的降低而增加，这与阿尔卑斯山冰川的观测结果一致[16，17]。这里，地表高程变化梯度被设定为0.005 m m−1，该值与当地实地观测结果吻合良好，并产生2001-2015年期间的实际结果使用此参数化：（i）在此期间，冰川前缘后退了425米（接近观察到的470米后退），以及（ii）主要支流冰川在2014年断开（实际发生在2015年）。这个参数化在时间上是固定的，只有ELA增加，其速率设置为+ 6 ma−1。 这大致对应于一个世纪内+4 °C的极端变暖情景，假设年气温递减率为0。007C m−1。一个3D+（视频1）和一个4D动画，代表每年的表面海拔变化的幅度年冰厚减少量）（视频2）这些动画的快照如图所示。五、3.2. 费尔南迪纳岛和伊莎贝拉岛在第二个例子中，动画是由费尔南迪纳岛和伊莎贝拉岛（加拉帕戈斯群岛）上的每日日照/阴影周期这是一个等距xy平面，但垂直尺寸是夸大，以便有更明显的阴影的动画。全天太阳的位置是通过一个简单的函数（SunZeko）计算的，该函数需要三个输入：太阳的赤经（冬至23.44度，春分和秋分0度，夏至23.44度），地理纬度和当地时角。具有较小影响的一些简化是：（i）没有时间校正（即，太阳正好在中午达到顶点），（ii）没有折射，290H. Zekollari/SoftwareX 6（2017）285×=×=+见图4。通过调整TopoZeko的输入变量获得的Morteratsch 冰川的4-D可视化。（a/b）根据不同输入参数得出的2001年冰川几何形状和冰厚。(c)当所有基岩洼地都充满水时，湖泊深度（参见图2d）。函数调用见附录A（三）太阳被认为是一个点源。在这里，作为一个例子，在夏至的情况（太阳的赤纬是23.44度）被认为是，其中太阳在ENE周围升起，在N（太阳高度是66.06度）达到顶点，并在WNW周围落下。太阳的位置被设置为光源（通过可选参数light_orientation，参见表1），以制作每日日照/阴影周期的动画（视频3）。 图显示了生成的动画的6个快照，其中阴影的方向在一天中不断变化。这种动画可以很容易地通过自然特征来可视化每天的日照，并且是用于教育和研究目的的强大且易于使用的4. 系统要求和用户建议通过使用可选的输入参数（表1），可以根据用户的特定需求修改可视化效果，但此外，代码中还包含许多注释，这使得调整某些功能成为可能。只需要MATLAB的基本包，代码可以在任何标准的固定或便携式个人计算机上运行。避免了一些最近引入的MATLAB功能，以使代码与旧版本兼容（这在代码中有记录）。该代码在几个版本的MATLAB上进行了测试（从R2012 a到R2017 a，在Windows和Mac上都是如此），该函数对于Morteratsch冰川非常快（3D+可视化大约为0.1 s，4D可视化大约为0.3 s）（矩阵为480 281134 880个网格点）和加拉帕戈斯群岛（3-D+可视化为0.5秒左右）（1400 1400的矩阵1.96百万网格点）在一个标准的现代笔记本电脑（图。7）。当处理高分辨率数据或非常大的文件时，原始数据的可视化可能需要更多的时间和/或内存来生成（图7）。然而，在这种情况下，数据输入的细节（原始分辨率）将无法视觉检测。因此，对于此类应用，建议首先将数据放大到较低分辨率（例如，通过MATLAB如果放大发生在一百万像素的分辨率，则放大的数据可视化将是快速的（最多几秒，参见图7）并且在视觉上与原始数据不可区分。对于LIDAR数据，建议首先对规则网格进行光栅化/插值（并最终降低其分辨率），之后可以使用TopoZeko可视化数据5. 影响和结论TopoZeko是一个易于使用的功能，允许在MATLAB中创建3D+和4D可视化和动画。该工具扩展了MATLAB中现有的可视化选项，特别适用于具有明显地形的设置，这些地形通常在地球科学和相关研究领域中很突出。在数值环境MATLAB中工作并希望在此环境中生成复杂的景观图的科学家将不会遇到与在单个可视化中使用不同配色方案相关的固有技术性和限制。除了强制输入（基岩和地表高程）外，还可以指定各种可选输入参数，以使图形适应特定需求。我们邀请用户使用TopoZeko并提供反馈，这些反馈将用于在未来版本中扩展和改进此功能。H. Zekollari/SoftwareX 6（2017）285291图五. 3D+（上排）和4D动画（下排）的快照，莫泰拉奇冰川在气候变暖的情况下退缩（视频1和视频2）。图六、 Isla Isabela和Isla Fernandina（厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛）每日日照/阴影周期的动画（视频3）。致谢感谢四位匿名审稿人的意见，他们的意见有助于改进论文。加拉帕戈斯群岛的数字高程模型可从http：//www.gov.org免费获得和下载。rsgis.ait.ac.th/~souris/ecuador.htm网站。Harry Zekollari通过博 士 学 位 实 现 了 这 项 工 作 研 究 基 金 会 - 佛 兰 德 斯 （ FWO-Vlaanderen）奖学金感谢Sofie Brouwers、Wim Thiery、David DeVleeschouwer和Tom Van der Stocken进行的令人鼓舞的讨论。附录A. 图形的函数调用图7.第一次会议。在MATLAB2017a中使用现代笔记本电脑（2，2 GHz Intel Core i7;16 GB 1600 MHz DDR3; Intel Iris Pro 1536 MB集成显卡）生 成 各 种 图 形 所 需 的时间。高分辨率数据集是通过原始数据的最近邻降尺度获得的。原始数据（如图所示）2图2a：TopoZeko（BED，SUR，图2b：TopoZeko（BED，SUR175 64]，'xlabel'，' CH 1903 x坐标(km)'，‘xlabel_rotation’,- 3,‘xvalues’,[789796],‘ylabel’,‘CH1903y-coordinate(km)’,‘yla-bel_rotation’,85,292H. Zekollari/SoftwareX 6（2017）285图2c：TopoZeko（BED，SUR，'bed_colormap_flipud'，' off'，'bed_trans'，0.5，'view_orientation'，[-113 15]，'xlim'，[50280]，'ylim'，[0 350]）;图2d：TopoZeko（BED，SUR_LAKE，'sur_color'，[0 206/255209/255]，'vertical_scaling'，0.25，'view_orientation '，[-159.540]）;图3：TopoZeko（BED，SUR，‘ylim’,[0图4a ： TopoZeko （ BED ， SUR ，'extra_dimension' ，'on' ，'view_orientation'，[-159.5 40]）;图 4b ： TopoZeko （ BED ， SUR ， 'bed_colors' ， 20 ，'bed_colormap' ， 'pink' ， 'bed_colormap_flipud' ， 'off' ，'cbar_colors'，5，'D4_colormap'，'parula'，'extra_dimension'，'on'，'vertical_scaling'，0.5，'view_orientation'，[-151 53]）;图 4c ： TopoZeko （ BED ， SUR_LAKE ， 'bed_colormap' ，'bone' ， 'cbar_colors' ， 5 ， 'extra_dimensional' ， 'on' ，'view_orientation'，[-159.5 40]，'xlim'，[50 250]，'ylim'，[130260]）;附录B. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2017.10.004上找到。引用[1] MacEachren AM，Taylor DR. 现代地图学中的可视化。第2版Oxford：Pergamon;1994.[2] NielsonG，Hagen H，Müller H. 科学可视化：概述，方法和技术。IEEEComputer Society Press;1997.[3] 威尔金森湖图形学的语法第2版New York：Springer; 2005.网址：//dx.doi.org/10.1007/0-387-28695-0网站。[4] Zekollari H，Huybrechts P，Fürst JJ，Rybak O， Werenen O.瑞士恩加丁Morteratsch冰川复合体高阶3-D冰流模式的校准Ann Glación 2013;54：343-51.http：dx.doi.org/10.3189/2013AoG63A434.[5] Schwanghart W，Kuhn NJ. 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