MATLAB三维绘图是可视化三维数据的核心手段，相比二维图能更直观展示数据的空间分布、曲面特征和序列关系。常用的三维绘图函数包括plot3()（三维曲线）、mesh()（网格图）、surf()（曲面图）、contour3()（三维等高线），分别适配不同的三维数据展示场景。本文从数据准备、基础绘图到样式美化，结合可直接运行的代码示例，详解各类三维图的用法，覆盖搜索引擎高频检索需求（如MATLAB三维曲面绘制、网格图颜色设置、三维曲线自定义），适合零基础掌握三维可视化技能。
一、三维绘图核心认知
1. 三维数据的基础形式
MATLAB三维绘图的核心是“网格数据”——需先通过meshgrid()生成二维网格坐标矩阵，再基于网格计算对应z轴数值，常见数据结构：
- 三维曲线：单组x、y、z一维数组（如空间曲线的坐标点）；
- 三维曲面/网格：x、y二维网格矩阵 + z二维数值矩阵（如z = f(x,y)的函数曲面）。
2. 核心函数适用场景
| 函数 | 核心用途 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
plot3() | 三维曲线绘制（单条/多条空间曲线） | 运动轨迹、三维离散序列 |
mesh() | 三维网格图（线框式曲面，突出结构） | 函数曲面轮廓、数据空间分布 |
surf() | 三维曲面图（填充式曲面，突出颜色） | 温度场、高度场、密度分布 |
contour3() | 三维等高线（展示z值等值面） | 地形等高线、气压等值线 |
3. 基础准备：meshgrid()生成网格
绘制曲面/网格图前，需用meshgrid()将一维x、y数组转换为二维网格矩阵：
% 示例：生成x∈[-2,2]、y∈[-2,2]的网格
x = -2:0.1:2;
y = -2:0.1:2;
[X, Y] = meshgrid(x, y); % X、Y为二维网格矩阵，维度与x/y长度一致
二、plot3()：三维曲线绘制
plot3()是二维plot()的三维扩展，核心绘制空间曲线，语法与plot()类似，仅多一个z轴参数。
1. 基础用法（单条三维曲线）
% 示例1：三维螺旋线
clear all; clc;
t = 0:0.1:10*pi; % 参数t
x = sin(t); % x坐标
y = cos(t); % y坐标
z = t/2; % z坐标
plot3(x, y, z, 'r--', 'LineWidth', 1.5); % 红色虚线，线宽1.5
title('三维螺旋线（plot3基础用法）');
xlabel('x = sin(t)');
ylabel('y = cos(t)');
zlabel('z = t/2'); % 新增z轴标签
grid on; % 显示三维网格
view(45, 30); % 设置视角（方位角45°，仰角30°）
2. 进阶用法（多条三维曲线+标记点）
% 示例2：两条三维曲线对比（带标记点）
clear all; clc;
t = 0:0.5:10*pi;
% 曲线1：螺旋线1
x1 = sin(t);
y1 = cos(t);
z1 = t/2;
% 曲线2：螺旋线2（缩放）
x2 = 2*sin(t);
y2 = 2*cos(t);
z2 = t/2;
plot3(x1, y1, z1, 'r-o', 'LineWidth', 1.5, 'MarkerSize', 6); % 红色+圆形标记
hold on;
plot3(x2, y2, z2, 'b-^', 'LineWidth', 1.5, 'MarkerSize', 6); % 蓝色+三角标记
hold off;
title('两条三维螺旋线对比');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
legend('曲线1','曲线2');
grid on;
view(60, 20); % 调整视角
三、mesh()：三维网格图
mesh()绘制线框式三维网格图，仅显示曲面的网格线，突出空间结构，适合展示曲面轮廓。
1. 基础用法（函数曲面网格）
% 示例3：z = x² + y² 抛物面网格图
clear all; clc;
% 1. 生成网格
x = -3:0.2:3;
y = -3:0.2:3;
[X, Y] = meshgrid(x, y);
% 2. 计算z值
Z = X.^2 + Y.^2;
% 3. 绘制网格图
mesh(X, Y, Z);
title('抛物面网格图（mesh基础用法）');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
grid on;
colormap(jet); % 设置颜色映射（jet为默认彩色）
colorbar; % 显示颜色条（对应z值大小）
2. 样式自定义（网格颜色/透明度）
% 示例4：自定义网格样式（黑色网格+透明度）
clear all; clc;
x = -3:0.2:3;
y = -3:0.2:3;
[X, Y] = meshgrid(x, y);
Z = X.^2 + Y.^2;
h = mesh(X, Y, Z);
set(h, 'EdgeColor', 'k', 'FaceAlpha', 0.1); % EdgeColor：网格线颜色；FaceAlpha：透明度（0-1）
title('自定义网格图样式');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
colormap(gray); % 灰度色映射
colorbar;
grid on;
view(30, 40);
四、surf()：三维曲面图
surf()绘制填充式三维曲面图，网格间的区域填充颜色，突出z值的数值差异，是三维数据可视化最常用的函数。
1. 基础用法（基础曲面）
% 示例5：z = sin(sqrt(x² + y²))/sqrt(x² + y²) 山峰曲面
clear all; clc;
x = -10:0.5:10;
y = -10:0.5:10;
[X, Y] = meshgrid(x, y);
R = sqrt(X.^2 + Y.^2) + eps; % eps避免分母为0
Z = sin(R)./R;
surf(X, Y, Z);
title('山峰曲面（surf基础用法）');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
colormap(jet);
colorbar;
shading interp; % 平滑着色（默认faceted，网格线明显）
grid on;
2. 进阶用法（曲面+等高线叠加）
% 示例6：曲面图叠加底面等高线
clear all; clc;
x = -10:0.5:10;
y = -10:0.5:10;
[X, Y] = meshgrid(x, y);
R = sqrt(X.^2 + Y.^2) + eps;
Z = sin(R)./R;
surf(X, Y, Z);
hold on;
% 叠加底面等高线（z=-0.5位置）
contour3(X, Y, Z, 20, 'k', 'LineWidth', 1); % 20条等高线，黑色
hold off;
title('曲面图+等高线叠加');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
colormap(jet);
colorbar;
shading flat; % 平坦着色（无网格线，区域填充）
grid on;
五、contour3()：三维等高线图
contour3()绘制三维等高线，每条线代表z值相等的点，适合展示z值的分布规律。
1. 基础用法（默认等高线）
% 示例7：山峰曲面三维等高线
clear all; clc;
x = -10:0.5:10;
y = -10:0.5:10;
[X, Y] = meshgrid(x, y);
R = sqrt(X.^2 + Y.^2) + eps;
Z = sin(R)./R;
contour3(X, Y, Z, 30); % 30条等高线
title('三维等高线图（contour3基础用法）');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
colormap(jet);
colorbar;
grid on;
2. 自定义等高线（标注数值）
% 示例8：带数值标注的等高线
clear all; clc;
x = -10:0.5:10;
y = -10:0.5:10;
[X, Y] = meshgrid(x, y);
R = sqrt(X.^2 + Y.^2) + eps;
Z = sin(R)./R;
% 绘制等高线并获取句柄
[C, h] = contour3(X, Y, Z, 15); % 15条等高线
clabel(C, h, 'FontSize', 8); % 标注等高线数值
title('带数值标注的三维等高线');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
colormap(jet);
colorbar;
grid on;
六、三维图核心美化技巧
1. 视角调整（view()）
view(az, el)设置三维视角，az为方位角（绕z轴旋转，0°=正前方，90°=右侧），el为仰角（与xy平面夹角，0°=俯视，90°=正视）：
view(45, 30); % 常用视角（45°方位角，30°仰角）
view(0, 90); % 正上方俯视
view(90, 0); % 正右侧正视
view(3); % 默认三维视角（az=-37.5°, el=30°）
2. 颜色映射（colormap()）
MATLAB内置多种色映射，适配不同场景：
colormap(jet); % 彩虹色（默认，适合数值对比）
colormap(gray); % 灰度色（适合黑白打印）
colormap(hot); % 热色（红-黄-白，适合温度/密度）
colormap(cool); % 冷色（青-品红，适合冷色调数据）
colormap(parula); % 柔和色（MATLAB R2014b+默认）
3. 着色方式（shading()）
调整曲面填充方式，影响视觉效果：
shading faceted; % 默认：带网格线的分块着色
shading flat; % 无网格线，区域平坦着色
shading interp; % 插值着色，颜色平滑过渡
4. 坐标轴与网格优化
% 统一坐标轴范围
xlim([-10, 10]);
ylim([-10, 10]);
zlim([-0.5, 1]);
% 显示/隐藏网格
grid on; % 显示三维网格
grid off; % 隐藏网格
% 隐藏坐标轴
axis off;
七、完整实战案例：三维数据综合可视化
以“地形高度数据”为例，整合mesh()/surf()/contour3()做全方位展示：
% 实战：地形高度数据三维可视化
clear all; clc;
% 1. 生成模拟地形数据
x = -20:1:20;
y = -20:1:20;
[X, Y] = meshgrid(x, y);
% 模拟双峰地形
Z1 = exp(-((X-5).^2 + (Y-5).^2)/50);
Z2 = exp(-((X+5).^2 + (Y+5).^2)/50);
Z = (Z1 + Z2) * 10;
% 2. 子图1：网格图
subplot(2,2,1);
mesh(X, Y, Z);
title('地形网格图（mesh）');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('高度');
colormap(jet);
grid on;
% 3. 子图2：曲面图
subplot(2,2,2);
surf(X, Y, Z);
title('地形曲面图（surf）');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('高度');
shading interp;
colormap(jet);
colorbar;
grid on;
% 4. 子图3：三维等高线
subplot(2,2,3);
contour3(X, Y, Z, 15);
title('地形三维等高线（contour3）');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('高度');
colormap(jet);
grid on;
% 5. 子图4：曲面+等高线叠加
subplot(2,2,4);
surf(X, Y, Z, 'FaceAlpha', 0.7); % 半透明曲面
hold on;
contour3(X, Y, Z, 10, 'k', 'LineWidth', 1); % 黑色等高线
hold off;
title('曲面+等高线叠加');
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('高度');
shading flat;
colormap(jet);
colorbar;
grid on;
% 6. 调整子图间距+总标题
subplotadjust('hspace',0.4, 'wspace',0.4);
sgtitle('地形高度数据三维综合可视化', 'FontSize', 14, 'FontWeight', 'bold');
八、常见问题与避坑指南
| 常见错误 | 原因分析 | 解决方法 |
|---|---|---|
| mesh/surf绘图报错 | X/Y/Z矩阵维度不一致（未用meshgrid生成网格） | 确保[X,Y]=meshgrid(x,y)，Z与X/Y维度相同 |
| 三维图颜色无变化 | 未设置colormap或Z值范围过小 | 用colormap(jet)，或缩放Z值范围 |
| 等高线数值标注不显示 | clabel()参数错误，或等高线条数过多 | 减少等高线条数，确保[C,h]=contour3()后调用clabel |
| 视角调整后图形变形 | 坐标轴比例不一致（默认自动缩放） | 用axis equal统一坐标轴比例 |
| 中文标签乱码 | 未设置中文字体 | 添加set(gca,'FontName','SimHei') |
九、进阶技巧
1. 交互式调整三维图
绘制完成后，可通过MATLAB绘图窗口的“旋转3D”工具手动拖动调整视角，或通过“属性编辑器”修改颜色、透明度、网格样式，快速优化效果。
2. 保存高清三维图
% 保存为300dpi的PNG图（无模糊）
print('-dpng', '-r300', '3D_terrain.png');
% 保存为矢量PDF图（可无限放大）
print('-dpdf', '3D_terrain.pdf');
3. 批量绘制三维子图
% 示例：循环绘制4种视角的曲面图
clear all; clc;
x = -3:0.2:3;
y = -3:0.2:3;
[X,Y] = meshgrid(x,y);
Z = X.^2 + Y.^2;
views = {[30,30], [45,45], [60,30], [90,0]}; % 4组视角
for i = 1:4
subplot(2,2,i);
surf(X,Y,Z);
view(views{i});
title(['视角：', num2str(views{i}(1)), '°,', num2str(views{i}(2)), '°']);
colormap(jet);
shading interp;
end
sgtitle('不同视角的抛物面曲面图', 'FontSize', 14);
MATLAB三维绘图的核心总结
MATLAB三维绘图的核心是“数据结构+函数匹配+样式美化”：
- 数据准备：用
meshgrid()生成二维网格，确保X/Y/Z维度一致； - 函数选择：曲线用
plot3()、轮廓用mesh()、填充曲面用surf()、等值线用contour3()； - 美化核心：通过
view()调整视角、colormap()设置颜色、shading()优化填充、colorbar()标注数值； - 实战技巧：叠加等高线/曲线丰富信息，批量绘制子图提升效率。
