NetCDF 入门
一、概述
? NetCDF全稱為network Common Data Format，中文譯法為“網(wǎng)絡通用數(shù)據(jù)格式”，
對程序員來說，它和zip、jpeg、bmp文件格式類似，都是一種文件格式的標準。netcdf
文件開始的目的是用于存儲氣象科學中的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為許多數(shù)據(jù)采集軟件的生成文件
的格式。
?? 從數(shù)學上來說，netcdf存儲的數(shù)據(jù)就是一個多自變量的單值函數(shù)。用公式來說就是
f(x,y,z,...)=value, 函數(shù)的自變量x,y,z等在netcdf中叫做維(dimension)
或坐標軸(axix),函數(shù)值value在netcdf中叫做變量(Variables).而自變量和函數(shù)值
在物理學上的一些性質(zhì)，比如計量單位(量綱)、物理學名稱等等
在netcdf中就叫屬性(Attributes).
二、netcdf的下載
?netcdf的是官方網(wǎng)站為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/。
?在本文中，我們主要討論在windows平臺上使用netcdf軟件庫。我們將要從這個網(wǎng)站上
下載如下資源
⑴netcdf的源代碼，目前的地址為
?ftp://ftp.unidata.ucar.edu/pub/netcdf/netcdf-4/netcdf-beta.tar.gz
⑵netcdf的在windows平臺預編譯好的dll，地址為
?ftp://ftp.unidata.ucar.edu/pub/netcdf/contrib/win32/netcdf-3.6.1-win32.zip
?解壓后里面有如下東西
?netcdf.dll? 為編譯好的dll
?ncgen.exe? 為生成netcdf文件的工具
?ncdump.exe 為讀取netcdf文件的工具
?netcdf.lib 和?netcdf.exp在編程時會用到，后面會講。
⑶netcdf的相關(guān)文檔，包括
?①netcdf的用戶手冊，下載地址為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf.pdf?
?②netcdf的入門教程, 下載地址為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-tutorial.pdf
?③netcdf的c接口api手冊,下載地址為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-c.pdf
?下面我們來看netcdf文件的具體內(nèi)容。
三、netcdf文件的內(nèi)容
一個netcdf文件的結(jié)構(gòu)包括以下對象：
1、變量(Variables)
?? 變量對應著真實的物理數(shù)據(jù)。比如我們家里的電表，每個時刻顯示的讀數(shù)表示用戶的到該時刻的耗電量。
這個讀數(shù)值就可以用netcdf里的變量來表示。它是一個以時間為自變量（或者說自變量個數(shù)為一維）的單值
函數(shù)。再比如在氣象學中要作出一個氣壓圖，就是“東經(jīng)xx度，北緯yy度的點的大氣壓值為多少帕”，這是
一個二維單值函數(shù)，兩維分別是經(jīng)度和緯度。函數(shù)值為大氣壓。
?? 從上面的例子可以看出，netcdf中的變量就是一個N維數(shù)組，數(shù)組的維數(shù)就是實際問題中的自變量個數(shù)，
數(shù)組的值就是觀測得到的物理值。變量（數(shù)組值）在netcdf中的存儲類型有六種，ascii字符(char) ,字節(jié)(byte), 短整型(short), 整型(int), 浮點(float), 雙精度(double). 顯然這些類型和c中的類型一致，搞C的朋友應該很快就能明白。
2、維(dimension)
?? 一個維對應著函數(shù)中的某個自變量，或者說函數(shù)圖象中的一個坐標軸，在線性代數(shù)中就是一個N維向量
的一個分量（這也是維這個名稱的由來）。在netcdf中，一個維具有一個名字和范圍（或者說長度，也就
是數(shù)學上所說的定義域，可以是離散的點集合或者連續(xù)的區(qū)間）。在netcdf中,維的長度基本都是有限的，
最多只能有一個具有無限長度的維。
3、屬性(Attribute)
?? 屬性對變量值和維的具體物理含義的注釋或者說解釋。因為變量和維在netcdf中都只是無量綱的數(shù)字，
要想讓人們明白這些數(shù)字的具體含義，就得靠屬性這個對象了。
?? 在netcdf中，屬性由一個屬性名和一個屬性值（一般為字符串）組成。比如，在某個cdl文件
(cdl文件的具體格式在下一節(jié)中講述)中有這樣的代碼段
?? temperature:units = "celsius" ;????
?? 前面的temperature是一個已經(jīng)定義好的變量（Variable），即溫度，冒號后面的units就是屬性名，
表示物理單位，=后面的就是units這個屬性的值，為“celsius” ，即攝氏度，整個一行代碼的意思就是
溫度這個物理量的單位為celsius，很好理解。
三、CDL結(jié)構(gòu)
?? CDL全稱為network Common data form Description Language，它是用來描述netcdf文件
的結(jié)構(gòu)的一種語法格式。它包括前面所說的三種netcdf對象(變量、維、屬性)的具體定義。
看一個具體例子（這個例子cdl文件是從netcdf教程中的2.1 節(jié)The simple xy Example摘出來的）?
netcdf simple_xy {
dimensions:
x = 6 ;
y = 12 ;
variables:
int data(x, y) ;
data:
data =
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,
12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35,
36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47,
48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59,
60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 ;
}
上面的代碼定義了一個符合netcdf格式的結(jié)構(gòu)simple_xy,??
這個結(jié)構(gòu)包括三個部分
1、維的定義，以dimensions:關(guān)鍵字開頭
?? dimensions:
?x = 6 ;
?y = 12 ;
?定義了兩個軸（或者說兩維），名字分別為x和y,x軸的長度（準確的說是坐標點的個數(shù)）為6，
?y軸的長度為12。
2、變量的定義:以variables:開頭
?variables:
??int data(x, y);
??定義了一個以x軸和y軸為自變量的函數(shù)data，數(shù)學公式就是f(x,y)=data;
??注意維出現(xiàn)的順序是有序的，它決定data段中的具體賦值結(jié)果.
3、數(shù)據(jù)的定義，以data:開頭
?data:
data =
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,
12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35,
36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47,
48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59,
60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 ;
這個段數(shù)據(jù)用數(shù)學的函數(shù)公式f(x,y)=data來看，
就是? x=0,y=0時，data = 0;
???? x=0,y=1時，data = 1;
?????
?????
???? x=5,y=11是，data=71;
要注意的是，
1、賦值順序：
我們給出的是c格式的cdl文件，因此這里的賦值順序和c語言中的一致，也就是通常所說的“行式賦值”，
而fortran語言中則是“列式賦值”，因此在fortran格式的cdl文件中，data段的數(shù)值順序和這里正好
行列互換。?????
2、自變量的默認取值和坐標變量
?? 如果只給出維的長度，那么維的值默認從0開始，然后自動加1，到(長度-1)停止，
?? 很多情況下我們要自己給出每個點的坐標值，這時就需要用到netcdf里的坐標變量
?? "coordinate varibles"：增加一個和只和維相關(guān)的一元函數(shù)（自變量）并給出它的取值范圍。
?? 比如下面的cdl文件（摘自netcdf教程中的2.2 The sfc pres temp Example）
?? netcdf sfc_pres_temp {
?dimensions:
?latitude = 6 ;??????? //緯度軸
?longitude = 12 ;????? //經(jīng)度軸
?variables:
?float latitude(latitude) ;??? //坐標變量，存儲具體緯度
?latitude:units = "degrees_north" ;
?float longitude(longitude) ;? //坐標變量，存儲具體緯度
?longitude:units = "degrees_east" ;
?float pressure(latitude, longitude) ;?? //某個點（經(jīng)度和緯度的交點）的大氣壓值
?pressure:units = "hPa" ;?????????? //大氣壓的單位為
?float temperature(latitude, longitude) ; //某個點（經(jīng)度和緯度的交點）的溫度值
?temperature:units = "celsius" ;??? //溫度的單位為
?data:
?latitude = 25, 30, 35, 40, 45, 50 ;
?longitude = -125, -120, -115, -110, -105, -100, -95, -90, -85, -80, -75, -70 ;
?pressure =
?900, 906, 912, 918, 924, 930, 936, 942, 948, 954, 960, 966,
?901, 907, 913, 919, 925, 931, 937, 943, 949, 955, 961, 967,
?902, 908, 914, 920, 926, 932, 938, 944, 950, 956, 962, 968,
?903, 909, 915, 921, 927, 933, 939, 945, 951, 957, 963, 969,
?904, 910, 916, 922, 928, 934, 940, 946, 952, 958, 964, 970,
?905, 911, 917, 923, 929, 935, 941, 947, 953, 959, 965, 971 ;
?temperature =
?9, 10.5, 12, 13.5, 15, 16.5, 18, 19.5, 21, 22.5, 24, 25.5,
?9.25, 10.75, 12.25, 13.75, 15.25, 16.75, 18.25, 19.75, 21.25, 22.75, 24.25,
?25.75,
?9.5, 11, 12.5, 14, 15.5, 17, 18.5, 20, 21.5, 23, 24.5, 26,
?9.75, 11.25, 12.75, 14.25, 15.75, 17.25, 18.75, 20.25, 21.75, 23.25, 24.75,
?26.25,
?10, 11.5, 13, 14.5, 16, 17.5, 19, 20.5, 22, 23.5, 25, 26.5,
?10.25, 11.75, 13.25, 14.75, 16.25, 17.75, 19.25, 20.75, 22.25, 23.75,
?25.25
?對于上面的數(shù)據(jù)，就是
?latitude = 25，longitude = -125時，pressure =?900，temperature =? 9;
?latitude = 25，longitude = -120時，pressure =?906，temperature =? 10.5;
?以此類推。
?
四、netcdf文件的讀寫
?? “學以致用”?，前面講的都是netcdf的基本知識，都是為了本節(jié)的核心問題——讀寫netcdf格式的文件
做鋪墊之用，下面我們就來看看如何建立一個netcdf格式文件，以及如何再讀出它的內(nèi)容。
1、在命令行下讀寫netcdf文件
? ⑴建立一個simple_xy.cdl文件，內(nèi)容就是上一節(jié)“CDL結(jié)構(gòu)”中的第一個例子。
? ⑵用ncgen.exe工具（下載地址見前面的第二節(jié)）建立netcdf文件
? ? ①將ncgen所在目錄加到系統(tǒng)path變量中或者直接將ncgen.exe拷到simple_xy.cdl所在目錄下
? ? ②執(zhí)行ncgen -o simple_xy.nc simple_xy.cdl生成netcdf格式文件simple_xy.nc
? ⑶生成的simple_xy.nc是一個二進制文件，要想從這個文件中還原出數(shù)據(jù)信息，就要用ncdump工具
???? ①將ncdump所在目錄加到系統(tǒng)path變量中或者直接將ncdump.exe拷到simple_xy.nc所在目錄下
???? ②在命令行下執(zhí)行ncdump simple_xy.nc，這時屏幕的輸出和simple_xy.cdl內(nèi)容完全一樣。說明
???? 我們的文件讀寫操作都是正確的。
?
2、編程讀寫netcdf文件
?前面我們知道如何手工去建立和讀取netddf文件，下面我們來看看如何在程序中用代碼實現(xiàn)netcdf
文件的建立和分析。我的編程環(huán)境為win2000+vc6.0 并安裝了vc sp6補丁包。例子代碼選自
netcdf教程中的2.1節(jié)The simple xy Example
⑴將netcdf的源代碼解壓。我們將用到里面的libsrc/netcdf.h頭文件
⑵在vc6中建立一個空的win32控制臺項目.名字為SimpleXyWrite，這個項目用來建立netcdf文件
⑶把如下文件拷貝到項目目錄中
①netcdf源代碼中的libsrc/netcdf.h頭文件
②netcdf源代碼中的examples/C/simple_xy_wr.c文件，并改名為simple_xy_wr.cpp
③netcdf預編譯包中的netcdf.dll文件和?netcdf.lib文件
⑷把netcdf.h文件和simple_xy_wr.cpp加入到項目的文件列表中
? （具體菜單操作project->add to project->files）
⑸把netcdf.lib加入到項目的lib列表中
?（具體菜單操作project->add to project->settings->Link->object/library modules）
⑹編譯并運行這個項目，會在項目目錄下生成一個simple_xy.nc文件，其內(nèi)容和我們手工生成的
文件內(nèi)容完全一樣。
simple_xy_wr.c文件是建立netcdf文件的c代碼，而examples/C/simple_xy_rd.c文件則是分析
netcdf文件的代碼，讀者可以用和剛才類似的步驟在vc6中編譯這個文件。運行時把把剛才生成的
simple_xy.nc拷貝到項目的目錄下，如果文件格式?jīng)]錯誤，會提示
*** SUCCESS reading example file simple_xy.nc!
然后退出。
3、用ncgen命令自動生成c代碼
? 給定了simple_xy.cdl文件后，可以用
? ncgen -c? simple_xy.cdl
? 命令直接在屏幕上輸出c代碼.
? 不過，這個辦法只限于cdl的數(shù)據(jù)比較簡單時才可以采用。對于真正的項目，
? 是需要我們自己去編寫代碼的。
??
五、小結(jié)
?通過以上內(nèi)容的介紹，相信讀者對netcdf已經(jīng)有了大致的了解。總體來說，
netcdf的核心內(nèi)容就是通過cdl描述文法來建立一個netcdf格式文件。抓住了這一點，
讀者再繼續(xù)深入看netcdf的其他資料時，應該就沒什么太大的難度了。如是，作者的
目的也就達到了。
六、附錄
為便于讀者對照，現(xiàn)本文中用到的幾個文件的內(nèi)容在此列出
1、simple_xy.cdl文件的內(nèi)容
netcdf simple_xy {
dimensions:
x = 6 ;
y = 12 ;
variables:
int data(x, y) ;
data:
data =
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,
12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35,
36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47,
48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59,
60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 ;
}
2、simple_xy-wr.c文件的內(nèi)容
/* This is part of the netCDF package.
?? Copyright 2006 University Corporation for Atmospheric Research/Unidata.
?? See COPYRIGHT file for conditions of use.
?? This is a very simple example which writes a 2D array of
?? sample data. To handle this in netCDF we create two shared
?? dimensions, "x" and "y", and a netCDF variable, called "data".
?? This example demonstrates the netCDF C API. This is part of the
?? netCDF tutorial, which can be found at:
???http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-tutorial
?? Full documentation of the netCDF C API can be found at:
???http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-c
?? $Id: simple_xy_wr.c,v 1.12 2007/02/14 20:59:21 ed Exp $
*/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <netcdf.h>
/* This is the name of the data file we will create. */
#define FILE_NAME "simple_xy.nc"
/* We are writing 2D data, a 6 x 12 grid. */
#define NDIMS 2
#define NX 6
#define NY 12
/* Handle errors by printing an error message and exiting with a
?* non-zero status. */
#define ERRCODE 2
#define ERR(e) {printf("Error: %s/n", nc_strerror(e)); exit(ERRCODE);}
int
main()
{
?? /* When we create netCDF variables and dimensions, we get back an
??? * ID for each one. */
?? int ncid, x_dimid, y_dimid, varid;
?? int dimids[NDIMS];
?? /* This is the data array we will write. It will be filled with a
??? * progression of numbers for this example. */
?? int data_out[NX][NY];
?? /* Loop indexes, and error handling. */
?? int x, y, retval;
?? /* Create some pretend data. If this wasn't an example program, we
??? * would have some real data to write, for example, model
??? * output. */
?? for (x = 0; x < NX; x++)
????? for (y = 0; y < NY; y++)
? data_out[x][y] = x * NY + y;
?? /* Always check the return code of every netCDF function call. In
??? * this example program, any retval which is not equal to NC_NOERR
??? * (0) will cause the program to print an error message and exit
??? * with a non-zero return code. */
?? /* Create the file. The NC_CLOBBER parameter tells netCDF to
??? * overwrite this file, if it already exists.*/
?? if ((retval = nc_create(FILE_NAME, NC_CLOBBER, &ncid)))
????? ERR(retval);
?? /* Define the dimensions. NetCDF will hand back an ID for each. */
?? if ((retval = nc_def_dim(ncid, "x", NX, &x_dimid)))
????? ERR(retval);
?? if ((retval = nc_def_dim(ncid, "y", NY, &y_dimid)))
????? ERR(retval);
?? /* The dimids array is used to pass the IDs of the dimensions of
??? * the variable. */
?? dimids[0] = x_dimid;
?? dimids[1] = y_dimid;
?? /* Define the variable. The type of the variable in this case is
??? * NC_INT (4-byte integer). */
?? if ((retval = nc_def_var(ncid, "data", NC_INT, NDIMS,?
?????? dimids, &varid)))
????? ERR(retval);
?? /* End define mode. This tells netCDF we are done defining
??? * metadata. */
?? if ((retval = nc_enddef(ncid)))
????? ERR(retval);
?? /* Write the pretend data to the file. Although netCDF supports
??? * reading and writing subsets of data, in this case we write all
??? * the data in one operation. */
?? if ((retval = nc_put_var_int(ncid, varid, &data_out[0][0])))
????? ERR(retval);
?? /* Close the file. This frees up any internal netCDF resources
??? * associated with the file, and flushes any buffers. */
?? if ((retval = nc_close(ncid)))
????? ERR(retval);
?? printf("*** SUCCESS writing example file simple_xy.nc!/n");
?? return 0;
}
3、simple_xy_rd.c文件的內(nèi)容
/* This is part of the netCDF package.
?? Copyright 2006 University Corporation for Atmospheric Research/Unidata.
?? See COPYRIGHT file for conditions of use.
?? This is a simple example which reads a small dummy array, which was
?? written by simple_xy_wr.c. This is intended to illustrate the use
?? of the netCDF C API.
?? This program is part of the netCDF tutorial:
???http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-tutorial
?? Full documentation of the netCDF C API can be found at:
???http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-c
?? $Id: simple_xy_rd.c,v 1.9 2006/08/17 23:00:55 russ Exp $
*/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <netcdf.h>
/* This is the name of the data file we will read. */
#define FILE_NAME "simple_xy.nc"
/* We are reading 2D data, a 6 x 12 grid. */
#define NX 6
#define NY 12
/* Handle errors by printing an error message and exiting with a
?* non-zero status. */
#define ERRCODE 2
#define ERR(e) {printf("Error: %s/n", nc_strerror(e)); exit(ERRCODE);}
int
main()
{
?? /* This will be the netCDF ID for the file and data variable. */
?? int ncid, varid;
?? int data_in[NX][NY];
?? /* Loop indexes, and error handling. */
?? int x, y, retval;
?? /* Open the file. NC_NOWRITE tells netCDF we want read-only access
??? * to the file.*/
?? if ((retval = nc_open(FILE_NAME, NC_NOWRITE, &ncid)))
????? ERR(retval);
?? /* Get the varid of the data variable, based on its name. */
?? if ((retval = nc_inq_varid(ncid, "data", &varid)))
????? ERR(retval);
?? /* Read the data. */
?? if ((retval = nc_get_var_int(ncid, varid, &data_in[0][0])))
????? ERR(retval);
?? /* Check the data. */
?? for (x = 0; x < NX; x++)
????? for (y = 0; y < NY; y++)
? if (data_in[x][y] != x * NY + y)
???? return ERRCODE;
?? /* Close the file, freeing all resources. */
?? if ((retval = nc_close(ncid)))
????? ERR(retval);
?? printf("*** SUCCESS reading example file %s!/n", FILE_NAME);
?? return 0;
}
?
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總結(jié)
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