netcdf入門
作者：laomai
稽核者： ybb
轉載時請注明出處: http://blog.csdn.net/laomai
最近在做一個和資料采集有關的項目，裡面用到了netcdf庫，大緻看了一下，這裡把心得寫出來，供
後來者參考。
一、概述
NetCDF全稱為network Common Data Format，中文譯法為“網絡通用資料格式”，
對程式員來說，它和zip、jpeg、bmp檔案格式類似，都是一種檔案格式的标準。netcdf
檔案開始的目的是用于存儲氣象科學中的資料，現在已經成為許多資料采集軟體的生成檔案
的格式。
從數學上來說，netcdf存儲的資料就是一個多自變量的單值函數。用公式來說就是
f(x,y,z,...)=value, 函數的自變量x,y,z等在netcdf中叫做維(dimension)
或坐标軸(axix),函數值value在netcdf中叫做變量(Variables).而自變量和函數值
在實體學上的一些性質，比如計量機關(量綱)、實體學名稱等等
在netcdf中就叫屬性(Attributes).
二、netcdf的下載下傳
netcdf的是官方網站為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/。
在本文中，我們主要讨論在windows平台上使用netcdf軟體庫。我們将要從這個網站上
下載下傳如下資源
⑴netcdf的源代碼，目前的位址為
ftp://ftp.unidata.ucar.edu/pub/netcdf/netcdf-4/netcdf-beta.tar.gz
⑵netcdf的在windows平台預編譯好的dll，位址為
ftp://ftp.unidata.ucar.edu/pub/netcdf/contrib/win32/netcdf-3.6.1-win32.zip
解壓後裡面有如下東西
netcdf.dll 為編譯好的dll
ncgen.exe 為生成netcdf檔案的工具
ncdump.exe 為讀取netcdf檔案的工具
netcdf.lib 和 netcdf.exp在程式設計時會用到，後面會講。
⑶netcdf的相關文檔，包括
①netcdf的使用者手冊，下載下傳位址為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf.pdf
②netcdf的入門教程, 下載下傳位址為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-tutorial.pdf
③netcdf的c接口api手冊,下載下傳位址為http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-c.pdf
下面我們來看netcdf檔案的具體内容。
三、netcdf檔案的内容
一個netcdf檔案的結構包括以下對象：
1、變量(Variables)
變量對應着真實的實體資料。比如我們家裡的電表，每個時刻顯示的讀數表示使用者的到該時刻的耗電量。
這個讀數值就可以用netcdf裡的變量來表示。它是一個以時間為自變量（或者說自變量個數為一維）的單值
函數。再比如在氣象學中要作出一個氣壓圖，就是“東經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，兩維分别是經度和緯度。函數值為大氣壓。
從上面的例子可以看出，netcdf中的變量就是一個N維數組，數組的維數就是實際問題中的自變量個數，
數 組的值就是觀測得到的實體值。變量（數組值）在netcdf中的存儲類型有六種，ascii字元(char) ,位元組(byte), 短整型(short), 整型(int), 浮點(float), 雙精度(double). 顯然這些類型和c中的類型一緻，搞C的朋友應該很快就能明白。
2、維(dimension)
一個維對應着函數中的某個自變量，或者說函數圖象中的一個坐标軸，線上性代數中就是一個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範圍（或者說長度，也就
是數學上所說的定義域，可以是離散的點集合或者連續的區間）。在netcdf中,維的長度基本都是有限的，
最多隻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實體含義的注釋或者說解釋。因為變量和維在netcdf中都隻是無量綱的數字，
要想讓人們明白這些數字的具體含義，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（一般為字元串）組成。比如，在某個cdl檔案
(cdl檔案的具體格式在下一節中講述)中有這樣的代碼段
temperature:units = "celsius" ;
前面的temperature是一個已經定義好的變量（Variable），即溫度，冒号後面的units就是屬性名，
表示實體機關，=後面的就是units這個屬性的值，為“celsius” ，即攝氏度，整個一行代碼的意思就是
溫度這個實體量的機關為celsius，很好了解。
三、CDL結構
CDL全稱為network Common data form Description Language，它是用來描述netcdf檔案
的結構的一種文法格式。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檔案是從netcdf教程中的2.1 節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格式的結構simple_xy,
這個結構包括三個部分
1、維的定義，以dimensions:關鍵字開頭
dimensions:
x = 6 ;
y = 12 ;
定義了兩個軸（或者說兩維），名字分别為x和y,x軸的長度（準确的說是坐标點的個數）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data，數學公式就是f(x,y)=data;
注意維出現的順序是有序的，它決定data段中的具體指派結果.
3、資料的定義，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 ;
這個段資料用數學的函數公式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、指派順序：
我們給出的是c格式的cdl檔案，是以這裡的指派順序和c語言中的一緻，也就是通常所說的“行式指派”，
而fortran語言中則是“列式指派”，是以在fortran格式的cdl檔案中，data段的數值順序和這裡正好
行列互換。
2、自變量的預設取值和坐标變量
如果隻給出維的長度，那麼維的值預設從0開始，然後自動加1，到(長度-1)停止，
很多情況下我們要自己給出每個點的坐标值，這時就需要用到netcdf裡的坐标變量
"coordinate varibles"：增加一個和隻和維相關的一進制函數（自變量）并給出它的取值範圍。
比如下面的cdl檔案（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 ; //經度軸
variables:
float latitude(latitude) ; //坐标變量，存儲具體緯度
latitude:units = "degrees_north" ;
float longitude(longitude) ; //坐标變量，存儲具體緯度
longitude:units = "degrees_east" ;
float pressure(latitude, longitude) ; //某個點（經度和緯度的交點）的大氣壓值
pressure:units = "hPa" ; //大氣壓的機關為
float temperature(latitude, longitude) ; //某個點（經度和緯度的交點）的溫度值
temperature:units = "celsius" ; //溫度的機關為
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
對于上面的資料，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檔案的讀寫
“學以緻用” ，前面講的都是netcdf的基本知識，都是為了本節的核心問題——讀寫netcdf格式的檔案
做鋪墊之用，下面我們就來看看如何建立一個netcdf格式檔案，以及如何再讀出它的内容。
1、在指令行下讀寫netcdf檔案
⑴建立一個simple_xy.cdl檔案，内容就是上一節“CDL結構”中的第一個例子。
⑵用ncgen.exe工具（下載下傳位址見前面的第二節）建立netcdf檔案
①将ncgen所在目錄加到系統path變量中或者直接将ncgen.exe拷到simple_xy.cdl所在目錄下
②執行ncgen -o simple_xy.nc simple_xy.cdl生成netcdf格式檔案simple_xy.nc
⑶生成的simple_xy.nc是一個二進制檔案，要想從這個檔案中還原出資料資訊，就要用ncdump工具
①将ncdump所在目錄加到系統path變量中或者直接将ncdump.exe拷到simple_xy.nc所在目錄下
②在指令行下執行ncdump simple_xy.nc，這時螢幕的輸出和simple_xy.cdl内容完全一樣。說明
我們的檔案讀寫操作都是正确的。
2、程式設計讀寫netcdf檔案
前面我們知道如何手工去建立和讀取netddf檔案，下面我們來看看如何在程式中用代碼實作netcdf
檔案的建立和分析。我的程式設計環境為win2000+vc6.0 并安裝了vc sp6更新檔包。例子代碼選自
netcdf教程中的2.1節The simple xy Example
⑴将netcdf的源代碼解壓。我們将用到裡面的libsrc/netcdf.h頭檔案
⑵在vc6中建立一個空的win32控制台項目.名字為SimpleXyWrite，這個項目用來建立netcdf檔案
⑶把如下檔案拷貝到項目目錄中
①netcdf源代碼中的libsrc/netcdf.h頭檔案
②netcdf源代碼中的examples/C/simple_xy_wr.c檔案，并改名為simple_xy_wr.cpp
③netcdf預編譯包中的netcdf.dll檔案和 netcdf.lib檔案
⑷把netcdf.h檔案和simple_xy_wr.cpp加入到項目的檔案清單中
（具體菜單操作project->add to project->files）
⑸把netcdf.lib加入到項目的lib清單中
（具體菜單操作project->add to project->settings->Link->object/library modules）
⑹編譯并運作這個項目，會在項目目錄下生成一個simple_xy.nc檔案，其内容和我們手工生成的
檔案内容完全一樣。
simple_xy_wr.c檔案是建立netcdf檔案的c代碼，而examples/C/simple_xy_rd.c檔案則是分析
netcdf檔案的代碼，讀者可以用和剛才類似的步驟在vc6中編譯這個檔案。運作時把把剛才生成的
simple_xy.nc拷貝到項目的目錄下，如果檔案格式沒錯誤，會提示
*** SUCCESS reading example file simple_xy.nc!
然後退出。
3、用ncgen指令自動生成c代碼
給定了simple_xy.cdl檔案後，可以用
ncgen -c simple_xy.cdl
指令直接在螢幕上輸出c代碼.
不過，這個辦法隻限于cdl的資料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
通過以上内容的介紹，相信讀者對netcdf已經有了大緻的了解。總體來說，
netcdf的核心内容就是通過cdl描述文法來建立一個netcdf格式檔案。抓住了這一點，
讀者再繼續深入看netcdf的其他資料時，應該就沒什麼太大的難度了。如是，作者的
目的也就達到了。
六、附錄
為便于讀者對照，現本文中用到的幾個檔案的内容在此列出
1、simple_xy.cdl檔案的内容
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檔案的内容
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <netcdf.h>
#define FILE_NAME "simple_xy.nc"
#define NDIMS 2
#define NX 6
#define NY 12
#define ERRCODE 2
#define ERR(e) {printf("Error: %s/n", nc_strerror(e)); exit(ERRCODE);}
int
main()
{
int ncid, x_dimid, y_dimid, varid;
int dimids[NDIMS];
int data_out[NX][NY];
int x, y, retval;
for (x = 0; x < NX; x++)
for (y = 0; y < NY; y++)
data_out[x][y] = x * NY + y;
if ((retval = nc_create(FILE_NAME, NC_CLOBBER, &ncid)))
ERR(retval);
if ((retval = nc_def_dim(ncid, "x", NX, &x_dimid)))
ERR(retval);
if ((retval = nc_def_dim(ncid, "y", NY, &y_dimid)))
ERR(retval);
dimids[0] = x_dimid;
dimids[1] = y_dimid;
if ((retval = nc_def_var(ncid, "data", NC_INT, NDIMS,
dimids, &varid)))
ERR(retval);
if ((retval = nc_enddef(ncid)))
ERR(retval);
if ((retval = nc_put_var_int(ncid, varid, &data_out[0][0])))
ERR(retval);
if ((retval = nc_close(ncid)))
ERR(retval);
printf("*** SUCCESS writing example file simple_xy.nc!/n");
return 0;
}
3、simple_xy_rd.c檔案的内容
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <netcdf.h>
#define FILE_NAME "simple_xy.nc"
#define NX 6
#define NY 12
#define ERRCODE 2
#define ERR(e) {printf("Error: %s/n", nc_strerror(e)); exit(ERRCODE);}
int
main()
{
int ncid, varid;
int data_in[NX][NY];
int x, y, retval;
if ((retval = nc_open(FILE_NAME, NC_NOWRITE, &ncid)))
ERR(retval);
if ((retval = nc_inq_varid(ncid, "data", &varid)))
ERR(retval);
if ((retval = nc_get_var_int(ncid, varid, &data_in[0][0])))
ERR(retval);
for (x = 0; x < NX; x++)
for (y = 0; y < NY; y++)
if (data_in[x][y] != x * NY + y)
return ERRCODE;
if ((retval = nc_close(ncid)))
ERR(retval);
printf("*** SUCCESS reading example file %s!/n", FILE_NAME);
return 0;
}
![POJ 1284 Primitive Roots (歐拉函數&原根定理)[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)