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NetCDF

網絡通用數據格式（英語：Network Common Data Form，netCDF）是一種自描述、與機器無關、基於陣列的科學數據格式，同時也是支援建立、訪問和共用這一數據格式的函數庫。該專案首頁位於美國大氣科學研究大學聯盟（UCAR）的Unidata規劃網站。它也是netCDF軟件、標準開發、更新等的主要來源。netCDF格式是一種開放標準。

Network Common Data Form
副檔名.nc
網路媒體型式application/netcdf
application/x-netcdf
開發者美國大氣科學研究大學聯盟（UCAR）
最新版本
4.9.2[1]在維基數據編輯（2023年3月17日，19個月前）
格式類型科學二進制數據
延伸自通用數據格式（CDF）
外部數據表示法（XDR）
層級數據格式（HDF）
網站www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/ 編輯維基數據連結

netCDF專案開始於1989年，UCAR目前對其積極支援，在新發行版中改進效能、增加功能並修正缺陷，目前版本系列是netCDF-4。netCDF的經典格式（CDF-1）和64位元偏移量格式（CDF-2），是開放地理空間協會採用的國際標準[2]。

歷史

1985年美國太空總署（NASA）的國家空間科學數據中心（NSSDC），設計並開發了通用數據格式（CDF），CDF最初是用FORTRAN寫成，並只能在VAX/VMS環境下獲得[3]。Unidata在1987年8月成立了關於CDF的工作群組，提議探索與NASA協同運作，擴充CDF的FORTRAN介面，定義C介面，並允許用一個單一呼叫訪問數據聚集，同時要維持與現存NASA介面相容的可能性。在1988年早些時候，Unidata的Glenn Davis用C開發了原型netCDF包，它位於網絡表示層XDR格式的上層[4]，而結果的程式可以在UNIX和VMS系統二者上實現。NASA的CDF和Unidata的netCDF從此獨立發展，但新近的CDF版本與netCDF共用了很多特徵。[5]

1991年Unidata發佈了netCDF版本2.0，1997年發佈了版本3.3。2003年7月美國能源部的阿貢國家實驗室和西北大學，貢獻了叫做並列netCDF（或稱PnetCDF）的一個netCDF平行計算擴充[6]。2004年在NASA的資助下，Unidata與美國國家超級計算應用中心（NCSA），開始合作增進netCDF和HDF5的互操作性。2008年Unidata發佈了版本4.0，允許使用HDF5數據檔案格式。同時發佈了版本3.6.3，它與版本4.0是同樣的代碼但關掉了netcdf-4特徵，目前netCDF-3庫仍然在世界各地被廣泛使用。2010年Unidata發佈了版本4.1.1，增加了對C和Fortran客戶端通過OPeNDAP（英語：OPeNDAP）訪問遠端數據的特定子集的支援，並使用PnetCDF擴充庫，支援在netCDF經典格式（CDF-1、CDF-2和CDF-5）上的並列I/O。[5]

格式描述

netCDF庫支援多種不同的二進制格式的netCDF檔案[7]：

  • CDF-1，在最初netCDF發行中使用的經典格式，它仍是檔案建立的預設格式。
  • CDF-2，在版本3.6.0中介入的64-bit偏移量格式，它支援更大的變數和檔案大小。
  • netCDF-4/HDF5，在版本4.0中介入的格式，它是帶有一些限制的HDF5數據格式[8]。
  • HDF4 SD，在版本4.1中開始支援對這個格式的唯讀訪問。
  • CDF-5，由PnetCDF擴充庫在CDF-2基礎之上規定的格式[9]，整合入了netCDF庫版本4.4.0中。

所有格式都是「自描述的」。 這意味其中有一個頭部，它描述檔案餘下部分的格局，特別是陣列數據，連同以名稱/值特性形式的任意檔案元數據。這個格式是跨平台的，涉及的問題如位元組序在軟件庫中解決。數據以允許有效率的子集化（英語：Subsetting）的方式來儲存。

起始於版本4.0，netCDF API允許使用HDF5數據格式。netCDF用戶可以建立HDF5檔案從而獲得netCDF格式不具備的利益，比如更大的檔案和多重無限制的維度。

完全後向相容，可訪問舊有netCDF檔案並支援以前版本的C和Fortran API。

軟件

netCDF常用於氣候學、氣象學和海洋學應用，如天氣預報、氣候變化；也用於地理資訊系統應用，是很多GIS應用的輸入/輸出格式；並用於通用科學數據交換。從它的站點引述如下[10]：netCDF（網絡公用數據格式）是用於面向陣列數據訪問的一組介面，和針對C、Fortran、C++、Java和其他語言的一套自由發行的數據訪問庫。netCDF庫支援用來表示科學數據的一種機器無關格式。介面、庫和格式一起支援建立、訪問和共用科學數據。

訪問庫

UCAR發佈的軟件庫提供了對netCDF檔案的讀寫訪問，編碼和解碼所需的陣列和元數據。核心庫是用C編寫的，並為C或C++應用提供API，為Fortran應用提供了兩個API，一個給Fortran 77，一個給Fortran 90。Unidata還開發維護一個獨立實現，使用100% Java寫成，它擴充了核心數據模型並增加了額外的功能。其他程式語言基於netCDF的C庫也能獲得至其API的介面，這包括R、Perl數據語言（英語：Perl Data Language）、Python、Ruby、Haskell[11]、Mathematica、MATLAB、IDL和Octave。API呼叫規定在不同語言間非常類似，當然會有着不可避免的不同語法。不同版本的API呼叫是後向相容的。應用編程者使用支援這個庫的語言，在正常情況下不需要關心檔案結構自身，即使它作為開放格式是可以獲知的。

  • Python語言通過模組訪問netCDF檔案，可以用Unidata官方發行的netCDF4-python[12]，此外，讀寫netCDF-4格式可用h5netcdf[13]；讀寫其他netCDF格式可用SciPy。xarray模組可將netCDF匯入匯出於pandas的DataFrame對象[14]；cfgrib是ECMWF發行的使用ecCodes並遵從CF（英語：Climate and Forecast Metadata Conventions）約定，將GRIB對映到NetCDF通用數據模型的介面[15]。NCAR的PyNIO模組支援多種netCDF格式，它的開發已經停止而進入維護狀態[16]。
  • R語言通過包來支援netCDF，包括還支援HDF5的ncdf4[17]，和不支援HDF5的RNetCDF[18]。

應用

現在已經出產了範圍廣泛的使用netCDF檔案的應用程式。它們的範圍從命令列實用程式到圖形視覺化包。下面列出其中一小部分，而更長的列表可見於UCAR網站列表[19]：

  • netCDF算子（NCO）[20]，這個套件是針對netCDF檔案的常用Unix命令列實用工具集，它提供一套命令來操縱和分析netCDF檔案，包括基本記錄串接、陣列分片（英語：Array slicing）和平均。
  • ncview[21]，它是netCDF格式檔案的可視瀏覽器。這個程式是視覺化在netCDF檔案中的場的簡單、快速、基於GUI的工具。
  • NCAR命令語言（NCL）[22]，它可用來分析和視覺化netCDF中的數據（還支援其他格式）。
  • 網格分析和顯示系統（GrADS），它是互動式桌面工具，用來容易的訪問、操縱和視覺化地球科學數據。
  • 地理數據抽象庫（GDAL）[23]，它提供對netCDF數據的讀寫訪問支援[24]。
  • Panoply[25]，它是netCDF檔案檢視器，它關注地理網格數據的表示。它是用Java寫成因而跨平台。
  • ECMWF的Metview[26]，這個工作站和批次處理系統可以處理netCDF和GRIB及BUFR。
  • Ferret[27]，它是互動式電腦視覺化和分析環境，設計用來滿足海洋學者和氣象學者分析巨大而且複雜的網格數據。
  • HDFql[28]，它使用戶能在C、C++、Java、Python、C#、Fortran和R語言中通過高層語言（類似SQL）來管理netCDF-4/HDF5檔案。

元數據約定

主條目：氣候和預報元數據約定（英語：Climate and Forecast Metadata Conventions）

氣候和預報（CF）約定是對地球科學數據的元數據約定，意圖用於促進處理和共用通過netCDF應用編程介面（API）建立的檔案。CF約定於2003年建立，普遍化並擴充了早期的協同運作海洋/大氣研究數據服務（COARDS）約定[29]和對氣候數據的Gregory/Drach/Tett（GDT）約定[30]。CF約定定義了與數據包含在同一個檔案中的元數據，從而使得檔案「自我描述」，提供對在每個變數中的數據表示的是什麼的確切描述，和數據的空間的和時間的屬性的確切描述，包括關於網格的資訊，比如網格單元邊界和單元平均方法。這使得能夠使用來自不同來源的數據，確定哪些數據是可比較的，並允許建造有着強力的提取、重新插值和顯示能力的應用。Unidata 在2007年至2011年開發了LibCF庫[31]。

並列netCDF

並列netCDF擴充包建造在MPI-IO之上，它是對MPI的I/O擴充。使用高層netCDF數據結構，並列netCDF庫可以進行最佳化而在多處理器間高效分配檔案讀和寫應用。並列netCDF包只可以讀/寫經典和64-bit偏移量格式。並列netCDF不能讀或寫在netCDF-4.0中可獲得的基於HDF5的格式。並列netCDF包使用不同但類似的Fortran和C的API。

在Unidata netCDF庫中自從版本4.0已經支援對HDF5數據檔案的並列I/O。Unidata netCDF C庫自從版本4.1.1使用並列netCDF庫支援對經典和64-bit偏移量檔案的並列 I/O，但使用netCDF API。

與其他格式庫的互操作性

netCDF C庫，和基於它的庫：Fortran 77和Fortran 90、C++和所有第三方庫，自從版本4.1.1開始可以讀一些其他數據格式的數據。HDF5格式的數據可以讀取，但有一些限制[32]。使用HDF4科學數據（SD）API建立的HDF4格式的數據，可以用netCDF C庫讀取。

netCDF-Java通用數據模型

netCDF-Java庫目前已經能夠讀取很多檔案格式和遠端訪問協定，並且正在開發對一些其他的格式的支援。因為這些都是通過netCDF API透明的進行訪問，netCDF-Java庫被稱為實現了科學數據集的「通用數據模型」。

參見

參照

  1. ^ 1.0 1.1 NetCDF 4.9.2. 2023年3月17日. 
  2. ^ OGC network Common Data Form (netCDF) standards suite. Opengeospatial.org. [2013-11-27]. （原始內容存檔於2017-11-30）. 
  3. ^ What are the differences between CDF and netCDF, and CDF and HDF?. [2019-06-08]. （原始內容存檔於2018-06-19）. 
  4. ^ NetCDF Users Guide — The Extended XDR Layer. [2023-10-09]. （原始內容存檔於2023-10-10）. 
  5. ^ 5.0 5.1 NetCDF Users Guide — Background and Evolution of the NetCDF Interface. [2023-10-09]. （原始內容存檔於2023-10-10）. 
  6. ^ PnetCDF: A Parallel I/O Library for NetCDF File Access. [2019-06-05]. （原始內容存檔於2019-06-05）. 
  7. ^ NetCDF Users Guide — The netCDF File Format. [2023-10-09]. （原始內容存檔於2023-10-10）. 
  8. ^ NetCDF documentation — The NetCDF-4 Format. [2023-10-09]. （原始內容存檔於2023-10-08）. 
  9. ^ CDF-5 file format specification （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
  10. ^ What Is netCDF?. [2023-10-09]. （原始內容存檔於2023-10-10）. 
  11. ^ hnetcdf: Haskell NetCDF library. hackage.haskell.org. 2014-07-10 [2014-07-10]. （原始內容存檔於2014-07-09）. 
  12. ^ netcdf4-python is a Python interface to the netCDF C library. [2017-12-04]. （原始內容存檔於2017-11-29）. 
  13. ^ h5netcdf — A Python interface for the netCDF4 file-format that reads and writes local or remote HDF5 files directly via h5py or h5pyd, without relying on the Unidata netCDF library.. [2023-10-08]. （原始內容存檔於2023-10-10）. 
  14. ^ xarray: N-D labeled arrays and datasets in Python. [2016-09-07]. （原始內容存檔於2016-09-01）. 
  15. ^ cfgrib: A Python interface to map GRIB files to the NetCDF Common Data Model following the CF Convention using ecCodes. [2023-10-08]. （原始內容存檔於2023-10-12）. 
  16. ^ PyNIO. Pyngl.ucar.edu. 2011-07-28 [2013-11-27]. （原始內容存檔於2013-11-25）. 
  17. ^ David Pierce (2014). ncdf4: Interface to Unidata netCDF (version ) format data files. R package version 1.13. https://cran.r-project.org/package=ncdf4 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  18. ^ Pavel Michna and with contributions from Milton Woods (2015). RNetCDF: Interface to NetCDF Datasets. R package version 1.7-3. https://cran.r-project.org/package=RNetCDF
  19. ^ russ. List of software utilities using netCDF files. Unidata.ucar.edu. 1990-01-01 [2013-11-27]. （原始內容存檔於2013-12-02）. 
  20. ^ NCO（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  21. ^ ncview（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  22. ^ NCAR命令語言（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  23. ^ GDAL（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  24. ^ NetCDF network Common Data Form. Gdal.org. [2013-11-27]. （原始內容存檔於2013-06-06）. 
  25. ^ Panoply（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  26. ^ Metview（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  27. ^ Ferret（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  28. ^ HDFql（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  29. ^ COARDS（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  30. ^ NetCDF Conventions （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
  31. ^ LibCF庫（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  32. ^ NetCDF Users Guide — Interoperability with HDF5. [2023-10-09]. （原始內容存檔於2023-10-10）. 

外部連結

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