0 引言

    隨著科學技術的進步和大批巡天觀測項目的實施，當前的天文數據正呈現爆炸式的增長，天文學正進入一個數據富庶的時代^[1]。各大虛擬天文臺均致力于將整理完善的天文數據公開，提供給全球的用戶進行訪問，促進了全球天文數據資源的共享。

    天文愛好者和天文學家均可通過對公開的巡天數據的研究分析，從而挖掘出數據中的有用信息，因此越來越多的天文分析輔助工具應運而生。

    目前，國外已有很多優秀的可視化工具，如具有星表和圖片服務器訪問功能的ESO圖像顯示工具Skycat^[2]，它結合了圖像可視化和天文數據歸檔功能；法國斯特拉斯堡數據中心開發的數據整合工具Aladin^[3]，在天體多波段交叉證認方面具有優越性；具有高互動性的天文圖像分析工具GAIA^[4]提供圖像分析擴展功能^[5]。這些工具的數據處理功能各具特色，但對用戶及安裝環境要求較高，且彼此之間無法協同工作，不利于科學家研究工作的開展。為了解決這一問題，本文研究并實現的FastSky系統，只需在網頁中加載所需數據，即可進行各種操作，大大降低了使用者的計算機技術要求和軟件的運行環境要求，并且數據分析功能豐富，可滿足大部分的工作需求。

    FastSky系統部分借鑒了Aladin Lite^[6]的設計，并進行了擴展。基于Healpix球面分割的HiPS^[7]技術，實現對天文數據的層級式展示、星表數據的表格展示和排序、求距、提取等高線等功能；其他核心功能還包括坐標線的繪制、天球坐標系統轉換、窗口縮放等。FastSky目前已被FAST工程科學部列為巡天數據科學研究的支撐軟件，在FAST巡天數據科學研究規劃中應用。

1 FastSky的設計

    FastSky系統采用B/S模式，通過AJAX訪問各個巡天數據庫并獲取數據；利用HiPS技術劃分天區，構建層級式巡天窗口；實現了多種天文計算算法，用戶可完成基本的數據處理。

    目前，FastSky系統可訪問的數據庫包括Simbad^[8]、NED^[9]、VizieR^[10]和Aladin HiPS服務器，操作的數據主要有3種類型：星圖、星表和圖形元素，這些數據都展示在視圖窗口中。

    系統架構如圖1所示，FastSky天圖系統主要包含6個子系統，其核心服務主要是巡天數據的可視化和數據處理。其中，視圖層主要負責構建視圖窗口、展示天文數據處理結果以及監聽窗口中的事件；天區索引構建器負責對Healpix天區索引初始化，并維護窗口的可見天區索引列表；URL構建器負責構建所需下載的天文數據的URL地址，包括天區索引式構建和用戶參數式構建兩種類型；對象生成器用于解析所下載的天文數據文件格式，并生成數據對象，包括星圖對象HpxImage、星表對象Catalog和圖形對象Overlay；函數庫是系統中最基礎的計算模塊，它實現了一些天文數學計算方法，供其他模塊調用。

2 FastSky的關鍵技術

    本節將對支撐FastSky系統的天圖數據可視化和巡天數據處理的關鍵技術Healpix和HiPS進行詳細介紹。

2.1 Healpix

    多級等面積同緯度劃分法Healpix^[11]（Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelisation），它是一種天文中常見的球面索引方法。Healpix的分割方式是對天區進行遞歸的多層次四邊形劃分，按照四叉樹進行層次迭代。

    圖2為Healpix方法劃分天球0級～3級的劃分情況。首先將全天區進行8等分，再將每個四邊形繼續4等分，依此進行層級遞歸，經過n級劃分后，天區被劃分為12×4ⁿ個塊。編碼時，通過遞歸，子塊將繼承上一級父塊的編碼并作為前綴。

2.2 HiPS

    在傳統的數據訪問中，系統常因為天文數據過大而不堪重負，而其中的大部分數據并不需要。所以將數據分割成塊，按需加載顯得尤為重要。

    HiPS是基于Healpix索引的數據分層存儲技術，它將數據按照Healpix天區級別分割成塊，存儲在對應級別的目錄中，當用戶瀏覽某些天區時，只需計算該天區的存儲位置，即可訪問數據。

    HiPS的存儲結構中的幾個重要的結構含義如下：

    Norder：是指劃分的天區級別，從0級開始用8個等面積的菱形劃分天球，一個四邊形代表一個天區，劃分下一級時，每個天區被細分為4個等面積天區，以此遞歸。

    Npix：是指天區的編碼，Heapix中有nested和ring兩種編碼方式，本文采用的是nested編碼方式。

    Dir：是一個中間級存儲結構，隨著天區級別的逐漸增加，天區塊的數會呈指數上升，為避免目錄中的數據量過多，建立了一層中間級存儲結構，即將10 000個天區存儲在一個dir目錄中。

3 FastSky的功能實現

    下面重點介紹FastSky系統的天圖可視化和數據處理的關鍵流程。

3.1 可視化流程

    FastSky系統的可視化是一種特殊的數據處理，主要是針對星圖星表數據，將數據進行一系列處理后無縫拼接展示到視圖窗口中，易于瀏覽觀測。

    FastSky系統的可視化處理流程如算法1所示。

    算法1 可視化流程

Algorithm：Visualization(target，fov，view)

Input：target為天體目標，位于視圖窗口的中心；fov為視場角大小。

Output：view為繪制好數據的視圖窗口對象。

Body：

(1)view()//創建一個具有三層畫布的視圖窗口，然后添加窗口的監聽事件

(2)list=getVisibleCells(target，fov)//計算窗口中的可見天區的索引號列表list

(3)data=URLBuilderByIndex(list)//采用索引方式構建數據塊的URL地址，并下載數據

(4)Draw(data)//解析下載的數據data，建立相應的數據對象數組存儲數據，并將數據繪制到窗口中

3.2 數據處理

    FastSky的數據處理模塊功能包括坐標轉換、求距計算、提取等高線、目標名解析等。下面將重點介紹前述四個功能的實現。

3.2.1 坐標轉換

    在本系統中，主要涉及到了兩個重要的坐標系，一個是天球坐標系，即用赤經赤緯來表示天體在天球上的位置；另一個是窗口坐標系，用于定義元素所要繪制的位置。其轉換過程如下：

    (1)將極坐標轉為直角坐標。

    (3)使用正弦投影將三維直角坐標投影到SH空間中。

    (4)根據窗口計算繪制位置vx、vy。

3.2.2 目標名解析

    目標名解析是指輸入天體目標名稱，即可獲取該天體在J2000坐標系下的赤經赤緯位置。它是其他系統功能的基礎。本系統對目標名的解析采用的是訪問CDS的Sesame天體目標名解析器，獲取結果。通過AJAX訪問Sesame服務器，訪問成功，則返回天體的赤經赤緯位置。

3.2.3 測距

    測距是指根據用戶點擊的兩個點的位置，計算它們之間的天體距離。設兩個點的位置分別為p1(x1，y1)，p2(x2，y2)，則距離公式為：

3.2.4 提取等高線

    提取等高線是一種常見的圖像處理方法，首先獲取圖像灰度值，進行平滑處理和降噪處理，然后根據不同級別的灰度閾值分別計算對應的輪廓線，并繪制。求解輪廓線采用的是SNYDER W V的Contour plotting^[12]經典算法。提取等高線的流程偽代碼如算法2所示。

    算法2 提取等高線流程

Algorithm：getContour(pimg，levels，useSmoothing，smoothingLevel，reduceNoise，view)

Input：pimg為圖像的灰度值，levels為灰度閾值，useSmoothing為是否平滑處理，smoothingLevel為平滑處理級別，reduceNoise為是否進行降噪處理。

Output：view為已繪制好等高線的視圖窗口對象。

Body：

(1) get pimg,levels

(2) if useSmoothing

(3)      makeSmoothing( )//進行平滑處理

(4)      adjustLevels( )//調整灰度閾值

(5) else if reduceNoise

(6)      reduceNoise( )//進行降噪處理

(7) for each level

(8)      for each pimg

(9)          line=computeLine( )//計算等高線

(10)         drawLine(line )//繪制線段

(11) return view

4 FastSky系統實例

    本節將主要介紹FastSky系統在天文可視化領域的實例應用。

    圖3是系統界面的布局設計圖，主要包括菜單欄、視圖窗口、工具箱、功能標簽頁、星表表格五大部分。

    (1)Healpix Grid：HealpixGrid網格線的繪制效果如圖4所示，當縮放窗口時，窗口中的網格線會根據縮放層次實時繪制，其中每個網格中的文字格式為“天區級別/天區編號”。

    (2)測距：測距功能是指用戶通過鼠標點擊窗口輸入兩個點的位置，系統則根據測距公式計算兩點間的天體距離，并將結果展示到窗口中。測距公式在系統實現部分已給出，實現效果如圖5所示。

    (3)等高線：等高線功能是對視圖窗口中的圖像進行等高線的提取。實現效果如圖6所示。

    (4)星表可視化：所謂星表可視化，是指加載當前窗口中的星體數據，并使用符號把星體繪制到窗口中。繪制效果如圖7所示。

5 結束語

    隨著虛擬天文臺的相關服務發展日益完善，使得天文數據和相關資源的獲取也更加方便。在基于巡天數據驅動的天文科學研究中，研究人員要從大量的數據中提取有用的信息，了解數據之間的相互關系^[13]，將數據進行可視化并進行探索式數據處理是最為有效的途徑之一。本文研發的FastSky天圖系統操作直觀，使用簡便，支持訪問各個公開的巡天數據庫，并提供了常用的天圖數據可視化展現和天文數據分析功能，具有較強的實用性。FastSky目前已被FAST工程科學部列為巡天數據科學研究的支撐軟件，在FAST巡天數據科學研究規劃中應用。

參考文獻

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作者信息：

梁青青1，2，李  暉1，2，周  彧1，2，陳  梅1，2，朱  明3

（1．貴州大學 貴州省先進計算與醫療信息服務工程實驗室，貴州 貴陽550025；

2．貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州 貴陽550025；3.國家天文臺 中國科學院，北京100016）