0 引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和大批巡天觀測項目的實施，當(dāng)前的天文數(shù)據(jù)正呈現(xiàn)爆炸式的增長，天文學(xué)正進(jìn)入一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)公開，提供給全球的用戶進(jìn)行訪問，促進(jìn)了全球天文數(shù)據(jù)資源的共享。

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

    目前，國外已有很多優(yōu)秀的可視化工具，如具有星表和圖片服務(wù)器訪問功能的ESO圖像顯示工具Skycat^[2]，它結(jié)合了圖像可視化和天文數(shù)據(jù)歸檔功能；法國斯特拉斯堡數(shù)據(jù)中心開發(fā)的數(shù)據(jù)整合工具Aladin^[3]，在天體多波段交叉證認(rèn)方面具有優(yōu)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(kuò)展功能^[5]。這些工具的數(shù)據(jù)處理功能各具特色，但對用戶及安裝環(huán)境要求較高，且彼此之間無法協(xié)同工作，不利于科學(xué)家研究工作的開展。為了解決這一問題，本文研究并實現(xiàn)的FastSky系統(tǒng)，只需在網(wǎng)頁中加載所需數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行各種操作，大大降低了使用者的計算機(jī)技術(shù)要求和軟件的運行環(huán)境要求，并且數(shù)據(jù)分析功能豐富，可滿足大部分的工作需求。

    FastSky系統(tǒng)部分借鑒了Aladin Lite^[6]的設(shè)計，并進(jìn)行了擴(kuò)展。基于Healpix球面分割的HiPS^[7]技術(shù)，實現(xiàn)對天文數(shù)據(jù)的層級式展示、星表數(shù)據(jù)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(biāo)線的繪制、天球坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、窗口縮放等。FastSky目前已被FAST工程科學(xué)部列為巡天數(shù)據(jù)科學(xué)研究的支撐軟件，在FAST巡天數(shù)據(jù)科學(xué)研究規(guī)劃中應(yīng)用。

1 FastSky的設(shè)計

    FastSky系統(tǒng)采用B/S模式，通過AJAX訪問各個巡天數(shù)據(jù)庫并獲取數(shù)據(jù)；利用HiPS技術(shù)劃分天區(qū)，構(gòu)建層級式巡天窗口；實現(xiàn)了多種天文計算算法，用戶可完成基本的數(shù)據(jù)處理。

    目前，F(xiàn)astSky系統(tǒng)可訪問的數(shù)據(jù)庫包括Simbad^[8]、NED^[9]、VizieR^[10]和Aladin HiPS服務(wù)器，操作的數(shù)據(jù)主要有3種類型：星圖、星表和圖形元素，這些數(shù)據(jù)都展示在視圖窗口中。

    系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)astSky天圖系統(tǒng)主要包含6個子系統(tǒng)，其核心服務(wù)主要是巡天數(shù)據(jù)的可視化和數(shù)據(jù)處理。其中，視圖層主要負(fù)責(zé)構(gòu)建視圖窗口、展示天文數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及監(jiān)聽窗口中的事件；天區(qū)索引構(gòu)建器負(fù)責(zé)對Healpix天區(qū)索引初始化，并維護(hù)窗口的可見天區(qū)索引列表；URL構(gòu)建器負(fù)責(zé)構(gòu)建所需下載的天文數(shù)據(jù)的URL地址，包括天區(qū)索引式構(gòu)建和用戶參數(shù)式構(gòu)建兩種類型；對象生成器用于解析所下載的天文數(shù)據(jù)文件格式，并生成數(shù)據(jù)對象，包括星圖對象HpxImage、星表對象Catalog和圖形對象Overlay；函數(shù)庫是系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的計算模塊，它實現(xiàn)了一些天文數(shù)學(xué)計算方法，供其他模塊調(diào)用。

2 FastSky的關(guān)鍵技術(shù)

    本節(jié)將對支撐FastSky系統(tǒng)的天圖數(shù)據(jù)可視化和巡天數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)Healpix和HiPS進(jìn)行詳細(xì)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(qū)進(jìn)行遞歸的多層次四邊形劃分，按照四叉樹進(jìn)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(qū)進(jìn)行8等分，再將每個四邊形繼續(xù)4等分，依此進(jìn)行層級遞歸，經(jīng)過n級劃分后，天區(qū)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(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問中，系統(tǒng)常因為天文數(shù)據(jù)過大而不堪重負(fù)，而其中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)并不需要。所以將數(shù)據(jù)分割成塊，按需加載顯得尤為重要。

    HiPS是基于Healpix索引的數(shù)據(jù)分層存儲技術(shù)，它將數(shù)據(jù)按照Healpix天區(qū)級別分割成塊，存儲在對應(yīng)級別的目錄中，當(dāng)用戶瀏覽某些天區(qū)時，只需計算該天區(qū)的存儲位置，即可訪問數(shù)據(jù)。

    HiPS的存儲結(jié)構(gòu)中的幾個重要的結(jié)構(gòu)含義如下：

    Norder：是指劃分的天區(qū)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(qū)，劃分下一級時，每個天區(qū)被細(xì)分為4個等面積天區(qū)，以此遞歸。

    Npix：是指天區(qū)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(jié)構(gòu)，隨著天區(qū)級別的逐漸增加，天區(qū)塊的數(shù)會呈指數(shù)上升，為避免目錄中的數(shù)據(jù)量過多，建立了一層中間級存儲結(jié)構(gòu)，即將10 000個天區(qū)存儲在一個dir目錄中。

3 FastSky的功能實現(xiàn)

    下面重點介紹FastSky系統(tǒng)的天圖可視化和數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵流程。

3.1 可視化流程

    FastSky系統(tǒng)的可視化是一種特殊的數(shù)據(jù)處理，主要是針對星圖星表數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)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(tǒng)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(biāo)，位于視圖窗口的中心；fov為視場角大小。

Output：view為繪制好數(shù)據(jù)的視圖窗口對象。

Body：

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

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

(3)data=URLBuilderByIndex(list)//采用索引方式構(gòu)建數(shù)據(jù)塊的URL地址，并下載數(shù)據(jù)

(4)Draw(data)//解析下載的數(shù)據(jù)data，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象數(shù)組存儲數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)繪制到窗口中

3.2 數(shù)據(jù)處理

    FastSky的數(shù)據(jù)處理模塊功能包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、求距計算、提取等高線、目標(biāo)名解析等。下面將重點介紹前述四個功能的實現(xiàn)。

3.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

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

    (1)將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)為直角坐標(biāo)。

    (3)使用正弦投影將三維直角坐標(biāo)投影到SH空間中。

    (4)根據(jù)窗口計算繪制位置vx、vy。

3.2.2 目標(biāo)名解析

    目標(biāo)名解析是指輸入天體目標(biāo)名稱，即可獲取該天體在J2000坐標(biāo)系下的赤經(jīng)赤緯位置。它是其他系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)對目標(biāo)名的解析采用的是訪問CDS的Sesame天體目標(biāo)名解析器，獲取結(jié)果。通過AJAX訪問Sesame服務(wù)器，訪問成功，則返回天體的赤經(jīng)赤緯位置。

3.2.3 測距

    測距是指根據(jù)用戶點擊的兩個點的位置，計算它們之間的天體距離。設(shè)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(jìn)行平滑處理和降噪處理，然后根據(jù)不同級別的灰度閾值分別計算對應(yīng)的輪廓線，并繪制。求解輪廓線采用的是SNYDER W V的Contour plotting^[12]經(jīng)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(jìn)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(jìn)行平滑處理

(4)      adjustLevels( )//調(diào)整灰度閾值

(5) else if reduceNoise

(6)      reduceNoise( )//進(jìn)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(tǒng)實例

    本節(jié)將主要介紹FastSky系統(tǒng)在天文可視化領(lǐng)域的實例應(yīng)用。

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

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

    (2)測距：測距功能是指用戶通過鼠標(biāo)點擊窗口輸入兩個點的位置，系統(tǒng)則根據(jù)測距公式計算兩點間的天體距離，并將結(jié)果展示到窗口中。測距公式在系統(tǒng)實現(xiàn)部分已給出，實現(xiàn)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(jìn)行等高線的提取。實現(xiàn)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(dāng)前窗口中的星體數(shù)據(jù)，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(jié)束語

    隨著虛擬天文臺的相關(guān)服務(wù)發(fā)展日益完善，使得天文數(shù)據(jù)和相關(guān)資源的獲取也更加方便。在基于巡天數(shù)據(jù)驅(qū)動的天文科學(xué)研究中，研究人員要從大量的數(shù)據(jù)中提取有用的信息，了解數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系^[13]，將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化并進(jìn)行探索式數(shù)據(jù)處理是最為有效的途徑之一。本文研發(fā)的FastSky天圖系統(tǒng)操作直觀，使用簡便，支持訪問各個公開的巡天數(shù)據(jù)庫，并提供了常用的天圖數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)和天文數(shù)據(jù)分析功能，具有較強(qiáng)的實用性。FastSky目前已被FAST工程科學(xué)部列為巡天數(shù)據(jù)科學(xué)研究的支撐軟件，在FAST巡天數(shù)據(jù)科學(xué)研究規(guī)劃中應(yīng)用。

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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(xué) 貴州省先進(jìn)計算與醫(yī)療信息服務(wù)工程實驗室，貴州 貴陽550025；

2．貴州大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽550025；3.國家天文臺 中國科學(xué)院，北京100016）