《电子技术应用》
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FastSky:巡天数据的天图系统
2017年电子技术应用第11期
梁青青1,2,李 晖1,2,周 彧1,2,陈 梅1,2,朱 明3
1.贵州大学 贵州省先进计算与医疗信息服务工程实验室,贵州 贵阳550025; 2.贵州大学 计算机科学与技术学院,贵州 贵阳550025;3.国家天文台 中国科学院,北京100016
摘要: 随着我国天文科学领域的重大科学工程FAST(500米口径球面射电望远镜)的建成,亟需一套可用于进行可视化展现和数据处理的天图系统。研究并实现了一套致力于满足FAST巡天数据可视化展现和数据处理基本需求的天图系统FastSky。该系统基于Healpix球面分割技术实现对天区的分割和索引的构建,并基于Web浏览器实现各类预置和自定义的天图分析及巡天数据处理。FastSky目前已被FAST工程科学部列为巡天数据科学研究的支撑软件,在FAST巡天数据科学研究规划中应用。
中图分类号: TN919.5;TP392
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170294
中文引用格式: 梁青青,李晖,周彧,等. FastSky:巡天数据的天图系统[J].电子技术应用,2017,43(11):116-119,123.
英文引用格式: Liang Qingqing,Li Hui,Zhou Yu,et al. FastSky:sky map system based on survey data[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):116-119,123.
FastSky:sky map system based on survey data
Liang Qingqing1,2,Li Hui1,2,Zhou Yu1,2,Chen Mei1,2,Zhu Ming3
1.Guizhou Engineering Laboratory for Advanced Computing and Medical Information Services,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2.College of Computer Science and Technology,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 3.National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100016,China
Abstract: With the completion of major scientific project FAST(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope) in China′s astronomical science field,FAST system is in urgent need of a sky map which can be used to carry out the visual display and analysis. In this paper, our team have developed a sky maps system FastSky which committed to meet the basic needs of FAST sky survey data visualization and analysis. FastSky is based on Healpix which is a subdivision of a spherical surface to realize subdivision and build index, and use Web browser to achieve sky map analysis and processing with default or customize. Currently, FastSky has been listed as scientific data supporting software of FAST engineering sciences,and applied in FAST Survey data science research program.
Key words : sky survey data;visualization tools;sky maps system;FAST(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope)

0 引言

    随着科学技术的进步和大批巡天观测项目的实施,当前的天文数据正呈现爆炸式的增长,天文学正进入一个数据富庶的时代[1]。各大虚拟天文台均致力于将整理完善的天文数据公开,提供给全球的用户进行访问,促进了全球天文数据资源的共享。

    天文爱好者和天文学家均可通过对公开的巡天数据的研究分析,从而挖掘出数据中的有用信息,因此越来越多的天文分析辅助工具应运而生。

    目前,国外已有很多优秀的可视化工具,如具有星表和图片服务器访问功能的ESO图像显示工具Skycat[2],它结合了图像可视化和天文数据归档功能;法国斯特拉斯堡数据中心开发的数据整合工具Aladin[3],在天体多波段交叉证认方面具有优越性;具有高互动性的天文图像分析工具GAIA[4]提供图像分析扩展功能[5]。这些工具的数据处理功能各具特色,但对用户及安装环境要求较高,且彼此之间无法协同工作,不利于科学家研究工作的开展。为了解决这一问题,本文研究并实现的FastSky系统,只需在网页中加载所需数据,即可进行各种操作,大大降低了使用者的计算机技术要求和软件的运行环境要求,并且数据分析功能丰富,可满足大部分的工作需求。

    FastSky系统部分借鉴了Aladin Lite[6]的设计,并进行了扩展。基于Healpix球面分割的HiPS[7]技术,实现对天文数据的层级式展示、星表数据的表格展示和排序、求距、提取等高线等功能;其他核心功能还包括坐标线的绘制、天球坐标系统转换、窗口缩放等。FastSky目前已被FAST工程科学部列为巡天数据科学研究的支撑软件,在FAST巡天数据科学研究规划中应用。

1 FastSky的设计

    FastSky系统采用B/S模式,通过AJAX访问各个巡天数据库并获取数据;利用HiPS技术划分天区,构建层级式巡天窗口;实现了多种天文计算算法,用户可完成基本的数据处理。

    目前,FastSky系统可访问的数据库包括Simbad[8]、NED[9]、VizieR[10]和Aladin HiPS服务器,操作的数据主要有3种类型:星图、星表和图形元素,这些数据都展示在视图窗口中。

    系统架构如图1所示,FastSky天图系统主要包含6个子系统,其核心服务主要是巡天数据的可视化和数据处理。其中,视图层主要负责构建视图窗口、展示天文数据处理结果以及监听窗口中的事件;天区索引构建器负责对Healpix天区索引初始化,并维护窗口的可见天区索引列表;URL构建器负责构建所需下载的天文数据的URL地址,包括天区索引式构建和用户参数式构建两种类型;对象生成器用于解析所下载的天文数据文件格式,并生成数据对象,包括星图对象HpxImage、星表对象Catalog和图形对象Overlay;函数库是系统中最基础的计算模块,它实现了一些天文数学计算方法,供其他模块调用。

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2 FastSky的关键技术

    本节将对支撑FastSky系统的天图数据可视化和巡天数据处理的关键技术Healpix和HiPS进行详细介绍。

2.1 Healpix

    多级等面积同纬度划分法Healpix[11](Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelisation),它是一种天文中常见的球面索引方法。Healpix的分割方式是对天区进行递归的多层次四边形划分,按照四叉树进行层次迭代。

    图2为Healpix方法划分天球0级~3级的划分情况。首先将全天区进行8等分,再将每个四边形继续4等分,依此进行层级递归,经过n级划分后,天区被划分为12×4n个块。编码时,通过递归,子块将继承上一级父块的编码并作为前缀。

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2.2 HiPS

    在传统的数据访问中,系统常因为天文数据过大而不堪重负,而其中的大部分数据并不需要。所以将数据分割成块,按需加载显得尤为重要。

    HiPS是基于Healpix索引的数据分层存储技术,它将数据按照Healpix天区级别分割成块,存储在对应级别的目录中,当用户浏览某些天区时,只需计算该天区的存储位置,即可访问数据。

    HiPS的存储结构中的几个重要的结构含义如下:

    Norder:是指划分的天区级别,从0级开始用8个等面积的菱形划分天球,一个四边形代表一个天区,划分下一级时,每个天区被细分为4个等面积天区,以此递归。

    Npix:是指天区的编码,Heapix中有nested和ring两种编码方式,本文采用的是nested编码方式。

    Dir:是一个中间级存储结构,随着天区级别的逐渐增加,天区块的数会呈指数上升,为避免目录中的数据量过多,建立了一层中间级存储结构,即将10 000个天区存储在一个dir目录中。

3 FastSky的功能实现

    下面重点介绍FastSky系统的天图可视化和数据处理的关键流程。

3.1 可视化流程

    FastSky系统的可视化是一种特殊的数据处理,主要是针对星图星表数据,将数据进行一系列处理后无缝拼接展示到视图窗口中,易于浏览观测。

    FastSky系统的可视化处理流程如算法1所示。

    算法1 可视化流程

Algorithm:Visualization(target,fov,view)

Input:target为天体目标,位于视图窗口的中心;fov为视场角大小。

Output:view为绘制好数据的视图窗口对象。

Body:

(1)view()//创建一个具有三层画布的视图窗口,然后添加窗口的监听事件

(2)list=getVisibleCells(target,fov)//计算窗口中的可见天区的索引号列表list

(3)data=URLBuilderByIndex(list)//采用索引方式构建数据块的URL地址,并下载数据

(4)Draw(data)//解析下载的数据data,建立相应的数据对象数组存储数据,并将数据绘制到窗口中

3.2 数据处理

    FastSky的数据处理模块功能包括坐标转换、求距计算、提取等高线、目标名解析等。下面将重点介绍前述四个功能的实现。

3.2.1 坐标转换

    在本系统中,主要涉及到了两个重要的坐标系,一个是天球坐标系,即用赤经赤纬来表示天体在天球上的位置;另一个是窗口坐标系,用于定义元素所要绘制的位置。其转换过程如下:

    (1)将极坐标转为直角坐标。

     jsj2-gs1-6.gif

    (3)使用正弦投影将三维直角坐标投影到SH空间中。

    (4)根据窗口计算绘制位置vx、vy。

3.2.2 目标名解析

    目标名解析是指输入天体目标名称,即可获取该天体在J2000坐标系下的赤经赤纬位置。它是其他系统功能的基础。本系统对目标名的解析采用的是访问CDS的Sesame天体目标名解析器,获取结果。通过AJAX访问Sesame服务器,访问成功,则返回天体的赤经赤纬位置。

3.2.3 测距

    测距是指根据用户点击的两个点的位置,计算它们之间的天体距离。设两个点的位置分别为p1(x1,y1),p2(x2,y2),则距离公式为:

     jsj2-gs7.gif

3.2.4 提取等高线

    提取等高线是一种常见的图像处理方法,首先获取图像灰度值,进行平滑处理和降噪处理,然后根据不同级别的灰度阈值分别计算对应的轮廓线,并绘制。求解轮廓线采用的是SNYDER W V的Contour plotting[12]经典算法。提取等高线的流程伪代码如算法2所示。

    算法2 提取等高线流程

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

Input:pimg为图像的灰度值,levels为灰度阈值,useSmoothing为是否平滑处理,smoothingLevel为平滑处理级别,reduceNoise为是否进行降噪处理。

Output:view为已绘制好等高线的视图窗口对象。

Body:

(1) get pimg,levels

(2) if useSmoothing

(3)      makeSmoothing( )//进行平滑处理

(4)      adjustLevels( )//调整灰度阈值

(5) else if reduceNoise

(6)      reduceNoise( )//进行降噪处理

(7) for each level

(8)      for each pimg

(9)          line=computeLine( )//计算等高线

(10)         drawLine(line )//绘制线段

(11) return view

4 FastSky系统实例

    本节将主要介绍FastSky系统在天文可视化领域的实例应用。

    图3是系统界面的布局设计图,主要包括菜单栏、视图窗口、工具箱、功能标签页、星表表格五大部分。

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    (1)Healpix Grid:HealpixGrid网格线的绘制效果如图4所示,当缩放窗口时,窗口中的网格线会根据缩放层次实时绘制,其中每个网格中的文字格式为“天区级别/天区编号”。

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    (2)测距:测距功能是指用户通过鼠标点击窗口输入两个点的位置,系统则根据测距公式计算两点间的天体距离,并将结果展示到窗口中。测距公式在系统实现部分已给出,实现效果如图5所示。

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    (3)等高线:等高线功能是对视图窗口中的图像进行等高线的提取。实现效果如图6所示。

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    (4)星表可视化:所谓星表可视化,是指加载当前窗口中的星体数据,并使用符号把星体绘制到窗口中。绘制效果如图7所示。

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5 结束语

    随着虚拟天文台的相关服务发展日益完善,使得天文数据和相关资源的获取也更加方便。在基于巡天数据驱动的天文科学研究中,研究人员要从大量的数据中提取有用的信息,了解数据之间的相互关系[13],将数据进行可视化并进行探索式数据处理是最为有效的途径之一。本文研发的FastSky天图系统操作直观,使用简便,支持访问各个公开的巡天数据库,并提供了常用的天图数据可视化展现和天文数据分析功能,具有较强的实用性。FastSky目前已被FAST工程科学部列为巡天数据科学研究的支撑软件,在FAST巡天数据科学研究规划中应用。

参考文献

[1] 桑健,赵永恒,崔辰州.中国虚拟天文台数据访问服务[J].天文研究与技术:国家天文台台刊,2004,1(3):216-228.

[2] ALBRECHT M A,BRIGHTON A,HERLIN T,et al.Access to data sources and the eso skycat tool[C].Astronomical Data Analysis Software and Systems VI.1997,125:333.

[3] BONNAREL F,ZIAEEPOUR H,BARTLETT J G,et al.The Aladin interactive sky atlas[M].New Horizons from Multi-Wavelength Sky Surveys.Springer Netherlands,1997:469-470.

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[5] 高丹,张彦霞,赵永恒.中国虚拟天文台交叉证认工具的开发和应用[J].天文学报,2008,49(3):348-358.

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[9] FADDA D,MAZZARELLA J M,OGLE P M,et al.NED in the era of very large extragalactic surveys[C].American Astronomical Society Meeting Abstracts # 223,2014.

[10] OCHSENBEIN F,FERNIQUE P,ORTIZ P,et al.The VizieR system, a unified interface to astronomical catalogs[J].Future Generation Computer Systems,1999,16(1):39-48.

[11] HIVON E,HANSEN F K,BANDAY A J.The healpix primer[Z].arXiv preprint astro-ph/9905275,1999.

[12] SNYDER W V.Algorithm 531:contour plotting[J6][J].ACM Transactions on Mathematical Software(TOMS),1978,4(3):290-294.

[13] 邵惠娟,赵永恒.中国虚拟天文台可视化服务[J].天文研究与技术:国家天文台台刊,2004,1(2):152-159.



作者信息:

梁青青1,2,李  晖1,2,周  彧1,2,陈  梅1,2,朱  明3

(1.贵州大学 贵州省先进计算与医疗信息服务工程实验室,贵州 贵阳550025;

2.贵州大学 计算机科学与技术学院,贵州 贵阳550025;3.国家天文台 中国科学院,北京100016)