云南天文臺(tái)手繪太陽黑子數(shù)據(jù)系統(tǒng)*

祝高飛，鄭 勝，林鋼華，曾祥云，馮永利，陶金萍，舒 瑤

(1. 三峽大學(xué)理學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012； 3. 中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

各種太陽活動(dòng)中，最為醒目也最容易觀測的現(xiàn)象是太陽黑子。1610年，國外開始用望遠(yuǎn)鏡斷斷續(xù)續(xù)地對黑子進(jìn)行觀測。自1818年開始才有比較常規(guī)的每日黑子觀測，從而有比較可靠的黑子數(shù)據(jù)[1]。早期對太陽黑子觀測的數(shù)據(jù)通常是手繪在紙張上，導(dǎo)致目前存在大量的紙質(zhì)太陽黑子記錄。由于紙質(zhì)的易碎性,信息不便于檢索，阻礙了天文臺(tái)之間數(shù)據(jù)的整合和共享，因此需要將紙質(zhì)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息存儲(chǔ)，以便于分析與查看。

我國太陽物理觀測資料在國際上具有時(shí)區(qū)優(yōu)勢, 這使得我國太陽觀測資料在國際上具有稀缺性。云南天文臺(tái)手繪太陽黑子圖像記錄信息豐富，在長周期太陽活動(dòng)相關(guān)研究中是不可多得的歷史數(shù)據(jù)。云南天文臺(tái)觀測的1981～1992年黑子面積數(shù)據(jù)*https://www.ngdc.noaa.gov/stp/solar/sunspotregionsdata.html,，已被多次用于全球黑子數(shù)據(jù)的補(bǔ)充完善[2-3]。由于我國的手繪太陽黑子觀測資料有其獨(dú)特的價(jià)值，2014年由國家天文臺(tái)懷柔基地牽頭，對云南天文臺(tái)和紫金山天文臺(tái)近一個(gè)世紀(jì)的歷史手繪黑子觀測資料進(jìn)行了系統(tǒng)的掃描、整理和數(shù)字化圖像存儲(chǔ)。為了更好地發(fā)揮歷史觀測資料的科學(xué)價(jià)值，方便用于太陽活動(dòng)的長期變化規(guī)律研究，需將掃描數(shù)字圖像中的黑子信息準(zhǔn)確可靠地提取并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。利用圖像分析技術(shù)對手寫字符進(jìn)行分割，以深度學(xué)習(xí)方法[4-7]進(jìn)行字符識(shí)別從而實(shí)現(xiàn)手寫黑子信息的自動(dòng)提取[8-9]，實(shí)現(xiàn)太陽黑子手繪圖的數(shù)字化。

將原始太陽黑子數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的管理，從而能夠通過數(shù)據(jù)庫檢索、查詢有關(guān)黑子的信息，并且可以統(tǒng)計(jì)分析黑子各種變化情況，快捷方便，易于使用。最重要的是能夠匯聚各個(gè)天文臺(tái)的觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)整理以便全面深入地研究太陽黑子的活動(dòng)及其對地球的影響。因此，手繪太陽黑子圖像數(shù)字化之后數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化管理與分析顯得尤為重要。本文利用模型(Model)-視圖(View)-控制器(Control)模式加上實(shí)體框架(Entity Framework, EF)技術(shù)構(gòu)建中國科學(xué)院云南天文臺(tái)手繪太陽黑子數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集成化管理，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行清晰、直觀的統(tǒng)計(jì)分析。

1 數(shù)據(jù)獲取

中國科學(xué)院云南天文臺(tái)1958年至2015年的手繪太陽黑子圖數(shù)字化掃描已完成。其中，每張手繪太陽黑子圖像信息量大，信息類型豐富多樣，主要包括手繪太陽黑子圖像繪制常規(guī)記錄以及黑子信息，如圖1。

圖1 掃描太陽黑子信息記錄圖像
Fig.1 Scan sunspot information to record images

矩形框①包含：號(hào)數(shù)(規(guī)定1853年11月9日本初子午圈轉(zhuǎn)到日面中心的時(shí)刻為太陽的第1個(gè)自轉(zhuǎn)周開始，自轉(zhuǎn)周連續(xù)編號(hào)。每年各個(gè)自轉(zhuǎn)周的號(hào)數(shù)和開始日期都可從天文年歷中查到)、觀測日期、北京時(shí)間(東經(jīng)120°標(biāo)準(zhǔn)時(shí))、國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC)。

矩形框②包含：P角(為自日面北點(diǎn)起的太陽自轉(zhuǎn)軸北極的方位角)、B0和L0(分別為觀測日世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)零時(shí)的日面中心緯度和經(jīng)度)、L(代表觀測時(shí)刻的日面中心經(jīng)度)。

矩形框③包含：北半球日面黑子群個(gè)數(shù)gN、南半球日面黑子群個(gè)數(shù)gS、全日面黑子群個(gè)數(shù)gNS、北半球日面黑子個(gè)數(shù)fN、南半球日面黑子個(gè)數(shù)fS、全日面黑子個(gè)數(shù)fNS、北半球沃夫數(shù)RN、南半球沃夫數(shù)RS、全日面沃夫數(shù)RNS、天文臺(tái)因素k、沃夫數(shù)R。

矩形框④包含：天氣狀況、能見度、備注。

橢圓包含：黑子群編號(hào)、經(jīng)度、緯度、黑子群結(jié)構(gòu)類型、單個(gè)黑子群總面積、單個(gè)黑子群中最大黑子的面積(日面面積的百萬分之一，簡稱最大黑子的面積)、黑子群質(zhì)心到太陽投影圓中心的直線距離(毫米，簡稱半徑)。

通過計(jì)算機(jī)輔助人工處理方式將掃描手繪太陽黑子圖像中上述信息進(jìn)行數(shù)字化處理，其中，文[9]詳細(xì)介紹了深度學(xué)習(xí)方法在手繪太陽黑子圖像信息數(shù)字化中的應(yīng)用，通過圖像分割的方式，將手繪太陽黑子圖像中手寫字符進(jìn)行分割，然后使用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行字符識(shí)別，將數(shù)字化信息分別存儲(chǔ)于兩個(gè)數(shù)據(jù)表格中，記錄格式如表1、表2，其中包含黑子信息記錄近9萬個(gè)，有效數(shù)據(jù)近100余萬條。

表1 手繪圖常規(guī)記錄數(shù)字化信息記錄表Table 1 Regular Information record table

表2 手繪圖黑子數(shù)字化信息記錄表Table 2 Sunspot information record table

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)目前已經(jīng)構(gòu)建完成，不僅可提供太陽黑子觀測數(shù)據(jù)檢索下載，還可對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多方面的統(tǒng)計(jì)和分析，研究人員可直觀了解太陽黑子相關(guān)參數(shù)的變化趨勢。系統(tǒng)主要分3個(gè)大功能模塊以及多個(gè)小的細(xì)分模塊，如圖2。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MVC的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行構(gòu)建，MVC是模型(Model)-視圖(View)-控制器(Controller)的縮寫，用一種業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法組織代碼，將業(yè)務(wù)邏輯聚集到一個(gè)部件里，在改進(jìn)和個(gè)性化定制界面及用戶交互的同時(shí)，不需要重新編寫業(yè)務(wù)邏輯。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
Fig.2 System function chart

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
Fig.3 System design

2.2.1 模型類的設(shè)計(jì)

模型類的設(shè)計(jì)為了使系統(tǒng)擁有一個(gè)可以方便使用與訪問的實(shí)體類，可以供控制器的操作和視圖的調(diào)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)主要的模型類以及多個(gè)輔助視圖類，其中兩個(gè)主要模型類：

(1)基本信息類

基本信息類的設(shè)計(jì)主要是映射手繪太陽黑子圖中具有一對一關(guān)系的數(shù)據(jù)信息，比如日期、編號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、國際時(shí)間、天氣狀況、能見度、備注等的數(shù)據(jù)信息。

(2)黑子信息類

黑子信息類的設(shè)計(jì)主要是映射手繪太陽黑子圖中每個(gè)黑子(群)的各項(xiàng)黑子參數(shù)信息，包括黑子的編號(hào)、單個(gè)黑子群總面積及最大黑子的面積、經(jīng)度、緯度、半徑等信息。

2.2.2 控制器的設(shè)計(jì)

控制器負(fù)責(zé)處理用戶請求，然后調(diào)用相應(yīng)的視圖顯示。系統(tǒng)包含3個(gè)主要的控制器以及多個(gè)輔助控制器，其中3個(gè)主控制器：

(1)太陽黑子總控制器

太陽黑子總控制器主要控制太陽黑子總庫中手繪太陽黑子圖的各種信息的展示，包括手繪圖的各種信息列表顯示、太陽黑子信息的詳細(xì)顯示等。

(2)太陽黑子查詢控制器

太陽黑子查詢控制器負(fù)責(zé)根據(jù)用戶請求分別處理不同參數(shù)的數(shù)據(jù)檢索任務(wù)，例如用戶根據(jù)年份、黑子群號(hào)、單個(gè)黑子群總面積及最大黑子的面積、經(jīng)度、緯度等各種信息檢索相應(yīng)的太陽黑子信息，通過相應(yīng)視圖反饋給用戶。

(3)太陽黑子統(tǒng)計(jì)控制器

太陽黑子統(tǒng)計(jì)控制器相當(dāng)于處理分析控制器，主要負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)分析太陽黑子的單個(gè)黑子群總面積、最大黑子的面積、半徑以及黑子群總面積和數(shù)量的變化情況等，以圖表的方式直觀展示給用戶。

2.2.3 視圖的設(shè)計(jì)

視圖的設(shè)計(jì)也可以稱作是UI界面設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)接收來自控制器的數(shù)據(jù)，以一種友好的方式展示給用戶。系統(tǒng)包括主視圖、共享視圖、部分視圖以及各種相應(yīng)控制器的展示視圖。

3 系統(tǒng)功能

3.1 太陽黑子信息總庫

太陽黑子信息總庫是將云南天文臺(tái)所有手繪太陽黑子圖的數(shù)字化信息以年份為導(dǎo)航，將每年所有觀測的手繪太陽黑子圖以列表的形式展示給用戶。圖4為1991年數(shù)據(jù)展示界面。查詢結(jié)果中雙擊每張手繪圖將展示該圖及相應(yīng)的數(shù)字化信息如圖5，并且通過鼠標(biāo)交互可以將局部圖像顯示在右側(cè)顯示框中。

圖4 1991年太陽黑子信息列表Fig.4 1991 sun sunspot information list

圖5 1991年1月1日太陽黑子信息顯示及局部視圖
Fig.5 January 1, 1991 sun sunspot information display and local view

3.2 太陽黑子信息查詢

太陽黑子信息查詢模塊包含：年限查詢、黑子群號(hào)查詢、綜合查詢，以日期、黑子群號(hào)、經(jīng)度、緯度、單個(gè)黑子群總面積、最大黑子的面積等，經(jīng)過服務(wù)器中的太陽黑子信息查詢控制器處理之后返回符合篩選條件的太陽黑子信息。以綜合查詢?yōu)槔?，選擇日期為1990年1月1日到2000年1月1日，單個(gè)黑子群總面積范圍0.5到1.5為篩選條件，處理得到的結(jié)果如圖6。

3.3 太陽黑子信息統(tǒng)計(jì)

太陽黑子信息統(tǒng)計(jì)模塊又分為：黑子群面積(包含單個(gè)黑子群總面積和最大黑子的面積)變化曲線、黑子群半徑長度變化曲線、黑子群總面積變化情況、黑子數(shù)變化情況，可對年度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也可對幾年甚至百年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以1991年全年黑子信息為例，經(jīng)系統(tǒng)處理后，黑子總面積變化情況如圖7，黑子個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如圖8。

圖6 綜合查詢的部分結(jié)果
Fig.6 Part of the results of the comprehensive query

圖7 1991年單個(gè)黑子群和最大黑子面積變化散點(diǎn)圖
Fig.7 1991 sunspot group area change scatter plot

3.4 長周期黑子信息統(tǒng)計(jì)分析

目前，系統(tǒng)已經(jīng)導(dǎo)入1993年至2015年的手繪太陽黑子信息，借助系統(tǒng)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究人員可清晰直觀地看到每年太陽黑子相關(guān)物理參數(shù)的變化情況。通過系統(tǒng)對1993～2015年的太陽黑子相關(guān)屬性值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3。

通過數(shù)據(jù)可視化的方式，將表3中的單個(gè)黑子群總面積、最大黑子的面積、個(gè)數(shù)按年份進(jìn)行繪圖，如圖9。

由圖9可以看出，系統(tǒng)對于黑子面積與黑子(群)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，具有明顯的波峰波谷特征，黑子數(shù)與黑子群數(shù)的多少，與黑子面積的變化趨勢相吻合，黑子面積的大小及黑子數(shù)目的多少直接聯(lián)合表征著太陽活動(dòng)的劇烈程度。這種明顯的特征現(xiàn)象與太陽活動(dòng)周期變化規(guī)律一致，對于研究太陽活動(dòng)具有重要意義，同時(shí)說明系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有一定的科學(xué)性和可靠性。

圖8 1991年黑子個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)柱狀圖
Fig.8 The number of sunspots in 1991

表3 1993年至2015年日面太陽黑子相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 From 1993 to 2015 sun sunspot related parameters statistics

圖9 1993～2015年黑子群相關(guān)屬性圖示
Fig.9 Demonstration of sunspot-group-related characteristics during 1993-2015

4 結(jié) 論

云南天文臺(tái)手繪太陽黑子數(shù)據(jù)系統(tǒng)目前已經(jīng)完成手繪太陽黑子圖總庫、黑子信息查詢、黑子信息統(tǒng)計(jì)分析等功能的建設(shè)。方便科研工作者按照不同的條件對黑子信息進(jìn)行查詢，借助系統(tǒng)可對太陽黑子的相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行可視化研究，系統(tǒng)功能可進(jìn)一步擴(kuò)展，能給太陽物理科研人員提供便捷的服務(wù)，對于推動(dòng)太陽黑子活動(dòng)相關(guān)研究具有重要意義。后期將著手拓展太陽黑子運(yùn)動(dòng)軌跡繪制、太陽黑子圖像三維展示等系統(tǒng)功能，能更加方便、直觀、清晰地應(yīng)用于長周期太陽黑子活動(dòng)的研究。

致謝：感謝中國科學(xué)院云南天文臺(tái)為本文實(shí)驗(yàn)提供手繪太陽黑子圖像數(shù)據(jù)，感謝相關(guān)工作人員對工作的建議和支持。

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