海量巡天數(shù)據(jù)在線可視化技術(shù)綜述

張 磊，樊東衛(wèi)，崔辰州，何勃亮，

許允飛1,2，崔 順1,3，王川中1,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)

1 引 言

從古至今，天文學(xué)一直是一門(mén)與觀測(cè)相關(guān)的科學(xué)[1]。數(shù)千年前的觀測(cè)是用肉眼進(jìn)行的；數(shù)百年前，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明“武裝”了人類(lèi)的眼睛；20 世紀(jì)發(fā)明的相機(jī)和電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)記錄裝置進(jìn)一步提高了人類(lèi)的觀測(cè)能力。在過(guò)去的幾十年中，大面積的巡天已成為天文學(xué)家研究宇宙的最有力方法之一。斯隆數(shù)字化巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)為此類(lèi)巡天奠定了基礎(chǔ)，此外數(shù)字化巡天(Digitized Sky Survey,DSS)、北京-亞利桑那巡天(Beijing-Arizona Sky Survey,BASS)、郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope,LAMOST)、蓋亞天文衛(wèi)星巡天(GAIA)等眾多巡天項(xiàng)目也作出貢獻(xiàn)。現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡和世界級(jí)超級(jí)計(jì)算設(shè)備產(chǎn)生了非常好的圖像和非常精確的測(cè)量結(jié)果，因此，天文學(xué)家面臨著前所未有的海量數(shù)據(jù)集。此外，未來(lái)人們還將建設(shè)一批大型巡天設(shè)備，如大口徑巡天望遠(yuǎn)鏡(Large Synoptic Survey Telescope,LSST)、歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡(Euclid Space Telescope)，人們將獲得數(shù)量級(jí)更大的數(shù)據(jù)。這些海量數(shù)據(jù)集在數(shù)據(jù)探測(cè)和可視化方面對(duì)天文學(xué)家提出了新的挑戰(zhàn)[2]。近些年，許多天文數(shù)據(jù)中心正在致力于滿(mǎn)足天文學(xué)家對(duì)天文數(shù)據(jù)的直觀、快速和可視化訪問(wèn)的需求，其主要目標(biāo)是最大限度地利用海量的天文數(shù)據(jù)。天文學(xué)家在研究中遇到一些現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，如天文數(shù)據(jù)每年呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，需要通過(guò)整個(gè)電磁波段或時(shí)域數(shù)據(jù)來(lái)了解目標(biāo)天體，需要從更多的天文觀測(cè)臺(tái)站獲取數(shù)據(jù)，需要了解哪些天文儀器在天空的特定區(qū)域觀測(cè)過(guò)[3]。隨著數(shù)據(jù)集的復(fù)雜性和數(shù)量的增加，以及模塊化、開(kāi)源、易于實(shí)現(xiàn)和可視化工具等的發(fā)展，天文學(xué)家對(duì)數(shù)據(jù)可視化的需求也越來(lái)越 高[4]。

隨著中國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，城市中及周?chē)鷧^(qū)域的光污染和空氣污染對(duì)天文觀測(cè)的影響越來(lái)越明顯。人們很難在城市中看到璀璨的星空，而想要辨別星云、星團(tuán)更是奢望，因此只能在家中看著書(shū)中的描述對(duì)著天空遐想。當(dāng)人們讀一篇關(guān)于天體的文章時(shí)，天體對(duì)于讀者是比較抽象的。如果沒(méi)有真正看到該天體，讀者就不會(huì)真實(shí)地感受到天體的存在。假如人們想購(gòu)買(mǎi)一架望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)天體，要獲得比較好的觀測(cè)效果，則人們投入資金較大，還要面臨使用上的困難以及耗費(fèi)較大的精力等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

因此，很多數(shù)據(jù)中心或企業(yè)機(jī)構(gòu)都在努力繪制詳細(xì)的天圖，幫助人們更好地了解天體以及與這些天體相關(guān)的各種信息。然而，這些機(jī)構(gòu)繪制出的天圖的像素都比較大，不便于科研人員獲取或向公眾傳播。如2016年2月歐洲南方天文臺(tái)(European Southern Observatory,ESO)公布的銀河系全景圖①http://www.eso.org/public/images/eso1606a/zoomable/，文件大得驚人，達(dá)到24.6 GB。利用Aladin,DS9 和SkyCat等桌面應(yīng)用程序，人們可以通過(guò)下載FITS 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的高效訪問(wèn)，并在本地讀取和處理這些數(shù)據(jù)。所有的工作，包括圖像縮放、動(dòng)態(tài)范圍壓縮、顏色合成和伽馬校正等，都可在客戶(hù)端進(jìn)行。由于人們?cè)谟?jì)算機(jī)和移動(dòng)平臺(tái)上廣泛使用Web 瀏覽器，Web 應(yīng)用程序已成為實(shí)現(xiàn)可視化的極具吸引力的解決方案?，F(xiàn)代Web 瀏覽器具有更快、更高效的JavaScript 引擎，支持HTML5 和CSS3 等高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。Web 應(yīng)用程序現(xiàn)在已具有足夠豐富的功能，能夠與獨(dú)立桌面應(yīng)用程序的許多功能相匹配[5]。

基于Web 的客戶(hù)端或簡(jiǎn)單的Web 應(yīng)用程序在過(guò)去幾年中的應(yīng)用已呈爆炸式增長(zhǎng)。為了便于公眾使用地圖，百度地圖、高德地圖、騰訊地圖、谷歌地圖等互聯(lián)網(wǎng)軟件均采用瓦片地圖的方式進(jìn)行在線可視化顯示[6]。瓦片地圖是根據(jù)圖像金字塔規(guī)則，將一張大的地圖圖片切分成若干尺寸相同的小圖片，這些小圖片就是瓦片。在使用瀏覽器查看時(shí)，我們只需要加載感興趣區(qū)域的瓦片，這樣便可以大大加快顯示速度。由于地球和天球均為球體，因此天圖也可以采用與地圖類(lèi)似的方式進(jìn)行在線可視化。

另一方面，天文學(xué)早已進(jìn)入多波段時(shí)代，多信使天文學(xué)時(shí)代也已開(kāi)啟[7]。天文學(xué)家希望對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果進(jìn)行快速判斷，并以可視化方式提供多波段數(shù)據(jù)和多信使數(shù)據(jù)的下載，減少多方收集數(shù)據(jù)的麻煩。普通公眾則希望可以在宇宙中自由遨游，并且能夠具有一雙“火眼金睛”，可以看到目標(biāo)天體在不同波段的圖像。顯然，通過(guò)在瀏覽器中更改不同圖層的透明度來(lái)全面觀測(cè)目標(biāo)天體，是一種方便可行的方法，因此，無(wú)論對(duì)于天文學(xué)家的科研工作還是面向普通公眾的科普活動(dòng)，人們都需要一個(gè)實(shí)用的在線可視化系統(tǒng)。

近幾年，無(wú)論是在科研還是科普領(lǐng)域，在線可視化系統(tǒng)都發(fā)展迅速。首先是在科普領(lǐng)域出現(xiàn)了幾款在線可視化系統(tǒng)，深受公眾的喜愛(ài)。2006年，加拿大的Konstantin Lysenko 和Sergei Goshko 創(chuàng)建并發(fā)布了WikiSky①http://www.sky-map.org/，最初的開(kāi)發(fā)目的是方便兒童快速地找到自己喜歡的天體；2007年，谷歌(Google)公司發(fā)布了Google Sky②http://www.google.com.hk/sky/，這讓人們不僅可以在Google Earth中俯察地理，更可仰觀星空；2008年，微軟(MicroSoft)公司發(fā)布了WWT③http://worldwidetelescope.org/webclient/，這是一款界面十分酷炫的軟件，可借助互聯(lián)網(wǎng)把全世界的天文資源進(jìn)行無(wú)縫透明的融合，很好地實(shí)現(xiàn)了虛擬天文臺(tái)的理念。在美國(guó)《時(shí)代》雜志公布的2008年度、2009年度最佳網(wǎng)站50 強(qiáng)名單中，WikiSky、WWT 分別名列其中。很多組織也使用天文在線可視化工具來(lái)進(jìn)行教育和科普工作[8]。如美國(guó)的WWT 大使項(xiàng)目使用WWT 創(chuàng)建宇宙的動(dòng)態(tài)漫游，并在學(xué)校和公共場(chǎng)所進(jìn)行在線分享；阿雷西沃遺珍快速ALFA 巡天利用Google Sky 作為傳播射電天文數(shù)據(jù)的工具，用于教育和公眾宣傳。

接著，科研界也開(kāi)發(fā)了主要有助于科研工作的在線可視化系統(tǒng)，廣泛服務(wù)于科研工作。2010年，斯特拉斯堡天文數(shù)據(jù)中心(Centre de Donn′ees astronomiques de Strasbourg,CDS)推出了第7 版的Aladin，這一版為全天模式，支持平移、縮放巡天圖像和星表數(shù)據(jù)。2013年發(fā)布在線版本Aladin Lite④http://aladin.u-strasbg.fr/AladinLite/。2016年，歐洲空間天文學(xué)中心(European Space Astronomy Centre,ESAC)下屬的科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布了第1 版的ESASky，目前版本為ESASky2.2.1⑤，比之前版本增加了很多實(shí)用功能，如光譜可視化和相關(guān)文獻(xiàn)查閱等。

這些海量巡天數(shù)據(jù)在線可視化系統(tǒng)除了對(duì)巡天圖像進(jìn)行分層顯示，以底圖的方式提供天體在各個(gè)波段的圖像，還提供對(duì)星表、光譜等圖層或星座名稱(chēng)、星座圖案等信息層的疊加顯示，大大豐富了在線可視化系統(tǒng)的內(nèi)容。而WWT 和Google Sky 還可以通過(guò)改變不同圖層的透明度來(lái)同時(shí)觀察不同波段的圖像，方便進(jìn)行直觀對(duì)比。這些系統(tǒng)雖然使用不同的分層可視化技術(shù)、采用不同的投影，以及具有不同的特點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程基本相同，主要環(huán)節(jié)包括巡天數(shù)據(jù)拼接、瓦片數(shù)據(jù)生成、瀏覽器端顯示與交互。

第2 章闡述全球各大天文數(shù)據(jù)中心使用的兩種分層可視化技術(shù)；第3 章介紹瓦片地圖金字塔的構(gòu)建；第4 章介紹幾個(gè)不同天文數(shù)據(jù)中心或企業(yè)機(jī)構(gòu)基于不同分層可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)的在線可視化系統(tǒng)；第5 章總結(jié)海量巡天數(shù)據(jù)在可視化過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

2 分層可視化技術(shù)

隨著越來(lái)越多大型巡天項(xiàng)目的立項(xiàng)及建設(shè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，然而，人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的能力并沒(méi)有相應(yīng)迅速地增長(zhǎng)。一種解決的辦法是借鑒互聯(lián)網(wǎng)地圖，采用瓦片地圖技術(shù)把大量巡天圖像拼接生成的天圖進(jìn)行分層保存，在瀏覽器端分層顯示、按需加載。圖1顯示了瓦片地圖金字塔模型的結(jié)構(gòu)。

圖1 瓦片地圖金字塔結(jié)構(gòu)的3D 圖[2]

瓦片地圖金字塔的每層分別對(duì)應(yīng)某個(gè)視場(chǎng)大小的瓦片集合，每層的每個(gè)瓦片大小都一樣。金字塔最底層的天圖視場(chǎng)最小，最頂層的天圖視場(chǎng)最大。這與我們使用互聯(lián)網(wǎng)地圖查看感興趣的區(qū)域十分類(lèi)似，隨著手指或者鼠標(biāo)的縮放操作，從最頂層瓦片開(kāi)始，我們看到的范圍逐漸變小，細(xì)節(jié)逐漸變多。采用瓦片地圖技術(shù)可以逐層顯示目標(biāo)天體的更多細(xì)節(jié)(見(jiàn)圖2)。

圖2 逐層顯示目標(biāo)天體的更多細(xì)節(jié)

全天巡天數(shù)據(jù)即時(shí)平移和縮放的交互式天圖在WikiSky/SKY-MAP,Google Sky,World-Wide Telescope,Aladin Lite 和ESASky 等可視化系統(tǒng)中得到了實(shí)現(xiàn)。這些可視化系統(tǒng)都采用瓦片地圖方法，目的是根據(jù)當(dāng)前的用戶(hù)觀看的視場(chǎng)，以盡可能快的速度加載和繪制較高分辨率的天空瓦片。這些可視化系統(tǒng)的目標(biāo)是相同的，但天空索引的解決方案不同，而且在性能、底層數(shù)據(jù)復(fù)雜性、可用投影、投影失真、像素值訪問(wèn)、圖形疊加等方面的功能也不相同。這些可視化系統(tǒng)都必須處理四個(gè)主要問(wèn)題：數(shù)據(jù)大小、客戶(hù)端顯示性能、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和天空投影，其核心是劃分天空的方法。這個(gè)問(wèn)題將影響數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(特別是這些可視化系統(tǒng)所需的空間索引)、客戶(hù)端的顯示性能和質(zhì)量。各數(shù)據(jù)中心或企業(yè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)探索的幾種解決方案：Google Sky 采用圓柱形方法，WWT 使用HTM (Heirarchical Triangular Mesh)方案，Aladin 選擇了HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelisation)。

圓柱形方法、HTM 方案和HEALPix 逐層劃分方法是目前應(yīng)用于海量巡天數(shù)據(jù)在線可視化的三種成熟技術(shù)，各大天文數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機(jī)構(gòu)分別采用了不同的在線可視化展示系統(tǒng)，在科學(xué)研究和天文科普領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的效果?；谇蛎娴木匦沃饘觿澐址椒ㄊ腔ヂ?lián)網(wǎng)地圖中廣泛使用的成熟方法，本文主要介紹另外兩種在天文學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的分層可視化技術(shù)。

2.1 HiPS

HiPS 是基于菱形的逐層劃分方法，由多級(jí)等面積同緯度劃分法(HEALPix)發(fā)展而來(lái)。HEALPix 最早被設(shè)計(jì)用于宇宙微波背景的數(shù)據(jù)處理和數(shù)值模擬[11,12]。G′orski 等人描述了HEALPix 詳細(xì)的幾何形狀和特性[13]。HEALPix 具有等面積、不依賴(lài)于層次級(jí)別的快速和恒定的計(jì)算時(shí)間、可用庫(kù)的準(zhǔn)確性和性能以及HEALPix 在多個(gè)巡天任務(wù)中廣泛使用等優(yōu)勢(shì)[14]，如WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)和LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)。圖3為HEALPix 0—3 層天球劃分圖。首先將天球分為12 等分的菱形瓦片，然后將每個(gè)菱形瓦片繼續(xù)遞歸為4 等分。最終天球被劃分為12n個(gè)瓦片，每一層的瓦片均為512×512 像素大小的圖片。

圖3 HEALPix 0—3 層天球劃分圖[14]

HiPS 是為了可視化Aladin 所有天空?qǐng)D像的巡天數(shù)據(jù)而開(kāi)發(fā)的。原則上，HiPS 可以管理在天球上定位和顯示的任何類(lèi)型的數(shù)據(jù)。只要數(shù)據(jù)位于HEALPix 球體上，瓦片就可以存儲(chǔ)任何類(lèi)型的數(shù)據(jù)。因而最初的開(kāi)發(fā)已由巡天圖像數(shù)據(jù)擴(kuò)展到星表數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)立方。HiPS專(zhuān)為天文數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，它考慮到原始數(shù)據(jù)的天文測(cè)量和光度屬性，重點(diǎn)放在易用性上，而不需要特殊的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。HiPS 方案建立在巡天數(shù)據(jù)分層可視化概念的基礎(chǔ)上，旨在創(chuàng)建一個(gè)逐層使用不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的科學(xué)強(qiáng)大的系統(tǒng)，并以互操作的方式輕松地使用這些數(shù)據(jù)[15]。圖4為HiPS 的多分辨率瓦片結(jié)構(gòu)。

圖4 HiPS 的多分辨率瓦片結(jié)構(gòu)[16]

HiPS 采用文件目錄的方法對(duì)瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，將拼接生成的巡天圖像進(jìn)行瓦片切分，存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)層的目錄中。HiPS 文件目錄結(jié)構(gòu)必須遵循層次結(jié)構(gòu)：由層至瓦片，分別使用“Norder”作為層的前綴，“Npix”用于瓦片索引。為了避免目錄變得太大，必須使用“Dir”作前綴的子目錄將瓦片以10 000 個(gè)為一組[17]。當(dāng)使用者查看目標(biāo)天區(qū)時(shí)，只需計(jì)算該天區(qū)的存儲(chǔ)位置，該天區(qū)的瓦片將從服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻?hù)端，這樣便可實(shí)現(xiàn)按需加載數(shù)據(jù)。

本質(zhì)上，HiPS 是一種用于包裝、存儲(chǔ)、查詢(xún)和描述天文數(shù)據(jù)的通用方法。HiPS 依賴(lài)于一些VO 標(biāo)準(zhǔn)，尤其是MOC (Multi-Order Coverage)、資源元數(shù)據(jù)、IVOA (International Virtual Observatory Alliance)標(biāo)識(shí)符、ObsCoreDM 和VOTable 等。HiPS 也基于其他非IVOA 標(biāo)準(zhǔn)，特別是HEALPix 和FITS (Flexible Image Transport System)，以及JPEG(Joint Photographic Experts Group)和PNG (Portable Network Graphics)圖像格式。自2009年推出以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，HiPS 現(xiàn)在已經(jīng)成為國(guó)際虛擬天文臺(tái)聯(lián)盟(IVOA)標(biāo)準(zhǔn)，并得到了廣泛應(yīng)用。使用HiPS 技術(shù)發(fā)布的巡天數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，目前已經(jīng)由多個(gè)數(shù)據(jù)中心公布了550 多份HiPS 巡天，比如SDSS,HST(Hubble Space Telescope),DSS,2MASS(Two Micron All Sky Survey)等。此外，該方法不限于大數(shù)據(jù)中心，小團(tuán)隊(duì)或個(gè)人也可以根據(jù)自己的數(shù)據(jù)集來(lái)創(chuàng)建自己的HiPS。

2.2 TOAST

TOAST 是基于三角形的逐層劃分方法，由分層三角網(wǎng)格(Heirarchical Triangular Mesh,HTM)技術(shù)發(fā)展而來(lái)。HTM 是天文中另一種常用的球面索引方法。Szalay 等人描述了HTM詳細(xì)的幾何形狀和特性[18]。圖5為HTM 天球網(wǎng)格劃分示意圖。最初被劃分為一個(gè)正八面體，形成上下各4 個(gè)球面直角三角形，具有6 個(gè)頂點(diǎn)。其中2 個(gè)頂點(diǎn)位于南北兩極，其余4 個(gè)頂點(diǎn)分布在赤道上。接著將每個(gè)三角形等分為4 個(gè)子三角形，逐層遞歸劃分。

圖5 HTM 天球網(wǎng)格劃分示意圖[18]

HTM 使用每邊的中點(diǎn)作為下一層三角形瓦片的頂點(diǎn)，將球面三角形細(xì)分為4 個(gè)較小的三角形[19]。該過(guò)程迭代進(jìn)行，命名方法只是將三角形的數(shù)字與父級(jí)的名稱(chēng)關(guān)聯(lián)起來(lái)。根據(jù)這種劃分方法，名字的長(zhǎng)短也代表了其本身的層級(jí)。圖6為HTM 瓦片命名示例。

圖6 HTM 瓦片命名示例[18]

TOAST 是用于將全天數(shù)據(jù)導(dǎo)入WWT 的地圖投影，每個(gè)TOAST 像素是一對(duì)HTM 三角形。TOAST 的文件組織方式為：WWT 導(dǎo)入的所有TOAST 數(shù)據(jù)都是256×256 像素的瓦片，這些TOAST 瓦片被存儲(chǔ)為一個(gè)圖像金字塔。表1顯示了TOAST 各層的瓦片數(shù)量和分辨率。第0 層是單個(gè)瓦片，第7 層有128×128 (即16 384)個(gè)瓦片。

表1 TOAST 各層的瓦片數(shù)量和分辨率1

HTM 和HEALPix 兩種索引方式不僅是數(shù)據(jù)劃分的基礎(chǔ)，而且降低了計(jì)算復(fù)雜度并提高了數(shù)據(jù)的讀取速度。趙青等人[11]經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，與簡(jiǎn)單網(wǎng)格劃分相比，基于HEALPix 和HTM 索引的劃分天區(qū)方式是比較有效的劃分方法。下面從不同角度對(duì)HiPS 和TOAST 這兩種不同的分層可視化技術(shù)的性能進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)：

1)劃分天區(qū)的面積相等(HEALPix)或接近(HTM)；

2)編碼方式都為逐級(jí)遞歸，保證了物理位置上相近的點(diǎn)在編碼空間上也相近；

3)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，兩種技術(shù)均較為成熟，且HiPS 已成為IVOA 標(biāo)準(zhǔn)；

4)都有較成熟的工具用于拼接巡天圖像及產(chǎn)生瓦片集；

5)在線可視化展示均比較簡(jiǎn)單，如HiPS 可以直接生成index.html 文件，TOAST 只需將生成的瓦片放在可訪問(wèn)的URL 位置；

6)HiPS 和TOAST 都已廣泛應(yīng)用于全球各大天文數(shù)據(jù)中心。

為了對(duì)兩種分層可視化技術(shù)在拼接、切分環(huán)節(jié)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量及所需時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，本文使用Hipsgen-cat.jar 和Montage 將2MASS 的1,2,3,4 平方度原始圖像(分別為45,144,312,583 張)拼接成中心天體為M17 的圖像并生成HiPS 和TOAST 瓦片，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，HiPS 的生成數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于TOAST，這是由于在同一切分層級(jí)下HiPS 生成的瓦片數(shù)量較多；在所需時(shí)間方面，兩者相差不大。

圖7 HiPS 和TOAST 性能對(duì)比

雖然采用分層存儲(chǔ)和按需加載的方式明顯加快了圖像的瀏覽，卻再次增加了圖像大小，因此部分天文學(xué)家使用JPEG2000 來(lái)解決數(shù)據(jù)量增加的問(wèn)題。一方面，JPEG2000 有非常好的壓縮比[20]，筆者曾將一個(gè)50 GB 的FITS 文件無(wú)損壓縮為2 GB 的JPEG2000；另一方面，JPEG2000 本身就可以逐層壓縮圖像，并分片存儲(chǔ)。因此，JPEG2000 不僅具有分層存儲(chǔ)功能，還可以減小數(shù)據(jù)大小。但是，JPEG2000 在專(zhuān)利方面有很多限制，相關(guān)軟件的收費(fèi)較高，圖像壓縮速度也有待提高。

3 瓦片地圖金字塔的構(gòu)建

大數(shù)據(jù)條件下全天圖像拼接與瓦片數(shù)據(jù)生成也是海量巡天數(shù)據(jù)在線可視化的研究熱點(diǎn)。全天圖像拼接就是將望遠(yuǎn)鏡多次觀測(cè)拍攝的具有重疊區(qū)域的圖像合成為一張完整的大圖，之后根據(jù)某種圖像金字塔規(guī)則將這張大圖切分為多層瓦片集，并將其在網(wǎng)頁(yè)或者軟件中展示。目前人們使用一些工具進(jìn)行拼接巡天數(shù)據(jù)并生成瓦片，如Aladin①http://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl?frame=downloadinghttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsIn10Steps.gmlhttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsCat.gmlhttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/download.htmljava-Xmx16000m-jar AladinBeta.jar-hipsgen maxthread=20 in=Datajava-jar Hipsgen-cat.jar-cat I-239-main-in I-239-hip-main.csv-ra -RAJ2000-dec-DEJ2000-score Plx-desc-lM 5http://aladin.unistra.fr/AladinLite/doc/#embedding桌面應(yīng)用程序(Aladin Desktop)或命令行程序Hipsgen.jar②http://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl?frame=downloadinghttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsIn10Steps.gmlhttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsCat.gmlhttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/download.htmljava-Xmx16000m-jar AladinBeta.jar-hipsgen maxthread=20 in=Datajava-jar Hipsgen-cat.jar-cat I-239-main-in I-239-hip-main.csv-ra -RAJ2000-dec-DEJ2000-score Plx-desc-lM 5http://aladin.unistra.fr/AladinLite/doc/#embedding可以生成圖像HiPS，使用命令行程序Hipsgencat.jar③http://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl?frame=downloadinghttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsIn10Steps.gmlhttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsCat.gmlhttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/download.htmljava-Xmx16000m-jar AladinBeta.jar-hipsgen maxthread=20 in=Datajava-jar Hipsgen-cat.jar-cat I-239-main-in I-239-hip-main.csv-ra -RAJ2000-dec-DEJ2000-score Plx-desc-lM 5http://aladin.unistra.fr/AladinLite/doc/#embedding生成星表HiPS，以及使用Montage④http://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl?frame=downloadinghttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsIn10Steps.gmlhttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsCat.gmlhttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/download.htmljava-Xmx16000m-jar AladinBeta.jar-hipsgen maxthread=20 in=Datajava-jar Hipsgen-cat.jar-cat I-239-main-in I-239-hip-main.csv-ra -RAJ2000-dec-DEJ2000-score Plx-desc-lM 5http://aladin.unistra.fr/AladinLite/doc/#embedding或WWT 官方工具(WWT SDK)生成TOAST瓦片。這些工具為構(gòu)建海量巡天數(shù)據(jù)在線可視化系統(tǒng)提供了極大方便，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

3.1 HiPS 瓦片地圖金字塔的構(gòu)建

我們主要使用Aladin Desktop 或Hipsgen.jar 來(lái)生成圖像HiPS。Aladin Desktop 是一個(gè)功能齊全的應(yīng)用程序，是HiPS 的主要展示平臺(tái)。Aladin Desktop 提供HiPS 的所有可視化功能，包括支持多個(gè)視圖的同步縮放和平移、圖層透明度調(diào)整以及與其他在線天文學(xué)服務(wù)的互操作性等。使用Aladin Desktop 生成圖像HiPS 的操作并不復(fù)雜，只需打開(kāi)HiPS 對(duì)話(huà)框進(jìn)行幾步簡(jiǎn)單的操作，即可生成符合自己需求的HiPS。為了便于傳播和應(yīng)用，hipsgen 內(nèi)置于Aladin Desktop，并可作為命令行程序使用。通過(guò)腳本命令⑤http://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl?frame=downloadinghttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsIn10Steps.gmlhttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsCat.gmlhttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/download.htmljava-Xmx16000m-jar AladinBeta.jar-hipsgen maxthread=20 in=Datajava-jar Hipsgen-cat.jar-cat I-239-main-in I-239-hip-main.csv-ra -RAJ2000-dec-DEJ2000-score Plx-desc-lM 5http://aladin.unistra.fr/AladinLite/doc/#embedding來(lái)運(yùn)行HiPS 的創(chuàng)建，此過(guò)程可能需要較長(zhǎng)時(shí)間并且非常消耗RAM 和CPU。

為了在較短時(shí)間內(nèi)生成星表HiPS，人們需要使用Hipsgen-cat.jar。與Hipsgen.jar 一樣，Hipsgen-cat.jar 也是作為命令行程序使用，只需一行代碼便可以將FITS、VOTable 或CSV格式的星表生成HiPS。示例代碼⑥http://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl?frame=downloadinghttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsIn10Steps.gmlhttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsCat.gmlhttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/download.htmljava-Xmx16000m-jar AladinBeta.jar-hipsgen maxthread=20 in=Datajava-jar Hipsgen-cat.jar-cat I-239-main-in I-239-hip-main.csv-ra -RAJ2000-dec-DEJ2000-score Plx-desc-lM 5http://aladin.unistra.fr/AladinLite/doc/#embedding可將118 萬(wàn)行的依巴谷主星表(I-239-hip-main.csv)基于視差生成星表HiPS。

生成HiPS 文件之后，我們還需將其進(jìn)行在線展示。Aladin Lite 是一款用于Web 瀏覽器的HiPS 簡(jiǎn)化在線可視化工具，我們利用該工具可輕松完成這一工作。它可嵌入到第三方網(wǎng)頁(yè)上，只需復(fù)制并粘貼一小段HTML 和JavaScript 代碼即可⑦h(yuǎn)ttp://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl?frame=downloadinghttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsIn10Steps.gmlhttp://aladin.u-strasbg.fr/hips/HipsCat.gmlhttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/download.htmljava-Xmx16000m-jar AladinBeta.jar-hipsgen maxthread=20 in=Datajava-jar Hipsgen-cat.jar-cat I-239-main-in I-239-hip-main.csv-ra -RAJ2000-dec-DEJ2000-score Plx-desc-lM 5http://aladin.unistra.fr/AladinLite/doc/#embedding。此外，它還帶有一個(gè)應(yīng)用程序接口(API)，并提供必要的控件以根據(jù)不同的需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制。如，允許用戶(hù)自定義界面、控制視圖、更改巡天圖像顯示、創(chuàng)建星表和疊加圖層以及開(kāi)發(fā)網(wǎng)頁(yè)與Aladin Lite 之間強(qiáng)大的交互等[21]。

基于HiPS 及Aladin 相關(guān)工具，我們已經(jīng)完成了China-VO Sky 的初步工作，包括北京-亞利桑那巡天(BASS)數(shù)據(jù)的拼接、瓦片生成以及在線可視化系統(tǒng)的本地構(gòu)建。圖8中底圖為BASS DR2 巡天圖像數(shù)據(jù)，在其上疊加了BASS DR1 星表數(shù)據(jù)。下一步將完善在線可視化系統(tǒng)的功能，使之更好地服務(wù)中國(guó)天文學(xué)家及公眾，為科學(xué)研究和科學(xué)普及做出貢獻(xiàn)。

3.2 TOAST 瓦片地圖金字塔的構(gòu)建

Montage①http://montage.ipac.caltech.edu是將FITS 圖像進(jìn)行拼接的工具包，其科學(xué)價(jià)值體現(xiàn)在其設(shè)計(jì)上的三個(gè)特點(diǎn)：1)保留了輸入圖像的校準(zhǔn)和天文測(cè)量精度，以滿(mǎn)足拼接時(shí)用戶(hù)指定的投影參數(shù)、坐標(biāo)和空間尺度等要求；2)包含獨(dú)立的模塊，用于分析天空?qǐng)D像的幾何形狀，以及創(chuàng)建和管理拼接；3)使用符合ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的C 語(yǔ)言編寫(xiě)，具有可移植性和可伸縮性[22]。該代碼是免費(fèi)使用的，并已廣泛應(yīng)用于天文學(xué)和IT 領(lǐng)域的相關(guān)研究中。Montage 5.0 版(2016)支持處理在WWT 中顯示圖像所需的TOAST 和HEALPix 數(shù)據(jù)[23,24]。

Montage 是一個(gè)命令行工具包，其中包含用于讀取圖像集合并進(jìn)行拼接所需的模塊。可以通過(guò)在命令行中依次運(yùn)行相關(guān)程序來(lái)進(jìn)行圖像拼接，也可以在腳本中自動(dòng)執(zhí)行[25,26]。首先進(jìn)行拼接工作，通過(guò)mImgtbl、mProjExec、mAdd 等模塊創(chuàng)建一個(gè)沒(méi)有任何背景校正的圖像，對(duì)該圖像使用mOverlaps、mDiffExec、mFitExec、mBgModel、mBgExec 等模塊糾正圖像中的差異，獲得一張用于可視化的拼接圖像。然后使用mHdrWWTExec、mProjWWTExec、mHistogram、mPNGWWTExec、mProjectQL 等模塊依次進(jìn)行瓦片頭文件、FITS 圖像、PNG 圖像、全天圖像的縮略圖等生成工作，最后得到TOAST 瓦片文件footnotehttp://montage.ipac.caltech.edu/docs/WWT/。使用Montage 生成巡天數(shù)據(jù)的瓦片文件后，人們只需要將數(shù)據(jù)放在可訪問(wèn)的URL 位置，即可在網(wǎng)頁(yè)版WWT 中在線顯示自己的巡天數(shù)據(jù)。

作為WWT 官方工具，WWT SDK (Software Development Kit)是另一種可以生成TOAST 瓦片的工具，但目前僅支持已拼接好圖像的TOAST 分層分割，并不具有進(jìn)行巡天圖像拼接的功能。安裝好WWT SDK 以后，在WWT SphereToaster (Alpha)面板里的各選項(xiàng)卡下進(jìn)行幾步簡(jiǎn)單操作即可創(chuàng)建TOAST 瓦片①http://worldwidetelescope.org/Learn/Exploring#processingallskyimages。完成后將創(chuàng)建以下內(nèi)容：充滿(mǎn)瓦片的文件夾、在本地使用的WTML 文件、在瀏覽器端使用的WTML 文件和縮略圖。

目前基于HiPS、TOAST 或球面矩形劃分的天圖拼接及瓦片生成，人們均可使用一些已有工具，但是發(fā)現(xiàn)存在拼接速度較慢或僅支持已經(jīng)拼接好的圖像的分層分割的問(wèn)題。如我們?cè)谥谱鰾ASS 巡天圖像HiPS 的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)Hipsgen.jar 的性能達(dá)不到要求。當(dāng)圖像數(shù)量較多和像素較大時(shí)，我們即使執(zhí)行十多個(gè)線程，也需要一個(gè)多月才能完成全天圖像的拼接。因此，應(yīng)對(duì)其開(kāi)源工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，縮短全天圖像拼接花費(fèi)的時(shí)間。

4 在線可視化系統(tǒng)

基于不同分層可視化技術(shù)及瓦片生成工具，很多數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機(jī)構(gòu)都開(kāi)發(fā)了各自的在線可視化系統(tǒng)。這些在線可視化系統(tǒng)有的僅用于簡(jiǎn)單的全天數(shù)據(jù)展示，有的則具有復(fù)雜的交叉識(shí)別及其他數(shù)據(jù)服務(wù)功能，還有一些則具有強(qiáng)大的科普教育功能。以上在線可視化系統(tǒng)不僅方便科研人員進(jìn)行科學(xué)研究，同時(shí)也有助于對(duì)公眾開(kāi)展天文科普。

4.1 基于HiPS 的在線可視化系統(tǒng)

各天文數(shù)據(jù)中心基于HiPS 分層可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)了很多不同用途的在線可視化系統(tǒng)，如CDS 開(kāi)發(fā)的Aladin 系統(tǒng)，旨在成為主要的交叉識(shí)別工具，包括桌面版(Aladin Desktop)和網(wǎng)頁(yè)版(Aladin Lite)。還有一些數(shù)據(jù)中心基于Aladin Lite 進(jìn)行了功能拓展，如ESAC 開(kāi)發(fā)了ESASky，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)開(kāi)發(fā)了JUDO2。更多的數(shù)據(jù)中心將Aladin Lite 作為網(wǎng)頁(yè)嵌入的形式使用，僅用于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)展示，如Simbad,VizieR,GLIMPSE360,ADS allsky,AstroDEEP,CDS portal v2 等。我們將分別介紹功能強(qiáng)大的在線可視化系統(tǒng)Aladin Lite 和ESASky，及作為網(wǎng)頁(yè)嵌入形式使用的Aladin Lite。

4.1.1 Aladin Lite

Aladin Lite 頁(yè)面簡(jiǎn)潔明快，專(zhuān)為天文學(xué)家開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。打開(kāi)Aladin Lite，利用搜索框人們可以快速定位目標(biāo)天體。最下方的縮略圖顯示了其他巡天項(xiàng)目中的該天體圖像。在基本圖像層選項(xiàng)下可以選擇更多不同巡天項(xiàng)目拍攝的該天體圖像，方便進(jìn)行同一天體的對(duì)比判斷。如果想知道SIMBAD (Set of Identifications,Measurements,and Bibliography for Astronomical Data)、Gaia TGAS (Tycho-Gaia Astrometric Solution)或者2MASS 項(xiàng)目對(duì)該天體附近的哪些點(diǎn)源或展源進(jìn)行了觀測(cè)以及觀測(cè)源的詳細(xì)信息，可以選擇左側(cè)疊加層或右側(cè)星表選項(xiàng)，結(jié)果將以不同顏色和形狀疊加在圖像層之上。如果對(duì)預(yù)設(shè)不滿(mǎn)意，人們還可以自行改變顏色、大小及形狀，系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常人性化。如圖9所示，底圖為DSS 巡天圖像，之上疊加了2MASS (紅色十字圖形)和Gaia TGAS (藍(lán)色矩形)星表圖層，Aladin Lite 簡(jiǎn)潔的風(fēng)格為科研人員提供了高效的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

Aladin Lite 已經(jīng)被集成在主要的CDS 服務(wù)中，如在SIMBAD 的單個(gè)天體目標(biāo)頁(yè)面①http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=M1http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-4?-source=I/259/tyc2＆-c=M45＆-c.rm=30上，它提供了一個(gè)交互式預(yù)覽圖像，而在VizieR 結(jié)果頁(yè)面②http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=M1http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-4?-source=I/259/tyc2＆-c=M45＆-c.rm=30則包含一個(gè)啟動(dòng)Aladin Lite 按鈕，用于定位可視化列出源。在CDS 之外，根據(jù)各自需求，Aladin Lite 在很多項(xiàng)目中都有不同應(yīng)用。這些應(yīng)用主要可以分為兩種：一種是基于Aladin Lite 進(jìn)行功能拓展；另外一種是將Aladin Lite 作為網(wǎng)頁(yè)嵌入的形式使用。

4.1.2 ESASky

ESASky 在Aladin Lite 基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行了功能擴(kuò)展。該系統(tǒng)使得搜索更加方便，功能更加豐富，目前版本為ESASky2.2.1[27,,28]。打開(kāi)ESASky2.2.1，我們發(fā)現(xiàn)與Aladin Lite 類(lèi)似，其頁(yè)面十分簡(jiǎn)潔明快。在底圖展示方面，可以在Select Sky 下根據(jù)波段進(jìn)行選擇，也可以在某個(gè)確定波段下選擇不同的巡天任務(wù)生成的圖像。在搜索方面，Target List 選項(xiàng)提供了按照天體類(lèi)別進(jìn)行搜索的方法，如亮星系、亮星云、暗星云、球狀星團(tuán)、X 射線脈沖星、γ暴和星系團(tuán)等。如果沒(méi)有目標(biāo)天體，只想隨便看看，可以點(diǎn)擊Explore random target，系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)加載不同類(lèi)別的天體并顯示該天體的基本信息。除了圖像和星表展示，ESASky 還能顯示當(dāng)前區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)和公開(kāi)的數(shù)據(jù)，并以表格的形式列于下方。在表格的左側(cè)還提供了定位、發(fā)送表格到虛擬天文臺(tái)應(yīng)用以及下載的功能，極大方便了科研人員。如圖10所示，底圖上疊加的不同顏色的圖形分別代表了當(dāng)前區(qū)域HST 拍攝的圖像、Gaia DR2 的星表、錢(qián)德拉X 射線天文臺(tái)(Chandra)光譜數(shù)據(jù)，并以表格的形式在下方依次列出。與Aladin Lite相比，ESASky 的數(shù)據(jù)服務(wù)功能更加強(qiáng)大。

圖10 ESASky 2.2.1 頁(yè)面截圖

4.1.3 網(wǎng)頁(yè)嵌入形式應(yīng)用的Aladin Lite

在很多項(xiàng)目中，人們將Aladin Lite 作為網(wǎng)頁(yè)嵌入形式使用，進(jìn)行數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單展示。如圖11所示，GW170814 interactive skymap①http://www.virgo-gw.eu/skymap.htmlhttps://losc.ligo.org/s/skymapViewer/aladin/index.html#GW150914:LALIhttp://cade.irap.omp.eu/dokuwiki/doku.php?id=cgpshttp://www.adsass.org/aladin/http://gea.esac.esa.int/archive/visualization/顯示了LIGO 和Virgo 天文臺(tái)共同檢測(cè)到的引力波事件GW170817 在天空中的位置；Skymap Viewer②http://www.virgo-gw.eu/skymap.htmlhttps://losc.ligo.org/s/skymapViewer/aladin/index.html#GW150914:LALIhttp://cade.irap.omp.eu/dokuwiki/doku.php?id=cgpshttp://www.adsass.org/aladin/http://gea.esac.esa.int/archive/visualization/顯示來(lái)自LIGO 和Virgo 的引力波事件的概率輪廓；CADE (Centre d’Analyse de Donnes Etendues)使用Aladin Lite 來(lái)提供他們發(fā)布的HEALPix 天圖的預(yù)覽(CGPS 數(shù)據(jù)為例③http://www.virgo-gw.eu/skymap.htmlhttps://losc.ligo.org/s/skymapViewer/aladin/index.html#GW150914:LALIhttp://cade.irap.omp.eu/dokuwiki/doku.php?id=cgpshttp://www.adsass.org/aladin/http://gea.esac.esa.int/archive/visualization/)；ADS All-Sky Survey④http://www.virgo-gw.eu/skymap.htmlhttps://losc.ligo.org/s/skymapViewer/aladin/index.html#GW150914:LALIhttp://cade.irap.omp.eu/dokuwiki/doku.php?id=cgpshttp://www.adsass.org/aladin/http://gea.esac.esa.int/archive/visualization/使用Aladin Lite 顯示文獻(xiàn)中引用的SIMBAD 目標(biāo)天體的熱點(diǎn)圖等。

值得關(guān)注的是，歐洲空間局對(duì)巡天衛(wèi)星Gaia 近期發(fā)布的第二批數(shù)據(jù)，同樣使用HiPS 技術(shù)進(jìn)行可視化，以Aladin Lite 嵌入的形式展示⑤http://www.virgo-gw.eu/skymap.htmlhttps://losc.ligo.org/s/skymapViewer/aladin/index.html#GW150914:LALIhttp://cade.irap.omp.eu/dokuwiki/doku.php?id=cgpshttp://www.adsass.org/aladin/http://gea.esac.esa.int/archive/visualization/。

4.2 基于TOAST 的在線可視化系統(tǒng)

WWT 最初由微軟亞洲研究院開(kāi)發(fā)，包括桌面版WWT (WWT Desktop)和網(wǎng)頁(yè)版WWT (WWT Web Client)。2015年7月，微軟將WWT 代碼開(kāi)源及所有權(quán)移交至美國(guó)天文學(xué)會(huì)。中國(guó)虛擬天文臺(tái)基于WWT 源代碼開(kāi)發(fā)適合中國(guó)公眾使用的WWT 版本，稱(chēng)為“萬(wàn)維望遠(yuǎn)鏡”，并于2018年2月正式發(fā)布個(gè)人版萬(wàn)維望遠(yuǎn)鏡。

圖11 幾個(gè)使用Aladin Lite 作為網(wǎng)頁(yè)嵌入形式使用的項(xiàng)目

WWT 的資源組織方式為“底圖+ 信息層”[29]，其底圖與Aladin Lite、ESASky 等主要用于科學(xué)研究的在線可視化系統(tǒng)一樣，集成了全球各大地基、空基的天文設(shè)施的科學(xué)數(shù)據(jù)。使用者可以在不同波段觀察目標(biāo)天體，但信息層更豐富。底圖之上疊加了星座連線、星座圖案、星座名稱(chēng)，以及各種天球坐標(biāo)網(wǎng)格等圖層，而在中國(guó)虛擬天文臺(tái)版的WWT 中還可疊加中國(guó)星空?qǐng)D層。如圖12所示，與Aladin Lite 和ESASky 相比，WWT 具有更強(qiáng)大的面向科研人員的數(shù)據(jù)服務(wù)功能，體現(xiàn)了強(qiáng)大的面向公眾的知識(shí)探索功能。

圖12 WWT 頁(yè)面中的底圖與信息層

Aladin Lite 和ESASky 只對(duì)巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，而WWT 還加入了行星數(shù)據(jù)(地球、月球、火星、太陽(yáng)和木衛(wèi)一等)和全景數(shù)據(jù)(月球探測(cè)和火星探測(cè)全景圖)展示。在Look At 下更改觀測(cè)指向，我們可以與玉兔號(hào)一起欣賞虹灣地區(qū)的風(fēng)景，也可以凝視我們這顆蔚藍(lán)色的星球以及她的兄弟姐妹。

面向公眾的教育系統(tǒng)是微軟對(duì)WWT 的定位，因此其具有很多適合公眾的功能[29,30]。向?qū)?Guided Tours)是WWT 的最大特色，該菜單下有很多“漫游”(Tour)可供使用者欣賞學(xué)習(xí)。WWT 還有其他一些特色功能，如通過(guò)更改觀測(cè)地點(diǎn)和時(shí)間，我們可以重溫2008年發(fā)生在我國(guó)大西北的日全食，重現(xiàn)2012年那世紀(jì)絕唱的金星凌日。

一些天文數(shù)據(jù)中心也將WWT 作為網(wǎng)頁(yè)嵌入的形式使用，比如GLIMPSE360 就同時(shí)提供了斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的紅外銀河圖像在WWT 和Aladin Lite 模式下的可視化展示，如圖13所示。WWT 不僅是一架桌面虛擬的望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)還是一個(gè)內(nèi)容非常豐富的知識(shí)庫(kù)，提供交互式的知識(shí)共享和學(xué)習(xí)環(huán)境。只需要輕輕點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，您便會(huì)得到目標(biāo)天體相關(guān)的信息資料。由于其可以訪問(wèn)的大量數(shù)據(jù)以及它所連接的服務(wù)數(shù)量不斷增加，WWT 為研究人員、教師和學(xué)生在無(wú)縫天文環(huán)境中使用提供關(guān)鍵技術(shù)[31]，WWT 也是天文學(xué)家和科學(xué)教育工作者開(kāi)展科研工作或科普教育的極佳平臺(tái)[32,33]。

圖13 GLIMPSE360 同時(shí)提供了紅外銀河圖像在WWT 或Aladin Lite 中的展示

4.3 基于球面矩形逐層劃分的在線可視化系統(tǒng)

Google Sky 和WikiSky 采用了與互聯(lián)網(wǎng)地圖一樣的Mercator 投影，基于球面矩形對(duì)巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層劃分，使用Leaflet 等JavaScript 庫(kù)在瀏覽器端對(duì)巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。這兩個(gè)在線可視化系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的科普功能，主要用于天文科普。

4.3.1 Google Sky

Google Sky 是2008年3月13日發(fā)布的一個(gè)基于瀏覽器的應(yīng)用程序，由谷歌與空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)合作開(kāi)發(fā)。與WWT 一樣，Google Sky 使用“底圖+ 信息層”的方式組織資源。底圖由SDSS,DSS 和HST 所觀測(cè)到的圖像拼接而成。其他波段的圖層來(lái)自錢(qián)德拉X 射線天文臺(tái)的X 射線數(shù)據(jù)、GALEX 星系演化探測(cè)器的紫外圖像、IRAS 的紅外圖像以及WMAP 的微波圖像[34]。Google Sky 不僅可以顯示不同波段的星空，還能同時(shí)顯示多個(gè)波段圖像，如只需調(diào)整滑塊位置即可同時(shí)觀看M81 在光學(xué)和紅外波段的圖像。Google Sky 的信息層比WWT 略顯單一，如星座圖層只有黃道十三星座，不能顯示赤道和黃道等坐標(biāo)網(wǎng)格。歷史星座圖層是Google Sky 的一個(gè)特色，該信息層由David Rumsey 歷史地圖集中的歷史地圖創(chuàng)建，為使用者提供一個(gè)了解古代星座的窗口。

Google Sky 使用的標(biāo)記語(yǔ)言為KML (Keyhole Markup Language)[35]，因此其具有整合、顯示和分享用戶(hù)生成的數(shù)據(jù)(圖像、星表、時(shí)間變化數(shù)據(jù)、天空漫游以及課程計(jì)劃)的能力。由于KML 完全獨(dú)立于平臺(tái)，因此Google Sky 能輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4.3.2 WikiSky

WikiSky 也被稱(chēng)為Sky-Map，是具有互動(dòng)性和非商業(yè)性的網(wǎng)站。該網(wǎng)站加載速度快，使用圖形界面導(dǎo)航相當(dāng)直觀。與WWT、Google Sky 等系統(tǒng)一樣，WikiSky 的底圖也使用SDSS 以及其他巡天數(shù)據(jù)，允許用戶(hù)選擇不同的巡天、進(jìn)行縮放以及選擇天體目標(biāo)[36]。但WikiSky 的底圖數(shù)據(jù)來(lái)源相對(duì)較少，并且只進(jìn)行巡天數(shù)據(jù)展示，如圖14所示。Wikisky 的信息層也較豐富，這是因?yàn)槠湓试S用戶(hù)為網(wǎng)站做貢獻(xiàn)并互相交流。該網(wǎng)站允許訪問(wèn)者通過(guò)公開(kāi)聊天或在論壇上發(fā)帖進(jìn)行互動(dòng)。使用者還可以通過(guò)編寫(xiě)文章、添加Internet 鏈接、上傳圖像或?yàn)樘囟ㄈ蝿?wù)創(chuàng)建特殊興趣組來(lái)編輯關(guān)于不同天體的信息。用戶(hù)也可以上傳星空區(qū)的照片，并將星圖上的天體與照片上的天體結(jié)合在一起。

圖14 WikiSky/SKY-MAP

由于各在線可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景不同，因此服務(wù)的群體有所不同。Aladin Lite 從Aladin天空?qǐng)D集發(fā)展而來(lái)，ESASky 基于Alaidn Lite 開(kāi)發(fā)，都是基于各自數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，底圖上疊加了星表、光譜、觀測(cè)區(qū)域、文獻(xiàn)等圖層，因而科研色彩濃厚。WWT、Google Sky 和WikiSky/SKY-MAP 三款系統(tǒng)的最初開(kāi)發(fā)目的就是建立科普教育系統(tǒng)，底圖上疊加了星座連線、星座圖案、天球坐標(biāo)等圖層，漫游或KML 功能讓知識(shí)更易于分享，因而系統(tǒng)有助于人們進(jìn)行科普教育。各在線可視化系統(tǒng)在服務(wù)各自的目標(biāo)群體的基礎(chǔ)上，逐步完善、改進(jìn)功能，以期為使用者提供更好的服務(wù)。

目前所有在線可視化系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)多波段數(shù)據(jù)的融合顯示，有利于天文學(xué)家進(jìn)行證認(rèn)。然而天文學(xué)目前已從多波段天文學(xué)時(shí)代進(jìn)入多信使天文學(xué)時(shí)代，如何將多波段數(shù)據(jù)與引力波、中微子和宇宙線數(shù)據(jù)融合，使在線可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多信使數(shù)據(jù)的融合顯示是目前一個(gè)值得研究的方向。此外，實(shí)現(xiàn)這些在線可視化系統(tǒng)在手機(jī)端展示，方便用戶(hù)隨時(shí)隨地使用，以及開(kāi)發(fā)球幕、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示功能，提升用戶(hù)體驗(yàn)，也是研究的熱點(diǎn)方向。

5 總 結(jié)

目前人們已開(kāi)發(fā)出Aladin Lite,ESASky,WWT 和Google Sky 等多個(gè)成熟的在線可視化系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究以及科學(xué)普及。海量巡天數(shù)據(jù)在線可視化系統(tǒng)仍有一些需要改進(jìn)或者完善的地方。首先，分層存儲(chǔ)導(dǎo)致了數(shù)據(jù)量的再次增加；其次，現(xiàn)有工具在拼接巡天圖像和切分瓦片時(shí)性能欠佳，應(yīng)對(duì)其開(kāi)源的工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，縮短全天圖像拼接所需時(shí)間；最后，應(yīng)考慮將多波段數(shù)據(jù)與引力波、中微子、宇宙線數(shù)據(jù)融合，使在線可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多信使數(shù)據(jù)的融合顯示以及開(kāi)發(fā)球幕、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等多種不同方式的展示功能。

隨著我國(guó)巡天望遠(yuǎn)鏡LAMOST、大射電望遠(yuǎn)鏡FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)相繼建成使用，以及12 m 光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡、110 m 射電望遠(yuǎn)鏡的立項(xiàng)建設(shè)，國(guó)內(nèi)望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的巡天數(shù)據(jù)將急劇增加。如何方便獲取、快速分析和有效展示這些海量數(shù)據(jù)，是擺在國(guó)內(nèi)天文學(xué)家面前的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)一套在線可視化系統(tǒng)就顯得十分必要。應(yīng)采用多種技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)上分層顯示數(shù)據(jù)融合結(jié)果及相關(guān)區(qū)域的多種不同觀測(cè)數(shù)據(jù)，方便天文學(xué)家對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果進(jìn)行快速判斷，并以可視化的方式提供多波段數(shù)據(jù)下載，減少天文學(xué)家多方收集數(shù)據(jù)的麻煩。另一方面，基于國(guó)內(nèi)望遠(yuǎn)鏡所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)在線可視化系統(tǒng)，天文教育者可以充分利用虛擬天文臺(tái)豐富的資源和先進(jìn)的技術(shù)開(kāi)展科學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天文教育、教學(xué)和科學(xué)普及活動(dòng)，同時(shí)倡導(dǎo)e-Science、探究式學(xué)習(xí)和全民科學(xué)等先進(jìn)的科學(xué)理念，有利于實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新。

致謝

本論文得到中國(guó)虛擬天文臺(tái)和中國(guó)天文數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)資源和技術(shù)支持。中國(guó)天文數(shù)據(jù)中心得到科技部國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目“地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)”和“國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)”(DKA2017-12-02-07)的資助。感謝國(guó)家天文臺(tái)-阿里云天文大數(shù)據(jù)聯(lián)合研究中心對(duì)本項(xiàng)工作的支持。