FITS文件结构与读取

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FITS 文件简介

FITS （Flexible Image Transport System, 普适图像传输系统）是天文上常用的数据文件存储格式，可以用来存储图像、光谱、表格这一类的数据。

fits文件结构：

首先要知道fits文件由一个或多个HDU(Header/Data Units， 头、数据单元）的单元组成，其中第一个被称作Primary HDU（主HDU），主HDU可以包含1-999维的一个数组，数组数据的类型由头信息进行定义。典型的数据包括：2-D图像、1-D的光谱以及3-D的数据立方体。

主HDU后面还可以跟多个扩展HDU来存储其他内容。

每个HDU都由Header Unit 和Data Unit 组成，Header Unit 是类似类似字典类型的数据结构，形式一般为：关键字名称=值/关键字相关的注释，包含此数据观测的时间、望远镜参数、天气条件之类的信息。 Data Unit 存放的就是数据了，如numpy数组。

光谱fits文件

以 Lamost 光谱文件为例，首先它的文件命包含此条光谱的一些信息，如“spec_55916_B5591606_sp01_01.fits”：“spec” 表示天文光谱，“55916” 表示本地修正儒略日（一种天文上时间表示的方法），“B5591606” 代表天区的编号，“sp01” 代表光谱仪的标号，“001” 代表光谱仪中光纤的编号。

它的HDU的Header Unit 中常用的字段有：

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LONGITUD、LATITUDE：观测地点的经度、纬度
OBSID：唯一光谱编号
OBSDATE：观测目标的日期
PLANID：天区编号
LMJD：本地修正儒略日
FIBERID：光纤编号
OBJTYPE：所观测到的星体的类型
SN_U、SN_G、SN_R、SN_I、SN_Z：u、g、r、i、z波段的信噪比
Z: 红移值

Data Unit 是一个5行3909列的矩阵（不是所有光谱都是3909列），每一列代表一个波长，每一行代表一种属性，分别是：或标志位、与标志位、波长、倒方差、流量（顺序可能不同）。有两种fits格式，这里所说的是其中一种。

天体测光波段

波段 中心波长 λeff 半高全宽（FWHM，Δλ） 变体 说明
紫外
U 365nm 66nm u,u′,u∗
可见光
B 445nm 94nm b 蓝
G 464nm 128nm g,g′ 绿
V 551nm 88nm v,v′ 可见
R 658nm 138nm r,r′,R′,R 红
近红外
I 806nm 149nm i,i′,I
Z 900nm z,z′
Y 1020nm 120nm y
J 1220nm 213nm J′,Js
H 1630nm 307nm
K 2190nm 390nm K,K′,Ks, K8,nbK
L 3450nm 472nm L′,nbL′
中红外
M 4750nm 460nm M′,nbM
N 10500nm 2500nm
Q 21000nm 5800nm Q′

fits文件读取

利用astropy天文工具包读。

文件不需要解压，fits、gz和bz2的都可以直接读。

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from astropy.io import fits
hdu = fits.open('spec-55859-F5902_sp01-001.fits')  # 读取fits文件
header,data = hdu[0].header,hdu[0].data    # 获取第0个hdu里的信息，

hdu.info() 能打印fits信息

读出来之后就可以用Matplotlib 把流量信息画出来，看一下光谱。图像的话应该也有相应的函数，不过我还没用到。

例子：

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from astropy.io import fits
import matplotlib.pyplot as plt
data = fits.open('spec-55895-B9505_sp04-042.fits')
x = a.data[2]  # 第3行是波长
y = a.data[0]  # 第1行是光谱
print(len(x),len(y))
plt.plot(x,y)
plt.show()

结果：

image-20211008091827807

光谱fits文件

LAMOST发布的光谱fits文件有两种，一般见到的是第一种。

第一种里面一个hdu包含5行信息，有用的信息有两行，第一行是流量，第三行是波长，如下图（下图软件叫fv）：

image-20211007194022625

另一种有两个hdu，第0个是信息，包含6行，第一行是流量，波长信息可以计算出来，hdu[0].header头信息中包含两个参数COEFF0：起始波长的log10对数，COEFF1：每个波长间隔的log10对数步长。比如这两个分别是3.5682和0.0001，第一个流量对应的波长就为10**3.5682，第二个流量对应的波长为10**(3.5682+0.0001)，后面依次以这个步长计算波长。如下面两个图：

image-20211008085454019

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图像fits文件

天文图像主要用的是sdss发布的数据，其中一个区域的图像包含ugriz 5个波段的1图像（.fits.bz2）、合成伪彩图（.jpg）、星表（.fits），星表是标记出此图像中的所有天体在图像中的位置和其信息。

读取方法与前面一样。

打开一个g波段的图：

image-20211008090448711

上图中，hdu[0] 里面是图像矩阵，下图是画出来的图像，这只是单个波段，画出来不是彩色。

天体的赤经赤伟转成图像中的像素坐标方法：

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from astropy.wcs import WCS
W = WCS(objid+'-r.fits.bz2')  # 读取的不是星表，而是一个波段的图
x1, y1 = W.all_world2pix(float(ra1), float(dec1), 1)

参考链接：

https://hebl.china-vo.org/w/19387213

LAMOST星体光谱FITS文件解析与信息提取，《电脑编程技巧与维护》2019年 第8期（http://www.cqvip.com/QK/98258X/201908/7100043482.html）

https://hebl.china-vo.org/w/19884118