将.fits数据转换为.png图像

本篇博客主要用于学习交流，用来记录自己学习过程中遇到的问题，所获得的感想，同时也为了方便以后的查找与回顾。另外也为了向各位前辈学习，纠正自己思维上的不足。文中可能会引用其他前辈的博客，文末会给出相应链接，侵删！

前言

由于目的需要，需处理空间天气图像数据，主要是空间天气数据，但目前空间天气图像数据的取得并不顺利，找到的是.fits文件，通过参考网上的一些方法，将.fits转换为.png图像，从而得到所需数据。

自己所获得的.fits数据，是从JSOC（http://jsoc.stanford.edu/）上下载的，下载过程使自己很是糟心！

在此，也向广大网友寻求帮助，如果您有做过关于太阳黑子、太阳耀斑、太阳日冕物质抛射的检测的实验或项目，请联系我，自己很是需要您的帮助！谢谢，文末会给出自己微信，添加时，请备注太阳黑子检测。

1、FITS基本文件格式

FITS (Flexible Image Transport System) 是国际天文学会(IAU)1982 年确定的世界各天文台之间用于数据传输、交换的统一标准格式。它描述了数据的定义和数据编码的一般方法。它是与机器无关的，用磁带作为标准传输介质的独立方法。它提供了图像的单值转换，精度包括符号在内可以达到 32 位。对一维、二维、三维、甚至多维的数据类型都提供了合适的转换。它不仅适用于天文数据, 对其他学科的数据也是可用的。 FITS 是天文学界常用的数据格式，专门为在不同平台之间交换数据而设计。1988年的国际天文学联合会（IAU）大会指定IAU的FITS工作组全权负责此格式的修订。IAU规定，今后对FITS标准的修改不得破坏前后一致性，也就是所谓的“once FITS, always FITS”一说。

FITS文件由文件头和数据组成。在文件头中存储有对该文件的描述，如观测时间、观测对象、拍照温度、曝光时间等信息，同时也可以在文件头中注明观测时的视场、精度等，便于后期数据分析之用。文件头部分每行占80个字符，并以END结尾。按南京大学郑兴武教授所编《现代天体物理实验指导》一书中的说法，文件头共有36行，若未满则以空格补之。较重要的几项有：BITPIX（指明图像位数）、NAXIS（指明图像维数）、NAXISn（代表第n维的像素数）。数据部分可以是图象或其他信息（如数据表），这些数据按头部所给出的描述进行组织。

下图是FITS的基本格式：

基本fits的文件格式大体上如上图所示，但是还有一个关键点是文件头中36行标题的格式。

文件头中必须存在的五个关键词是：

SIMPLE,BITPIX,NAXIS,NAXISn 和 END。它们的含义是:

SIMPLE 逻辑变量,指明文件是否符合基本 FITS 标准。

BITPIX 整数变量,指明用于表示每一个象元值的位数。

NAXIS 整数变量,指明图象里坐标轴数。

NAXIS1 整数变量,指明在数组内沿最快变化轴的象元数。

NAXIS2 整数变量,指明在数组内沿次快变化轴的象元数。

举个例子：

SIMPLE = T

BITPIX = 16

NAXIS = 2

NAXIS1 = 320

NAXIS2 = 512

END

说明：

SIMPLE=T 其中逻辑值 T(True)表明该磁带文件是简单的 FITS 数据文件。

BITPIX=16 表明每一象元值为16 位带符号的补码形式，每一象元值占用两个字节, 每一记录可记 1440 个像元值(23040÷16= 1440)。

NAXIS=2 表明图象为两维阵列NAXIS1=320 表明第一轴 (列变化方向)的长度为 320 个象元。

NAXIS2=512 表明第二轴(行变化方向)的长度为 512行。

END表明标题结束。记录后面的所有零字节都用 ASCII 码空格填满。

这五个关键次的顺序不能颠倒。

除了这五个必须的关键词，还有一些其他的关键词：

——BSCALE(浮点数)和 BZERO(浮点数):用于将磁带上的象元值转换为真实值的参数:真实值= ( 磁带值×BSCALE)＋BZERO

——BUNIT(字符):单位

——BLANK (整数), 如果某象元未定义值, 则磁带上该象元对应位置上所写入的就是由 BLANK 定义的数值。

——OBJECT (字符): 图象名

——DATE (字符): 写 FITS 文件的日期(‘日/月/年’)。

——DATE_OBS (字符): 数据的观测日期(‘日/月/年’)。

——ORIGIN (字符): 写磁带的研究单位。

——INSTRUME (字符): 数据的探测仪器。

——TELESCOP (字符): 所使用的望远镜。

——OBSERVER (字符):观测者姓名。

——CRVALn (浮点数), CRPIXn(浮点数), CDELTn(浮点数), CTYPEn(字符)和 CROTAn(浮点数):这些关键词是用于定义第 n个轴的象元坐标与真实的物理坐标之间的关系。

——DATAMAX(浮点数)和 DATAMIN(浮点数): 给出文件中数据的最大值和最小值。

——EPOCH(浮点数): 坐标系统的历元(以年为单位)。

——空白(无)、COMMENT(无)和 HISTORY(无): 用于说明其它一些信息表明第 9-80 列是注释用的 ASCII 文本。

注意, 图象阵中象元的二进制数据是高位在前, 低位在后。

2、将.fits数据转换为.png图像

运行平台：Windows

Python版本：Python3.6

IDE：Jupyter notebook

2.1 本地.fits转化为.png

整体截图：

In [1]：

import numpy as np
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
#from astropy.utils.data import download_file
from astropy.io import fits

In [2]：

path = "F:\DownloadData\solar flare data\magnetogram.fits"
hdu_list = fits.open(path, cache=True)
#print(type(hdu_list))
hdu_list.info()

image_data = hdu_list[1].data  #此处是hdu_list[1].data，不是hdu_list[0].data
hdu_list.close()

image_data = fits.getdata(path, cache=True)
print(type(image_data))
print(image_data.shape)

plt.imshow(image_data, cmap=\'gray\')
plt.colorbar()

生成的空间天气.png图像如下：

如此，就可以保存生成的.png图像。

2.2 通过.fits数据链接转换

有时候，不用下载.fits文件，也可以直接进行转换。

整体截图

In [1]：

import numpy as np
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
from astropy.utils.data import download_file
from astropy.io import fits

In [2]：

path = \'http://data.astropy.org/tutorials/FITS-images/HorseHead.fits\'
image_file2 = download_file(path, cache=True)
hdu_list2 = fits.open(image_file2)
hdu_list2.info()

image_data2 = hdu_list2[0].data   #此处是hdu_list[0].data，不是hdu_list[1].data
hdu_list2.close()

image_data2 = fits.getdata(image_file2)
print(type(image_data2))
print(image_data2.shape)

plt.imshow(image_data2, cmap=\'gray\')
plt.colorbar()

生成的.png图像如下。

请注意本地转换与链接转换的不同，以免出错。

3、总结

通过此次空间天气数据的转换，了解了一些天文数据.fits格式的知识，对jupyter notebook的使用，有了更深认识。

在获取.fits时，对JSOC lookdata（http://jsoc.stanford.edu/ajax/lookdata.html）的使用，有了一定了解。

4、参考资料

JSOC
FITS基本文件格式
FITS文件处理
Python--显示fits文件
FITS2Images
FITS 基本格式及其扩展