Python中FITS格式文件數據的讀取

FITS(Flexible Image Transport System)格式文件是天文學數據儲存的公用文件格式，在國際的天文數據存儲與傳輸中擔任着十分重要的角色。但是這種文件格式在其他科學領域並不常用，造成這方面的文件資料並不多，尤其是基礎性入門的指導性說明就更少了。

我本人也是初學天文的學生，對於一些特殊情況，可能學生們突然接觸這類文件格式，有可能不知所措。如果老師們講的比較詳細的話，學生還能聽懂，但若是學生不得不自己自學掌握，可能就很難有一個感性的理解。其實我並不專業，在這里只是想用自己的理解向有需要的同行簡單介紹一下，讓大家了解一些基礎的、容易理解的知識。

以下內容適合剛剛接觸Python的天文初學者。

 

2017/4更新：發現這篇文章還有挺多人看的，就更新了一次，最主要的是更正了一些錯誤（其中有一個嚴重的概念錯誤），其他的包括把圖片換成了新的，以及補充了一些信息和修改了一些錯別字。

 

 

FITS文件有很多單元（Unit）組成，每個單元都包含記錄單元屬性信息的部分，叫做頭文件（Header），以及存儲數據的部分，叫做數據單元（Data），合起來就稱為HDU（Header and  Data Unit），其中頭文件是必有的，數據單元可選。

 

一、FITS文件單元 的頭文件（header）的 格式：

 

 

單元的頭文件由多行上述格式的代碼組成，每行80個字符，結尾以關鍵詞END結束。可以見下圖 ：

 

每個關鍵字都有着相應的值，在頭文件中存儲着文件的日期、大小、數據格式、數據來源、數據范圍、數據位數、坐標軸數等等信息。

 

每一個文件必須含有SIMPLE、BITPIX、NAXIS和END關健字，並且必須是這一順序。在它們之間可以插入其它的行記錄。第一個記錄的關健字一定是SIMPLE，最后的行記錄是END。

 

SIMPLE：值為T表示是一個標准的FITS文件，否則為F。

 

BITPIX：值為8、1 6、32、一32或一64，表示圖象數據的格式。若為8、1 6、32，則數據為單字節、雙字節和4字節符號整數，值為一32和一64代表數據為單精度和雙精度浮點數，第一位為符號，接下來8位(單精度)或11位(雙精度)為冪，余下的為小數。但它們的存儲格式與PC機不同，它采用高字節在前，低字節在后的存儲方式。因此將FITS格式轉換為任何PC機或在PC 機上顯示FITS圖象都要考慮字節交換的問題。

 

NAXIS：圖象數據矩陣的維數，對於2維圖象，它至少為2。NAXIS為0表示沒有數 據。

 

NAXISi：當NAXIS大於為0時，其后必須按次序跟有NAXIS1、NAXIS2等等，表示每維的大小。每個NAXISi必須大於0。

 

END： 最后一個行記錄的關健字必須是END。其后為空格直到文件頭結束。

 

其他關健字都是可選的，在天文圖象中常用的還有DATE(日期)、UT(時間)、TELESCOPE(望遠鏡)OBSERVER(觀測者)、OBJECT(目標)、EPocH(歷元)等等。常用的還確DATAMAX和DATAMIN(數據的最大和最小值)，BSCALE和BZERO(實際值一BZREO+BSCAI B×圖象值)．COMMENT(注釋)等。

 

二、Python中數據的簡單提取

 

先簡單說數據單元的格式，FITS文件的數據是以多維數組的形式存在的，常見的是二維數組，比較簡單的例子就是可以記錄一系列點的坐標值信息，這樣數據形式就是N*2的二維數組。

 

Python要處理FITS文件，要提前安裝幾個擴展包，針對FITS文件讀取的是astropy擴展包， 這個網站 有很多Windows版非官方Python擴展包，大家可以去哪里下載需要的東西。（2017/4更新：其實建議使用pip等包管理工具進行安裝）

 

在Python中，我們首先要引入fits模塊，然后打開FITS文件，比如我的是下面這樣的（ 我的FITS文件 ）

 

 

hdu是隨便寫的名字，可以換成別的，只要你願意。hdu下有很多函數，你可以輸入hdu.按Tab鍵查看，可以看到許多函數，我們只需要了解我們需要的幾個就可以了。

 

我們可以通過info函數查看文件基本信息：

 

我們可以看到這個文件有兩個單元，其中PrimaryHDU是每個文件都有的，可以叫主單元，BinTableHDU屬於擴展單元，在這里是包含數據的單元。那我們怎么查看里面的信息和數據呢？首先，先看輸出結果里的表示方法，每個單元是用1、2……標記的，實際上FITS文件的每個單元組成了類似於一個“單元數組”的東西（我杜撰的詞），我們可以通過類似的方式進行訪問，也就是hdu[0]便表示主單元，hdu[1]表示第一個擴展單元。

 

 

（1）我們先看頭文件。單元的頭文件內容可以用header方法進行訪問，就像下面這樣，我們就看到了主單元的頭文件中的信息，正是必要的四個關鍵字。

 

header很像一個字典（dict），我不清楚到底是不是 ，因為這里一個關鍵字（keyname）對應的不僅是值（value），還有注釋（comment）。因此，如果你要看頭文件中的SIMPLE的值，就可以用hdu[0].header['SIMPLE' ]，查看其注釋用hdu[0].header.comments['SIMPLE']：

 

（2）再看數據單元。在上面的信息中我們可以看到擴展單元中是有數據的，數據的維度是1000R*2C，這表示數據是1000行（rows）2列（column），格式（format）是雙精度，據我自己的觀察，各個字母表示含義如下：

• I表示整型；
• J表示長整形；
• E表示浮點型；
• D表示雙精度浮點型；
• A表示字符型；

 

所以這份文件的數據都是雙精度的浮點型。那怎么具體的訪問某一組數據、某一列數據或者某一個數據呢？這和前面是很類似的，hdu[1]中data能讓我們訪問其中的數據，要訪問第i組數據，可以用hdu[1].data[i]，訪問第i組第j個（或者說第i行第j列）數據就是hdu[1].data[i][j]，那么訪問一列的數據怎么辦呢？field可以做到這一點，field就是字段的意思，也就是每一組數據包含的每個數據的代表含義。每個字段都在一列中，因此用field可以訪問某一列的數據。如下圖

 

（后面很長的列表省略掉了）

 

另外，field字段都是有名字的，在data下用names可以查看字段名稱，並且在field（）中輸入鍵值時也可以輸入名稱，下面是例子：

到這里，相信就算沒有基礎的同學也可以把FITS文件里的數據拿出來進行處理了。當然我也並沒有熟練掌握，只是有着和其他初學者一樣的疑惑，更明白大家剛接觸這些東西時需要了解什么，希望能幫到大家。謝謝。

轉載：http://blog.sina.com.cn/s/blog_cfb724900102uz4p.html