我们观测到的是太阳上的哪一块？|《科学通报》封面文章学术资讯

来源：科学通报

近期，中国科学院云南天文台季凯帆研究员作为第一作者和通讯作者在《科学通报》2019年第16期以封面文章的形式发表了题为“太阳局部高分辨观测像的日球坐标自动标定”的研究性论文。该文给出了一种高精度太阳局部图像与全日面像自动匹配的算法流程，使得太阳物理学家不用再纠结于自己观测到的太阳数据到底在太阳上的哪一块。

太阳是离我们最近的恒星，使得我们能放大地仔细观察它的细节，研究它的变化。但一般看得越细，意味着图像分辨率就越高，看到的区域往往就越小。比如，中国科学院云南天文台抚仙湖太阳观测基地的新真空太阳望远镜(NVST)就可以分辨小于太阳直径万分之一的细节，但看到的面积却只是太阳的0.5%，以至于经常只见树木不见森林，不知道我们盯着的是太阳上的哪一块。也许你会说，那望远镜上不是有坐标吗？你指向哪里还不知道？可惜的是，只依赖于仪器的参数，精度是远远不够的。但好在虽然NVST是观测树木的，有些太阳望远镜却是专门观测森林的，叫作全日面太阳望远镜，比如在天空中的太阳动力学天文台（SDO）。那么，如果能在森林（全日面）中用图像处理的办法把这棵树（局部高分辨像）找出来，不就可以知道我们看的是哪里了吗？

这种思想其实并不新奇，只是以前大部分太阳物理学家都是靠肉眼找到这棵树，然后把局部像转一转，移一移，拉扯一下，再把它们和全日面像叠加在一起，看看是不是各个细节都配好了。这样一来，既没有精度也没有速度，只是勉强可以用。

计算机图像匹配中的一个非常成功的算法是尺度不变特征变换（SIFT）。介绍这个方法的文章已经被引用好几万次了，但在太阳图像处理上的引用却不多。其中的一个原因是太阳图像太模糊、噪声多，而且图像尺度差异10倍以上，很难找到一些对应的特征点来做图像匹配。但我们发现，通过一系列的图像预处理，然后再采用SIFT，就可以得到意想不到的效果，从而高精度地把局部太阳像配准到全日面图像上去。

图1 经过自动匹配流程处理的局部光球像和全日面像的动画闪烁

图1是经过自动匹配流程处理的一个局部光球像和全日面像的动画闪烁。可以看到，局部图像已经完全找到了其在太阳面上的对应区域，有旋转，有缩放，也有图像中心的平移。

在这基础上，对太阳色球图像进行不同波段的图像匹配工作，这相当于把X光像和人像照片对应起来。一旦匹配好，局部像在全日面上的坐标也就有了。图2是一张NVST色球图像在全日面坐标系定标后的结果显示。这样我们就可以清楚地知道我们到底观测到的是太阳的哪一块。

图2 NVST色球局部高分辨像的全日面标定

一旦知道了观测图像的精确空间坐标，就可以和其他波段的图像在空间位置上对应起来，从而进行多波段数据分析，从多角度来研究太阳这颗对我们影响最大的恒星。

本研究得到了国家自然科学基金的支持。

季凯帆, 刘辉, 金振宇, 等. 太阳局部高分辨观测像的日球坐标自动标定. 科学通报, 2019, 64: 1738-1746

来源：kexuetongbao 科学通报

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