中国虚拟天文台
—— 任务、特点、方案
四百年前伽利略首次把望远镜指向天空，结束了人类一直用肉眼进行天文观测的历史。一百五十年前，照相技术和光谱技术开始在天文观测中应用，单纯以人眼作为天文探测器的时代结束，天体物理学诞生并发展成为现代天文学的主流。五十多年前，在第二次世界大战中得到蓬勃发展的无线电技术使得天文学家的视野超出了可见光，射电天文学诞生。此后不久宇航时代到来，空间天文学诞生，人类对宇宙的观测扩展到了伽马射线、X射线、紫外和红外波段。
从二十世纪九十年代开始，天文学正经历着革命性的变化。这一变化是由前所未有的技术进步推动的，即望远镜的设计和制造、大尺寸探测器阵列的开发、计算能力的指数增长以及互联网络的飞速发展。
望远镜技术的进步使得人类可以建造大型的空间天文台，为伽玛射线、X射线、光学和红外天文的发展开辟了新的前景，同时也推动了新一代的大口径地面光学望远镜和射电望远镜的建造。现在，天文学家们正在计划建造功能更好口径更大的空间和地面望远镜，并将配备尺寸更大象素更多的探测器。随着众多先进的地面与空间天文设备的投入使用，大规模的观测数据正在产生，例如目前哈勃空间望远镜每天大约产生50亿字节的数据，我国正在建造的LAMOST望远镜也将产生每天30亿字节的数据，美国计划建造的“大口径巡天望远镜”将会达到每天10 万亿字节的量级！目前，世界天文学数据量增倍的周期已经缩短到一年以内。
使天文学研究发生重大变化的另一个技术进步是快速互联网技术，这使得异地天文数据的交换和处理成为可能，使得观测数据具有巨大的科学产出的潜在意义。
在这样的情况下，美国国家科学院天文学及天体物理学发展规划委员会在题为“新千年的天文学和天体物理学”的十年发展规划中把建立国家虚拟天文台作为优先推荐项目。
虚拟天文台的概念提出后各国天文学界迅速响应，纷纷提出了各自的虚拟天文台计划。当前国际上已经得到资金支持的主要计划有美国国家虚拟天文台（简称NVO）、欧盟天体物理虚拟天文台（简称AVO）、英国天文网格（简称AstroGrid）。正在积极推动的虚拟天文台计划主要有澳大利亚虚拟天文台、印度虚拟天文台、俄罗斯虚拟天文台、意大利虚拟天文台、加拿大虚拟天文台等。
由欧洲南方天文台（简称ESO）、欧洲空间局（简称ESA）、美国宇航局（简称NASA）和美国国家科学基金会（简称NSF）共同资助的“通向国际虚拟天文台之路（Toward an International Virtual Observatory）”国际天文研讨会于2002年6月在德国召开。会议期间，以NVO、AVO、AstroGrid为首提出了成立国际虚拟天文台联盟（简称IVOA）的倡议，阐述了IVOA的历史使命并提出了相应的行动方案。
虚拟天文台工作原理
巡天，就是对整个天区进行观测、普查。如果利用伽马射线巡天、X射线巡天、紫外巡天、光学巡天、红外巡天和射电巡天所得到的观测数据，用适合的方法对数据进行统一规范的整理、归档，便可以构成一个全波段的数字虚拟天空；而根据用户要求获得某个天区的各类数据，就仿佛是在使用一架虚拟的天文望远镜；如果再根据科学研究的要求开发出功能强大的计算工具、统计分析工具和数据挖掘工具，这就相当于拥有了虚拟的各种研究设施。这样，由数字虚拟天空、虚拟天文望远镜和虚拟研究设施所组成的机构便是一个独一无二的虚拟天文台（如图1所示）。
建设中国虚拟天文台的必要性
目前，国际虚拟天文台（简称IVO）正处于起步阶段，中国天文界以及作为中国天文界唯一大科学工程的LAMOST项目应该积极参与，从一开始就把自身融入到这股将为天文学带来一场新的革命的浪潮中。
中国虚拟天文台（简称China-VO）的建设是非常必要的。
1. 只有加入国际虚拟天文台联盟，才能以平等的身份全方位共享IVOA的技术与资源。
2. 建设China-VO是实现LAMOST、BATC巡天等我国自产数据与IVO数据融合的最佳途径。
3. 建设China-VO可以培养一批与IVO相适应的天文学家和技术人才，为未来中国天文学的发展提供智力支持。
4. 可以利用IVO丰富的资源加强教育和科学普及工作，提高我国公众的科学素质。
大样本光谱巡天是LAMOST工程的本质特点，把LAMOST建成为“VO-oriented LAMOST”不但是LAMOST本身的需要，也将是中国对世界天文的重大贡献。它的观测数据将成为China-VO的基础，为国际虚拟天文台和天文学的发展做出贡献。
图2 VO-enabled LAMOST
China-VO基本体系结构
从目前IVO的发展趋势以及IT领域的技术动向来看，层次式的体系结构将是未来网格技术发展、WEB服务以及IVO体系结构的主流。China-VO的基本体系框架将如图3所示。
图3 China-VO基本体系结构
构造层是整个虚拟天文台系统的资源基础，其中包括各种数据资源、计算资源、网络资源、存储资源等。这里China-VO将充分利用中科院科学数据库的现有数据资源和数据存储资源，以及中国科研网的网络资源。资源层将采用符合开放网格服务架构标准的网格系统，比如Globus Toolkit为基础，配合其他网格系统服务工具，利用标准的数据模型和服务模型，通过抽象化实现统一的数据访问和统一的计算访问以及网格系统管理等功能。汇集层包括最能体现天文特色的各种VO服务，比如数据处理、数据挖掘、统计分析、可视化等应用服务。用户层，也就是虚拟天文台门户（简称VOP），是虚拟天文台体系的最高层，直接与虚拟天文台用户接触。用户层的基本职能是用户任务提交和处理结果返回。根据用户类型的不同，比如天文学家、其他学科科研人员、大学生、理科教师、天文爱好者、中小学生、网络冲浪儿等，VOP将提供相应的任务提交界面和结果显示方式。对于职业天文学家，VOP将提供最为全面、高级、可自定义的任务提交界面，处理结果的返回方式也可以让天文学家最大限度的进行定制。对于有较高科技知识基础的用户，比如其他学科的科研人员、大学生和理科教师，VOP将在任务提交、结果返回方式的选择上提供一定的自由度，同时提供与这些用户知识水平相适应的辅助工具和资料文档。具有一般知识水平的普通大众可能会在数量上占据虚拟天文台用户的多数，不过这些用户对虚拟天文台的功能要求相对简单。为了让普通公众也能理解高深的天文学，VOP将提供各种可视化工具和友好的人机界面，把观测数据和处理结果生动的、以公众乐于接受的形式提供给这些用户。
特色与挑战
相对于欧美这些科技强国而言，China-VO无论从科技上还是人财物资源上都存在一定差距。China-VO必须按照“有所为有所不为”的指导思想，挖掘自身潜力，建设出自己的特色。
科学上，China-VO将采用与LAMOST项目紧密结合的方式，充分发挥LAMOST光学光谱数据中心的作用，建设“VO-oriented LAMOST”，使光谱数据及其相关处理技术成为China-VO的核心与特色。
技术上，China-VO必须最大程度的集中国内各天文研究机构、IT研究机构和数学等相关领域的人才资源，共同努力实现目标。
此外，China-VO必须采用开放的运作方式，与国际上各虚拟天文台计划开展充分的合作，在IVOA中发挥积极作用。
IVO的提出与发展离不开计算机与网络技术的直接推动，但同时也为IT技术提出了挑战，比如分布式多数据库联合查询、分布式异构数据的互操作性、大规模多维数据统计分析与可视化、授权认证管理等等。为了实现以“VO-oriented LAMOST”为特色的China-VO，除了IVO共同面临的这些挑战，我们还必须解决下面一些问题。
1. 海量多光纤光谱观测数据的自动处理；
2. 光纤光谱谱线的自动提取；
3. 光谱自动分类；
4. 光谱红移的自动测量；
5. 光纤光谱数据与其它类型天文数据的融合；
6. 光谱数据的可视化。
由于我国是一个非英语国家，按照语言习惯，中国虚拟天文台的用户可分为英文用户和中文用户两大群体。一方面，为了融入IVO大家庭，为国际用户提供服务，China-VO必须把现有的中文文献资料、观测数据转化为英文并提供相应的英文用户界面，即“国际化”。另一方面，为了防止因为语言障碍而把国内广大用户挡在门外的现象出现，China-VO必须承担起把丰富的英文资源转化为中文的使命并同时提供相应的中文用户界面，即“本地化”。