如何将Matplotlib 2D补丁转为Astropy兼容的球面投影补丁？

要实现无扭曲的球面投影椭圆（及其他自定义补丁），目前有两种标准化的原生Python方案，均基于Astropy生态，完全适配WCS变换：

1. 使用regions库（推荐，DS9 Regions原生兼容） #

regions是Astropy官方维护的天文区域处理库，专门解决球面投影下的区域定义与可视化问题，支持包括椭圆在内的多种球面区域类型，完全匹配DS9的Regions功能。

步骤示例： #

from astropy.io import fits
from astropy.wcs import WCS
from astropy.coordinates import SkyCoord
import astropy.units as u
from regions import SkyEllipseRegion
import matplotlib.pyplot as plt

# 读取FITS图像和WCS
with fits.open("your_image.fits") as hdul:
    wcs = WCS(hdul[0].header)
    img_data = hdul[0].data

# 创建球面椭圆区域（中心天坐标、半长轴、半短轴、方位角）
# 示例：中心在(RA=10.0 deg, Dec=45.0 deg)，半长轴30角分，半短轴15角分，方位角45度
center = SkyCoord(10.0, 45.0, unit="deg", frame="icrs")
ellipse_region = SkyEllipseRegion(
    center=center,
    height=u.Quantity(30, "arcmin"),
    width=u.Quantity(15, "arcmin"),
    angle=u.Quantity(45, "deg")
)

# 将球面区域转换为像素空间的补丁并绘制
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection=wcs)
ax.imshow(img_data, origin="lower", cmap="gray")
ellipse_region.to_pixel(wcs).plot(ax=ax, edgecolor="red", facecolor="none", linewidth=2)

plt.show()

2. 手动生成球面椭圆的像素坐标 #

如果需要完全自定义逻辑，可通过在天球上采样椭圆的离散点，经WCS转换为像素坐标后，用Matplotlib的Polygon补丁绘制：

步骤示例： #

import numpy as np
from astropy.coordinates import SkyCoord
from astropy.wcs import WCS
from astropy.io import fits
import astropy.units as u
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Polygon

# 读取WCS和图像
with fits.open("your_image.fits") as hdul:
    wcs = WCS(hdul[0].header)
    img_data = hdul[0].data

# 定义球面椭圆参数
center = SkyCoord(10.0, 45.0, unit="deg", frame="icrs")
semi_major = u.Quantity(30, "arcmin")  # 半长轴
semi_minor = u.Quantity(15, "arcmin")  # 半短轴
angle = u.Quantity(45, "deg")  # 椭圆方位角（从北天极顺时针）

# 在天球切线平面采样椭圆点
theta = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)
x = semi_major.value * np.cos(theta) * np.cos(angle.value) - semi_minor.value * np.sin(theta) * np.sin(angle.value)
y = semi_major.value * np.cos(theta) * np.sin(angle.value) + semi_minor.value * np.sin(theta) * np.cos(angle.value)

# 转换为天球坐标并映射到像素
ellipse_points = center.directional_offset_by(angle, u.Quantity(x, "arcmin"))
ellipse_points = ellipse_points.directional_offset_by(angle + 90*u.deg, u.Quantity(y, "arcmin"))
pix_x, pix_y = wcs.world_to_pixel(ellipse_points)

# 创建Polygon补丁并绘制
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection=wcs)
ax.imshow(img_data, origin="lower", cmap="gray")
ellipse_patch = Polygon(np.column_stack((pix_x, pix_y)), edgecolor="blue", facecolor="none", linewidth=2)
ax.add_patch(ellipse_patch)

plt.show()

关键说明： #

• 普通Matplotlib补丁（如Circle）在像素空间绘制，未考虑球面投影的畸变；上述方法均先在天球坐标系定义区域，再转换为像素坐标，因此能保证投影后无扭曲。
• regions库还支持导入/导出DS9格式的Regions文件，完全满足你复刻DS9功能的需求。
• 手动采样时，增加theta的采样点数（如从100调至200）可让椭圆边缘更平滑。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者aparajito