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《山东大学》 2011年
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天文信息自动处理及目标检测的研究

潘景昌  
【摘要】:宇宙的形成、发展和演化是人类永恒的研究课题。宇宙包含了所有的空间、时间、物质和能量。对于宇宙的研究水平,标志着一个国家在科技发展中的位置,对自然科学的众多学科有着特殊的重要意义,也是当代科学技术,特别是尖端空间技术发展的巨大推动力。 天文学研究的途径在光学波段主要有两种:天体光谱和天文图像。前者是一维数据,后者是二维数据,二者之间联系密切。光谱分析可以定性或定量地测定天体的化学组成,通过直接或间接的方法确定天体的光度、表面温度、直径、质量、视向速度及自转。因此,光谱分析在天文学中占有重要的地位。对天文图像的分析是另一种研究宇宙天体的途径。利用天文图像可以对天体目标的形态结构信息,包括天体的年龄、状态、演变趋势等进行研究,为天文目标观测与研究提供重要的技术支持。 国家大科学项目LAMOST(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)于1997年正式立项,2009年6月通过国家验收,并逐步投入运行。它具有4米口径,可以观测到20.5星等的暗弱天体。在5度视场上可以放置4000根光纤,最多可以同时获得4000个天体的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。LAMOST的观测目标是宇宙中星系与恒星。随着LAMOST的运行,在每个观测夜晚都能够采集万余条光谱,得到的光谱数据量是数十亿字节。因此,在光谱数据的自动识别和分析方面,急需研究海量天体光谱的自动识别与分析方法,包括天体光谱的自动识别、分类以及物理参数自动测量等。 山东大学威海天文台WOSDU (Weihai Observatory of Shandong University)用于搜寻太阳系小行星和超新星巡天。每天会产生大量的天文图像数据。以小行星搜索为例,每天都会拍摄大量的天文图像,图像尺寸为2048x2048×16bit,数据量为8M。要发现新的小行星,首先要在图像中快速检测各个星体,然后根据图像坐标换算成天球坐标,再在星表中进行比对。若发现星表里不存在,则将其作为候选体继续追踪观测,并计算出相应轨道,以便确认是否是新的小行星。由于天文图像数量很大,这一流程涉及到大量的处理工作,而天体目标检测就是一个重要的步骤。图像识别中,准确度和速度成为主要的指标。如何快速有效地识别图像中的天体便成为我们研究的一个课题。由此可见,海量天文图像的快速及有效的处理,向计算机信息技术提出了迫切的需求,同时,天文数据所具有的海量性和开放性也为计算机信息技术展开了一个重要的研究和应用领域。对这些海量数据及时有效的处理,需要借助于图像处理、数据挖掘、信号处理等多项现代信息处理技术。 本课题利用数据挖掘、图像处理、人工智能、信号处理等先进的信息技术,在国家自然基金项目的支持下,以LAMOST与WOSDU的天文数据为研究和应用背景,针对天文数据的预处理、天文图像的目标检测、高维天体光谱数据的自动分类、稀少天体的数据挖掘等若干关键问题展开研究,设计和验证了一系列有效的算法,并开发出可供LAMOST使用的天体光谱自动识别与分析系统。本研究属于天文和信息交叉学科的研究,是将最新的计算机信息技术在天文领域的一项具体的应用,以期在天文研究中取得新的科学成果。因此,本课题的研究具有非常好的理论和应用价值。 本课题研究的内容包括四个方面:(1)天文数据预处理及发射线识别;(2)图像的目标检测;(3)天文光谱的自动分类;(4)稀少天体的数据挖掘。 针对上述关键问题,开展了如下的研究和创新工作: 首先是天文光谱去噪的研究。通过望远镜观测到的一维光谱数据在探测阶段因噪声而受到影响,导致信噪比降低,因而去噪工作非常重要。作为信号估计的一个组成部分,去噪问题一直在信号处理领域被广泛研究。信号降噪的目的是从被加性噪声污染的信号中还原原始信号。在过去的二十多年中,许多研究集中在使用小波变换去除噪声。已经提出了许多基于正交小波的阈值规则。然而,正如Coifman和Donoho指出的,基于正交小波的去噪算法在不连续信号的邻域中会表现出伪吉布斯现象。因此他们提出了一种平移不变的降噪模式来减少这种影响。另外,就均方根误差和信噪比而言,相对于非冗余的信号表示,冗余的信号表示显示了相当好的优越性。因此,这种平移不变的冗余转变是非常适合于光谱信号的降噪的。Kingsbury提出的双树复小波变换是冗余而且近似于平移不变的。本文提出一种基于双树复小波变换(DTCWT)的光谱降噪算法,该算法处理的光谱具有更高的信噪比和光谱质量。针对天文光谱的预处理,本文研究了基于双树复小波变换的自适应降噪方法。该方法利用最大后验估计理论来对复小波系数进行自适应收缩,在保护谱线等重要信息的前提下,抑制噪声和伪吉布斯现象,提高去噪算法运行效率,为光谱的后续处理提供了有效的工具。此外,我们还进行了具有发射线恒星的自动检测研究。恒星光谱一般具有明显的吸收线或者吸收带特征,而具有发射线的恒星光谱对应着特殊类型的恒星,如激变变星、Herbig Ae/Be等。对这些光谱的后续研究有着重要的意义。本文提出了一种能够自动识别发射线恒星光谱的方法。该方法首先对光谱进行连续谱归一化,然后通过比较谱线对应的流量及其邻域流量的均值和标准差,来判断是否存在发射线。对SDSS DR8大样本数据的实验表明,该方法能够完整、准确地识别发射线恒星。而且,由于该方法不涉及复杂的变换和运算,因而识别速度非常快,可用于诸如LAMOST、SDSS这样大型光谱巡天项目中发现发射线恒星光谱。 其次,是天体目标的检测。在天文研究中,通过天体观测而得到的CCD图像(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)通常以FITS文件(Flexible Image Transport System)格式存储。每幅图像都很大,可以达到8M或更大。此外,通过连续观测而得到的这类图像的数量又是非常大的,因此如何对这些图像进行实时的处理是非常重要的,也是具有挑战性的。而天体的检测又是天文图像处理的一个重要步骤。本文设计并实现了基于空域的天文图像目标检测方法。利用递归方式,设计并实现了扫描加速器。实验表明,该算法大大提高了目标检测速度,实现了对目标的快速准确的检测并可获得目标的多个参数,同时建立了天球三维模型,可以根据指定天区,对满足一定条件的恒星从星表数据库中进行检索,然后在三维天球坐标系中形象地显示其分布,实现了星表查询结果的三维可视化。 再次,对于高维光谱数据分类研究。随机森林是一种高效、稳定的算法,和其他算法相比在效率和准确率上具有一定的优势。随机森林中计算效率和准确率,受树的个数和随机属性的个数影响。在保证训练时间和准确率的情况下,选择适当的阂值,可以使训练时间最短准确率最高。合适的树的个数阈值会在保证准确率的基础上,使训练时间最短;而合适的随机属性的个数会使得训练的时间最短。而阈值是和数据相关的,阈值选取的好坏直接影响效率和准确率。本文提出了利用遗传算法优化随机森林分类参数的模式。利用该模式可以快速地确定随机森林进行光谱分类时所需的关键参数,从而改变了传统单纯凭经验设定随机森林分类参数的方式,提高了分类算法的自动化和智能化程度,提高了分类准确率,减少了分类器训练时间。 最后,针对激变变星的搜寻,提出了利用PCA降维与BP人工神经网络相结合的稀少天体的数据挖掘方法。利用PCA降维,大大减少了高维光谱数据的维度空间,然后利用BP人工神经网络进行筛选,提高了激变变星搜寻的准确率,减少了模型训练时间。实验证明,该方法对于发现特殊天体是行之有效的。该方法不仅对激变变星适用,对于其它类别的特殊天体也是适用的。该方法可极大地减少人工处理的工作强度和时间。由于速度快,基本可满足LAMOST光谱数据的准实时处理。如果具备并行数据处理环境,还可以使数据的输入、降维、挖掘等操作同时进行,提高科学成果的产出率。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP391.41

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 姜斌;潘景昌;郭强;衣振萍;;PCA和相融性度量在聚类算法中的应用[J];电子科技大学学报;2007年06期
2 彭嘉雄,周文琳;红外背景抑制与小目标分割检测[J];电子学报;1999年12期
3 张兵,卢焕章;动态规划算法在运动点目标检测中的应用研究[J];电子与信息学报;2004年12期
4 韩建涛;张月;陈曾平;;天文图像序列中弱目标的实时检测算法[J];光电工程;2005年12期
5 周卫祥,孙德宝,彭嘉雄;红外图像序列运动小目标检测的预处理算法研究[J];国防科技大学学报;1999年05期
6 覃冬梅,胡占义,赵永恒;一种基于主分量分析的恒星光谱快速分类法[J];光谱学与光谱分析;2003年01期
7 朱光华,罗阿理,赵永恒;LAMOST星系光谱的红移自动测量[J];光谱学与光谱分析;2005年06期
8 赵瑞珍;胡占义;胡绍海;;天体光谱信号去噪的小波域复合阈值新算法[J];光谱学与光谱分析;2007年08期
9 刘中田;邱宽民;赵瑞珍;;基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法[J];光谱学与光谱分析;2008年06期
10 刘中田;邱宽民;杨金福;;基于谱线检测的发射线星自动识别方法[J];光学学报;2008年06期
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1 郭强;基于剪切波变换的图像统计模型及其应用研究[D];上海大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 尤育赛;关于数字图像处理在运动目标检测和医学检验中若干应用的研究[D];浙江大学;2005年
2 冯毅;基于独立分量分析的运动目标检测与跟踪[D];大连理工大学;2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李祥阳;严洁;;往复机构混沌振动响应特征辩识[J];四川有色金属;2010年02期
2 蔡坤琪;;基于相关鉴别分析和随机森林的人脸识别方法[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2012年01期
3 苏赋;杨文淑;徐智勇;;红外小目标小波多尺度相关检测方法[J];半导体光电;2007年04期
4 王会峰;刘永奎;汪大宝;;基于小波和Zernike矩的标尺靶亚像素检测算法[J];半导体光电;2010年06期
5 林祥果;;基于Gabor小波特征的人脸识别算法研究[J];北方工业大学学报;2010年01期
6 陈景年;黄厚宽;杨莉萍;田凤占;;基于分布不完整数据选择性分类器[J];北京交通大学学报;2008年02期
7 陈景年;黄厚宽;徐力;伊传环;;利用增益率构建混合型选择性不完整数据分类器[J];北京交通大学学报;2009年05期
8 王文星;高传昌;;井下低压电力线多载波通信系统的小波基选择[J];北京交通大学学报;2010年02期
9 王中锋;王志海;付彬;;贝叶斯网络分类器结构与变量分布的差异性分析[J];北京交通大学学报;2011年02期
10 王孝洪,刘伟;基于小波包分解的遥感图像压缩方法[J];兵工自动化;2004年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 程泽凯;泰锋;;贝叶斯网络分类器结构学习:基于启发式的G2算法[A];2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集[C];2005年
2 杨波;秦锋;程泽凯;;一种新的分类学习系统评估度量[A];2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集[C];2005年
3 赵越岭;王英丽;;基于粗糙集感应电动机故障诊断决策规则分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
4 ;Gas Thickness On-line Monitoring Instrument Design Based on BP Neural Network[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 ;Fault Diagnosis Based on Bayesian Networks for the Data Incomplete Industrial System[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
6 贾少春;胡秀珍;;A Method of Predicting theβ-hairpin Motifs in Proteins[A];第四届全国生物信息学与系统生物学学术大会论文集[C];2010年
7 李胜朋;王洪礼;冯剑丰;;基于不连续回归树的最大李雅谱诺夫指数计算方法[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
8 段培超;;基于小波变换和CB形态学的航空图像边缘检测[A];图像图形技术与应用进展——第三届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2008年
9 赵振磊;耿则勋;王兰;闫兆婵;;基于自适应递归LPA-ICI的图像去噪算法[A];图像图形技术研究与应用2009——第四届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2009年
10 尉宇;岑翼刚;孙德宝;梁瑞麟;;缓变的长线性调频信号的低信噪比检测[A];第十一届全国信号处理学术年会(CCSP-2003)论文集[C];2003年
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1 于化龙;基于DNA微阵列数据的癌症分类技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王婷;EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 刘家国;基于突发事件风险的供应链利益分配与行为决策研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 王咏胜;复数轮廓波变换的构造、扩展及其图像处理应用[D];哈尔滨工程大学;2009年
5 孟宇龙;基于本体的多源异构安全数据聚合[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 李书艳;单点氨基酸多态性与疾病相关关系的预测及其机制研究[D];兰州大学;2010年
7 韩守东;纹理建模与图切分优化方法研究[D];华中科技大学;2010年
8 姚志明;基于步态触觉信息的身份识别研究[D];中国科学技术大学;2010年
9 王晓明;基于统计学习的模式识别几个问题及其应用研究[D];江南大学;2010年
10 汤义;智能交通系统中基于视频的行人检测与跟踪方法的研究[D];华南理工大学;2010年
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1 马冉冉;集成学习算法研究[D];山东科技大学;2010年
2 田键;磁粉检测系统中图像增强的方法研究[D];长春理工大学;2010年
3 石国强;基于规则的组合分类器的研究[D];郑州大学;2010年
4 吴国曾;实时信号小波分析中边界处理方法及应用[D];郑州大学;2010年
5 陈松峰;利用PCA和AdaBoost建立基于贝叶斯的组合分类器[D];郑州大学;2010年
6 李焕;基于视频的车辆测速系统研究[D];郑州大学;2010年
7 雷斌;基于Java技术的智能化搜索引擎的研究与设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 刘奎凤;基于图论的图像谱分割技术[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 李红;数据挖掘中特征选择与聚类算法研究[D];大连理工大学;2010年
10 李海燕;互信息特征选择的研究及在代谢组学中的应用[D];大连理工大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨忠,陶青川,何小海;基于最短距离的细胞图像分离[J];成都信息工程学院学报;2004年03期
2 彭嘉雄;图象的二值化与边缘抽取技术[J];电信科学;1986年10期
3 彭嘉雄,周文琳;红外背景抑制与小目标分割检测[J];电子学报;1999年12期
4 张贤达,保铮;盲信号分离[J];电子学报;2001年S1期
5 张泽旭,李金宗,李宁宁;基于光流场分割和Canny边缘提取融合算法的运动目标检测[J];电子学报;2003年09期
6 张航,罗大庸;一种改进的全变差盲图像复原方法[J];电子学报;2005年07期
7 常发亮;马丽;刘增晓;乔谊正;;复杂环境下基于自适应粒子滤波器的目标跟踪[J];电子学报;2006年12期
8 刘中田;李乡儒;吴福朝;赵永恒;;基于小波特征的M型星自动识别方法[J];电子学报;2007年01期
9 周妍;胡波;张建秋;;基于粒子滤波器和风险决策跟踪遮挡目标的方法[J];电子学报;2007年02期
10 周虹,黄凌云,罗曼丽;一种基于Hough变换和神经网络的分层类星体识别方法[J];电子科学学刊;2000年04期
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 陈尚锋;基于加权动态规划的小目标检测算法研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
2 吉文华;医学显微图像工作站的设计与开发[D];浙江大学;2004年
3 刘圆圆;医学显微图像工作站中的彩色图像处理[D];浙江大学;2004年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;新书介绍[J];天文爱好者;1994年06期
2 张林忠;紫金山天文台图书馆“国际交换”现状[J];紫金山天文台台刊;1998年04期
3 艾国祥;温馨的回顾 殷切的期望[J];中国科学基金;2002年02期
4 ;书讯[J];中国哲学史;2004年03期
5 马品仲;激光在大型天文望远镜中的应用[J];红外与激光工程;1994年06期
6 黄逸梅;谁来解开“天文蛋”之谜[J];发明与创新;2005年02期
7 ;新书介绍[J];天文爱好者;2000年05期
8 ;山东明天信息产业集团董事长吴天文被聘为我校兼职教授[J];西安电子科技大学学报;2000年02期
9 曹宇红;名人相册──戴文赛[J];档案与建设;2000年05期
10 丁海斌;明清时期的天文档案工作[J];兰台世界;1995年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 姚传森;;关于建立中国天文博物馆的见解[A];北京博物馆学会首届学术讨论会文集[C];1987年
2 李维保;;云南少数名族天文挖掘[A];中国天文学会2011年学术年会手册[C];2011年
3 刘勇;;航海学(天文)教学中的几点探索[A];海船进江与航行安全保障论文集[C];2003年
4 许卫红;王锐;;对秦始皇陵地宫“天文、地理”的再讨论[A];秦文化论丛(第十辑)[C];2003年
5 吉春生;史德;姜璐;;便携式自基准天文定位仪研究[A];中国航海学会2000年度学术交流会优秀论文集[C];2000年
6 吴鑫基;张晋;王娜;艾力·伊;孙正文;王维侠;艾力·玉;;乌鲁木齐天文站脉冲星观测研究新进展[A];新世纪天文发展方向研讨暨中国天文学会第二届学术大会论文集[C];2002年
7 孙莉;杨玉孔;冷悦;;机载天文/惯性导航技术与应用[A];2011船舶电气及通讯导航技术发展论坛论文集[C];2011年
8 康绍军;朱世红;;商丘2003年夏涝及其预测[A];推进气象科技创新加快气象事业发展——中国气象学会2004年年会论文集(下册)[C];2004年
9 汪华祥;王娜;邹伟贞;;乌鲁木齐天文站脉冲星观测研究进展[A];中国天文学会高能分会2004年学术年会论文集[C];2004年
10 屈信军;张新;王小飞;;“天文动力结构分析方法”与自然灾害预测[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
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1 实习生 张炜;毛亚宁获全国天文奥赛一等奖[N];固原日报;2009年
2 记者 白俊峰;黄兴国会见泰国国务部长李天文[N];天津日报;2009年
3 演讲人:孙小淳;天人之际:中国古代的天文[N];人民政协报;2009年
4 本报记者 李万刚;天文专家质疑新世纪第一缕阳光[N];大众科技报;2000年
5 记者 李思娴;云南秘密研制“天文地动仪”[N];昆明日报;2010年
6 记者 吕宁丰 实习生 周梦源;天文大潮今起通过南京[N];南京日报;2010年
7 记者 高振发 通讯员 李呈祥;兴隆将建全国最大国家天文科普城[N];河北日报;2010年
8 杜恒;天文教授何香涛[N];围棋报;2005年
9 ;天文学术奏响科学发展强音[N];科学导报;2009年
10 记者 钱荣;柴达木盆地将建西北最大天文科普园[N];人民日报海外版;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陶磊;《淮南子·天文》研究[D];中国社会科学院研究生院;2002年
2 潘景昌;天文信息自动处理及目标检测的研究[D];山东大学;2011年
3 陈昭吟;早期道经诸天结构研究[D];山东大学;2006年
4 甄鹏;清朝道士李明彻及其科学成就研究[D];山东大学;2006年
5 马莉萍;中国古代交食的宿度记录及其算法[D];中国科学院研究生院(国家授时中心);2007年
6 刘睿;飞行器惯性/地磁/天文组合导航系统研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
7 刘忠;天文图象高分辨重建及空域性质研究[D];中国科学院研究生院(云南天文台);2003年
8 冯振勇;用羊八井二期/加密阵列数据寻找3~10TeV能区的宇宙伽玛暴[D];西南交通大学;2001年
9 廉松心;十八世纪中朝文化交流研究[D];中央民族大学;2004年
10 赵贞;唐五代星占与帝王政治[D];首都师范大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘瑞斌;天文用光纤特性研究[D];长春理工大学;2002年
2 吴家骥;天文数字图书馆实验研究[D];中国科学院陕西天文台;2001年
3 周凤玲;《说文解字》与古代天文学[D];内蒙古师范大学;2003年
4 张仙玲;天文光干涉与光学综合孔径图像重构技术研究[D];南京理工大学;2004年
5 王若璞;新型大地天文测量系统工程化研究[D];解放军信息工程大学;2004年
6 邵扬;解读汉代画像石中的龙图像[D];扬州大学;2007年
7 陆迪笙;天文野外观测实时通信系统研究与设计[D];北京邮电大学;2011年
8 林京;天文高分辨像复原技术检测地基天文光学望远镜成像质量[D];中国科学院研究生院(云南天文台);2003年
9 张倩;《两汉书》引《春秋》研究[D];河北师范大学;2009年
10 杨华;《周髀算经》及赵注文献、数学词汇及训诂术语研究[D];四川师范大学;2007年
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