收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 周烨林;;商业类天文题材首饰的艺术形式探究与实践[J];设计艺术研究;2021年06期
2 杨荟卉;;浅谈音乐和天文之间的关联以及关注二者对于人生的积极影响[J];大众文艺;2021年24期
3 唐一平;;天文社团观测活动和学生地理实践力培养[J];地理教学;2019年08期
4 卫茂淳;;仰望者的天文之旅[J];文艺研究;2021年07期
5 田晓媛;张玉坤;;杆的天文特性与建筑“尚中理念”的天文探源[J];建筑学报;2021年S1期
6 彭天文;;彭天文作品[J];江苏陶瓷;2018年06期
7 李树锋;;在高校开设宇宙探索天文选修课的教学实践与思考[J];中国现代教育装备;2017年03期
8 方陶陶;;走向2030:中国空间天文的发展与展望[J];人民论坛·学术前沿;2017年05期
9 黄建伟;;高中天文教育4.0的研究——广东实验中学35年高中天文教育探索路[J];广东教育(综合版);2021年12期
10 王煜;;学天文的浪漫,在你意料之外[J];新民周刊;2021年12期
11 ;天文之问[J];大众科学;2021年05期
12 淇淇;吕忱;;古印度的数学与天文[J];儿童故事画报;2019年39期
13 邓锡辉;;借助信息积累 培养学生天文素养[J];北京教育(普教);2010年06期
14 ;天文爱好者[J];知识就是力量;2018年10期
15 吴娟,乔翠兰,郑小平;天文教育网站设计的实践探索[J];北京师范大学学报(自然科学版);2005年03期
16 张历才;如何提高少儿的天文科学素质[J];青海师专学报;1999年S1期
17 ;北京天文館的建筑装飾[J];装饰;1959年05期
18 覃西;心系苍穹——走近中国天文爱好者[J];知识就是力量;2005年01期
19 朱进;;以天会友——祝贺尊敬的《天文爱好者》杂志出刊300期[J];天文爱好者;2006年04期
20 开阳;;让星光照亮世界——学校社团路边天文经验谈[J];天文爱好者;2008年05期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 郑小平;;湖北及武汉天文的现状与未来[A];中国天文学会2016年学术年会摘要集[C];2016年
2 史静思;;中小学天文教育的实践经验分享[A];中国天文学会2015年学术年会摘要集[C];2015年
3 付建宁;;实践教学在天文教育中的作用[A];中国天文学会2011年学术年会手册[C];2011年
4 宁长春;;在西藏大学建立天文科普教育基地的重要意义[A];中国天文学会2011年学术年会手册[C];2011年
5 胡光宇;;天文事业促进地方绿色协调发展[A];第十五届中国科协年会——500米口径球面射电望远镜与地方发展论坛文集[C];2013年
6 苏明俊;;台湾"天文教育"的刍议[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
7 崔辰州;;宇宙驿站-中国天文网络基地[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
8 张元东;王瑞琴;;中国大陆青少年天文科技活动教材的若干问题[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
9 刘佳能;;天文摄影自助餐[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
10 苏宜;;天文选修课的喜与忧[A];2013中国天文学会学术年会文集[C];2013年
11 孔令军;;苏州天文三十年[A];2013中国天文学会学术年会文集[C];2013年
12 陈辉桦;;天文教育资讯网建置之探索[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
13 马松寿;张惠兰;孙浩捷;;浅谈新疆地区群众性天文科普活动[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
14 许玉梅;;浅谈如何引导学生走进天文科学[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
15 许文;虞阳;;天文科学校本课程——在天文活动中深化推广[A];中国科普理论与实践探索——第二十一届全国科普理论研讨会论文集[C];2014年
16 梅苞;;关于天文教育的再思考[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
17 高兴;;城市天文小组的观测项目[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
18 吉羲艳;;广东天文事业的历史发展与现状分析——寻找广东天文的新坐标[A];2006粤港澳天文研究与天文教育研讨会论文集[C];2006年
19 曹晨;;全国大学生天文创新竞赛[A];中国天文学会2015年学术年会摘要集[C];2015年
20 梁援利;虞阳;;“遨游太空之夜”—天文普及活动的一种好形式[A];第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 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
2 陶磊;《淮南子·天文》研究[D];中国社会科学院研究生院;2002年
3 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
4 彭波;天文数据处理中硬件加速机制的关键技术研究[D];中国科学技术大学;2016年
5 陈杰;天文成像系统中的若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2017年
6 曾立元;基于数据挖掘的岭南罗氏妇科代表性传承人崩漏诊治规律研究[D];广州中医药大学;2019年
7 姜彦;正则化方法在数据挖掘中的应用与研究[D];湖南大学;2015年
8 马昱欣;结合可视化与数据挖掘的数据分析方法探究[D];浙江大学;2017年
9 李雄;单核苷酸多态性数据挖掘方法及其应用研究[D];湖南大学;2015年
10 董瑶;基于统计分析与数据挖掘的智能优化预测研究及应用[D];兰州大学;2015年
11 黄柏文;基于数据挖掘的徐力教授治疗晚期肺癌经验总结及常用药对实验研究[D];南京中医药大学;2019年
12 吴少智;时间序列数据挖掘在生物医学中的应用研究[D];电子科技大学;2010年
13 刘蓉;模式识别方法在天体光谱自动处理中的应用[D];西安电子科技大学;2005年
14 杨虎;序列数据挖掘的模型和算法研究[D];重庆大学;2003年
15 尤伟;深空探测天文测速导航多矢量融合机理与估计方法[D];哈尔滨工业大学;2020年
16 李亮亮;基于非下采样剪切波变换的图像增强算法研究[D];吉林大学;2019年
17 朱若华;忆阻器集约模型及其信息处理应用研究[D];武汉大学;2019年
18 陈杰;基于色彩信息的图像增强研究[D];南京邮电大学;2017年
19 张宪红;基于动力系统的图像增强与分割算法及在林火遥感中应用[D];东北林业大学;2017年
20 丁畅;复杂海况环境下海面图像增强方法研究[D];大连海事大学;2018年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 谢清凤;北宋天文控制研究[D];河南大学;2017年
2 张林;《天文爱好者》杂志在20世纪50-60年代的发展、评述及影响[D];首都师范大学;2013年
3 陆荣贵;国内天文领域的民间爱好者研究[D];中国科学院研究生院(上海天文台);2007年
4 唐娜;北宋初期天文之禁研究[D];辽宁大学;2015年
5 张蝶;关于中国古代天文文献的基础研究[D];辽宁大学;2011年
6 房志坚;天文异常现象的在线检测与离线挖掘系统设计与实现[D];山东大学;2020年
7 田晓媛;柱(杆)的建筑天文特征及其相关文化研究[D];天津大学;2014年
8 薛丽芳;汉赋天文元素研究[D];河北师范大学;2016年
9 林鸿志;研学旅行中的高中天文实践活动设计与实施[D];福建师范大学;2020年
10 杨让泓;基于多元智能的天文活动校本课程开发研究[D];云南师范大学;2019年
11 袁智;天文选址自动系统中数据采集与远程监测关键技术研究[D];昆明理工大学;2016年
12 段慧娟;杜甫诗中的天文意象研究[D];河南大学;2013年
13 刘珏琪;天文信息学中数据挖掘方法的研究[D];南昌大学;2020年
14 武兵;初中天文科普活动中信息技术的应用研究[D];山东师范大学;2012年
15 刘高潮;虚拟天文台天文教育平台研究[D];华中师范大学;2005年
16 杨雪;基于TPACK视角的青少年天文科普课程设计研究[D];浙江大学;2020年
17 邵岑;基于OpenStack的天文数据处理私有云的开发研究[D];昆明理工大学;2017年
18 李雨桐;核心素养视角下儿童天文科普课程实践研究[D];浙江大学;2019年
19 杨胜飞;拉萨地区中学生天文科普知识现状调查及对策研究[D];西藏大学;2012年
20 韩永琪;基于图像处理的天文定向装置设计[D];北京理工大学;2015年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 本报见习记者 王珊;天文“航母”在哪启航?[N];中国科学报;2014年
2 记者 王宥力;“青海冷湖天文基地”共建合作更进一步[N];青海日报;2021年
3 记者 周润健 黄江林;京津冀新“气质”,天文爱好者很欢喜[N];新华每日电讯;2021年
4 记者 齐健;世界级天文小镇,邀你一起来“摘星”[N];新华每日电讯;2021年
5 记者 向秋樾;平塘天文小镇:天眼高光“圈粉” 暑期研学火热[N];贵州日报;2021年
6 赵熙熙;天文爱好者发现失联卫星[N];中国科学报;2018年
7 湖北日报全媒记者 柯皓 薛婷 通讯员 曹忠宏;70岁农民痴迷天文50载[N];湖北日报;2019年
8 本报记者 鲁娜;天文旅行:向着星辰宇宙出发[N];中国文化报;2019年
9 记者 索南江措;文国栋赴中国科学院国家天文台对接冷湖天文项目[N];柴达木日报;2019年
10 实习生 程丹 中国青年报·中青在线记者 白皓;“中国天眼”点燃青少年天文热[N];中国青年报;2019年
11 本报实习记者 郭子腾;天文旅游方兴未艾 良性发展任重道远[N];中国旅游报;2019年
12 本报记者 侯潇怡;特色天文小镇运营样本:金融资源天然不足 “中国天眼”喜与痛[N];21世纪经济报道;2018年
13 本报记者 姜业庆;天文小镇这口“锅”是如何被工行煮沸的[N];中国经济时报;2018年
14 本报记者 雷宇;从此,世界天文科技的目光将追随中国[N];中国青年报;2009年
15 本报驻巴西记者 索泓依;天文旅游,智利要领跑世界[N];人民日报;2016年
16 记者 马之恒;自主招生选拔天文“苗子”[N];北京科技报;2012年
17 记者 陈克勤;以色列天文迷呼吁关注光污染[N];光明日报;2009年
18 记者 丛丽娜;中国西部天文选址国际研讨会在拉召开[N];西藏日报;2004年
19 本报记者 林婧;“慧眼”识天文[N];浙江日报;2021年
20 本报记者 戚颖璞 束涵;建筑融天文理念,讲述宇宙之美[N];解放日报;2021年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978