基于全天空圖像和紫外圖像的極光事件檢測與分析.pdf

1、 極光是沿磁力線運(yùn)動的高能帶電粒子沉降到極區(qū)電離層高度時激發(fā)大氣粒子后產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。作為極區(qū)日地物理過程（特別是磁層-電離層相互作用）最具代表性的表現(xiàn)形式，人們通過極光形態(tài)及其演化的系統(tǒng)觀測可以獲得磁層和日地空間電磁活動的大量信息，有助于深入研究太陽活動對地球的影響方式與程度，對了解空間天氣過程的變化規(guī)律具有重要意義。
極光研究是空間物理研究領(lǐng)域的重要方向之一，極光的綜合觀測也成為世界各國極地科學(xué)考察活動的重要科考項(xiàng)目

2、。光學(xué)成像是應(yīng)用最早、使用最廣泛的極光觀測手段，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠得到極光的二維圖像，并且可以實(shí)現(xiàn)對極光的空間運(yùn)動特性進(jìn)行連續(xù)觀測。目前常用的光學(xué)觀測包括基于地面的全天空成像儀（All-sky imager, ASI）拍攝的 ASI 圖像和基于衛(wèi)星的紫外成像儀（Ultra-violet imager, UVI）拍攝的UVI圖像。隨著極光系統(tǒng)觀測的開展，海量的極光圖像數(shù)據(jù)在逐年累加，如何高效分析和利用這些數(shù)據(jù)成為各國極光物理研究人員亟待解決的

3、一個問題。
本文針對傳統(tǒng)人工分析費(fèi)時費(fèi)力以及少量事件分析得出的結(jié)論普適性不強(qiáng)等問題，研究海量極光圖像的自動分析方法?；谖覈睒O黃河站的高分辨率 ASI觀測圖像，重點(diǎn)分析了極光形態(tài)分類和極向運(yùn)動事件檢測兩個典型問題；基于Polar 衛(wèi)星的全域視角 UVI 圖像，重點(diǎn)研究了亞暴起始時刻檢測和極光卵邊界位置建模兩個熱點(diǎn)問題。本文提出了多種極光圖像的表征、分類和檢測方法，取得的主要研究成果有：
(1) 考慮到極光特

4、征隨時間動態(tài)演變的特點(diǎn)，提出了一種基于隱馬爾可夫模型（HMM）的極光動態(tài)特征描述和分類方法。該方法首先采用局部二值模式(LBP)算子提取ASI極光圖像的空間紋理信息，然后采用 HMM 對所獲得的LBP特征序列進(jìn)行建模表征，兼顧了極光的空時二維信息。由于極光演化過程速度多變，極光序列的長度有長有短，為此本文引入仿射歸一化對數(shù)似然函數(shù)，解決了不等長圖像序列的HMM建模問題。利用該方法對北極黃河站2003-2009 年的越冬ASI觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行

5、了極光形態(tài)的有監(jiān)督分類和分布規(guī)律統(tǒng)計，結(jié)果表明，相比基于靜態(tài)單幀ASI圖像的分析方法，基于圖像序列的分析方法具有更高的分類準(zhǔn)確率和更好的魯棒性。
(2) 極向運(yùn)動是一種典型的極光事件，本文提出了一種基于ASI圖像序列的極向運(yùn)動極光事件自動識別方法。該方法首先采用塊匹配算法、方向編碼機(jī)制及直方圖統(tǒng)計技術(shù)對相鄰幀間的極光運(yùn)動情況進(jìn)行估計，然后采用HMM對極光運(yùn)動特征向量進(jìn)行建模和相似度表征；最后采用支持向量機(jī)（SVM）進(jìn)行二分

6、類，找出極向運(yùn)動事件。識別過程中，由于相比一般的極光運(yùn)動模式，極向運(yùn)動只是少數(shù)情況，本文通過采用元學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練不同測度下的SVM模型，很好的解決了數(shù)據(jù)不平衡問題。本文提出的方法在北極黃河站2003-2004 年的越冬數(shù)據(jù)上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自動識別方法得出的極向運(yùn)動發(fā)生規(guī)律與已有的人工統(tǒng)計結(jié)果基本一致。
(3) 準(zhǔn)確界定亞暴起始時刻是理解亞暴相關(guān)問題的關(guān)鍵。在目前的觀測手段中， UVI圖像是公認(rèn)的研究亞暴現(xiàn)象的最佳

7、手段，但是現(xiàn)有的研究都是建立在基于人工標(biāo)定亞暴起始點(diǎn)的基礎(chǔ)上。本文提出從UVI極光圖像中自動檢測亞暴起始點(diǎn)。模糊c均值聚類方法被用來提取UVI圖像中的亮斑區(qū)域，然后根據(jù)極光點(diǎn)亮后亮斑強(qiáng)度和面積隨時間的變化情況來界定是不是亞暴事件。本文的方法在1996年冬季三個月的Polar衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過與已有文獻(xiàn)中給出的人工標(biāo)記進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的方法能有效檢測出具有亞暴特征的極光事件。
(4) 極光卵的邊界位置信息攜帶

8、有磁層過程的豐富信息。與傳統(tǒng)的研究極光卵邊界隨某一個綜合地磁參數(shù)變化不同，本文提出從太陽風(fēng)等離子體和行星際磁場這個極光產(chǎn)生的源頭來考慮極光卵邊界的位置變化。本文首先基于模糊 c均值聚類方法自動獲取了1996-1999期間三個冬季大量的Polar衛(wèi)星UVI極光卵邊界位置數(shù)據(jù)，并基于OMNI數(shù)據(jù)獲得了太陽風(fēng)行星際條件參數(shù)；然后利用多元回歸分析方法建立了極光卵邊界位置變化與太陽風(fēng)行星際條件之間的預(yù)測模型。本文采用交叉驗(yàn)證方法進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，將模