日側(cè)全天空極光圖像分類及動態(tài)過程分析方法研究.pdf

1、極光是沿磁力線運動的高能帶電粒子(主要是電子)沉降到極區(qū)電離層高度激發(fā)大氣粒子后產(chǎn)生的光激發(fā)現(xiàn)象。這些高能粒子既有通過太陽風-磁層相互作用的磁動力學過程產(chǎn)生的，也有部分是直接由太陽風攜帶的。極光是人們唯一能夠直接用肉眼觀測到的具有極區(qū)特征的地球物理現(xiàn)象，是極區(qū)日地物理過程(特別是磁層-電離層相互作用)的最集中的表現(xiàn)形式，是研究太陽風暴的最佳窗口。對其形態(tài)和演變的系統(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

2、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。
　　 多變的極光形態(tài)是磁層和電離層某種確定的動力學過程對大氣層的反應，是這個過程投影到地球大氣層的映射。研究已經(jīng)證實，不同的極光形態(tài)類型與一些確定的磁層邊界層動力學過程有著密切的關(guān)系，而且太陽風的參數(shù)變化直接影響極光的形態(tài)。高分辨率的極光成像設(shè)備(例如全天空觀測儀)能夠獲取極光的二維形態(tài)信息，從而使得研究人員可以連續(xù)觀測極光的演變。因此，從圖像的角度研究極光現(xiàn)象越來

3、越受到人們的關(guān)注。然而，現(xiàn)在的研究大多還停留在人工的案例分析，以至每年都在不斷增長的龐大的極光圖像成為閑置資源。面對如此龐大的數(shù)據(jù)量，如何有效利用和自動分析這些全天空極光圖像已成為各國極光研究人員亟待解決的問題。
　　 本文基于圖像處理和模式識別技術(shù)，提出了多種適合極光數(shù)據(jù)特征的靜態(tài)和動態(tài)表征方法，初步實現(xiàn)了對海量極光數(shù)據(jù)的自動化分析，研究成果為很多現(xiàn)有的理論提供了形態(tài)學證明，驗證了模式識別技術(shù)應用于空間物理研究的可行性和有效性

4、。
　　 本文的主要研究成果有：
　　 (1)對極光圖像特征進行了系統(tǒng)分析和多種嘗試，提出使用基于空間紋理的全天空極光圖像表征方法。該方法能夠表征極光圖像的全局形狀和局部紋理，不同的極光類型都得到了有效的表征，并且對一定范圍內(nèi)的尺度和亮度變化以及形變具有很好的魯棒性?；谶@一表征方法，實現(xiàn)了高正確率的極光圖像自動分類。
　　 (2)基于表象特征的極光自動分類技術(shù)用于對日側(cè)極光類型的統(tǒng)計分析。無論極光類型是定義在極

5、光的形態(tài)學信息還是其他物理屬性上的，這些極光類型在極光卵上的發(fā)生總是呈現(xiàn)出周期性和規(guī)律性，這已經(jīng)在許多空間科學研究中得到證實。本文得到了四類日側(cè)極光的發(fā)生分布，分布的特征說明發(fā)生在日側(cè)極光卵不同區(qū)域的極光確實具有各自明顯的形態(tài)學特征。四種特殊的極光類型占據(jù)不同的極光卵區(qū)域，它們發(fā)生分布的峰值與基于三波段(427.8，557.7和630.0 nm)沿磁子午面激發(fā)譜線能量的綜觀分布圖是完全一致的。這一結(jié)論支持了“極光形態(tài)可分”這一觀點，為極

6、光分類機制提供了形態(tài)學證據(jù)，同時給出了極光類型的形態(tài)學解釋。
　　 (3)對于極光數(shù)據(jù)的形態(tài)特征而言，尚無被廣泛接受的分類機制。本文利用了無監(jiān)督的聚類算法對極光數(shù)據(jù)進行了聚類，從而避免了有監(jiān)督分類中被詬病的分類機制問題。在本文中，不基于任何先驗知識，通過無監(jiān)督的方法，日側(cè)極光的主要形態(tài)特征得到總結(jié)，同時對現(xiàn)有的基于極光形態(tài)特征的分類機制進行了驗證和補充。聚類標記的發(fā)生分布規(guī)律性證明了依賴于極光表象特征研究極光現(xiàn)象的可行性。這些成

7、果進而驗證了機器視覺方法用于研究極光現(xiàn)象的有效性。
　　 (4)因為極光運動具有非剛體性質(zhì)，本文首次把針對流體運動的流體運動場估計算法應用到極光圖像中，并根據(jù)極光圖像在不同尺度上具有不同運動方式的特性，提出了非一致多尺度流體運動場估計算法。這一方法不再依賴于亮度不變假設(shè)，而且為不同尺度上的極光運動選擇匹配的正則化因子。改進后的基于流體的運動場估計算法能夠有效、準確、魯棒地提取各種類型極光的運動。
　　 (5)基于提取出的

8、極光瞬時運動場表征極光序列，實現(xiàn)極光事件的自動檢測。由于極光活動復雜多變，隨機性強，本文利用時空累計方法對極光視頻序列進行運動特征描述?；谶\動向量的時空統(tǒng)計特征能夠表征極光的運動方向和運動速度，可以實現(xiàn)不同長度極光序列的比較。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對多個特殊極光事件的準確檢索，為實現(xiàn)基于大量連續(xù)觀測的極光視頻對極光動態(tài)過程進行統(tǒng)計分析奠定了基礎(chǔ)。
　　 (6)提出了一種新的基于局部向量差的時空統(tǒng)計特征，它能夠融合運動的時間性和空間