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)點在于能夠得到極光的二維圖像，并且可以實現(xiàn)對極光的空間運動特性進行連續(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)人工分析費時費力以及少量事件分析得出的結(jié)論普適性不強等問題，研究海量極光圖像的自動分析方法。基于我國北極黃河站的高分辨率 ASI觀測圖像，重點分析了極光形態(tài)分類和極向運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，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確率和更好的魯棒性。
(2) 極向運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、方向編碼機制及直方圖統(tǒng)計技術(shù)對相鄰幀間的極光運動情況進行估計，然后采用HMM對極光運動特征向量進行建模和相似度表征；最后采用支持向量機（SVM）進行二分

6、類，找出極向運動事件。識別過程中，由于相比一般的極光運動模式，極向運動只是少數(shù)情況，本文通過采用元學(xué)習的方法訓(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)上進行了驗證，實驗結(jié)果表明自動識別方法得出的極向運動發(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定亞暴起始點的基礎(chǔ)上。本文提出從UVI極光圖像中自動檢測亞暴起始點。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)極光點亮后亮斑強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)進行了實驗，通過與已有文獻中給出的人工標記進行對比，實驗結(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行星際條件之間的預(yù)測模型。本文采用交叉驗證方法進行數(shù)值實驗，將模