TDSC-Net:一种基于注意力机制与特征融合的二维恒星光谱分类模型

面对信噪比较低的天体,传统一维光谱的分类效果很差。因此,从二维光谱出发,提出了结合注意力机制的特征融合模型TDSC-Net(two-dimensional spectra classification network)用于恒星分类。TDSC-Net通过完全相同的特征提取层分别对恒星蓝端和红端的二维光谱图像进行特征提取,之后针对这些特征进行融合,然后进行分类。本文实验中的恒星光谱数据选自LAMOST(the large sky area multi-object fiber spectroscopic telescope)数据库,预处理采用Z-score进行光谱归一化,以减少由于光谱流量值差别大造成的模型收敛困难问题。使用精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1-score和准确率(Accuracy)四个指标来评估模型性能。实验包括:第一部分利用TDSC-Net进行A、F、G、K、M型恒星分类,以验证利用二维光谱对恒星多分类的可靠性;第二部分将二维光谱按照不同的信噪比区间进行分类,以探究信噪比对分类准确率的影响。第一部分的结果表明,进行五分类总的准确率达到84.3%。其中,A、F、G、K、M各自的分类精度分别为87.0%,84.6%,81.2%,87.4%,89.7%,均优于自行抽谱后的一维光谱分类结果。第二部分的结果表明,即使在SNR<30的低信噪比区间,二维光谱分类准确率仍然可以达到78.9%;而当SNR>30之后,信噪比对光谱分类的影响就不明显了。由此证明了低信噪比时使用二维光谱分类的重要性以及TDSC-Net对恒星光谱分类的有效性。

基于CNN与LSTM复合深度模型的恒星光谱分类算法

恒星光谱分类是天文学领域中非常重要的研究方向。随着科技的迅猛发展,大型巡天望远镜采集的恒星光谱数据已经达到了TB或甚至PB级别,传统的分类方法已经无法满足如此庞大数据量的处理需求。正确分类光谱对于研究恒星的物理性质以及演化过程具有重要意义。CNN通过卷积运算学习数据的局部特征,去除冗余信息,并通过最大池化运算对特征进行压缩。然而,由于原始CNN模型的全连接层缺乏长距离依赖挖掘的功能,如果加入LSTM网络,通过其独特的三个“门”的远距离依赖挖掘能力可提取的重要特征,并检测特征中的微小差异,恰好可以解决这个问题。因此,提出了一种基于CNN和LSTM复合的深度模型,用于对LAMOST DR8中的恒星光谱进行分类。这种模型能够更好地学习恒星光谱的特征,为恒星演化研究提供了重要的帮助。为了提高模型的收敛速度,使用了常见的Z-Score标准化方法对数据进行处理。提出的模型在F、G、K三分类实验中取得了94.56%的分类准确率。同时,与前人使用过的RBM、PILDNN、PILDNN、DBN、Inception v3、1D-SSCNN、LSTM方法进行对比,结果表明该方法具有更高的分类准确率。在十分类实验中,该方法取得了97.35%的准确率,并且相比于仅使用LSTM、1D-SSCNN方法的实验结果,该方法的结果更好,且训练时间减少了近十倍。使用F1-score对每类恒星光谱分类准确度进行说明,在三分类和十分类实验中,每类的F1值都在0.9以上。与前人在文献中的实验结果进行对比,该模型的结果更好。通过混淆矩阵的结果,可以得出该模型在光谱种类越多的实验中准确率越高,甚至可以达到100%。综上所述,所提出的基于CNN和LSTM相结合的模型可以有效地对大规模恒星光谱数据进行分类,并取得了优异的分类效果。

一种基于Map/Reduce分布式计算的恒星光谱分类方法

天体光谱中蕴含着非常丰富的天体物理信息,通过对光谱的分析,可以得到天体的物理信息、化学成分以及天体的大气参数等。随着LAMOST和SDSS等大规模巡天望远镜的实施,将会产生海量的光谱数据,尤其是LAMOST正式运行后,每个观测夜产生大约2～4万条光谱数据。如此海量的光谱数据对光谱的快速有效的处理提出了更高的要求。恒星光谱的自动分类是光谱处理的一项基本内容,该研究主要工作就是研究海量恒星光谱的自动分类技术。Lick线指数是在天体光谱上定义的一组用以描述光谱中谱线强度的标准指数,代表光谱的物理特性,以每个线指数最突出的吸收线命名,是一个相对较宽的光谱特征。研究了基于Lick线指数的贝叶斯光谱分类方法,对F,G,K三类恒星进行分类。首先,计算各类光谱的Lick线指数作为特征向量,然后利用贝叶斯分类算法对三类恒星进行分类。针对海量光谱的情况,基于Hadoop平台实现了Lick线指数的计算,以及利用贝叶斯决策进行光谱分类的方法。利用HadoopHDFS高吞吐率和高容错性的特点,结合Hadoop MapReduce编程模型的并行优势,提高了对大规模光谱数据的分析和处理效率。该研究的创新点为：（1）以Lick线指数作为特征,基于贝叶斯算法实现恒星光谱分类;（2）基于Hadoop MapReduce分布式计算框架实现Lick线指数的并行计算以及贝叶斯分类过程的并行化。

基于熵学习机的恒星光谱分类（英文）

数据挖掘被广泛应用于恒星光谱分类。为了提高传统光谱分类方法性能,提出熵学习机(Entropybased Learning Machine,ELM)。在该方法中,熵用来刻画分类的不确定性。为了得到理想的分类结果,分类的不确定性应最小,基于此,可得ELM的最优化问题。ELM在处理二分类问题和稀有光谱发现等方面具有一定优势。SDSS中K型、F型、G型恒星光谱数据集上的比较实验表明:ELM在进行恒星光谱分类时,其分类性能优于k近邻(k Nearest Neighbor)和支持向量机(Support Vector Machine)等传统分类方法。

基于非参数回归与最近邻方法的恒星光谱自动分类

恒星光谱数据的自动识别与分类是现代巡天望远镜所产生的海量光谱数据处理的一项重要研究内容。针对流量未定标的低分辨率恒星光谱设计了一种有效的自动分类方案,实现恒星光谱的MK分类:光谱型及其次型分类,光度型分类。该方案由三部分实现:(1)连续谱归一化:基于小波技术提取低频信号逼近连续谱的方法;(2)七种光谱型及其次型的分类通过非参数回归方法实现。(3)光度型分类通过基于最近邻的χ2方法实现。实验结果表明该方案能够有效实现恒星光谱的MK分类,光谱型及其次型的分类精度为3.2个光谱次型,Ⅰ-Ⅴ光度型的正确识别率为60%,次优统计率为78%。该方案训练速度快,方法实现容易,适用于海量恒星光谱自动分类处理系统。

基于t-SNE的恒星光谱降维与分类研究

随着天文学的发展以及天文望远镜观测能力的提升,国内外许多大型巡天望远镜将产生PB级的恒星光谱数据。恒星光谱是来自恒星的电磁辐射,通常由连续谱与吸收线叠加而成,其差异源于恒星的有效温度、表面重力加速度以及元素的化学丰度等。恒星光谱自动分类是天文数据处理的一项重要研究内容,是研究恒星演化和参数测量的基础。海量的恒星光谱对分类方法提出了高效、准确的要求。传统的人工分类方法存在速度慢、精度低等缺点,已经无法满足海量恒星光谱特别是低信噪比恒星光谱自动分类的实际需要,机器学习算法目前已经被广泛地应用于恒星光谱分类。恒星光谱的一个显著特征是数据维度较高,降维不但可以实现特征提取,而且可以降低计算量,是光谱分类的首要任务。传统的线性降维方法如主成分分析仅依据方差对光谱进行降维,不同类型的光谱在投影到低维特征空间后会出现交叉现象,而流形学习能够产生优良的分类边界,很好地避开重叠,有利于后续的分类。针对光谱数据维度较高的特点,研究了光谱数据在高维空间内的分布以及流形学习对高维线性数据降维的原理,比较了t-SNE和主成分分析两种降维方法对光谱数据降维的效果,并使用基于属性值相关距离的改进的K近邻算法进行光谱分类,最终对实验结果进行了分析并使用多种机器学习分类器进行比较和验证。采用Python语言及Scikit-learn第三方库实现了算法,对SDSS的12 000条低信噪比的恒星光谱进行实验,最终实现了光谱数据的高精度自动处理和分类。实验结果表明,对于光谱数据的降维处理,基于流形学习的t-SNE方法能够在高维光谱数据中恢复低维流形结构,即找出高维空间中的低维流形,并解出与之对应的嵌入映射,在降维过程中最大程度地保留不同类别光谱样本之间的差异从而产生明显的分类边界。特征提取后,使用机器学习分类器能够在测试数据集上达到满意的分类准确率。所使用的方法也可以应用于其他的巡天望远镜产生的海量光谱的自动分类以及稀少天体的数据挖掘。

基于短时傅立叶变换特征提取和卷积神经网络的LAMOST恒星光谱分类研究

光谱分类是研究恒星光谱的重要内容之一,对其进行准确分类识别在天文研究领域有着重要意义.提出一种新的光谱特征提取方法,利用短时傅里叶变换将一维光谱变换为二维傅里叶谱图像,然后利用卷积神经网络对得到的二维傅里叶谱图像进行分类,由于二维谱图像具有新的特征分布,提高了分类精度;在此基础上,为降低短时傅里叶变换中的采样过程造成的信息损失,在进行短时傅里叶变换前先利用一维卷积对一维恒星光谱数据进行处理,以提高分类准确率,实验结果显示证明了新的方法的有效性.

交叉验证的BP神经网络恒星光谱分类

LAMOST作为国家重大科学工程项目,目前在世界上对光谱的观测、获取率最高,为天文学的研究与发展提供大量的数据和信息资源.根据LAMOST发布的恒星光谱数据文件,从中提取出关于恒星光谱波长的数据信息,对数据进行噪声剔除、数据降维、数据规范化、数据降维处理.利用BP神经网络算法对数据进行分类处理,根据分类结果正确率来判断BP神经网络模型的优劣.但是BP神经网络对测试集数据的测试效果并不代表对其他数据具有同样的测试效果而且易产生过拟合,所以采用交叉验证与BP神经网络相结合的方法,BP神经网络算法可对多组不同的数据进行测试,得到多组测试结果并求得平均值,可得到BP神经网络模型相对稳定的测试结果并降低结果的随机性.

一种新的恒星光谱间距离度量方法：残差分布距离

距离度量是光谱巡天数据处理中的一个重要研究内容,其定义了一种不同光谱间的距离计算方法,以此为基础可进行光谱的分类、聚类、参数测量及离群数据挖掘等工作。距离度量方法的好坏在一定程度上影响了分类、聚类、参数测量及离群数据挖掘的效果及性能,同时随着大规模恒星光谱巡天项目的开展,如何针对恒星光谱定义更为有效的距离度量方法成为其数据处理中一个非常关键的问题。基于此问题,在充分考虑到恒星光谱的特点及其数据特征的基础上,提出一种新的恒星光谱间的距离度量方法:残差分布距离。该距离度量有别于传统计算恒星光谱间距离计算方法,利用该方法计算恒星光谱间的距离时,首先将两条光谱归一化到同一尺度下,然后计算对应波长处的残差,以残差谱分布的标准差作为距离度量。该距离度量方法可用于恒星分类、聚类以及恒星大气物理参数测量等应用中。本文以恒星光谱细分类为例来比较检验该距离度量方法,结果表明该方法定义的距离在分类时能更为有效的刻画不同类别光谱间的差距,可以很好的用于相关应用中。同时还研究了信噪比对该距离度量方法的影响:残差分布距离一定程度上受光谱信噪比影响,信噪比越小,对距离的影响越大;在信噪比大于10之后,残差分布距离对分类的影响很小。

基于硬调整孪生网络和代价敏感模型的恒星/星系识别

恒星星系的精准识别是开展很多天文海量数据分析和处理任务的基础。受环境因素影响,采集到的暗星体观测数据使得恒星和星系差异不明显,而且暗星体数据量较小,给分类带来困难,所以在恒星/星系识别任务中准确地识别暗星体成为近年来研究的重点。提出一种用于极暗星体识别的硬调整孪生网络模型,解决了小样本问题和困难样本挖掘问题,将极暗星体的识别效果较目前最好结果提升了8百分点左右;同时提出用于暗星体和亮星体识别的代价敏感模型,解决了数据量充足条件下的困难样本挖掘问题,暗星体和亮星体的识别效果较目前最好结果分别提升了1百分点和0.1百分点。

赫罗图的建立

本文着重讨论赫罗图的建立及其在天文学史上的意义。在天体测量学和天体物理学发展的基础上,赫茨普龙研究恒星光谱型与光度的关系,首先发现了巨星序和矮星序,并发表了第一幅星团的颜色-星等图。罗素发现巨星序和矮星序较赫氏略迟,但他发表了第一幅场星的光谱-光度图,并首先将赫罗图用来讨论恒星演化问题。因此赫、罗二氏是赫罗图的创始人,他们在创建中具有同等的功绩。蒙克虽然最早讨论恒星光谱型与光度的关系,但由于研究方法上的缺陷,他最终未能获得正确的结果。