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基于聚类的极光形态分类的探索性研究-极地研究
第28卷第3期 极地研究 Vol.28,No.3
2016年9月 CHINESEJOURNALOFPOLARRESEARCH September2016
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基于聚类的极光形态分类的探索性研究
1,2 2 2
王倩 胡泽骏 丘琪
1
(西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西 西安710121;
2中国极地研究中心,上海200136)
提要 极光形态为研究日地物理过程提供了显著、直观和具有可识别性的特征。合理分类对研究各类极光现象与磁
层动力学过程之间的关系尤为重要。极光形态分类机制的选择问题是极光有监督分类研究被主要诟病的问题之一。
有监督分类实验中人工标记的工作量非常浩大,而且不能保证标记的准确性。更重要的是,高分类正确率只能说明
自动分类符合人的认识,有监督分类结果无法验证分类机制的正确性。现有的分类机制是否为极光数据空间的真实
划分,是否存在更为合理的分类机制都是我们应该探讨的问题。针对该问题,基于已有的全天空极光图像表征方法,
引入聚类算法探究极光特征空间的结构,利用了9种聚类有效性函数选择适合极光数据的聚类个数。实验结果表
明,对于从2003—2004年北极黄河站观测的全天空极光数据中随机选取的6000幅极光图像,两类和四类的划分方
式最为合适。两类的划分可以看作是分离度较好的极光类型,并且根据两类分布曲线呈现午前午后双峰的分布特
点,这一类极光可能是弧状极光。对于四类的情况,虽然通过肉眼观察无法用一幅典型的极光图像代表每一类,但是
这些由聚类得出的极光类型具有各自的时间分布特点,这一结果从无监督的角度证明了极光类型在形态上是可分
的。
关键词 极光 聚类 形态分类 全天空图像
doi:10.13679/j.jdyj.2016.3.353
依靠人的肉眼观察和主观判断得出的,所以目前人
0 引言 们还只能通过视觉观察对极光类型给出大致的语言
描述。
[2]
从20世纪50年代起,人们一直都在探索极光 1955年,Strmer 将极光形态分为了三大类,
现象的最优分类,合理分类对研究各种类型的极光 并且定义了其子类:(1)无射线结构的极光(forms
现象与磁层动力学过程之间的关系尤为重要。例 withoutraystructure),包括弧状(arc)、带状(band)
[1] 和弥散块状(diffusepatches);(2)有射线结构的极
如,Akasofu 将夜侧极光分为赤道向扩展、西行浪
涌、点亮等不同的类型,这一分类研究不仅为解释夜 光(formswithraystructure),包括射线弧状(rayed
侧极光的产生和加速机制提供了线索,而且奠定了 arc)、射线带(rayedband)、冕状(corona)以及帷幔
研究极光亚暴的基础,更使夜侧极光成为磁层亚暴 状(drapery)极光;(3)闪烁极光(flamingaurora)。
过程的指示器。但是,目前的极光分类机制都是研 这一分类机制被广泛接受。之后研究人员根据各自
究者们根据各自的研究目的提出的,并不存在一套 的研究目的对极光形态进行了多种分类。1974年,
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