基于改進密度聚類算法的天體光譜自動分類處理

文/鄧詩宇 屠良平

基于改進密度聚類算法的天體光譜自動分類處理

文/鄧詩宇 屠良平

隨著我國大型巡天計劃的迅速開展,海量天體光譜數據分類,尤其高效的自動化分類技術成為了我們迫切研究的重要課題.本文提出了根據密度可達原則,改進的密度聚類算法——哈曼頓距離密度算法（MD-DBSCAN）,應用于多種我們熟知的光譜中.針對來源于美國SDSS-DR8的天體光譜數據,對比DBSCAN、NED-DBSCAN、MD-DBSCAN三種算法的相關性能表現對比,得出相應的結論。

天體光譜分類 歐氏距離 標準化歐氏距離 曼哈頓距離 核主成分分析法

1 前言

光譜是一種包含了許多高維、非線性特征的復雜數據，同時伴隨著大量的噪聲和數值缺省的特點，并且涵蓋著相應的信息，其中天體光譜最為突出。以中科院國家天文臺的郭守敬望遠鏡（large sky area multi-object fiber spectroscopy telescope，LAMOST）為例，其于2008年落成，2011年正式開啟巡天行動。它的投入使用為我國的天外星系研究，猶如天體光譜研究提供了百萬級數量的數據。然而，面對如此海量的天體光譜數據，一些已經運作的天體光譜分類方法以無法實現精確的計算。由此，急切需要開發更高運算性能的天體光譜分類方法。本文運用了密度聚類方法（DBSCAN）可以很好的分析出光譜的類別，同時提出了改進的方法，以便可以更好的選取數據，進一步篩選精確的、有效的數據，獲得更真實的天體光譜數據分類。

2 算法介紹

2.1 一種歐氏距離密度聚類算法定義與步驟

定義：

Def-1對象的Eps鄰域和近鄰，如圖1所示；核心對象，邊界對象，噪聲對象，如圖2所示；直接密度可達，密度可達，密度相連，如圖3所示。

Def-2 歐氏距離：

步驟：

輸入：數據集A，包括n個核心對象，參數Eps為對象的領域，參數MinPts為最小的長度值。輸出：將位置相鄰的對象聚為一簇（或聚類）集合，能夠識別噪聲對象。

Step 1：首先將數據集A中的所有對象標記為未處理狀態；

Step 2：for數據集A中每個對象tdo；

Step 4：ift已經歸入某個簇（或聚類）標記為噪聲；檢查對象t的Eps鄰域REps(t)；ifREps(t)包含的對象數小于MinPts；標記對象t為邊界對象或噪聲對象；標記對象t為核心對象，并建立新簇（或聚類）Q，并將t鄰域內所有點加入Q；forREps(t)中所有尚未被處理的對象vdo；檢查其Eps鄰域REps(t)，若REps(t)包含至少MinPts個對象，則將REps(t)中未歸入任何一個簇（或聚類）的對象加入Q。

2.2 一種標準化歐氏距離密度算法定義與步驟

2.3 一種曼哈頓距離密度算法定義與步驟

3 數據準備與預處理

本文的數據來源于美國巡天計劃中SDSSDR8的光譜，在其中0266-0305天區中選取噪聲比中值大于10的星系（Galaxy）光譜3864條，類星體（Quasar）光譜3864條，恒星（Star）光譜3864條的原始數據，光譜波長插值到380.1nm～754.0nm，步長0.1nm，均勻采樣3650個點。

噪聲處理：一種基于均值漂移的尺度空間濾波法。

流量歸一化：光譜流量進行歸一化處理。

特征提取：核主成分分析。

圖1：領域、近鄰

圖3：直接密度可達、密度可達、密度相連

原始光譜和特征光譜分別如圖4和5所示。每次實驗隨機選取星系（Galaxy）、類星體（Quasar）、恒星（Star）中各自的樣本數據，多次使用得出平均值，以便使實驗的數據更趨近去真實情況。

4 結語

據我們所知目前天體光譜的分類還不成熟，需要待優化的方面很多，有待于我們去深入研究，但是其中的星系（Galaxy）、類星體（Quasar）、恒星（Star）已經被我們所熟知，也有一定的代表性，因此本文將三種實驗方法應用其中，同時對比了ED-DBSCAN算法、NED-DBSCAN算法、MD-DBSCAN算法之間所表現出來的性能，結果MD-DBSCAN算法的平均分類穩定數目值更小且算法運算時間也更短。因此，在研究天體光譜分類中具有一定的現實意義。

圖4：原始光譜

圖5：特征光譜

[1]趙永恒.天體光譜獲取率最高的望遠鏡—LAMOST.現代物理知識,2007(05):3-5.

[2]Zhao Y H,Chu Y Q,Li G P,et al.The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST).天文和天體物理學研究（Research in Astronomy and Astrophysi cs）,2012,12(09):257-260.

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作者單位遼寧科技大學理學院 遼寧省鞍山市 114051

鄧詩宇 (1990-) 男，遼寧省遼陽市人。碩士研究生學歷。運籌學與控制論專業。