基于Stacking集成学习的恒星/星系分类研究

机器学习在当今诸多领域已经取得了巨大的成功,但是机器学习的预测效果往往依赖于具体问题.集成学习通过综合多个基分类器来预测结果,因此,其适应各种场景的能力较强,分类准确率较高.基于斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)计划恒星/星系中最暗源星等集分类正确率低的问题,提出一种基于Stacking集成学习的恒星/星系分类算法.从SDSS-DR7(SDSS Data Release 7)中获取完整的测光数据集,并根据星等值划分为亮源星等集、暗源星等集和最暗源星等集.仅针对分类较为复杂且困难的最暗源星等集展开分类研究.首先,对最暗源星等集使用10折嵌套交叉验证,然后使用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)、随机森林(Random Forest,RF)、XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)等算法建立基分类器模型;使用梯度提升树(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)作为元分类器模型.最后,使用基于星系的分类正确率等指标,与功能树(Function Tree,FT)、SVM、RF、GBDT、XGBoost、堆叠降噪自编码(Stacked Denoising AutoEncoders,SDAE)、深度置信网络(Deep Belief Network,DBN)、深度感知决策树(Deep Perception Decision Tree,DPDT)等模型进行分类结果对比分析.实验结果表明,Stacking集成学习模型在最暗源星等集分类中要比FT算法的星系分类正确率提高了将近10%.同其他传统的机器学习算法、较强的提升算法、深度学习算法相比,Stacking集成学习模型也有较大的提升.     

An Automatic Method for Detecting Transients and Variable Sources in AST3 Survey Based on Image Subtraction and Random Forest

AST3-2 (the second Antarctic Survey Telescope) is located in Antarctic Dome A, the loftiest ice dome on the Antarctic Plateau. It produces a huge amount of observational data which require a more efficient data reduction program to be developed. Also the data transmission in Antarctica is much difficult, thus it is necessary to perform data reduction and detect variable and transient sources remotely and automatically in Antarctica, but this attempt is restricted by the unsatisfactory performance of the low power consumption computer in Antarctica. For realizing this purpose, to develop a new method based on the existing image subtraction method and random forest algorithm, taking the AST3-2 2016 dataset as the test sample, becomes an alternative choice. This method performs image subtraction on the dataset, then applies the principle component analysis to extract the features of residual images. Random forest is used as a machine learning classifier, and in the test a recall rate of 97% is resulted for the positive sample. Our work has verified the feasibility and accuracy of this method, and finally found out a batch of candidates for variable stars in the AST3-2 2016 dataset.     

Formation of Carbon-Enhanced Metal-Poor RR Lyrae Stars

Carbon-enhanced metal-poor (CEMP) stars are considered to be related to the first generation of stars, and responsible for the chemical evolution of the early Galaxy. More than half of them are in binaries, and could be explained by the binary evolution, but the formation channel of them is still not fully understood. Among the hundreds of CEMP stars, there are nine CEMP RR Lyrae stars identified, and at least seven of which are very likely not binaries. The usual binary star evolution channel is difficult to produce such a single star, particularly that of carbon enrichment. One way in which such a single star might be produced is the merger of a helium white dwarf with a Hertzsprung gap (HG) star. We use a stellar evolution program to calculate the models of the merger remnants, and find that the models can reproduce the observed distribution of these CEMP single RR Lyrae stars in terms of surface temperature, gravity, and carbon abundance. Hence, it is extremely possible that the helium white dwarf and HG star merger model is one of the formation channels of the metal-poor carbon-rich RR Lyrae stars.     

遗传算法优化的BP神经网络卫星钟差预报

针对BP (Back Propagation)神经网络模型预测卫星钟差中权值和阈值的最优化问题, 提出了基于遗传算法优化的BP神经网络卫星钟差短期预报模型, 给出了遗传算法优化BP神经网络的基本思想、具体方法和实施步骤. 为验证该优化模型的有效性和可行性, 利用北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)卫星钟差数据进行钟差预报精度分析, 并将其与灰色模型(GM(1,1))和BP神经网络模型预报的结果比较分析. 结果表明: 该模型在短期钟差预报中具有较好的精度, 优于GM(1,1)模型和BP神经网络模型.     

基于斩波轮技术的K波段接收机噪声校准研究

接收机是射电天文中用于探测微弱射电信号的重要接收设备.接收机的强度校准就是将接收机对射电源的响应转换为天文意义上的流量密度.常规方法就是使用经典的冷热负载法,将接收机自身的强度响应转换为一个等效的温度值,之后再据此对射电源做进一步标定.通过搭建基于斩波轮技术的K波段接收机强度校准平台,使用斩波轮法测试K波段常温接收机的噪声温度,并与传统冷热负载法的测试结果进行比对.结果显示,在晴好天气条件下,斩波轮法在30°、90°仰角下噪声温度的最大测试误差为7.5%和8.4%,可以很好地应用于实际噪声温度测试中;但在5°仰角测试中,由于过低仰角引入了地面噪声,使得斩波轮法的测试误差上升至20%–30%之间而无法使用.希望在此基础上进一步开展K波段天空亮温度的理论计算与实测,从而完善斩波轮技术的应用,使之可以满足在不同气象条件下的噪声校准测试需求.     

Decumbent development: Urban sprawl in the Guwahati Metropolitan Area,India

Urban sprawl has become a global phenomenon as an outcome of growing population and rapid urbanization. Previous studies have addressed the rising incidence of uncontrollable urban development, particularly in peri-urban areas of cities, leading to chronic urban sprawl. The city of Guwahati, a million city in north east India, has expanded significantly in recent years. In this article, the links between population and growth of built-up areas were examined using geo-spatial techniques and remotely sensed datasets. The results indicate that the sprawl has accentuated in recent years. The intensity of land use remained uneven due to marked variations in the distribution of built-up areas, plausibly an outcome of unplanned urban growth. If current trends are anything to go by, future urban sprawl could pose serious threats to the vulnerable eco-sensitive and peri-urban areas of Guwahati. Secondary cities have unfortunately received scant attention in urban policy research, and Guwahati, epitomizes urban woes in a developing country.     

地理时空三向聚类分析方法的构建与实践

随着地理数据获取能力的不断提升,地理数据体量呈指数增长,数据种类、数据性质更加多元化。对数据的有效甄别和归类成为理解地理现象时空特征、演化过程和行为机制的关键。传统聚类方法面临数据体量大、维数高、质量差的挑战,加之对地理空间与时间关联分析的需求,对聚类方法改进和提升研究的要求越来越迫切。本文介绍了从单向到三向聚类构建思路的变革。单向聚类是仅在样本或属性方向上进行聚类,易忽视非常相似的局部特征、易犯“横看成岭侧成峰”的错误。双向聚类是基于数据矩阵内元素值的相似性,形成一个子矩阵分割方案,使子矩阵内元素相似度尽可能高,子矩阵间元素相似度尽可能低,从而实现行列两方向的同时聚类,避免了单向聚类的不足。鉴于双向聚类难以满足地理研究超出双向的解译需求,本文提出并研发了一个全新的三向聚类方法,给出了运用该方法开展地理时空格局过程探测的流程,总结了如何根据研究涉及的“空间—时间—尺度—属性”构建三维数据体;最后,展示了三向聚类的地理实践案例。结果表明：① 三向聚类是一种大数据时代探测地理数据时空分异规律的有效方法,可以解决数据维度高、质量低等问题;② 面对不同的地理问题,三向聚类在算法层面上是通用的,不同之处仅在于：根据不同问题涉及的空间、时间、尺度、属性的不同,构建不同的数据体;不同数据体聚类得到的不同结果回答不同的地理问题;③ 三向聚类可以实现地理数据的时空分异规律多方向、多尺度、多层次的联合解译,揭示地理特征时空尺度叠加效应。最后,论文强调根据地理问题组织数据的重要性,期待未来能够提升三向聚类在多空间尺度、多属性方面的地理研究实践。     

基于大数据的极端暴雨事件下城市道路交通及人群活动时空响应

随着全球气候变化加剧,极端降雨增多,暴雨内涝灾害频发,严重威胁城市的可持续发展。快速掌握暴雨给城市交通及人群的影响,有助于提高灾害应急管理水平和事件响应能力。利用实时动态的交通路况信息和手机定位请求数据,通过一种融合STL时序分解技术与极端学生化偏差统计检验的时间序列异常探测方法,监测和分析暴雨内涝灾害事件中,城市道路交通和人群活动的时空响应特征,并以2018年7月16日发生在北京的极端暴雨事件为例开展实证研究。研究结果显示,在降雨集中的早、晚高峰两个时段（8—9时、18—19时）,市区的拥堵道路数量超出往常水平最高可达150%,异常检测分析显示拥堵道路数量和交通拥堵指数均达到异常甚至极端水平。人群活动的异常响应分析结果显示,暴雨事件引起定位请求量异常升高、异常点增多,且异常点的空间分布与1 h前的降雨量分布存在较高相关性。以上结果不仅证明了大数据及异常检测方法对于快速洞察暴雨事件对城市交通及人群影响的有效性,也为城市暴雨内涝灾害的应急响应与管理提供了新的技术手段。     

非平稳标准化降水蒸散指数构建及中国未来干旱时空格局

旱灾是一种致灾因子与成害机理均非常复杂的自然灾害,也是目前对其检测与风险防御最为困难的自然灾害种类之一。随着全球气候变化,干旱的变化逐渐趋于非平稳化,水文气象序列的非平稳性已有广泛研究,但在干旱检测指标中却鲜有考虑。基于标准化降水蒸散指数（SPEI）和非平稳性理论,构建非平稳性标准化降水蒸散指数（NSPEI）并进行适用性评价,利用NSPEI评估未来不同排放情景下中国气象干旱时空格局演变规律。结果表明：① 非平稳性站点集中在东北平原、黄淮海平原、长三角地区、青藏高原及周边区域,NSPEI拟合最优的站点占中国气象站点的88%（2177个站点）。② SPEI对温度较为敏感,在评估未来干旱变化时会高估干旱强度和持续时间性,而NSPEI能够克服这一弱点,较SPEI可更好的检测中国气象干旱,且能很好的刻画中国未来干旱变化。③ 低、高排放情景下中国北方干旱加剧,南方呈湿润化趋势;中排放情景下中国北方湿润化趋势明显,而中国南方则呈干旱化。基于NSPEI干旱检测结果,中高排放情景下中国未来极端干湿历时与发生频率均呈增加趋势。     

发展地理学视角下中国多维贫困测度及时空交互特征

探索贫困监测评估指标体系及区域间贫困时空交互动态特征对当前中国可持续减贫研究具有重要意义。基于发展地理学视角,引入面板向量自回归（PVAR）模型并结合人类发展分析路径与SDGs全球指标框架识别影响中国贫困的致贫和减贫因素,以此测度多维贫困指数,进而采用探索性时空数据分析（ESTDA）方法揭示多维贫困的时空交互特征。结果表明:① 中国当前贫困监测评估的致贫因子包括农作物受灾比和社会总抚养比,减贫因子则涉及人均GDP、人均社会保障支出、人均公共卫生支出、每万人医院数、新型农村合作医疗参合率、植被覆盖率、人均教育支出、高校数量、人均科学研究与试验发展支出、人均文化事业经费。② 2007—2017年中国省域收入贫困、健康贫困、文化贫困及多维贫困状况得到显著改善,全国综合贫困程度年均下降5.67%,部分省域的不同维度贫困内部出现差异化。③ 研究期内省域间多维贫困局域空间格局表现为较强的空间动态性,并呈现由东部向中、西部增大的变化态势;省域间多维贫困指数随时间演变呈现强的空间依赖关系,形成以西北和东北为高值区向四周递减的变化格局。④ 邻接省域多维贫困交互的时空网络以负向关联为主,仅有陕西与河南、陕西与宁夏、青海与甘肃、湖北与安徽、四川与贵州、海南与广东形成空间上较强的减贫协同关系。研究成果对当前中国精准扶贫战略实施尤其是2020年后预防返贫具有重要的参考价值。