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基于深度学习的太阳黑子群磁类型分类

尹耀 李依洋 黄狮勇 徐思博 袁志刚 吴红红 姜奎 熊启洋 林仁桐

尹耀, 李依洋, 黄狮勇, 徐思博, 袁志刚, 吴红红, 姜奎, 熊启洋, 林仁桐. 基于深度学习的太阳黑子群磁类型分类[J]. 空间科学学报, 2025, 45(2): 253-265. doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0100
引用本文: 尹耀, 李依洋, 黄狮勇, 徐思博, 袁志刚, 吴红红, 姜奎, 熊启洋, 林仁桐. 基于深度学习的太阳黑子群磁类型分类[J]. 空间科学学报, 2025, 45(2): 253-265. doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0100
YIN Yao, LI Yiyang, HUANG Shiyong, XU Sibo, YUAN Zhigang, WU Honghong, JIANG Kui, XIONG Qiyang, LIN Rentong. Magnetic Type Classification of Sunspot Groups Based on Deep Learning (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(2): 253-265 doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0100
Citation: YIN Yao, LI Yiyang, HUANG Shiyong, XU Sibo, YUAN Zhigang, WU Honghong, JIANG Kui, XIONG Qiyang, LIN Rentong. Magnetic Type Classification of Sunspot Groups Based on Deep Learning (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(2): 253-265 doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0100

基于深度学习的太阳黑子群磁类型分类

doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0100 cstr: 32142.14.cjss.2024-0100
基金项目: 科技部重点研发项目(2022YFF0503700)和国家自然科学基金项目(42430203, 42441811)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 尹耀 男, 1999年1月出生于湖北省潜江市, 现为武汉大学地球与空间科学技术学院硕士研究生, 主要研究方向为机器学习识别磁重联和空间天气预报建模. E-mail: yaoyin@whu.edu.cn
    通讯作者:
    • 黄狮勇 男, 1986年1月出生于江西省赣州市, 现为武汉大学地球与空间科学技术学院教授, 主要研究方向为磁层物理、磁重联、等离子体湍流、地磁尾动力学过程、卫星数据处理算法、行星物理和机器学习在空间天气中的应用. E-mail: shiyonghuang@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P354

Magnetic Type Classification of Sunspot Groups Based on Deep Learning

  • 摘要: 太阳活动作为太阳大气层中能量释放和物质运动的显著表现形式, 是空间天气的主要扰动源, 以太阳黑子为代表的剧烈太阳活动可能导致近地空间环境的剧烈变化, 进而对人类的生产生活产生深远影响. 准确、高效地预报空间天气有助于减少其对人类生产生活的影响. 本文利用2010-2017年太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory, SDO)搭载的HMI仪器观测的连续谱图和磁图数据, 建立了基于压缩激励模块和深度残差网络的太阳黑子威尔逊山磁类型分类模型. 为了有效避免因时间序列连续性导致的模型过拟合问题, 采用时序分割法划分数据集, 并结合太阳黑子图像的特点应用了数据增强策略, 以提高模型的泛化能力. 结果表明, 提出的模型能够较准确地完成太阳黑子磁分类任务, 尤其是在复杂类型黑子的识别方面, 相较于传统方法其识别能力得到了显著的提升. 此外, 使用类激活映射方法对测试集样本进行了可视化研究, 分析了模型提取到的特征图像和分类依据, 从而提高模型的可解释性.

     

  • 图  1  数据增强图像

    Figure  1.  Date augmentation image

    图  2  SE模块结构

    Figure  2.  Structure of the SE module

    图  3  案例一的黑子群α类型原始图与其类激活热力图

    Figure  3.  Original map of sunspot group α type, and the heat map of its class activation in Case 1

    图  4  案例二的黑子群α类型原始图与其类激活热力图

    Figure  4.  Original map of sunspot group α type, and the heat map of its class activation in Case 2

    图  5  案例三的黑子群α类型原始图与类激活热力图

    Figure  5.  Original map of sunspot group α type, and the heat map of its class activation in Case 3

    图  6  案例四的黑子群α类型原始图与其类激活热力图

    Figure  6.  Original map of sunspot group α type, and the heat map of its class activation in Case 4

    图  7  案例五的黑子群α类型原始图与其类激活热力图

    Figure  7.  Original map of sunspot group α type, and the heat map of its class activation in Case 5

    表  1  威尔逊山分类方案

    Table  1.   Mount Wilson classification scheme

    类型 分类依据
    α 都具有相同的磁极性, 包含单颗太阳黑子或一组太阳黑子的活跃区域. 相反的极性对应物仍然存在, 但强度微弱或浓度不足以形成太阳黑子
    β  至少具有两个相反磁极性的太阳黑子或太阳黑子群的活跃区域. 两种极性之间存在一条简单的中性线
    γ  具有磁极性完全混合的太阳黑子的活跃区域
    β-γ  至少具有两个相反磁极性的太阳黑子或太阳黑子群, 但没有明确定义的中性线划分相反极性的活动区域
    δ  极性相反的双极性太阳黑子群, 且半影的跨度小于日面2°
    β-δ  具有β磁场的活跃区域, 并且在单颗半影内至少有一对极性相反的本影
    β-γ-δ  具有β-γ磁场的活跃区域, 并且在单颗本影内至少有一对极性相反的本影
    γ-δ  具有γ磁场的活跃区域, 并且在单颗半影内至少有一对极性相反的本影
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    表  2  数据分布

    Table  2.   Data distribution

    类型 总数据集
    2010年5月1日至2017年12月12日
    训练集
    2010年5月1日至2015年7月27日
    测试集
    2015年7月28日至2017年12月12日
    α 5276 3989 1287
    β 7849 6580 1269
    β-X 2516 1941 575
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    表  3  混淆矩阵

    Table  3.   Confusion matrix

    预测为正类预测为负类
    观测为正类True Positive (TP)False Negative (FN)
    观测为负类False Positive (FP)True Negative (TN)
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    表  4  连续谱图预测结果

    Table  4.   Prediction results of continuum map

    αββ-X
    α591637737
    β3238566525
    β-X1381792701
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    表  5  连续谱图性能指标的模型对比

    Table  5.   Comparison of performance metrics of continuum map by different models

    模型F1分数准确率
    αββ-Xαββ-X
    本研究0.93110.92420.86010.93460.90990.8950
    Ref.[7]0.96570.91590.94450.98500.88500.9575
    Ref.[10]0.95420.910.82190.95590.90730.8257
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    表  6  磁图预测结果

    Table  6.   Predicted results of magnetogram map

    αββ-X
    α61231998
    β4238684307
    β-X762212721
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    表  7  磁图性能指标的模型对比

    Table  7.   Comparison of performance metrics of magnetogram map by different models

    模型F1 分数准确率
    αββ-Xαββ-X
    本研究0.94550.93790.89890.96730.92250.9016
    Ref.[7]0.92400.81230.88050.95750.76250.9025
    Ref.[10]0.95420.910.82190.95590.90730.8257
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-07
  • 修回日期:  2024-12-21
  • 网络出版日期:  2025-04-15

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