[論文レビュー] Software tool for automatic detection of solar plages in the Coimbra Observatory spectroheliograms

Teresa Barata, Sara Carvalho+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 55被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、コイムブラ天文台のCa II K3スペクトロヘルモグラムから太陽 plageの自動検出を目的とした、数学的モーフォロジーに基づくソフトウェアツールを提示する。ウォーターシェッド変換とモーフォロジー演算子を用いる。この手法は太陽活動周期24期にわたり、高精度なクロモスフィア plageの検出を達成しており、雲の影響を受ける非理想な撮影条件下でも、手動および他の自動手法と強い一致（r = 0.83）を示す。

ABSTRACT

Full-disk spectroheliograms have been taken in Coimbra on a daily basis since 1926 in the Ca II K-line (K1 and K3). Later, in 1989, with the upgrade of the equipment it was possible to start the observations in the H-alpha line. The spectroheliograms of Coimbra constitutes a huge dataset of solar images, which requires an efficient automatic tool to detect and analyse solar activity features. This work presents a mathematical morphology approach applied to the CaII K3 series. The objective is to create a tool based on the segmentation by watershed transform combined with other morphological operators to detect automatically and analyse chromospheric plages during the solar cycle 24. The tool is validated by comparing its results for cycle 23 with those presented by Dorotovic et al. (2007, 2010). The results obtained are in very good agreement with those, including on images obtained in non-ideal meteorological conditions (eg. some clouds in sky). The results were also qualitatively compared with the results obtained through the application of ASSA model to SDO HMI magnetograms.

研究の動機と目的

• コイムブラ天文台の長期にわたる地上観測スペクトロヘルモグラムから、クロモスフィア plage を自動的かつ強固に検出する手法を開発すること。
• 太陽活動の定量的分析、特に黒spot面積および南北非対称性を、太陽活動周期24期にわたって可能にすること。
• 周期23の既存の手動結果および他の自動手法と照合して、手法の妥当性を検証すること。
• 事前処理を施さずに、大気ノイズや雲アーチファクトの影響を受ける低品質な画像に対しても適用可能であることを保証すること。
• 同様の手法を、ハーキヴ天文台などの他のスペクトロヘルモグラムデータセットへも応用可能であるように拡張すること。

提案手法

• 本手法は、数学的モーフォロジー、特にウォーターシェッド変換を用いて、Ca II K3スペクトロヘルモグラム内の明るい plage 確率領域をセグメンテーションおよび検出する。
• エロージョン、ディレーション、オープニング、クロージングなどのモーフォロジー演算子を用いて、plage 構造のセグメンテーションを強化および精錬する。
• モーフォロジー処理の後にしきい値処理を適用することで、背景から顕著な plage 領域を分離する。
• 本手法は、縁の暗黒補正や大気ノイズ除去のための事前処理を必要とせず、撮影アーチファクトに対して強健である。
• 合計黒spot面積、北半球および南半球の面積、およびそれらの非対称性といった定量的指標を計算する。
• 本手法は、周期23のドロトビッチら（2007, 2010）の結果と、SDO HMI磁気計測データに適用したASSAモデルとを用いたクロスコアレーションによって検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気的影響の事前処理を施さずに、数学的モーフォロジーに基づく手法が、長期にわたる地上観測スペクトロヘルモグラムから太陽 plage を信頼性高く検出できるか。
• RQ2 提案された自動手法の性能は、周期23の手動検出結果と比べてどの程度か。
• RQ3 部分的な雲カバーなどの非理想な撮影条件下でも、この手法はどの程度の精度を維持できるか。
• RQ4 Coimbraの画像に磁気極性データがないにもかかわらず、本自動検出手法の結果は、SDO HMI磁気計測データに適用したASSAモデルの結果とどの程度相関するか。
• RQ5 同様のモーフォロジーパラメータを、ハーキヴ天文台などの他の観測所のスペクトロヘルモグラムにも成功裏に適用可能か。

主な発見

• 本手法は、周期23のドロトビッチら（2007, 2010）の手動結果と強く一致し、相関係数 r = 0.83 を示した。
• 本アルゴリズムは、雲カバーなどの大気的アーチファクトを含む画像においても、事前処理なしに plage を正常に検出でき、その強健性を示した。
• 本手法で算出された黒spot領域の南北非対称性は、AKFEATアルゴリズムとの間でも高い相関（r = 0.83）を示した。
• 同じパラメータを用いてハーキヴ天文台のスペクトロヘルモグラムに対しても本手法を成功裏に適用し、異なる機器間での適用可能性を確認した。
• 本手法は縁の暗黒効果に影響を受けず、強度正規化やコントラスト補正を必要としない。
• 本手法の結果は、Coimbraの画像に磁気極性データがないにもかかわらず、SDO HMIデータに適用したASSAモデルの結果と定性的に一致した。