CN108537290A - 基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法 - Google Patents

基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数据分类领域,公开了一种基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法,以提升恒星光谱分类的效率。本发明在恒星光谱分类时,采用双支持向量机将恒星光谱中的两类分开,所述双支持向量机引入了线性判别分析中的类间离散度和类内离散度,用以表征光谱数据的分布性状,引入了模糊隶属度函数,用以降低噪声点和奇异点对分类结果的影响。本发明适用于恒星光谱分类。

Description

基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法
技术领域
本发明涉及数据分类领域,特别涉及基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法。
背景技术
恒星光谱分类是天文学研究的一个热点问题。随着观测光谱数量的急剧增加,传统的人工分类方法满足解决实际需求,急需利用自动化技术,特别是数据挖掘算法来对恒星光谱进行自动分类。关联规则、神经网络、自组织网络等数据挖掘算法已广泛应用于恒星光谱分类。其中,支持向量机(Support Vector Machine,SVM)分类能力突出,被广泛应用于恒星光谱分类。该方法试图在两类样本之间找到一个最优分类超平面将两类分开。该方法具有较高的时间复杂度,计算效率有限。双支持向量机(Twin Support Vector Machine,TWSVM)的出现有效地解决了SVM面临的效率问题。该方法通过构造两个非平行的分类超平面将两类分开,每一类靠近某个分类超平面,而远离另一个分类超平面。TWSVM的计算效率较之传统SVM提高近4倍,因此,自TWSVM提出后便受到研究人员的持续关注。但上述方法在分类决策时,一方面没有考虑数据的分布特征,另一方面较易受噪声点和奇异点的影响,分类效率难以显著提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法,以提升恒星光谱分类的效率。
为解决上述问题,本发明采用的技术方案是:在恒星光谱分类时,采用融合了数据分布特征的模糊双支持向量机(Fuzzy Twin Support Vector Machine with SpectralDistribution Properties,TWSVM-SDP)将恒星光谱中的两类分开,该TWSVM-SDP在TWSVM的基础上,引入了线性判别分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)中的类间离散度和类内离散度,用以表征光谱数据的分布性状,引入了模糊隶属度函数,用以降低噪声点和奇异点对分类结果的影响。
进一步的,本发明中TWSVM-SDP算法的具体流程包括:
A.将目标光谱分为训练数据集和测试数据集,利用训练数据集建立基于类间离散度、类内离散度以及模糊隶属度函数的双支持向量机模型,所述双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题为:
其约束条件为:s.t.-(Bw++e2b+)T+ξ≥e2ξ≥0
其约束条件为:s.t.(Aw-+e1b-)T+ξ≥e1ξ≥0
其中,矩阵A和B分别表示属于1类和-1类的数据集,w+和w-分别表示两个分类超平面的法向量,b+和b-分别表示两个分类超平面的位移项,c1和c2分别表示两个分类超平面的惩罚因子;β1和β2为两个分类超平面的平衡参数;e1和e2为全由1组成的列向量,SW为类间离散度,SB为类内离散度,s1和s2分别表示两个分类超平面的模糊隶属度函数,ξ表示松弛因子;
B.利用Lagrangian乘子法将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题转化为对偶形式,求得两个分类超平面的法向量和位移项,并根据求得的法向量和位移项定义决策函数:
C.利用决策函数对测试数据集中的样本进行类属判定。
进一步的,步骤B中,利用Lagrangian乘子法将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题转化为对偶形式的步骤包括:
B1.将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题表示为以下Lagrangian函数式:
其中,Lagrangian乘子α≥0,β≥0
其中,Lagrangian乘子γ≥0,θ≥0;
B2.L(w+,b+,ξ,α,β)分别对w+,b+,ξ求导并令导数等于0,得到:
0≤α≤c1s1
L(w-,b-,ξ,γ,θ)分别对w-,b-,ξ求导并令导数等于0,得到:
0≤γ≤c2s2
B3.将步骤B2得到的等式代入步骤B1中的Lagrangian函数式分别得到以下对偶形式:
其约束条件为:s.t.0≤α≤c1s1
其约束条件为:s.t.0≤γ≤c2s2
进一步的,所述决策函数为:
本发明的有益效果是:本发明恒星光谱分类时,提出一种融合数据分布特征的模糊双支持向量机(Fuzzy Twin Support Vector Machine with Spectral DistributionProperties,TWSVM-SDP),该TWSVM-SDP通过引入线性判别分析(Linear DiscriminantAnalysis,LDA)的类间离散度和类内离散度,从而使算法考虑了光谱数据的分布性状;通过引入模糊隶属度函数,从而使算法降低了噪声点和奇异点对分类结果的影响。在SDSS DR8恒星光谱数据集上的比较实验表明,与支持向量机SVM、双支持向量机TWSVM等传统分类方法相比,本发明的TWSVM-SDP具有更优的分类能力。
具体实施方式
本发明针对传统双支持向量机在分类决策时并未考虑数据的分布特征,且易受噪声点和奇异点的影响的情况。在恒星光谱分类时,提出一种融合数据分布特征的模糊双支持向量机TWSVM-SDP。该TWSVM-SDP在双支持向量机TWSVM的基础上,通过引入LDA中的类间离散度SW和类内离散度SB用以表征光谱数据的分布特征,引入模糊隶属度函数s用以降低噪声点和奇异点对分类结果的影响。SDSS DR8恒星光谱数据集上的比较实验表明,与传统的SVM和TWSVM相比,TWSVM-SDP具有更优的分类能力。
1.在介绍本发明之前,以下通过1.1-1.3先对SVM和TWSVM、以及LDA进行简单说明。
假设给定N个样本集为X={(x1y1),...,(xN,yN)},其中xi∈Rm,yi∈{-1,1}为类别标签。当1≤i≤N1时,yi=1;当1≤i≤N2时,yi=-1,且N=N1+N2
1.1支持向量机
支持向量机通过构造一个分类超平面将两类隔开。设分类超平面为wTx+b=0,分类间隔为2/||w||,SVM的最优化问题可描述为:
s.t.yi(wTxi+b)≥1-ξii≥0i=1,...,N
其中,C为惩罚因子,ξi为松弛因子。
由Lagrangian定理将原问题转化为如下对偶问题:
s.t.αTY=0,α≥0
其中α=[α1,…,αN]T,1=[1,…,1]TY=[y1,…,yN]T,0=[0,…,0]T
1.2双支持向量机
双支持向量机TWSVM试图找到两个非平行的分类超平面将两类分开。设矩阵A和B分别表示属于1类和-1类的数据集,设两类超平面方程分别为则TWSVM的最优化问题可表示为以下形式:
TWSVM1
s.t.-(Bw++e2b+)T+ξ≥e2ξ≥0
TWSVM2
s.t.(Aw-+e1b-)T+ξ≥e1ξ≥0
其中,c1和c2分别表示两个分类超平面的惩罚因子;e1和e2为全由1组成的列向量,ξ为松弛因子。
由Lagrangian定理将原问题转化为如下对偶形式:
TWSVM1
s.t.0≤α≤c1
其中,H=[A e1],G=[B e2]。
TWSVM2
s.t.0≤γ≤c2
其中,P=[A e1],Q=[B e2]。
1.3LDA
LDA是一种经典的特征提取方法,该方法提取的特征具有很好的可分性,即同类之间的距离尽可能近,异类之间的距离尽可能远。其优化问题可描述为:
其中c表示类别数,Ni表示第i类的规模,分别表示第i类均值和所有光谱数据均值。
2.本发明TWSVM-SDP原理
本发明的融合数据分布特征的模糊双支持向量机TWSVM-SDP在双支持向量机TWSVM的基础上,引入LDA中的类间离散度SW和类内离散度SB用以表征光谱数据的分布特征,引入模糊隶属度函数s用以降低噪声点和奇异点对分类结果的影响。设两类超平面的方程分别为TWSVM-SDP的最优化问题可描述为:
TWSVM-SDP1
s.t.-(Bw++e2b+)T+ξ≥e2ξ≥0 (2)
TWSVM-SDP2
s.t.(Aw-+e1b-)T+ξ≥e1ξ≥0 (4)
其中c1和c2分别表示两个分类超平面的惩罚因子;β1和β2表示两个分类超平面的平衡参数;e1和e2为全由1组成的列向量。
令TWSVM-SDP1的Lagrangian函数为:
其中,Lagrangian乘子α≥0,β≥0。
L(w+,b+,ξ,α,β)分别对w+,b+,ξ求导并令导数等于0,可得(6)-(8)式:
由(6)-(7)式可得:
将(9)-(10)式代入(5)式,可得:
令G=A-B,H=(SW-SB)-1,(11)式转化为:
s.t.0≤α≤c1s1 (13)
同理可得TWSVM-SDP2的对偶形式:
s.t.0≤γ≤c2s2 (15)
其中Q=B-A,H=(SW-SB)-1
3.基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法
基于上述原理,本发明提出了一种基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法,具体步骤如下:
A.将目标光谱分为训练数据集和测试数据集,利用训练数据集建立基于类间离散度、类内离散度以及模糊隶属度函数的双支持向量机模型,设双支持向量机模型的两个分类超平面的方程分别为则所述双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题为:
TWSVM-SDP1
其约束条件为:s.t.-(Bw++e2b+)T+ξ≥e2ξ≥0
TWSVM-SDP2
其约束条件为:s.t.(Aw-+e1b-)T+ξ≥e1ξ≥0
其中,矩阵A和B分别表示属于1类和-1类的数据集,w+和w-分别表示两个分类超平面的法向量,b+和b-分别表示两个分类超平面的位移项,c1和c2分别表示两个分类超平面的惩罚因子;β1和β2为两个分类超平面的平衡参数;e1和e2为全由1组成的列向量,SW为类间离散度,SB为类内离散度,s1和s2分别表示两个分类超平面的模糊隶属度函数,ξ表示松弛因子;
B.利用Lagrangian乘子法将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题转化为对偶形式,求得两个分类超平面的法向量w+、w-和位移项b+、b-,并根据求得的法向量和位移项定义决策函数:
本步骤中,利用Lagrangian乘子法将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题转化为对偶形式的具体步骤包:
B1.将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题表示为以下Lagrangian函数式:
TWSVM-SDP1
其中,Lagrangian乘子α≥0,β≥0
TWSVM-SDP2
其中,Lagrangian乘子γ≥0,θ≥0;
B2.L(w+,b+,ξ,α,β)分别对w+,b+,ξ求导并令导数等于0,得到:
0≤α≤c1s1
L(w-,b-,ξ,γ,θ)分别对w-,b-,ξ求导并令导数等于0,得到:
0≤γ≤c2s2
B3.将步骤B2得到的等式代入步骤B1中的Lagrangian函数式分别得到以下对偶形式:
TWSVM-SDP1
其约束条件为:s.t.0≤α≤c1s1
TWSVM-SDP2
其约束条件为:s.t.0≤γ≤c2s2
根据法向量和位移项定义的决策函数为:
C.利用步骤B定义的决策函数对测试数据集中的样本进行类属判定。
4.实验分析
下面对本发明的恒星光谱分类方法进行实验分析。
实验采用美国斯隆巡天发布是SDSS DR8的恒星光谱数据作为实验数据集。实验对象是K型、F型、G型恒星光谱,其中K型光谱包括K1、K3、K5、K7四类次型,其性噪比(SignalNoise Ratio,SNR)区间为(50,60);F型光谱包括F2、F5、F9三类次型,其中F2次型光谱性噪比区间为(50,60),F5次型光谱性噪比区间为(65,70),F9次型性光谱噪比区间为(75,80);G型光谱包括G0、G2、G5三类次型,其中G0次型光谱性噪比区间为(50,60),G2次型光谱性噪比区间为(55,60),G5次型性噪光谱比区间为(50,70),实验数据集如表1(a)-1(c)所示。
通过与SVM、TWSVM等分类方法的比较来验证所提方法TWSVM-SDP的有效性。上述分类方法的性能与所选的参数有关。本文选用10折交叉验证法获取实验参数,而参数的选择采用网格搜索法。在SVM和TWSVM中,惩罚因子在网格{0.01,0.05,0.1,0.5,1,5,10}中搜索。实验选取基于距离的模糊隶属度函数。分别选取实验对象的30%、40%、50%、60%、70%作为训练数据集,而剩余样本作为测试数据集。实验结果如表2(a)-2(c)所示,其中括号前的值表示样本规模,括号中的值表示所占比例。
表1(a)K型恒星光谱规模
Table 1(a)The total number of K stars
表1(b)F型恒星光谱规模
Table 1(b)The total number of F stars
表1(c)G型恒星光谱规模
Table 1(c)The total number of G stars
表2(a)K型恒星数据集上的比较实验结果
Table 2(a)The comparative experimental results on the K-type dataset
表2(b)F型恒星数据集上的比较实验结果
Table 2(b)The comparative experimental results on the F-type dataset
表2(c)G型恒星数据集上的比较实验结果
Table 2(c)The comparative experimental results on the G-type dataset
由表2(a)-2(c)可以看出:随着训练样本规模的增大,SVM、TWSVM、TWSVM-SDP三种分类方法的分类精度呈上升趋势(训练样本为70%的F型恒星光谱的情况除外)。在不同规模的训练样本情况下,TWSVM-SDP较之SVM、TWSVM具有更优的分类能力。从平均分类性能看,与SVM、TWSVM相比,TWSVM-SDP的分类表现更优。究其原因,TWSVM-SDP一方面继承了TWSVM计算效率较高的优势,另一方面其在分类决策时考虑了光谱数据的分布性状,通过引入模糊隶属度函数来降低噪声点和奇异点对分类结果的影响。因此,与SVM、TWSVM相比,TWSVM-SDP在恒星光谱分类中表现更优。
以上描述了本发明的基本原理和主要的特征,说明书的描述只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法,采用双支持向量机将恒星光谱中的两类分开,其特征在于,所述双支持向量机引入了线性判别分析中的类间离散度和类内离散度,用以表征光谱数据的分布性状,引入了模糊隶属度函数,用以降低噪声点和奇异点对分类结果的影响。
2.如权利要求1所述的基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法,其特征在于,所述双支持向量机算法的具体流程包括:
A.将目标光谱分为训练数据集和测试数据集,利用训练数据集建立基于类间离散度、类内离散度以及模糊隶属度函数的双支持向量机模型,所述双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题为:
其约束条件为:s.t.-(Bw++e2b+)T+ξ≥e2 ξ≥0
其约束条件为:s.t.(Aw_+e1b_)T+ξ≥e1 ξ≥0
其中,矩阵A和B分别表示属于1类和-1类的数据集,w+和w_分别表示两个分类超平面的法向量,b+和b_分别表示两个分类超平面的位移项,c1和c2分别表示两个分类超平面的惩罚因子;β1和β2为两个分类超平面的平衡参数;e1和e2为全由1组成的列向量,SW为类间离散度,SB为类内离散度,s1和s2分别表示两个分类超平面的模糊隶属度函数,ξ表示松弛因子;
B.利用Lagrangian乘子法将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题转化为对偶形式,求得两个分类超平面的法向量和位移项,并根据求得的法向量和位移项定义决策函数:
C.利用决策函数对测试数据集中的样本进行类属判定。
3.如权利要求2所述的基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法,其特征在于,步骤B中,利用Lagrangian乘子法将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题转化为对偶形式的步骤包括:
B1.将双支持向量机模型的两个分类超平面的最优化问题表示为以下Lagrangian函数式:
其中,Lagrangian乘子α≥0,β≥0
其中,Lagrangian乘子γ≥0,θ≥0;
B2.L(w+,b+,ξ,α,β)分别对w+,b+,ξ求导并令导数等于0,得到:
0≤α≤c1s1
L(w_,b_,ξ,γ,θ)分别对w_,b_,ξ求导并令导数等于0,得到:
0≤γ≤c2s2
B3.将步骤B2得到的等式代入步骤B1中的Lagrangian函数式分别得到以下对偶形式:
其约束条件为:s.t.0≤α≤c1s1
其约束条件为:s.t.0≤γ≤c2s2
4.如权利要求3所述的基于数据分布特征及模糊隶属度函数的恒星光谱分类方法,其特征在于,所述决策函数为:
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