Método de Deteção Automática de Manchas Solares em espetro-heliogramas digitais baseado na intensidade de valores digitais de píxeis

Abstract

This work aims the development of an automatic detection method of sunspots on digital spectroheliograms, of the Geophysical and Astronomical Observatory of the University of Coimbra, based on the digital level of the pixels. The method has: i) a pre-processing stage of the image, to normalize the intensity of the solar disk and remove the limb darkening effect; ii) a detection stage, where, through the analysis of the intensity of the pixels, the sunspots are detected and segmented in their two main components, the umbra and the penumbra; iii) a filtering stage to minimize terrestrial atmospheric effects on the images, such as clouds. In addition, a method for calculating the areas of the detected sunspots was also developed. However, this method was not validated. The performance of the method was evaluated with a series of spectroheliograms, with validated structures, through a series of performance evaluation metrics, namely: true positive rate, true negative rate, quality index, precision, f-score and overall accuracy. The method showed robustness in the non-detection of false positives, as well on the umbra and penumbra segmentation. The detection of true positives presents satisfactory results, although, when compared with automatic detection methods based on mathematical morphology, they are somewhat inferior, concluding that an automatic detection method, purely based on the intensity of pixels, isn't advantageous and hybrid methods should be explored in the future.

Este trabalho tem como objetivo desenvolver um método de deteção automático de manchas solares, em espetro-heliogramas digitais do Observatório Geofísico e Astronómico da Universidade de Coimbra, baseando-se na intensidade dos valores digitais dos píxeis. O método engloba: i) uma fase de pré-processamento de imagem para homogeneizar o disco solar e eliminar o efeito do limb darkening; ii) uma fase de deteção de estruturas na imagem, onde, através da análise da intensidade dos píxeis, são detetadas as manchas solares e segmentadas nas suas duas principais componentes, umbra e penumbra; e iii) fase de filtragem, para minimizar efeitos atmosféricos terrestres presentes nas imagens, tal como nuvens. Para além disso, foi também desenvolvido um método para o cálculo das áreas das manchas solares detetadas. No entanto, o método não foi alvo de validação.O desempenho do método foi avaliado com uma série de espetro-heliogramas, com estruturas validadas, através de uma série de métricas de avaliação de desempenho, nomeadamente: taxa de verdadeiros positivos, taxa de verdadeiros negativos, índice de qualidade, precision, f-score e overall accuracy. O método mostrou-se robusto na não deteção de falsos positivos, bem como na segmentação entre a umbra e a penumbra. A deteção de verdadeiros positivos apresentou resultados satisfatórios, contudo, após a comparação com métodos de deteção automática baseados em morfologia matemática, revelam-se algo inferiores, concluindo-se que um método de deteção automático de manchas solares puramente baseado na intensidade dos píxeis não é vantajoso, devendo-se explorar no futuro métodos híbridos.