Automated Classification of Stellar Spectra. II: Two-Dimensional Classification with Neural Networks and Principal Components Analysis

We investigate the application of neural networks to the automation of MK spectral classification. The data set for this project consists of a set of over 5000 optical (3800-5200 AA) spectra obtained from objective prism plates from the Michigan Spectral Survey. These spectra, along with their two-dimensional MK classifications listed in the Michigan Henry Draper Catalogue, were used to develop supervised neural network classifiers. We show that neural networks can give accurate spectral type classifications (sig_68 = 0.82 subtypes, sig_rms = 1.09 subtypes) across the full range of spectral types present in the data set (B2-M7). We show also that the networks yield correct luminosity classes for over 95% of both dwarfs and giants with a high degree of confidence. Stellar spectra generally contain a large amount of redundant information. We investigate the application of Principal Components Analysis (PCA) to the optimal compression of spectra. We show that PCA can compress the spectra by a factor of over 30 while retaining essentially all of the useful information in the data set. Furthermore, it is shown that this compression optimally removes noise and can be used to identify unusual spectra.Comment: To appear in MNRAS. 15 pages, 17 figures, 7 tables. 2 large figures (nos. 4 and 15) are supplied as separate GIF files. The complete paper can be obtained as a single gziped PS file from http://wol.ra.phy.cam.ac.uk/calj/p1.htm

Near-Surface Interface Detection for Coal Mining Applications Using Bispectral Features and GPR

The use of ground penetrating radar (GPR) for detecting the presence of near-surface interfaces is a scenario of special interest to the underground coal mining industry. The problem is difficult to solve in practice because the radar echo from the near-surface interface is often dominated by unwanted components such as antenna crosstalk and ringing, ground-bounce effects, clutter, and severe attenuation. These nuisance components are also highly sensitive to subtle variations in ground conditions, rendering the application of standard signal pre-processing techniques such as background subtraction largely ineffective in the unsupervised case. As a solution to this detection problem, we develop a novel pattern recognition-based algorithm which utilizes a neural network to classify features derived from the bispectrum of 1D early time radar data. The binary classifier is used to decide between two key cases, namely whether an interface is within, for example, 5 cm of the surface or not. This go/no-go detection capability is highly valuable for underground coal mining operations, such as longwall mining, where the need to leave a remnant coal section is essential for geological stability. The classifier was trained and tested using real GPR data with ground truth measurements. The real data was acquired from a testbed with coal-clay, coal-shale and shale-clay interfaces, which represents a test mine site. We show that, unlike traditional second order correlation based methods such as matched filtering which can fail even in known conditions, the new method reliably allows the detection of interfaces using GPR to be applied in the near-surface region. In this work, we are not addressing the problem of depth estimation, rather confining ourselves to detecting an interface within a particular depth range

Damage classification and estimation in experimental structures using time series analysis and pattern recognition

Peer reviewedPreprin

Prediction of residual stresses in girth welded pipes using an artificial neural network approach

Management of operating nuclear power plants greatly relies on structural integrity assessments for safety critical pressure vessels and piping components. In the present work, residual stress profiles of girth welded austenitic stainless steel pipes are characterised using an artificial neural network approach. The network has been trained using residual stress data acquired from experimental measurements found in literature. The neural network predictions are validated using experimental measurements undertaken using neutron diffraction and the contour method. The approach can be used to predict through-wall distribution of residual stresses over a wide range of pipe geometries and welding parameters thereby finding potential applications in structural integrity assessment of austenitic stainless steel girth welds

Numerical modeling and optimization of waterjet based surface decontamination

The mission of this study is to investigate the high-pressure waterjet based surface decontamination. Our specific objective is to develop a practical procedure for selection of process conditions at given constraints and available knowledge. This investigation is expected to improve information processing in the course of material decontamination and assist in the implementation of the waterjet decontamination technology into practice. The development of a realistic procedure for processing of a chaotic and non-accurate information constitutes the main accomplishment of this study. The research involved acquisition of representative information about removal of brittle, elastic and viscous deposits. As a result an extended database representing jet based decoating has been compiled and feasibility of the damage free decontamination of various surfaces including highly sensitive ones is demonstrated. Artificial Intelligence techniques (Fuzzy Logic, Artificial Neural Networks, Genetic Computing) have been applied for processing of the acquired information and a realistic procedure of such an application has been developed and demonstrated. This procedure enables us to integrate available information about surface in question and existing numerical models. The developed procedure allows a user to incorporate both qualitative (linguistic) and quantitative (crisp) information into a process model and to predict operational conditions for treatment of an unknown surface using a readily detectable single experimental parameter that characterizes a deposit/substrata combination. The suggested technique is shown to perform reliably in the case of incomplete and chaotic information, where the traditional regression based methods fail. Numerical simulations of the two-phase flow inside a waterjet nozzle are conducted. Numerical solutions of the partial differential equations of the two-phase turbulent jet flow are obtained using FLUENT package. The numerical prediction of jet velocity profiles and the interface between the two phases (water - air) inside a nozzle are in good agreement with experimental data available in the literature. Thus the current problem setup and the results of simulations can be applied to improvement in the nozzle design. A realistic procedure for the design of the jet based surfaces decontamination developed, as a result of this study, is applied for optimization of the removal of the paint, rust, tar and rubber from the steel surface

Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI