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基于密度的聚类算法-DBSCAN

一 什么是基于密度的聚类算法

由于层次聚类算法和划分式聚类算往往只能发现凸形的聚类簇。为了弥补这一缺陷,发现各种任意形状的聚类簇,开发出基于密度的聚类算法。这类算法认为,在整个样本空间点中,各目标类簇是由一群的稠密样本点组成的,而这些稠密样本点被低密度区域(噪声)分割,而算法的目的就是要过滤低密度区域,发现稠密样本点。

二 DBSCAN(Density-based Spatial Clustering of Applications with Noise)

是一种基于高密度联通区域的聚类算法,它将类簇定义为高密度相连点的最大集合。它本身对噪声不敏感,并且能发现任意形状的类簇。

DBSCAN中的的几个定义:

Ε领域:给定对象半径为Ε内的区域称为该对象的Ε领域

核心对象:如果给定对象Ε领域内的样本点数大于等于MinPts,则称该对象为核心对象。

直接密度可达:对于样本集合D,如果样本点q在p的Ε领域内,并且p为核心对象,那么对象q从对象p直接密度可达。

密度可达:对于样本集合D,给定一串样本点p1,p2….pn,p= p1,q= pn,假如对象pi从pi-1直接密度可达,那么对象q从对象p密度可达。

密度相连:对于样本集合D中的任意一点O,如果存在对象p到对象o密度可达,并且对象q到对象o密度可达,那么对象q到对象p密度相连。

可以发现,密度可达是直接密度可达的传递闭包,并且这种关系是非对称的。密度相连是对称关系。DBSCAN目的是找到密度相连对象的最大集合。

Eg: 假设半径Ε=3,MinPts=3,点p的E领域中有点{m,p,p1,p2,o}, 点m的E领域中有点{m,q,p,m1,m2},点q的E领域中有点{q,m},点o的E领域中有点{o,p,s},点s的E领域中有点{o,s,s1}.

那么核心对象有p,m,o,s(q不是核心对象,因为它对应的E领域中点数量等于2,小于MinPts=3);

点m从点p直接密度可达,因为m在p的E领域内,并且p为核心对象;

点q从点p密度可达,因为点q从点m直接密度可达,并且点m从点p直接密度可达;

点q到点s密度相连,因为点q从点p密度可达,并且s从点p密度可达。
三 算法描述

算法:DBSCAN

输入:E — 半径

MinPts — 给定点在E领域内成为核心对象的最小领域点数

D — 集合

输出:目标类簇集合

方法:repeat

1) 判断输入点是否为核心对象

2) 找出核心对象的E领域中的所有直接密度可达点

util 所有输入点都判断完毕

repeat

针对所有核心对象的E领域所有直接密度可达点找到最大密度相连对象集合,

中间涉及到一些密度可达对象的合并。

Util 所有核心对象的E领域都遍历完毕

算法:DBSCAN

输入:E — 半径

MinPts — 给定点在E领域内成为核心对象的最小领域点数

D — 集合

输出:目标类簇集合

方法:repeat

1) 判断输入点是否为核心对象

2) 找出核心对象的E领域中的所有直接密度可达点

util 所有输入点都判断完毕

repeat

针对所有核心对象的E领域所有直接密度可达点找到最大密度相连对象集合,

中间涉及到一些密度可达对象的合并。

Util 所有核心对象的E领域都遍历完毕

四 算法实现

package com.dbscan;

public class DataPoint {
private String dataPointName; // 样本点名
private double dimensioin[]; // 样本点的维度
private boolean isKey; //是否是核心对象

public DataPoint(){

}

public DataPoint(double[] dimensioin,String dataPointName,boolean isKey){
this.dataPointName=dataPointName;
this.dimensioin=dimensioin;
this.isKey=isKey;
}

}

------------

package com.dbscan;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Cluster {
private List dataPoints = new ArrayList(); // 类簇中的样本点
private String clusterName; //簇名

public List getDataPoints() {
return dataPoints;
}

public void setDataPoints(List dataPoints) {
this.dataPoints = dataPoints;
}

public String getClusterName() {
return clusterName;
}

public void setClusterName(String clusterName) {
this.clusterName = clusterName;
}

}

------------

package com.dbscan;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ClusterAnalysis {

public List doDbscanAnalysis(List dataPoints,
double radius, int ObjectNum) {
List clusterList=new ArrayList();
for(int i=0; i DataPoint dp=dataPoints.get(i);
List arrivableObjects=isKeyAndReturnObjects(dp,dataPoints,radius,ObjectNum);
if(arrivableObjects!=null){
Cluster tempCluster=new Cluster();
tempCluster.setClusterName("Cluster "+i);
tempCluster.setDataPoints(arrivableObjects);
clusterList.add(tempCluster);
}
}

for(int i=0;i for(int j=0;j if(i!=j){
Cluster clusterA=clusterList.get(i);
Cluster clusterB=clusterList.get(j);

List dpsA=clusterA.getDataPoints();
List dpsB=clusterB.getDataPoints();

boolean flag=mergeList(dpsA,dpsB);
if(flag){
clusterList.set(j, new Cluster());
}
}
}
}

return clusterList;
}

public void displayCluster(List clusterList){
if(clusterList!=null){
for(Cluster tempCluster:clusterList){
if(tempCluster.getDataPoints()!=null&&tempCluster.getDataPoints().size()>0){
System.out.println("----------"+tempCluster.getClusterName()+"----------");
for(DataPoint dp:tempCluster.getDataPoints()){
System.out.println(dp.getDataPointName());
}
}
}
}
}

private double getDistance(DataPoint dp1,DataPoint dp2){
double distance=0.0;
double[] dim1=dp1.getDimensioin();
double[] dim2=dp2.getDimensioin();
if(dim1.length==dim2.length){
for(int i=0;i double temp=Math.pow((dim1[i]-dim2[i]), 2);
distance=distance+temp;
}
distance=Math.pow(distance, 0.5);
return distance;
}
return distance;
}

private List isKeyAndReturnObjects(DataPoint dataPoint,List dataPoints,double radius,int ObjectNum){
List arrivableObjects=new ArrayList(); //用来存储所有直接密度可达对象

for(DataPoint dp:dataPoints){
double distance=getDistance(dataPoint,dp);
if(distance arrivableObjects.add(dp);
}
}

if(arrivableObjects.size()>=ObjectNum){
dataPoint.setKey(true);
return arrivableObjects;
}

return null;
}

private boolean isContain(DataPoint dp,List dps){
boolean flag=false;
String name=dp.getDataPointName().trim();
for(DataPoint tempDp:dps){
String tempName=tempDp.getDataPointName().trim();
if(name.equals(tempName)){
flag=true;
break;
}
}

return flag;
}

private boolean mergeList(List dps1,List dps2){
boolean flag=false;

if(dps1==null||dps2==null||dps1.size()==0||dps2.size()==0){
return flag;
}

for(DataPoint dp:dps2){
if(dp.isKey()&&isContain(dp,dps1)){
flag=true;
break;
}
}

if(flag){
for(DataPoint dp:dps2){
if(!isContain(dp,dps1)){
DataPoint tempDp=new DataPoint(dp.getDimensioin(),dp.getDataPointName(),dp.isKey());
dps1.add(tempDp);
}
}
}

return flag;
}

public static void main(String[] args){
ArrayList dpoints = new ArrayList();

double[] a={2,3};
double[] b={2,4};
double[] c={1,4};
double[] d={1,3};
double[] e={2,2};
double[] f={3,2};

double[] g={8,7};
double[] h={8,6};
double[] i={7,7};
double[] j={7,6};
double[] k={8,5};

double[] l={100,2};//孤立点

double[] m={8,20};
double[] n={8,19};
double[] o={7,18};
double[] p={7,17};
double[] q={8,21};

dpoints.add(new DataPoint(a,"a",false));
dpoints.add(new DataPoint(b,"b",false));
dpoints.add(new DataPoint(c,"c",false));
dpoints.add(new DataPoint(d,"d",false));
dpoints.add(new DataPoint(e,"e",false));
dpoints.add(new DataPoint(f,"f",false));

dpoints.add(new DataPoint(g,"g",false));
dpoints.add(new DataPoint(h,"h",false));
dpoints.add(new DataPoint(i,"i",false));
dpoints.add(new DataPoint(j,"j",false));
dpoints.add(new DataPoint(k,"k",false));

dpoints.add(new DataPoint(l,"l",false));

dpoints.add(new DataPoint(m,"m",false));
dpoints.add(new DataPoint(n,"n",false));
dpoints.add(new DataPoint(o,"o",false));
dpoints.add(new DataPoint(p,"p",false));
dpoints.add(new DataPoint(q,"q",false));

ClusterAnalysis ca=new ClusterAnalysis();
List clusterList=ca.doDbscanAnalysis(dpoints, 2, 4);
ca.displayCluster(clusterList);

}
}

}

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Story | by Dr. Radut