基于密度的聚类

本文详细介绍了基于密度的聚类方法DBSCAN,包括E邻域、核心对象、直接密度可达、密度可达和密度相连等概念。DBSCAN通过检查每点的邻域寻找簇,找到密度相连对象的最大集合。算法需要设置半径Eps和最小点数MinPts,这两个参数的合适值依赖于经验知识和k-距离曲线分析。

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Density-based methods:


DBSCAN中的几个定义:

E邻域:给定对象半径为E内的区域称为该对象的E邻域

核心对象:如果给定对象E邻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E邻域内,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,p3,...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。注意:密度可达是单向的,密度可达即可容纳同一类。

密度相连:存在样本集合D中的一点o,如果对象o到对象p和对象q都是密度可达的,那么p和q密度相连。


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。


DBSCAN通过检查数据库中每点的r邻域来搜索簇。如果点p的r邻域包含的点多于MinPts个,则创建一个以p为核心对象的簇。然后,DBSCAN迭代的聚集从这些核心对象直接密度可达的

### 基于密度的点云聚类算法概述 基于密度的点云聚类算法能够有效地处理具有不同形状和尺寸的簇,并能识别噪声点。这类算法的核心在于定义空间中的某个区域如果包含足够的点,则认为这些点属于同一个簇;反之,稀疏区域则被认为是分离的不同簇或者是噪声。 #### DBSCAN算法原理 DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise) 是一种典型的基于密度聚类算法[^1]。此算法不需要预先指定簇的数量,而是依赖两个重要参数来控制聚类过程: - **Eps**: 定义两点之间的最大距离,即邻域半径。 - **MinPts**: 邻域内最少需要含有的点数才能形成一个密集区。 对于每一个未访问过的点P,在其Eps范围内查找所有邻居N。如果|N| >= MinPts, 则创建一个新的簇并加入所有的核心对象及其直接密度可达的对象直到不再有新的成员可加为止。否则标记为边界点或噪音点。 ```cpp // C++伪代码展示DBSCAN部分逻辑 void expandCluster(Point p, Cluster &cluster, double eps, int minPts){ cluster.addPoint(p); vector<Point> seeds = regionQuery(p, eps); // 获取eps范围内的点集合 while (!seeds.empty()){ Point current_point = seeds.back(); seeds.pop_back(); if(!current_point.visited){ current_point.visited = true; vector<Point> neighbors = regionQuery(current_point, eps); if(neighbors.size() >= minPts){ for(auto& neighbor : neighbors){ if(!neighbor.isProcessed()){ seeds.push_back(neighbor); } if(!neighbor.getCluster().isValid()){ cluster.addPoint(neighbor); } } } } } } ``` #### OPTICS算法简介 除了DBSCAN之外,OPTICS (Ordering Points To Identify the Clustering Structure) 同样是重要的基于密度聚类方法之一[^3]。相比于前者,后者提供了更灵活的方式去发现复杂结构的数据分布特征。OPTICS并不立即生成具体的簇划分结果,而是在遍历过程中记录下每个点相对于其它点的距离信息(reachability distance),从而构建出一条反映全局密度特性的顺序链表。最终用户可以根据不同的阈值从这条链表上提取所需的簇形态。 ### 应用场景 在实际应用中,基于密度的点云聚类广泛应用于自动驾驶汽车感知环境建模、机器人导航避障规划等领域。例如,在LiDAR传感器获取到大量三维坐标数据之后,利用上述提到的方法可以帮助系统快速区分目标物体与其他背景要素,进而辅助决策层做出合理反应措施[^4]。
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