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DBSCAN

基于密度的聚类算法

DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)是一个比较有代表性的基于密度的聚类算法。与划分和层次聚类方法不同，它将簇定义为密度相连的点的最大集合，能够把具有足够高密度的区域划分为簇，并可在噪声的空间数据库中发现任意形状的聚类。

概念
DBSCAN中的几个定义：
Ε邻域：给定对象半径为Ε内的区域称为该对象的Ε邻域；
核心对象：如果给定对象Ε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Ε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….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：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密度相联。
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邻域中有点{m,p,p1,p2,o}, 点m的E邻域中有点{m,q,p,m1,m2},点q的E邻域中有点{q,m},点o的E邻域中有点{o,p,s},点s的E邻域中有点{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邻域中点数量等于2，小于MinPts=3)；
点m从点p直接密度可达，因为m在p的E邻域内，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。
描述
DBSCAN算法描述:
输入: 包含n个对象的数据库，半径e，最少数目MinPts;
输出:所有生成的簇，达到密度要求。
(1)Repeat
(2)从数据库中抽出一个未处理的点；
(3)IF抽出的点是核心点 THEN 找出所有从该点密度相连的对象，形成一个簇；
(4)ELSE 抽出的点是边缘点(非核心对象)，跳出本次循环，寻找下一个点；
(5)UNTIL 所有的点都被处理。
DBSCAN对用户定义的参数很敏感，细微的不同都可能导致差别很大的结果，而参数的选择无规律可循，只能靠经验确定。
步骤
DBScan需要二个参数： 扫描半径 (eps)和最小包含点数(minPts)。 任选一个未被访问(unvisited)的点开始，找出与其距离在eps之内(包括eps)的所有附近点。
如果 附近点的数量 ≥ minPts，则当前点与其附近点形成一个簇，并且出发点被标记为已访问(visited)。 然后递归，以相同的方法处理该簇内所有未被标记为已访问(visited)的点，从而对簇进行扩展。
如果 附近点的数量 < minPts，则该点暂时被标记作为噪声点。
如果簇充分地被扩展，即簇内的所有点被标记为已访问，然后用同样的算法去处理未被访问的点。
伪码
具体算法描述如下：
（1）检测数据库中尚未检查过的对象p，如果p未被处理(未被归为某个簇或者标记为噪声)，则检查其邻域，若包含的对象数不小于minPts，建立新簇C，将其中的所有点加入候选集N；
（2）对候选集N 中所有尚未被处理的对象q，检查其邻域，若至少包含minPts个对象，则将这些对象加入N；如果q 未归入任何一个簇，则将q 加入C；
（3）重复步骤2)，继续检查N 中未处理的对象，当前候选集N为空；
（4）重复步骤1)~3)，直到所有对象都归入了某个簇或标记为噪声。
其伪代码描述如下：
输入：数据对象集合D，半径Eps，密度阈值MinPts
输出：聚类C
DBSCAN（D, Eps, MinPts）
Begin
init C=0; //初始化簇的个数为0
for each unvisited point p in D
mark p as visited; //将p标记为已访问
N = getNeighbours (p, Eps);
if sizeOf(N) < MinPts then
mark p as Noise; //如果满足sizeOf(N) < MinPts，则将p标记为噪声
else
C= next cluster; //建立新簇C
ExpandCluster (p, N, C, Eps, MinPts);
end if
end for
End
其中ExpandCluster算法伪码如下：
ExpandCluster(p, N, C, Eps, MinPts)
add p to cluster C; //首先将核心点加入C
for each unvisited point p’ in N
mark p' as visited;
N’ = getNeighbours (p’, Eps); //对N邻域内的所有点在进行半径检查
if sizeOf(N’) >= MinPts then
N = N+N’; //如果大于MinPts，就扩展N的数目
end if
if p’ is not member of any cluster
add p’ to cluster C; //将p' 加入簇C
end if
end for
End ExpandCluster
好处
1. 与K-means方法相比，DBSCAN不需要事先知道要形成的簇类的数量。
2. 与K-means方法相比，DBSCAN可以发现任意形状的簇类。
3. 同时，DBSCAN能够识别出噪声点。
4.DBSCAN对于数据库中样本的顺序不敏感，即Pattern的输入顺序对结果的影响不大。但是，对于处于簇类之间边界样本，可能会根据哪个簇类优先被探测到而其归属有所摆动。
缺点
1. DBScan不能很好反映高维数据。
2. DBScan不能很好反映数据集以变化的密度。
3.如果样本集的密度不均匀、聚类间距差相差很大时，聚类质量较差。
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