Python实现DBSCAN算法

       声明:代码的运行环境为Python3。Python3与Python2在一些细节上会有所不同,希望广大读者注意。本博客以代码为主,代码中会有详细的注释。相关文章将会发布在我的个人博客专栏《Python从入门到深度学习》,欢迎大家关注~


       K-Means算法、K-Means++算法以及Mean Shift算法都是基于距离的聚类算法,一般此类聚类的聚类结果都是球状的簇,但当聚类结果是非球状的时候,基于距离聚类的聚类算法得到的聚类结果并不是那么的好,然而,基于密度的聚类算法可以完美的解决此类问题。DBSCAN聚类算法是一种典型的基于密度的算法。

一、基本概念

       在DBSCAN算法中,有两个基本的邻域参数,分别是邻域和MinPts。其中邻域表示的是在数据集D中与样本点的距离不大于的样本。MinPts表示的是在样本点邻域内的最少样本点数目,基于此,在DBSCAN算法中数据点分为三类:核心点、边界点、噪音点。

二、DBSCAN算法原理

       在DBSCAN算法中,由核心对象出发,找到与该核心对象密度可达的所有样本形成一个聚类簇。其流程大致如下:

       (1)根据给定的邻域参数和MinPts确定所有的核心对象;

       (2)对每一个核心对象,选择一个未处理过的核心对象,找到由其密度可达的样本生成聚类簇;

       (3)重复上述过程。

       下面我们使用Python语言实现DBSCAN算法:

def dbscan(data, eps, MinPts):
    '''
    DBSCAN算法
    :param data: 聚类的数据集
    :param eps: 半径
    :param MinPts: 半径内最少的数据点的个数
    :return: 返回每个样本的类型、每个样本所属的类别
    '''
    m = np.shape(data)[0]
    # 区分核心点1,边界点0和噪音点-1
    types = np.mat(np.zeros((1, m)))
    sub_class = np.mat(np.zeros((1, m)))
    # 用于判断该点是否处理过,0表示未处理过
    dealed = np.mat(np.zeros((m, 1)))
    # 计算每个数据点之间的距离
    distance = dist(data)
    # 用于标记类别
    number = 1

    # 对每一个点进行处理
    for i in range(m):
        # 找到未处理的点
        if dealed[i, 0] == 0:
            # 找到第i个点到其他所有点的距离
            I = distance[i,]
            # 找到半径eps内的所有点
            index = find_epsilon(I, eps)
            # 区分点的类型
            # 边界点
            if len(index) > 1 and len(index) < MinPts + 1:
                types[0, i] = 0
                sub_class[0, i] = 0
            # 噪音点
            if len(index) == 1:
                types[0, i] = -1
                sub_class[0, i] = -1
                dealed[i, 0] = 1
            # 核心点
            if len(index) >= MinPts + 1:
                types[0, i] = 1
                for x in index:
                    sub_class[0, x] = number
                # 判断核心点是否密度可达
                while len(index) > 0:
                    dealed[index[0], 0] = 1
                    I = distance[index[0],]
                    tmp = index[0]
                    del index[0]
                    index_1 = find_epsilon(I, eps)

                    if len(index_1) > 1:  # 处理非噪音点
                        for x1 in index_1:
                            sub_class[0, x1] = number
                        if len(index_1) >= MinPts + 1:
                            types[0, tmp] = 1
                        else:
                            types[0, tmp] = 0

                        for j in range(len(index_1)):
                            if dealed[index_1[j], 0] == 0:
                                dealed[index_1[j], 0] = 1
                                index.append(index_1[j])
                                sub_class[0, index_1[j]] = number
                number += 1

    # 最后处理所有未分类的点为噪音点
    index_2 = ((sub_class == 0).nonzero())[1]
    for x in index_2:
        sub_class[0, x] = -1
        types[0, x] = -1

    return types, sub_class

       其中,dist()方法用于计算每个数据点之间的距离,find_epsilon()方法用于找出距离小于等于epsilon样本的下标,这两个方法的实现过程如下:

(1)dist()方法

def dist(data):
    '''
    计算每个数据点之间的距离
    :param data: 训练数据
    :return: 返回计算结果
    '''
    m, n = np.shape(data)
    distance = np.mat(np.zeros((m, m)))
    for i in range(m):
        for j in range(i, m):
            tmp = 0
            for k in range(n):
                tmp += (data[i, k] - data[j, k]) * (data[i, k] - data[j, k])
            distance[i, j] = np.sqrt(tmp)
            distance[j, i] = distance[i, j]
    return distance

(2)find_epsilon()方法

def find_epsilon(dist_i, eps):
    '''
    找出距离小于等于epsilon样本下标
    :param dist_i: 样本i和其他样本之间的距离
    :param eps: 半径
    :return: 返回距离小于等于eps样本下标
    '''
    index = []
    n = np.shape(dist_i)[1]
    for j in range(n):
        if dist_i[0, j] <= eps:
            index.append(j)
    return index

       DBSCAN聚类算法的聚类结果是与和MinPts有关系的,这里还需要定义一个函数,当然也可以手动指定的值:

def epsilon(data, MinPts):
    '''
    计算最佳半径
    :param data: 训练数据
    :param MinPts: 半径内数据点的个数
    :return:返回得到的最佳半径
    '''
    m, n = np.shape(data)
    xMax = np.max(data, 0)
    xMin = np.min(data, 0)
    # np.prod()默认情况下计算所有元素的乘积
    eps = ((np.prod(xMax - xMin) * MinPts * math.gamma(0.5 * n + 1)) / (m * math.sqrt(math.pi ** n))) ** (1.0 / n)
    return eps

三、DBSCAN算法举例

1、数据集:数据集有两个特征,如下所示:

Python实现DBSCAN算法_第1张图片

2、加载数据集

       我们此处使用如下方法加载数据集,也可使用其他的方式进行加载,此处可以参考我的另外一篇文章《Python两种方式加载文件内容》。加载文件内容代码如下:

def load_data(file_path):
    '''
    加载数据
    :param file_path: 文件路径
    :return: 以矩阵形式返回数据
    '''
    f = open(file_path)
    data = []
    for line in f.readlines():
        data_tmp = []
        lines = line.strip().split("\t")
        for x in lines:
            data_tmp.append(float(x.strip()))
        data.append(data_tmp)
    f.close()
    return np.mat(data)

3、保存聚类结果

       得到聚类结果之后,我们使用如下方法对聚类结果进行保存:

def save_result(file_name, data):
    '''
    保存聚类结果
    :param file_name: 保存的文件名
    :param data: 需要保存的数据
    :return:
    '''
    f = open(file_name, "w")
    n = np.shape(data)[1]
    tmp = []
    for i in range(n):
        tmp.append(str(data[0, i]))
    f.write("\n".join(tmp))
    f.close()

4、调用DBSCAN算法

if __name__ == "__main__":
    MinPts = 5  # 定义半径内的最少的数据点的个数
    data = load_data("F://data.txt")
    eps = epsilon(data, MinPts)
    types, sub_class = dbscan(data, eps, MinPts)
    save_result("types", types)
    save_result("sub_class", sub_class)

5、得到的结果如下所示

Python实现DBSCAN算法_第2张图片

        你们在此过程中遇到了什么问题,欢迎留言,让我看看你们都遇到了哪些问题。

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