## Spark实现Canopy聚类算法

Spark实现Canopy聚类算法

为什么需要Canopy算法

Canopy算法一般是为其他聚类算法的一种聚类方法，常用的聚类如 K-means 等聚类算法都需要事先k值（即聚类个数），并且会随机选择k个初始聚类中心。这种实现指定的k和随机初始化的聚类中心不仅会降低聚类算法的效率，而且得到的结果也可能是局部最优的。Canopy算法就可以解决以上问题。

Canopy算法的步骤

Canopy算法的核心步骤如下：

1. 给定一组待聚类的数据集D；
2. 给定两个阈值 T1，T2 且T1 > T2;
3. 随机选择D中的一个数据d作为中心，并将d从D中移除；
4. 计算D中所有点到d的距离distance；
5. 将所有distance < T1的点归到以d为中心的canopy1类中；
6. 将所有distance < T2的点从D中移除；
7. 重复步骤4-6，直到D为空，形成多个Canopy类。

从Canopy算法实现的步骤来看，Canopy算法的优点明显，同时也存在一定的缺点：就是要事先指定合适的T1 和 T2

Canopy聚类过程如图所示：

Canopy聚类过程

代码实现

本案例以鸢尾花数据集为例

 // 数据加载
    val irisData = spark.read
      .option("header", true)
      .option("inferSchema", true)
      .csv(inputFile)

 ////////////////////////数据预处理//////////////////////////////
    val schema = irisData.schema
    val fts = schema.filterNot(_.name == """class""").map(_.name).toArray

    // 特征处理
    val amountVectorAssembler: VectorAssembler = new VectorAssembler()
      .setInputCols(fts)
      .setOutputCol("features")

    val ftsDF = amountVectorAssembler
      .transform(irisData)
      .select("features")


   // 计算欧式距离
    def Euclidean(p1: Seq[Double], p2: Seq[Double]) = {
      var distant = 0d
      for (i <- 0 until p1.length) {
        distant += pow(p1(i) - p2(i), 2)
      }
      sqrt(distant)
    }

   // Canopy聚类算法过程
   def ConapyRunner(df: DataFrame, t1: Double, t2: Double) = {

      var flag = true
      var cluster = 0 // ClusterId Canopy类的Id

      // 结果表的Schema信息
      val schemaOfResult: StructType = df.schema
        .add("conapyId", IntegerType) //增加一列表示类id的字段

      // 创建一个空DF 用于接收结果
      var resultDF =
        spark.createDataFrame(spark.sparkContext.emptyRDD[Row], schemaOfResult)

      var dfcopy = df

      while (flag) {

        cluster += 1

        // 随机选择一个初始点p 为了方便计算 在这里选择第一个点作为初始点
        val d = dfcopy.head.getAs[DenseVector]("features")

        //定义距离计算的自定义函数（默认为欧式距离）
        val distanceUDF = udf((vec: DenseVector) => {
          val distance = Euclidean(vec.toArray, d.toArray)
          //输出结果模式匹配
          (distance < t1, distance < t2)
        })

        val distanceDF = dfcopy
          .withColumn("distance", distanceUDF($"features"))
          .withColumn("t2threshold", $"distance".getField("_2"))
          .withColumn("t1threshold", $"distance".getField("_1"))

        // 将距离小于t1的输出 同时剔除的还有初始点d
        resultDF = resultDF.union(
          distanceDF
            .where($"t1threshold")
            .select($"features", lit(cluster) as "cluster")
        )

        // 将距离小于T2的点从数据集移除
        dfcopy = distanceDF
          .where(!$"t2threshold")
          .select($"features")

        // 判断df是否已经为空 df为空时 结束循环
        flag = !dfcopy.isEmpty

      }

      // 返回聚类结果集
      resultDF

    }

  // 聚类方法调用
   val dd = ConapyRunner(ftsDF, 4, 1.5)

    dd.show()

结果查看（已省略部分展示结果）

+-----------------+--------+
|         features|conapyId|
+-----------------+--------+
|[5.1,3.5,1.4,0.2]|       1|
|[4.9,3.0,1.4,0.2]|       1|
|[5.6,2.5,3.9,1.1]|       2|
|[5.9,3.2,4.8,1.8]|       2|
+-----------------+--------+

从算法可以得知，使用Canopy聚类时，产生的各类之间可能是有交集的，数据集的Canopy划分完成后，类似于下图：

Canopy聚类结果

参考资料：

https://www.deeplearn.me/1765.html
https://www.cnblogs.com/jamesf/p/4751565.html