【机器学习】聚类算法-DBSCAN基础认识与实战案例

前言

在机器学习中，聚类是一种常见的无监督学习方法，它的目标是将数据集中的数据点分成不同的组，每个组之间具有相似的特征。聚类可以用于各种应用程序，如图像分割，社交媒体分析，医疗数据分析等。DBSCAN是一种聚类算法，它被广泛应用于各种领域。

一、DBSCAN算法原理

DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）是一种基于密度的聚类算法，它的原理是基于数据点周围的密度来确定聚类。在DBSCAN中，密度高的区域被认为是聚类，而密度低的区域则被认为是噪声。

DBSCAN的算法流程如下：

• 选择一个数据点作为起点，然后查找与该点距离在指定范围内的所有数据点。
• 如果距离在指定范围内的数据点数量大于或等于指定的阈值，则将这些数据点标记为核心点。
• 对于所有核心点，将与其距离在指定范围内的所有数据点归为同一个簇中。如果两个核心点之间存在重叠的数据点，则将它们归为同一簇中。
• 对于所有非核心点，将它们标记为噪声点。

基本概念：

• 密度相连：若从某核心点p出发，点q和点k都是密度可达的,则称点q和点k是密度相连的。
• 边界点:属于某一个类的非核心点,不能发展下线了
• 直接密度可达：若某点p在点q的 r 邻域内，且q是核心点则p-q直接密度可达。
• 噪声点：不属于任何一个类簇的点，从任何一个核心点出发都是密度不可达的

在DBSCAN中，有三个参数需要指定：

• eps：指定在距离范围内的最大距离。
• min_samples：指定一个点周围的最小数据点数量，用于确定核心点。
• metric：用于计算距离的度量方法,密度阈值

二、基础使用

• 导包

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as mp
from sklearn.datasets import make_circles
from sklearn.cluster import DBSCAN

make_circles是scikit-learn中的一个函数，用于生成一个随机的圆形数据集。该函数的参数包括n_samples，表示生成数据集中样本的数量；noise，表示在生成的数据中加入的高斯噪声的标准差；factor，表示内外圆之间的比例因子；random_state，表示生成数据的随机种子，用于确保多次生成的数据集一致。
make_circles函数会在二维平面上生成两个圆形状的簇，并将它们相互嵌套放置，以模拟实际中的非线性可分问题.

DBSCN()实例化参数介绍

• eps：表示两个样本之间的最大距离，超出此距离的样本将被视为离群点，默认值为0.5。
• min_samples：表示簇中的最小样本数，小于此数量的簇将被视为离群点，默认值为5。
• metric：表示用于计算距离的度量方法，默认为欧几里得距离（euclidean）。还可以选择曼哈顿距离（manhattan）、余弦距离（cosine）等。
• metric_params：表示度量方法的其他参数。
• algorithm：表示计算DBSCAN的算法，可以选择基于kd树的高效算法（‘kd_tree’）或基于球树的高效算法（‘ball_tree’），默认为自动选择。
• leaf_size：表示构建kd树或球树时的叶子大小，默认为30。
• p：表示用于闵可夫斯基距离计算的参数，p=1时为曼哈顿距离，p=2时为欧几里得距离，p>2时为L_p距离，默认为2。
  -> n_jobs：表示用于计算的并行工作数量，默认为1。-1表示使用所有可用的CPU核心。

返回方法介绍

fit_predict(X)：在训练模型的同时，返回聚类结果，即返回每个样本点所属的簇编号，如果是噪声点则返回-1。X为输入的数据。

• labels_：训练后，每个样本点所属的簇编号，如果是噪声点则为-1。
• core_sample_indices_：训练后，核心样本的索引。
• components_：训练后，核心样本的特征向量。
• eps_：训练后，最佳的eps值。
• min_samples_：训练后，最佳的min_samples值。
• get_params()：获取当前模型的参数设置。

-数据集

X,y=make_circles(factor=0.3,n_samples=1000,random_state=42,noise=0.1)
X

-我们可视化一下我们看到的数据

plt.plot(X[:,0],X[:,1],'b.',marker='*')
plt.show()

• 由于不同的eps对结果的影响不同，这里我们尝试多个eps进行训练

def plot_show(epe,modal):
    core_mask=np.zeros_like(modal.labels_,dtype=bool)

    #设置核心样本店
    core_mask[modal.core_sample_indices_]=True

    anoalie_mask=modal.labels_==-1

    # 标记噪声点
    non_core_mask=~(core_mask | anoalie_mask)

    cores=modal.components_
    anomalies=X[anoalie_mask]
    non_cores=X[non_core_mask]

    plt.scatter(cores[:,0],cores[:,1],c=modal
                .labels_[core_mask],marker='o',cmap='Paired')

    plt.scatter(cores[:, 0], cores[:, 1], marker='*', s=20, c=modal.labels_[core_mask])

    plt.scatter(anomalies[:,0],anomalies[:,1],c='red',marker='X',s=70)

    plt.scatter(non_cores[:,0],non_cores[:,1],c=modal.labels_[non_core_mask],marker='.')

    plt.axis('off')

    plt.title(f'epe:{
      
      epe}')


for i,epe in enumerate(epes):

    dbscan=DBSCAN(eps=epe,min_samples=5)
    dbscan.fit(X)
    plt.subplot(331+i)

    plot_show(epe,dbscan)

plt.show()

看到可以不同的epe值对于分类的结果还是很大，选择合适的epe尤为重要，图中中的X就是核心样本所在的位置

三、DBSCAN与Kmeans处理比较

DNSCAN在对任意形状非线性的簇处理很有优势，而Kmeans对却无法很好处理,我们实验观察

• 加载数据

from sklearn.datasets import make_moons

X,y=make_moons(n_samples=1000,noise=0.04,random_state=42)
#%% md
#%%
plt.plot(X[:,0],X[:,1],'b.',marker='*')
plt.show()

make_moons是scikit-learn中的一个函数，用于生成一个随机的月牙形数据集。该函数的参数包括n_samples，表示生成数据集中样本的数量；noise，表示在生成的数据中加入的高斯噪声的标准差；random_state，表示生成数据的随机种子，用于确保多次生成的数据集一致。
make_moons函数会在二维平面上生成两个半月形状的簇，并将它们相互交叉放置。

-比较两种分类方式

plt.subplot(121)
dbscan=DBSCAN(eps=0.1,min_samples=5)
dbscan.fit(X)
plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=dbscan.labels_)

plt.title('DBSCAN')

from sklearn.cluster import KMeans
plt.subplot(122)
kmeans=KMeans(n_clusters=2,random_state=42)
kmeans.fit(X)
plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=kmeans.labels_)
plt.title('KMEANS')

plt.show()

可见kmeans并没有达到我们的分类效果

总结

DBSCAN算法具有以下特点：

• 不需要事先设定簇的个数。
• 能够识别任意形状的簇。
• 能够识别噪声点。
• 对参数的设定比较敏感，但是通常只需要调整两个参数：半径$ϵ$和最小样本数$MinPts$。

但是dbscan在图像切割中，发现一个问题，如果min_samples设置太小，会导致图像切割后没有明显变化，如果设置太大，有些密度较小的点就会被当噪声去掉，导致图像损失，与原来的shape不一致，目前还没有好的处理方法，后期如果有解决方法，第一时间分享。

由于本人能力有限，上述内容有任何错误，欢迎指正
==我会继续努力分享学习，希望大家多多支持