Hausdorff

要解决的问题

大多数的聚类算法只把整体作为轨迹的相似度,而忽略了子轨迹之间的相似度。文章提出了TRACLUS聚类方法。

而豪斯多夫距离是应用在TRACLUS聚类方法中的相似性度量方法。

TRACLUS方法主要分为两部分:partitioning and grougping。

首先使用minimum description length(MDL)准则,进行partitioning 算法。

然后,使用基于密度的线段聚类方法。

豪斯多夫距离简介

豪斯多夫距离本来是模式识别中的一种相似性度量的方法。

XY是度量空间M的两个紧子集。那么豪斯多夫距离dH(X,Y)是最小的数r使得X的闭r—邻域包含YY的闭r—邻域也包含X。**

image.png

以此图为例,dH(X, Y),就是对于X上的每一个点,到Y集合都会有一个最小的距离。对于X上的所有点对应的所有轨迹中的最大值,就是最小的数r使得X的闭r一邻域包含Y,Y的闭r一邻域也包含X的数值r。

显然,原本的豪斯多夫方法是不考虑时间因素的,整个“集合”是一个抽象的概念。当它直接应用于时空轨迹的相似性度量的时候,效果显然并不会很好

因此,想要让豪斯多夫距离更加适合时空数据挖掘,必须进行改进。

改进豪斯多夫距离简介

豪斯多夫距离方法在线段聚类中使用,此方法主要由三部分组成:①垂直距离,②平行距离,③角距离。该方法分别从平行距离,垂直距离和角距离3个方面对轨迹段之间的距离进行计算。

image.png

如上图所示,si,ei表示线段Li,sj,ej表示线段Lj。

垂直距离定义如下:

image.png

分别指Lj的两个端点到另一条线段的垂直距离。

平行距离定义如下:

image.png

分别指Lj的两个端点在Li上对应的垂点与最临近的端点之间的距离。而

是取两者的最小值。

角距离定义如下:

image.png

,是Lj、Li之间夹角的小角。||Lj||指的是Lj的长度。(不是元素的个数,是这条线段的长度)

需要注意的是,这里是线段,不是直线。而且是有向的。(因此


三个定义中需要用到的ps、pe、e可以通过简单的几何关系得到:

image.png

即当已知四个点的时候,可以完全地把三个距离计算出来。

其实这三个d,都是豪斯多夫距离。实在垂直方向、平行方向、旋转方向上的三种豪斯多夫距离。对着三种距离线性叠加,得到的距离将会同时反映两条(线段)轨迹的位置、方向关系。

因此,TRACLUS中,改进豪斯多夫距离的定义为

豪斯多夫距离的使用——TRACLUS方法简介

显然,豪斯多夫方法有点特殊:他把一条完整的轨迹全部划分成了一条一条的线段。划分线段的准则是,行为轨迹有着大幅度的变化。例如:

image.png

轨迹被划分之后就再也没有复原,TRACLUS方法是用来聚类的,目的是加强对子轨迹的关注。其最终聚类(使用的基于密度的线段聚类)结果也是一个个线段。而后对于每一个cluster,都计算一个代表性的轨迹。

当豪斯多夫聚类被用于预测:

预测的前提是每一个cluster足够精细,有足够具有代表性的线段。且豪斯多夫距离对于噪声点、离群点的支持并不好:没有噪声点抑制手段,对噪声非常敏感。对于local time shifting 的支持也不算好。虽然最终匹配的时候可以根据查询轨迹来减少或者增加(因为代表轨迹一般足够理想,所以此处一般是减少)参考轨迹(理想轨迹)的坐标点,但是毫无疑问会丢失很多的信息(相当于把不匹配的点直接略过去了)。

显然,豪斯多夫方法可以被用于聚类,但是需要先抑制噪声点。且豪斯多夫方法不适合被用来做预测的相似度匹配

优缺点

Hausdorff方法把轨迹划分成了一个个的小线段,足够精细。

但是由于其本身的划分思想(找改变最大的地方),就造成了它对噪声非常敏感。

显然,豪斯多夫方法可以被用于聚类,但是需要先抑制噪声点。且豪斯多夫方法不适合被用来做预测的相似度匹配**。

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