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尺度驱动的空间聚类理论
引用本文:李志林,刘启亮,唐建波.尺度驱动的空间聚类理论[J].测绘学报,2017,46(10):1534-1548.
作者姓名:李志林  刘启亮  唐建波
作者单位:1. 香港理工大学土地测量与地理资讯学系, 香港 九龙;2. 中南大学地理信息系, 湖南 长沙 410083;3. 西南交通大学高铁运营安全空间信息技术国家地方联合实验室, 四川 成都 611756
基金项目:国家自然科学基金(41601410;41471383);湖南省自然科学基金(2017JJ3379)
摘    要:空间聚类是探索性空间数据分析的有力手段,不仅可以直接用于发现地理现象的分布格局与分布特征,亦可以为其他空间数据分析任务提供重要的预处理步骤。空间聚类有望成为大数据认知的突破口。空间聚类研究虽然已经引起了广泛关注,但是依然面临两大最根本的困境:"无中生有"和"无从理解"。"无中生有"指的是:绝大多数方法,即使针对不包含聚类结构的数据集,仍然会发现聚类;"无从理解"指的是:即使同一种聚类方法,采用不同的聚类参数就会获得千变万化的聚类结果,而这些结果的含义不明确。造成上述困境的根本原因在于:尺度没有在聚类模型中被当作重要参数而恰当地体现。为此,笔者受到人类视觉多尺度认知原理的启发,根据多尺度表达的"自然法则",建立了一套尺度驱动的空间聚类理论。首先将尺度定量化建模为聚类模型的参数,然后将空间聚类的尺度依赖性建模为一种假设检验问题,最后通过控制尺度参数以自动获得统计显著的多尺度聚类结果。在该理论指导下,可以构建适用不同应用需求的多尺度空间聚类模型,一方面降低了空间聚类过程中的主观性,另一方面有利于对空间聚类模式进行全面而深入的分析。

关 键 词:空间聚类  尺度  自然法则  视觉认知  假设检验  
收稿时间:2017-05-26
修稿时间:2017-09-04

Towards a Scale-driven Theory for Spatial Clustering
LI Zhilin,LIU Qiliang,TANG Jianbo.Towards a Scale-driven Theory for Spatial Clustering[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1534-1548.
Authors:LI Zhilin  LIU Qiliang  TANG Jianbo
Institution:1. Department of Land Surveying and Geo-Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China;2. Department of Geo-Informatics, Central South University, Changsha 410083, China;3. State-Provincial Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-speed Railway Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China
Abstract:Spatial clustering plays a key role in exploratory geographical data analysis. It is important for investigating the distribution of geographical phenomena. Spatial clustering sometimes also serves as an important pre-processing for other geographical data analysis techniques. Although lots of attentions have been paid to spatial clustering, two serious obstacles remain to be tackled:①clusters will always be discovered in any geographical dataset by spatial clustering algorithms, even if the input dataset is a random dataset; ②users feel difficult to interpret the various clustering results obtained by using different parameters. It is hypothesized that scale is not handled well in clustering process. As a result, a scale-driven theory for spatial clustering is introduced in this study, based on the human recognition theory and the natural principle of multi-scale representation. Scale is modeled as parameter of a clustering model, and the scale dependency in spatial clustering is handled by constructing a hypothesis testing, and multi-scale significant clusters can be easily discovered by controlling the scale parameters in an objective manner.
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