用C++实现DBSCAN聚类算法
作者：
本篇文章是对使用C++实现DBSCAN聚类算法的方法进行了详细的分析介绍，需要的朋友参考下
这几天由于工作需要，对DBSCAN聚类算法进行了C++的实现。时间复杂度O(n^2)，主要花在算每个点领域内的点上。算法很简单，现共享大家参考，也希望有更多交流。
数据点类型描述如下：
#include <vector>
using namespace std;
const int DIME_NUM=2; //数据维度为2，全局常量
//数据点类型
class DataPoint
{
private:
unsigned long dpID; //数据点ID
double dimension[DIME_NUM]; //维度数据
long clusterId; //所属聚类ID
bool isKey; //是否核心对象
bool visited; //是否已访问
vector<unsigned long> arrivalPoints; //领域数据点id列表
public:
DataPoint(); //默认构造函数
DataPoint(unsigned long dpID,double* dimension , bool isKey); //构造函数
unsigned long GetDpId(); //GetDpId方法
void SetDpId(unsigned long dpID); //SetDpId方法
double* GetDimension(); //GetDimension方法
void SetDimension(double* dimension); //SetDimension方法
bool IsKey(); //GetIsKey方法
void SetKey(bool isKey); //SetKey方法
bool isVisited(); //GetIsVisited方法
void SetVisited(bool visited); //SetIsVisited方法
long GetClusterId(); //GetClusterId方法
void SetClusterId(long classId); //SetClusterId方法
vector<unsigned long>& GetArrivalPoints(); //GetArrivalPoints方法
};
这是实现：
#include "DataPoint.h"
//默认构造函数
DataPoint::DataPoint()
{
}
//构造函数
DataPoint::DataPoint(unsigned long dpID,double* dimension , bool isKey):isKey(isKey),dpID(dpID)
{
//传递每维的维度数据
for(int i=0; i<DIME_NUM;i++)
{
this->dimension[i]=dimension[i];
}
}
//设置维度数据
void DataPoint::SetDimension(double* dimension)
{
for(int i=0; i<DIME_NUM;i++)
{
this->dimension[i]=dimension[i];
}
}
//获取维度数据
double* DataPoint::GetDimension()
{
return this->dimension;
}
//获取是否为核心对象
bool DataPoint::IsKey()
{
return this->isKey;
}
//设置核心对象标志
void DataPoint::SetKey(bool isKey)
{
this->isKey = isKey;
}
//获取DpId方法
unsigned long DataPoint::GetDpId()
{
return this->dpID;
}
//设置DpId方法
void DataPoint::SetDpId(unsigned long dpID)
{
this->dpID = dpID;
}
//GetIsVisited方法
bool DataPoint::isVisited()
{
return this->visited;
}
//SetIsVisited方法
void DataPoint::SetVisited( bool visited )
{
this->visited = visited;
}
//GetClusterId方法
long DataPoint::GetClusterId()
{
return this->clusterId;
}
//GetClusterId方法
void DataPoint::SetClusterId( long clusterId )
{
this->clusterId = clusterId;
}
//GetArrivalPoints方法
vector<unsigned long>& DataPoint::GetArrivalPoints()
{
return arrivalPoints;
}
DBSCAN算法类型描述：
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
//聚类分析类型
class ClusterAnalysis
{
private:
vector<DataPoint> dadaSets; //数据集合
unsigned int dimNum; //维度
double radius; //半径
unsigned int dataNum; //数据数量
unsigned int minPTs; //邻域最小数据个数
double GetDistance(DataPoint& dp1, DataPoint& dp2); //距离函数
void SetArrivalPoints(DataPoint& dp); //设置数据点的领域点列表
void KeyPointCluster( unsigned long i, unsigned long clusterId ); //对数据点领域内的点执行聚类操作
public:
ClusterAnalysis(){} //默认构造函数
bool Init(char* fileName, double radius, int minPTs); //初始化操作
bool DoDBSCANRecursive(); //DBSCAN递归算法
bool WriteToFile(char* fileName); //将聚类结果写入文件
};
聚类实现：
#include "ClusterAnalysis.h"
#include <fstream>
#include <iosfwd>
#include <math.h>
/*
函数：聚类初始化操作
说明：将数据文件名，半径，领域最小数据个数信息写入聚类算法类，读取文件，把数据信息读入写进算法类数据集合中
参数：
char* fileName; //文件名
double radius; //半径
int minPTs; //领域最小数据个数
返回值： true; */
bool ClusterAnalysis::Init(char* fileName, double radius, int minPTs)
{
this->radius = radius; //设置半径
this->minPTs = minPTs; //设置领域最小数据个数
this->dimNum = DIME_NUM; //设置数据维度
ifstream ifs(fileName); //打开文件
if (! ifs.is_open()) //若文件已经被打开，报错误信息
{
cout << "Error opening file"; //输出错误信息
exit (-1); //程序退出
}
unsigned long i=0; //数据个数统计
while (! ifs.eof() ) //从文件中读取POI信息，将POI信息写入POI列表中
{
DataPoint tempDP; //临时数据点对象
double tempDimData[DIME_NUM]; //临时数据点维度信息
for(int j=0; j<DIME_NUM; j++) //读文件，读取每一维数据
{
ifs>>tempDimData[j];
}
tempDP.SetDimension(tempDimData); //将维度信息存入数据点对象内
//char date[20]="";
//char time[20]="";
////double type; //无用信息
//ifs >> date;
//ifs >> time; //无用信息读入
tempDP.SetDpId(i); //将数据点对象ID设置为i
tempDP.SetVisited(false); //数据点对象isVisited设置为false
tempDP.SetClusterId(-1); //设置默认簇ID为-1
dadaSets.push_back(tempDP); //将对象压入数据集合容器
i++; //计数+1
}
ifs.close(); //关闭文件流
dataNum =i; //设置数据对象集合大小为i
for(unsigned long i=0; i<dataNum;i++)
{
SetArrivalPoints(dadaSets[i]); //计算数据点领域内对象
}
return true; //返回
}
/*
函数：将已经过聚类算法处理的数据集合写回文件
说明：将已经过聚类结果写回文件
参数：
char* fileName; //要写入的文件名
返回值： true */
bool ClusterAnalysis::WriteToFile(char* fileName )
{
ofstream of1(fileName); //初始化文件输出流
for(unsigned long i=0; i<dataNum;i++) //对处理过的每个数据点写入文件
{
for(int d=0; d<DIME_NUM ; d++) //将维度信息写入文件
of1<<dadaSets[i].GetDimension()[d]<<'\t';
of1 << dadaSets[i].GetClusterId() <<endl; //将所属簇ID写入文件
}
of1.close(); //关闭输出文件流
return true; //返回
}
/*
函数：设置数据点的领域点列表
说明：设置数据点的领域点列表
参数：
返回值： true; */
void ClusterAnalysis::SetArrivalPoints(DataPoint& dp)
{
for(unsigned long i=0; i<dataNum; i++) //对每个数据点执行
{
double distance =GetDistance(dadaSets[i], dp); //获取与特定点之间的距离
if(distance <= radius && i!=dp.GetDpId()) //若距离小于半径，并且特定点的id与dp的id不同执行
dp.GetArrivalPoints().push_back(i); //将特定点id压力dp的领域列表中
}
if(dp.GetArrivalPoints().size() >= minPTs) //若dp领域内数据点数据量> minPTs执行
{
dp.SetKey(true); //将dp核心对象标志位设为true
return; //返回
}
dp.SetKey(false); //若非核心对象，则将dp核心对象标志位设为false
}
/*
函数：执行聚类操作
说明：执行聚类操作
参数：
返回值： true; */
bool ClusterAnalysis::DoDBSCANRecursive()
{
unsigned long clusterId=0; //聚类id计数，初始化为0
for(unsigned long i=0; i<dataNum;i++) //对每一个数据点执行
{
DataPoint& dp=dadaSets[i]; //取到第i个数据点对象
if(!dp.isVisited() && dp.IsKey()) //若对象没被访问过，并且是核心对象执行
{
dp.SetClusterId(clusterId); //设置该对象所属簇ID为clusterId
dp.SetVisited(true); //设置该对象已被访问过
KeyPointCluster(i,clusterId); //对该对象领域内点进行聚类
clusterId++; //clusterId自增1
}
//cout << "孤立点\T" << i << endl;
}
cout <<"共聚类" <<clusterId<<"个"<< endl; //算法完成后，输出聚类个数
return true; //返回
}
/*
函数：对数据点领域内的点执行聚类操作
说明：采用递归的方法，深度优先聚类数据
参数：
unsigned long dpID; //数据点id
unsigned long clusterId; //数据点所属簇id
返回值： void; */
void ClusterAnalysis::KeyPointCluster(unsigned long dpID, unsigned long clusterId )
{
DataPoint& srcDp = dadaSets[dpID]; //获取数据点对象
if(!srcDp.IsKey()) return;
vector<unsigned long>& arrvalPoints = srcDp.GetArrivalPoints(); //获取对象领域内点ID列表
for(unsigned long i=0; i<arrvalPoints.size(); i++)
{
DataPoint& desDp = dadaSets[arrvalPoints[i]]; //获取领域内点数据点
if(!desDp.isVisited()) //若该对象没有被访问过执行
{
//cout << "数据点\t"<< desDp.GetDpId()<<"聚类ID为\t" <<clusterId << endl;
desDp.SetClusterId(clusterId); //设置该对象所属簇的ID为clusterId，即将该对象吸入簇中
desDp.SetVisited(true); //设置该对象已被访问
if(desDp.IsKey()) //若该对象是核心对象
{
KeyPointCluster(desDp.GetDpId(),clusterId); //递归地对该领域点数据的领域内的点执行聚类操作，采用深度优先方法
}
}
}
}
//两数据点之间距离
/*
函数：获取两数据点之间距离
说明：获取两数据点之间的欧式距离
参数：
DataPoint& dp1; //数据点1
DataPoint& dp2; //数据点2
返回值： double; //两点之间的距离 */
double ClusterAnalysis::GetDistance(DataPoint& dp1, DataPoint& dp2)
{
double distance =0; //初始化距离为0
for(int i=0; i<DIME_NUM;i++) //对数据每一维数据执行
{
distance += pow(dp1.GetDimension()[i] - dp2.GetDimension()[i],2); //距离+每一维差的平方
}
return pow(distance,0.5); //开方并返回距离
}
算法调用就简单了：
#include "ClusterAnalysis.h"
#include <cstdio>
using namespace std;
int main()
{
ClusterAnalysis myClusterAnalysis; //聚类算法对象声明
myClusterAnalysis.Init("D:\\1108\\XY.txt",500,9); //算法初始化操作，指定半径为15，领域内最小数据点个数为3，（在程序中已指定数据维度为2）
myClusterAnalysis.DoDBSCANRecursive(); //执行聚类算法
myClusterAnalysis.WriteToFile("D:\\1108\\XYResult.txt");//写执行后的结果写入文件
system("pause"); //显示结果
return 0; //返回
}
数据点类型描述如下：
复制代码 代码如下:
#include <vector>
using namespace std;
const int DIME_NUM=2; //数据维度为2，全局常量
//数据点类型
class DataPoint
{
private:
unsigned long dpID; //数据点ID
double dimension[DIME_NUM]; //维度数据
long clusterId; //所属聚类ID
bool isKey; //是否核心对象
bool visited; //是否已访问
vector<unsigned long> arrivalPoints; //领域数据点id列表
public:
DataPoint(); //默认构造函数
DataPoint(unsigned long dpID,double* dimension , bool isKey); //构造函数
unsigned long GetDpId(); //GetDpId方法
void SetDpId(unsigned long dpID); //SetDpId方法
double* GetDimension(); //GetDimension方法
void SetDimension(double* dimension); //SetDimension方法
bool IsKey(); //GetIsKey方法
void SetKey(bool isKey); //SetKey方法
bool isVisited(); //GetIsVisited方法
void SetVisited(bool visited); //SetIsVisited方法
long GetClusterId(); //GetClusterId方法
void SetClusterId(long classId); //SetClusterId方法
vector<unsigned long>& GetArrivalPoints(); //GetArrivalPoints方法
};
这是实现：
复制代码 代码如下:
#include "DataPoint.h"
//默认构造函数
DataPoint::DataPoint()
{
}
//构造函数
DataPoint::DataPoint(unsigned long dpID,double* dimension , bool isKey):isKey(isKey),dpID(dpID)
{
//传递每维的维度数据
for(int i=0; i<DIME_NUM;i++)
{
this->dimension[i]=dimension[i];
}
}
//设置维度数据
void DataPoint::SetDimension(double* dimension)
{
for(int i=0; i<DIME_NUM;i++)
{
this->dimension[i]=dimension[i];
}
}
//获取维度数据
double* DataPoint::GetDimension()
{
return this->dimension;
}
//获取是否为核心对象
bool DataPoint::IsKey()
{
return this->isKey;
}
//设置核心对象标志
void DataPoint::SetKey(bool isKey)
{
this->isKey = isKey;
}
//获取DpId方法
unsigned long DataPoint::GetDpId()
{
return this->dpID;
}
//设置DpId方法
void DataPoint::SetDpId(unsigned long dpID)
{
this->dpID = dpID;
}
//GetIsVisited方法
bool DataPoint::isVisited()
{
return this->visited;
}
//SetIsVisited方法
void DataPoint::SetVisited( bool visited )
{
this->visited = visited;
}
//GetClusterId方法
long DataPoint::GetClusterId()
{
return this->clusterId;
}
//GetClusterId方法
void DataPoint::SetClusterId( long clusterId )
{
this->clusterId = clusterId;
}
//GetArrivalPoints方法
vector<unsigned long>& DataPoint::GetArrivalPoints()
{
return arrivalPoints;
}
DBSCAN算法类型描述：
复制代码 代码如下:
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
//聚类分析类型
class ClusterAnalysis
{
private:
vector<DataPoint> dadaSets; //数据集合
unsigned int dimNum; //维度
double radius; //半径
unsigned int dataNum; //数据数量
unsigned int minPTs; //邻域最小数据个数
double GetDistance(DataPoint& dp1, DataPoint& dp2); //距离函数
void SetArrivalPoints(DataPoint& dp); //设置数据点的领域点列表
void KeyPointCluster( unsigned long i, unsigned long clusterId ); //对数据点领域内的点执行聚类操作
public:
ClusterAnalysis(){} //默认构造函数
bool Init(char* fileName, double radius, int minPTs); //初始化操作
bool DoDBSCANRecursive(); //DBSCAN递归算法
bool WriteToFile(char* fileName); //将聚类结果写入文件
};
聚类实现：
复制代码 代码如下:
#include "ClusterAnalysis.h"
#include <fstream>
#include <iosfwd>
#include <math.h>
/*
函数：聚类初始化操作
说明：将数据文件名，半径，领域最小数据个数信息写入聚类算法类，读取文件，把数据信息读入写进算法类数据集合中
参数：
char* fileName; //文件名
double radius; //半径
int minPTs; //领域最小数据个数
返回值： true; */
bool ClusterAnalysis::Init(char* fileName, double radius, int minPTs)
{
this->radius = radius; //设置半径
this->minPTs = minPTs; //设置领域最小数据个数
this->dimNum = DIME_NUM; //设置数据维度
ifstream ifs(fileName); //打开文件
if (! ifs.is_open()) //若文件已经被打开，报错误信息
{
cout << "Error opening file"; //输出错误信息
exit (-1); //程序退出
}
unsigned long i=0; //数据个数统计
while (! ifs.eof() ) //从文件中读取POI信息，将POI信息写入POI列表中
{
DataPoint tempDP; //临时数据点对象
double tempDimData[DIME_NUM]; //临时数据点维度信息
for(int j=0; j<DIME_NUM; j++) //读文件，读取每一维数据
{
ifs>>tempDimData[j];
}
tempDP.SetDimension(tempDimData); //将维度信息存入数据点对象内
//char date[20]="";
//char time[20]="";
////double type; //无用信息
//ifs >> date;
//ifs >> time; //无用信息读入
tempDP.SetDpId(i); //将数据点对象ID设置为i
tempDP.SetVisited(false); //数据点对象isVisited设置为false
tempDP.SetClusterId(-1); //设置默认簇ID为-1
dadaSets.push_back(tempDP); //将对象压入数据集合容器
i++; //计数+1
}
ifs.close(); //关闭文件流
dataNum =i; //设置数据对象集合大小为i
for(unsigned long i=0; i<dataNum;i++)
{
SetArrivalPoints(dadaSets[i]); //计算数据点领域内对象
}
return true; //返回
}
/*
函数：将已经过聚类算法处理的数据集合写回文件
说明：将已经过聚类结果写回文件
参数：
char* fileName; //要写入的文件名
返回值： true */
bool ClusterAnalysis::WriteToFile(char* fileName )
{
ofstream of1(fileName); //初始化文件输出流
for(unsigned long i=0; i<dataNum;i++) //对处理过的每个数据点写入文件
{
for(int d=0; d<DIME_NUM ; d++) //将维度信息写入文件
of1<<dadaSets[i].GetDimension()[d]<<'\t';
of1 << dadaSets[i].GetClusterId() <<endl; //将所属簇ID写入文件
}
of1.close(); //关闭输出文件流
return true; //返回
}
/*
函数：设置数据点的领域点列表
说明：设置数据点的领域点列表
参数：
返回值： true; */
void ClusterAnalysis::SetArrivalPoints(DataPoint& dp)
{
for(unsigned long i=0; i<dataNum; i++) //对每个数据点执行
{
double distance =GetDistance(dadaSets[i], dp); //获取与特定点之间的距离
if(distance <= radius && i!=dp.GetDpId()) //若距离小于半径，并且特定点的id与dp的id不同执行
dp.GetArrivalPoints().push_back(i); //将特定点id压力dp的领域列表中
}
if(dp.GetArrivalPoints().size() >= minPTs) //若dp领域内数据点数据量> minPTs执行
{
dp.SetKey(true); //将dp核心对象标志位设为true
return; //返回
}
dp.SetKey(false); //若非核心对象，则将dp核心对象标志位设为false
}
/*
函数：执行聚类操作
说明：执行聚类操作
参数：
返回值： true; */
bool ClusterAnalysis::DoDBSCANRecursive()
{
unsigned long clusterId=0; //聚类id计数，初始化为0
for(unsigned long i=0; i<dataNum;i++) //对每一个数据点执行
{
DataPoint& dp=dadaSets[i]; //取到第i个数据点对象
if(!dp.isVisited() && dp.IsKey()) //若对象没被访问过，并且是核心对象执行
{
dp.SetClusterId(clusterId); //设置该对象所属簇ID为clusterId
dp.SetVisited(true); //设置该对象已被访问过
KeyPointCluster(i,clusterId); //对该对象领域内点进行聚类
clusterId++; //clusterId自增1
}
//cout << "孤立点\T" << i << endl;
}
cout <<"共聚类" <<clusterId<<"个"<< endl; //算法完成后，输出聚类个数
return true; //返回
}
/*
函数：对数据点领域内的点执行聚类操作
说明：采用递归的方法，深度优先聚类数据
参数：
unsigned long dpID; //数据点id
unsigned long clusterId; //数据点所属簇id
返回值： void; */
void ClusterAnalysis::KeyPointCluster(unsigned long dpID, unsigned long clusterId )
{
DataPoint& srcDp = dadaSets[dpID]; //获取数据点对象
if(!srcDp.IsKey()) return;
vector<unsigned long>& arrvalPoints = srcDp.GetArrivalPoints(); //获取对象领域内点ID列表
for(unsigned long i=0; i<arrvalPoints.size(); i++)
{
DataPoint& desDp = dadaSets[arrvalPoints[i]]; //获取领域内点数据点
if(!desDp.isVisited()) //若该对象没有被访问过执行
{
//cout << "数据点\t"<< desDp.GetDpId()<<"聚类ID为\t" <<clusterId << endl;
desDp.SetClusterId(clusterId); //设置该对象所属簇的ID为clusterId，即将该对象吸入簇中
desDp.SetVisited(true); //设置该对象已被访问
if(desDp.IsKey()) //若该对象是核心对象
{
KeyPointCluster(desDp.GetDpId(),clusterId); //递归地对该领域点数据的领域内的点执行聚类操作，采用深度优先方法
}
}
}
}
//两数据点之间距离
/*
函数：获取两数据点之间距离
说明：获取两数据点之间的欧式距离
参数：
DataPoint& dp1; //数据点1
DataPoint& dp2; //数据点2
返回值： double; //两点之间的距离 */
double ClusterAnalysis::GetDistance(DataPoint& dp1, DataPoint& dp2)
{
double distance =0; //初始化距离为0
for(int i=0; i<DIME_NUM;i++) //对数据每一维数据执行
{
distance += pow(dp1.GetDimension()[i] - dp2.GetDimension()[i],2); //距离+每一维差的平方
}
return pow(distance,0.5); //开方并返回距离
}
算法调用就简单了：
复制代码 代码如下:
#include "ClusterAnalysis.h"
#include <cstdio>
using namespace std;
int main()
{
ClusterAnalysis myClusterAnalysis; //聚类算法对象声明
myClusterAnalysis.Init("D:\\1108\\XY.txt",500,9); //算法初始化操作，指定半径为15，领域内最小数据点个数为3，（在程序中已指定数据维度为2）
myClusterAnalysis.DoDBSCANRecursive(); //执行聚类算法
myClusterAnalysis.WriteToFile("D:\\1108\\XYResult.txt");//写执行后的结果写入文件
system("pause"); //显示结果
return 0; //返回
}