黃靜 官易楠

摘要：隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中海量數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)。在海量數(shù)據(jù)中難免存在噪聲數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅難以提供有效價(jià)值，還會影響信息挖掘。針對該問題，采用基于密度的DBSCAN聚類算法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)處理。鑒于DBSCAN算法對參數(shù)敏感，結(jié)合數(shù)據(jù)集本身特性與統(tǒng)計(jì)學(xué)思想以繪制各點(diǎn)之間的距離升序曲線，預(yù)估出DBSCAN的Eps參數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)算法平均準(zhǔn)確率達(dá)到99.6%，較傳統(tǒng)算法提高了1.7個(gè)百分點(diǎn)，并且在10次檢測中，改進(jìn)算法只有3個(gè)數(shù)據(jù)判定錯(cuò)誤，證明該參數(shù)設(shè)置方法對異常數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確率更高，穩(wěn)定性也更好。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);聚類算法;DBSCAN;異常數(shù)據(jù)

DOI： 10. 11907/rjdk.191763

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）004-0219-05

0 引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，智慧農(nóng)業(yè)越來越受到重視，其突出表現(xiàn)是人們通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取農(nóng)作物生長信息，從而更實(shí)時(shí)精確地了解農(nóng)作物生長狀況，較好地?cái)[脫了傳統(tǒng)僅依靠經(jīng)驗(yàn)種植的不足[1]。但是在采集到的海量數(shù)據(jù)中，由于外界干擾或者設(shè)備異常等原因會存在噪聲數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅不能反映農(nóng)作物真實(shí)情況，可能還會影響農(nóng)作物生長狀況分析，導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)偏差甚至錯(cuò)誤[2]。

針對異常數(shù)據(jù)處理，依據(jù)異常數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中數(shù)量較少且離散分布的特點(diǎn)[3]，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中有標(biāo)準(zhǔn)差法和t一檢驗(yàn)法等異常數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方法[4]。這些方法通過分析數(shù)據(jù)分布情況，判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)的概率，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率特別低時(shí)，判定該數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。此類方法在一定程度上可識別出異常數(shù)據(jù)，但不能較好地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。

數(shù)據(jù)挖掘中常用聚類工具可以對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和處理。通過對數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類分析，將相似數(shù)據(jù)點(diǎn)歸為一個(gè)聚類簇，出現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)為一類或者極少數(shù)數(shù)據(jù)為一類的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以判定為異常數(shù)據(jù)。聚類算法有許多種類，其中基于密度的聚類算法[6]可以通過聚類密度劃分聚類簇，分析聚類密度，密度較為密集的被認(rèn)定為一個(gè)簇，密度特別稀疏的可以被認(rèn)定為噪聲數(shù)據(jù)。基于密度的噪聲應(yīng)用空間聚類（Densitv-Based Spatial Clustering of Applicationswith Noise，DBSCAN）[7]是其中具有代表性的一種算法。DBSCAN算法在異常數(shù)據(jù)處理中得到了廣泛應(yīng)用。馬世欣等[8]利用DBSCAN算法能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進(jìn)行篩選的特點(diǎn)，對局部背景像元中的雜亂點(diǎn)進(jìn)行過濾，以降低異常數(shù)據(jù)點(diǎn)對協(xié)同探測算法結(jié)果的干擾;潘淵洋等[9]利用DBSCAN算法進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)的異常檢測，提出通過提取環(huán)境數(shù)據(jù)的特征集，根據(jù)特征集進(jìn)行異常數(shù)據(jù)監(jiān)測，達(dá)到對測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的效果。

DBSCAN算法雖然能夠識別并處理異常數(shù)據(jù)，但是由于算法對參數(shù)比較敏感，不同的參數(shù)對結(jié)果影響較大。針對此問題，宋金玉等[10]提出了Eps和MinPts兩個(gè)參數(shù)的配置方法，通過將數(shù)據(jù)集本身統(tǒng)計(jì)特性與圖表可視化展示相結(jié)合，為算法確定合適的參數(shù);夏魯寧等[11]通過對數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析自動確定Eps和MinPts參數(shù)，從而避免了聚類過程的人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)聚類過程的全自動化，提高算法的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性。

以上方法都能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的檢測和處理，但是大多數(shù)方法檢測出異常數(shù)據(jù)后都是將數(shù)據(jù)直接刪除，這樣會造成信息丟失。因此，在處理異常數(shù)據(jù)時(shí)，將噪聲數(shù)據(jù)與其距離較近的聚類簇中心值進(jìn)行替換[12]。本文依據(jù)以往研究成果，提出將DBSCAN算法與統(tǒng)計(jì)學(xué)思想相結(jié)合，通過對數(shù)據(jù)集中對象的距離值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)估出Eps參數(shù)。由于傳感器采集數(shù)據(jù)變化較為平緩，在以往研究中MinPts的值一般較為固定，因而MinPts采用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。本文采用統(tǒng)計(jì)思想與經(jīng)驗(yàn)判斷相結(jié)合的參數(shù)設(shè)置方式，在提高異常數(shù)據(jù)檢測準(zhǔn)確率的同時(shí)，還減少了計(jì)算量和時(shí)間，同時(shí)采用聚類簇中心值替換噪聲數(shù)據(jù)的異常數(shù)據(jù)處理方式，一定程度上保留了數(shù)據(jù)信息。

1 DNSCAN算法

1.1 算法原理

DBSCAN算法是一種通過數(shù)據(jù)對象密度進(jìn)行查找相似屬性的聚類算法[13]。該算法不需要提前確定聚類簇的數(shù)量，不僅能夠?qū)θ我鈹?shù)據(jù)進(jìn)行聚類，還能識別數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)，因而可以用來對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[14]。其中DB-SCAN算法關(guān)鍵定義如下：

（7）簇。所有密度相連的點(diǎn)組成的集合。

在一個(gè)數(shù)據(jù)集中，并不是所有數(shù)據(jù)對象都是核心對象，還有邊緣對象和噪聲對象。邊緣對象表示數(shù)據(jù)對象不是核心對象，但是存在于某個(gè)核心對象的8-鄰域中;噪聲對象表示該數(shù)據(jù)對象不是核心對象，也不存在于任何核心對象的ε-鄰域中。

1.2 算法流程

通過以上定義可知，DBSCAN算法的核心在于參數(shù)Eps和MinPts，通過這兩個(gè)參數(shù)確定每個(gè)點(diǎn)的鄰域和核心對象，繼而通過核心對象尋找密度可達(dá)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對象聚類。

DBSCAN算法流程如下：

Stepl：輸入的數(shù)據(jù)集D={x1，x2，…，xn}，ε為半徑參數(shù)，MinPts為最小對象參數(shù)，將數(shù)據(jù)集D中所有對象標(biāo)記為未讀。

Step2：從數(shù)據(jù)集D中取包含任意個(gè)數(shù)據(jù)對象p的數(shù)據(jù)集Di，其中Di∈D，i=1，2，3-，并將Di標(biāo)記為已讀。

Step3：通過ε和MinPts參數(shù)對p進(jìn)行判斷，如果p為核心對象，找出p的所有密度可達(dá)數(shù)據(jù)對象，并標(biāo)記為已讀。若p不是核心對象，且沒有哪個(gè)對象對p密度可達(dá)，將p標(biāo)記為噪聲數(shù)據(jù)。

Step4：在滿足Di∩ Di=1.∈⑦的條件下，重復(fù)Step2和Step3，直至所有數(shù)據(jù)都標(biāo)記為已讀。

Step5：將其中一個(gè)核心對象作為種子，將該對象的所有密度可達(dá)點(diǎn)都?xì)w為一類，形成一個(gè)較大范圍的數(shù)據(jù)對象集合，也稱為聚類簇。

Step6：不斷循環(huán)Step5直至所有核心對象都遍歷完，剩下沒有歸為一類的數(shù)據(jù)便為噪聲點(diǎn)。

DBSCAN算法流程如圖1所示。

DBSCAN算法有眾多優(yōu)點(diǎn)，比如：算法可以聚類任意形狀的集群，能夠較好地發(fā)現(xiàn)噪聲點(diǎn)[15]。但是DBSCAN參數(shù)Eps不同，對聚類效果會產(chǎn)生很大影響[16]，當(dāng)Eps選擇過小時(shí)，會使得很多點(diǎn)被定義為噪聲點(diǎn)，影響數(shù)據(jù)信息;當(dāng)Eps選取過大時(shí)，會把幾個(gè)聚類簇合在一起，并且有許多噪聲點(diǎn)將無法很好地被識別出來[17]。針對DBSCAN中另一個(gè)參數(shù)MinPts，由于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)變化較為平緩，因而通常在算法執(zhí)行過程中該值較為固定，可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定[18]。

2 DBSCAN算法改進(jìn)

針對DBSCAN中參數(shù)Eps值對結(jié)果影響較大的問題，對數(shù)據(jù)集中各點(diǎn)之間的距離進(jìn)行計(jì)算，得出各點(diǎn)之間的距離值。由于噪聲點(diǎn)具有數(shù)量少且離散分布的特點(diǎn)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)思想，尋找一個(gè)Eps值，能夠?qū)⒋罅空７植嫉臄?shù)據(jù)和少部分離群分布的數(shù)據(jù)分割出來[19-20]，較好地提高算法異常數(shù)據(jù)尋找準(zhǔn)確率。

按照式（2）取參數(shù)p=2的歐式距離公式，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)之間的距離用并用d（i，j）表示，并將所有d（i，j）構(gòu)造成一個(gè)Dist n×n矩陣，表示如式（3）所示。

Distn×n=（d（i ，j）|1≤i≤n，1

（3）

矩陣Dist n×n中，每一行表示某個(gè)點(diǎn)到所有其它點(diǎn)的距離。將Dist n×n矩陣每一行中的值按升序進(jìn)行排列，排列之后矩陣第i列表示距離每個(gè)點(diǎn)第i近的點(diǎn)。每一行矩陣表示每個(gè)點(diǎn)到其它點(diǎn)的距離由小到大排列，由此可通過數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法得出每一行數(shù)據(jù)的距離升序曲線如圖2所示，通過判斷圖中陡峭點(diǎn)位置，確定參數(shù)Eps最優(yōu)值范圍。其中，數(shù)據(jù)集采用之后實(shí)驗(yàn)使用的含噪聲原始數(shù)據(jù)。

圖2是由7條按距離升序排列繪制的圖形，且最下面的那條曲線為距離參考點(diǎn)最近的距離升序圖，最上面的那條曲線為距離參考點(diǎn)最遠(yuǎn)的距離升序圖。由圖2可知，圖像在前中期比較均勻，趨勢也較平緩，當(dāng)圖形到達(dá)接近距離為0.35-0.45時(shí)，在圖中箭頭標(biāo)注的位置出現(xiàn)較為密集的陡峭點(diǎn)，因此可以預(yù)計(jì)DBSCAN的最優(yōu)Eps參數(shù)在0.35-0.45。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)MinPts的值選取6，通過觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)從下往上第6條曲線的陡峭點(diǎn)接近0.4，可以將最優(yōu)的Eps設(shè)置為0.4。

其原理為：針對異常數(shù)據(jù)量少并且分散的特點(diǎn)，當(dāng)曲線比較平緩時(shí)，說明此時(shí)在該距離范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)量的數(shù)量仍然較多。當(dāng)出現(xiàn)陡峭點(diǎn)時(shí)，之后距離范圍內(nèi)所含的數(shù)據(jù)量較少。因此，可以利用該陡峭點(diǎn)對應(yīng)的距離大小較好地區(qū)分出異常數(shù)據(jù)，且將極大減少正常數(shù)據(jù)誤判幾率[21]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證設(shè)置參數(shù)的有效性，選取縉云縣某處茶園空氣溫度傳感器在某一時(shí)間段采集到的140組茶園空氣溫度數(shù)據(jù)，并向其中隨機(jī)添加25組離散點(diǎn)，以此數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于傳感器采集數(shù)據(jù)屬于一維數(shù)據(jù)，進(jìn)行聚類時(shí)效果不好，在聚類之前首先將一維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維。可以將相鄰的兩個(gè)值一個(gè)歸為X坐標(biāo)值，另一個(gè)歸為Y坐標(biāo)值，即將數(shù)據(jù)變?yōu)槎S。比如數(shù)據(jù)D={ d1，d2，d3，…，dn}轉(zhuǎn)化為D={ （d1，d2），（d3，d4），…，（dn-1，dn）}，140組一維數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為70組二維數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)使用DBSCAN算法進(jìn)行處理，尋找核心對象及其密度可達(dá)的每個(gè)對象點(diǎn)作為一個(gè)類。另外一些密度不夠且不為任何核心對象點(diǎn)的密度可達(dá)的點(diǎn)，被判定為噪聲，將由距離較近聚類中所有核心對象均值替代。通過統(tǒng)計(jì)分析可知，Eps參數(shù)最優(yōu)值為0.4，再取Eps參數(shù)分別為0.35、0.38、0.4、0.45，MinPts參數(shù)為6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過識別出的異常點(diǎn)個(gè)數(shù)、誤判的異常點(diǎn)個(gè)數(shù)和去除異常數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)變化情況判斷異常數(shù)據(jù)處理效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別將Eps參數(shù)設(shè)定為0.45，0.4，0.38，0.35，MinPts設(shè)定為6，采用DBSCAN進(jìn)行聚類，得到聚類簇，并求出各聚類簇中心點(diǎn)的值，將各噪聲點(diǎn)采用距離最近簇的中心值進(jìn)行替代，得出去除噪聲數(shù)據(jù)的濾波效果圖，通過Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示（彩圖掃描OSID碼可見，下文同）。

圖3-圖6為取不同Eps參數(shù)的聚類效果和濾波效果。其中，聚類效果圖中黑色圓圈為算法識別出的噪聲數(shù)據(jù)，其余顏色為聚類簇;濾波效果圖中粉紅色為原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，藍(lán)色為濾波后的數(shù)據(jù)。

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，各參數(shù)識別出的噪聲點(diǎn)情況如表1所示。

由表1可知，當(dāng)Eps參數(shù)設(shè)為0.4時(shí)，將噪聲點(diǎn)全部識別出來，且與0.4較為接近的參數(shù)0.38，其準(zhǔn)確率達(dá)到98.57%，比距離0.4較遠(yuǎn)的參數(shù)0.35和0.45準(zhǔn)確率高，證明采用此方法進(jìn)行參數(shù)預(yù)估效果可行。且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的濾波效果看，通過采用聚類簇中心值代替噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)的方式，較好地降低了數(shù)據(jù)偏離程度，從而可以減少異常數(shù)據(jù)對于結(jié)果分析的影響。

為了避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，隨機(jī)選取茶園10個(gè)時(shí)間段的140組空氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，并向每組數(shù)據(jù)中隨機(jī)加入25個(gè)噪聲點(diǎn)。按照以上方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在10次檢測中，有3個(gè)數(shù)據(jù)判斷錯(cuò)誤，準(zhǔn)確率達(dá)到99.6%。按照傳統(tǒng)方法，由于不能確定哪個(gè)Eps參數(shù)較優(yōu)，通常選取之前某個(gè)Eps作為固定值，此處選取0.4作為10次固定的Eps值，在10次檢測中，有15個(gè)數(shù)據(jù)判斷錯(cuò)誤，準(zhǔn)確率為97.9%?？梢钥闯觯倪M(jìn)算法提升了異常數(shù)據(jù)識別準(zhǔn)確率與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文為解決農(nóng)業(yè)傳感器采集數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)處理問題，采用基于密度的DNSCAB算法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)檢測與處理。針對DBSCAN算法參數(shù)敏感的特點(diǎn)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的圖表對數(shù)據(jù)集中各點(diǎn)相互距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)估出參數(shù)Eps的值。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法獲取的參數(shù)識別異常數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較高。同時(shí)，針對直接將噪聲數(shù)據(jù)刪除導(dǎo)致信息丟失的問題，采用聚類簇中心點(diǎn)對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行替代，通過此方法可以減少離散點(diǎn)偏移。

目前，雖然采用該方法對數(shù)據(jù)集中各點(diǎn)相互距離值統(tǒng)計(jì)分析可確定參數(shù)的一個(gè)范圍，但參數(shù)值的具體取值仍需人為估計(jì)，導(dǎo)致參數(shù)并不是十分精確，需作進(jìn)一步研究。

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[21] 曹科研.不確定數(shù)據(jù)的聚類分析與異常點(diǎn)檢測算法[D].沈陽：東北大學(xué)，2014.

（責(zé)任編輯：孫娟）

作者簡介：黃靜（1965-），女，博士，浙江理工大學(xué)信息學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、專用測試設(shè)備、電子功能材料計(jì)算設(shè)計(jì)及獨(dú)立分析軟件設(shè)計(jì);官易楠（1993-），男，浙江理工大學(xué)信息學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)挖掘與計(jì)算機(jī)應(yīng)用，本文通訊作者：黃靜。