基于子空间聚类的高维数据可视分析方法综述

随着信息技术的飞速发展和大数据时代的来临,数据呈现出高维性、非线性等复杂特征。对于高维数据来说,在全维空间上往往很难找到反映分布模式的特征区域,而大多数传统聚类算法仅对低维数据具有良好的扩展性。因此,传统聚类算法在处理高维数据的时候,产生的聚类结果可能无法满足现阶段的需求。而子空间聚类算法搜索存在于高维数据子空间中的簇,将数据的原始特征空间分为不同的特征子集,减少不相关特征的影响,保留原数据中的主要特征。通过子空间聚类方法可以发现高维数据中不易展现的信息,并通过可视化技术展现数据属性和维度的内在结构,为高维数据可视分析提供了有效手段。总结了近年来基于子空间聚类的高维数据可视分析方法研究进展,从基于特征选择、基于子空间探索、基于子空间聚类的3种不同方法进行阐述,并对其交互分析方法和应用进行分析,同时对高维数据可视分析方法的未来发展趋势进行了展望。     

面向高维特征缺失数据的K最近邻插补子空间聚类算法

针对高维特征缺失数据在聚类过程中面临的因数据高维引发的维度灾难问题和数据特征缺失导致的样本间有效距离计算失效问题,提出一种面向高维特征缺失数据的K最近邻（KNN）插补子空间聚类算法KISC。首先,利用高维特征缺失数据的子空间下的近邻关系对原始空间下的特征缺失数据进行KNN插补;然后,利用多次迭代矩阵分解和KNN插补获得数据最终可靠的子空间结构,并在该子空间结构进行聚类分析。在6个图像数据集原始空间的聚类结果表明,相较于经过插补后直接进行聚类的对比算法,KISC算法聚类效果更好,说明子空间结构能够更加容易且有效地识别数据的潜在聚类结构;在6个高维数据集子空间下的聚类结果显示,KISC算法在各个数据集的聚类性能均优于对比算法,且在大多数据集上取得了最优的聚类精确度（ACC）和标准互信息（NMI）。KISC算法能够更加有效地处理高维特征缺失数据,提高算法的聚类性能。     

一种基于数据流的软子空间聚类算法

针对高维数据的聚类研究表明,样本在不同数据簇往往与某些特定的数据特征子集相对应.因此,子空间聚类技术越来越受到关注.然而,现有的软子空间聚类算法都是基于批处理技术的聚类算法,不能很好地应用于高维数据流或大规模数据的聚类研究中.为此,利用模糊可扩展聚类框架,与熵加权软子空间聚类算法相结合,提出了一种有效的熵加权流数据软子空间聚类算法——EWSSC(entropy-weighting streaming subspace clustering).该算法不仅保留了传统软子空间聚类算法的特性,而且利用了模糊可扩展聚类策略,将软子空间聚类算法应用于流数据的聚类分析中.实验结果表明,EWSSC 算法对于高维数据流可以得到与批处理软子空间聚类方法近似一致的实验结果.     

高维分类型数据加权子空间聚类算法

子空间聚类是高维数据聚类的一种有效手段,子空间聚类的原理就是在最大限度地保留原始数据信息的同时用尽可能小的子空间对数据聚类。在研究了现有的子空间聚类的基础上,引入了一种新的子空间的搜索方式,它结合簇类大小和信息熵计算子空间维的权重,进一步用子空间的特征向量计算簇类的相似度。该算法采用类似层次聚类中凝聚层次聚类的思想进行聚类,克服了单用信息熵或传统相似度的缺点。通过在Zoo、Votes、Soybean三个典型分类型数据集上进行测试发现：与其他算法相比,该算法不仅提高了聚类精度,而且具有很高的稳定性。     

基于格拉斯曼流形子空间融合的多视图聚类

现有的多视图聚类算法大多假设多视图数据点之间为线性关系,且在学习过程中无法保留原始特征空间的局部性;而在欧氏空间中进行子空间融合又过于单调,无法将学习到的子空间表示对齐。针对以上问题,提出了基于格拉斯曼流形融合子空间的多视图聚类算法。首先,将核技巧和局部流形结构学习结合以得到不同视图的子空间表示;然后,在格拉斯曼流形上融合这些子空间表示以得到一致性亲和矩阵;最后,对一致性亲和矩阵执行谱聚类来得到最终的聚类结果,并利用交替方向乘子法（ADMM）来优化所提模型。与核多视图低秩稀疏子空间聚类（KMLRSSC）算法相比,所提算法的聚类精度在MSRCV1、Prokaryotic、Not-Hill数据集上分别提高了20.83个百分点、9.47个百分点和7.33个百分点。实验结果验证了基于格拉斯曼流形融合子空间的多视图聚类算法的有效性和良好性能。     

特征空间属性加权模糊核聚类算法

充分考虑了属性间的不平衡性，通过Mercer核把原始的观察空间映射到高维特征空间，提出了一种新的特征空间中的加权模糊核聚类算法WFKCA。众多实例表明，WFKCA比传统的聚类算法具有更好的性能,且对于高维数据具有很好的聚类效果。     

子空间聚类算法的研究新进展

高维数据聚类是聚类技术的难点和重点,子空间聚类是实现高维数据集聚类的有效途径,它是在高维数据空间中对传统聚类算法的一种扩展,其思想是将搜索局部化在相关维中进行.该文从不同的搜索策略即自顶向下策略和自底向上策略两个方面对子空间聚类算法的思想进行了介绍,对近几年提出的子空间聚类算法作了综述,从算法所需参数、算法对参数的敏感度、算法的可伸缩性以及算法发现聚类的形状等多个方面对典型的子空间聚类算法进行了比较分析,对子空间聚类算法面临的挑战和未来的发展趋势进行了讨论.     

基于子空间差异的投影聚类算法

针对传统K-means型软子空间聚类技术中子空间差异度量定义的困难问题，提出一种基于概率距离的子空间差异表示模型，以此为基础提出一种自适应的投影聚类算法。该方法首先基于子空间聚类理论提出一个描述各簇类所关联的软子空间之间的相异度公式；其次，将其与软子空间聚类相结合，定义了聚类目标优化函数，并根据局部搜索策略给出了聚类算法过程。在合成和实际数据集上进行了一系列实验，结果表明该算法引入子空间比较可以为簇类学习更优的软子空间；与现有主流子空间聚类算法相比，所提算法大幅度提升了聚类精度，适用于高维数据聚类分析。     

基于簇间距离自适应的软子空间聚类算法

针对软子空间聚类过程中簇间距离(簇间的分离程度)对聚类的影响程度不确定的问题,提出了一种基于簇内紧密度和簇间距离自适应软子空间聚类算法。算法以经典的k均值聚类算法框架为基础,在最小化各个子空间簇类的簇内紧密度的同时最大化各个子空间簇类的簇间距离。并且通过推导得到新的子空间聚类中心和特征加权的计算方式,克服了软子空间聚类对输入参数敏感的缺点,实现了算法的自适应学习,并且取得了较好的聚类效果。     

一种基于区域划分的数据流子空间聚类方法

数据流子空间聚类的主要目的是在合理的时间段内准确找到数据流特征子空间中的聚类.现有的数据流子空间聚类算法受参数影响较大,通常要求预先给出聚类数目或特征子空间,且聚类结果不能及时反映数据流的变化情况.针对以上缺陷,提出一种新的数据流子空间聚类算法SC-RP,SC-RP无需预先给出聚类数目或特征子空间,对孤立点不敏感,可实现快速聚类,通过区域树结构记录数据流的变化并及时更新统计信息,进而根据数据流的变化调整聚类结果.通过在真实数据集与仿真数据集上的实验,证明了SC-RP在聚类精度和速度上优于现有的数据流子空间聚类算法,且对聚类数目及数据维度均具有良好的伸缩性.     

稀疏条件下的重叠子空间聚类算法

现有子空间聚类算法不能很好地平衡子空间数据的稠密性和不同子空间数据稀疏性的关系,且无法处理数据的重叠问题。针对上述问题,提出一种稀疏条件下的重叠子空间聚类(OSCSC)算法。算法利用L1范数和Frobenius范数的混合范数表示方法建立子空间表示模型,并对L1范数正则项进行加权处理,提高不同子空间的稀疏性和同一子空间的稠密性;然后对划分好的子空间使用一种服从指数族分布的重叠概率模型进行二次校验,判断不同子空间数据的重叠情况,进一步提高聚类的准确率。在人造数据集和真实数据集上分别进行测试,实验结果表明,OSCSC算法能够获得良好的聚类结果。     

An extended EM algorithm for subspace clustering

Clustering high dimensional data has become a challenge in data mining due to the curse of dimensionality. To solve this problem, subspace clustering has been defined as an extension of traditional clustering that seeks to find clusters in subspaces spanned by different combinations of dimensions within a dataset. This paper presents a new subspace clustering algorithm that calculates the local feature weights automatically in an EM-based clustering process. In the algorithm, the features are locally weighted by using a new unsupervised weighting method, as a means to minimize a proposed clustering criterion that takes into account both the average intra-clusters compactness and the average inter-clusters separation for subspace clustering. For the purposes of capturing accurate subspace information, an additional outlier detection process is presented to identify the possible local outliers of subspace clusters, and is embedded between the E-step and M-step of the algorithm. The method has been evaluated in clustering real-world gene expression data and high dimensional artificial data with outliers, and the experimental results have shown its effectiveness.     

子空间搜索广义主成分分析

GPCA(Generalized Principal Component Analysis)是近几年提出的一种数据聚类和降维方法,它通过将样本聚类为不同的子空间得到样本的低维表达.GPCA方法已经被应用于图像分割、图像聚类等问题.原有的GPCA算法具有指数计算复杂度,很难应用于高维数据的实际处理.文中针对此问题,提出了基于子空间搜索的SGPCA算法,将聚类问题分解为单个平面的单个垂直向量的搜索问题,对不同子空间分别搜索,从而实现多项式复杂度算法.实验表明,新方法不仅计算复杂度低,而且对噪声的鲁棒性也更强.     

自适应的软子空间聚类算法

软子空间聚类是高维数据分析的一种重要手段.现有算法通常需要用户事先设置一些全局的关键参数,且没有考虑子空间的优化.提出了一个新的软子空间聚类优化目标函数,在最小化子空间簇类的簇内紧凑度的同时,最大化每个簇类所在的投影子空间.通过推导得到一种新的局部特征加权方式,以此为基础提出一种自适应的k-means型软子空间聚类算法.该算法在聚类过程中根据数据集及其划分的信息,动态地计算最优的算法参数.在实际应用和合成数据集上的实验结果表明,该算法大幅度提高了聚类精度和聚类结果的稳定性.     

基于方差权重矩阵模型的高维数据子空间聚类算法

在处理高维数据时,聚类的工作往往归结为对子空间的划分问题。大量的真实实验数据表明,相同的属性对于高维数据的每一类子空间而言并不是同等重要的,因此,在FCM算法的基础上引入了方差权重矩阵模型,创造出了新的聚类算法称之为WM-FCM。该算法通过不断地聚类迭代调整权重值,使得其重要的属性在各个子空间内更为显著地表征出来,从而达到更好的聚类效果。从基于模拟数据集以及UCI数据集的实验结果表明,该改进的算法是有效的。     

局部加权最小二乘回归的重叠子空间聚类算法

针对大多数子空间聚类方法处理非线性数据时聚类效果不理想、不同子空间数据相似性较高及聚类发生错误时无法及时校验的问题,提出局部加权最小二乘回归的重叠子空间聚类算法.利用K近邻思想突出数据的局部信息,取代非线性数据结构,通过高斯加权的方法选择最相似的近邻数据点,得到最优表示系数.然后使用重叠概率模型判断子空间内数据的重叠部分,再次校验聚类结果,提高聚类准确率.在人造数据集和真实数据集上分别进行测试,实验表明,文中算法能够取得较理想的聚类结果.     

一种基于网格方法的高维数据流子空间聚类算法

基于对网格聚类方法的分析，结合由底向上的网格方法和自顶向下的网格方法，设计了一个能在线处理高维数据流的子空间聚类算法。通过利用由底向上网格方法对数据的压缩能力和自顶向下网格方法处理高维数据的能力，算法能基于对数据流的一次扫描，快速识别数据中位于不同子空间内的簇。理论分析以及在多个数据集上的实验表明算法具有较高的计算精度与计算效率。     

基于概率模型的重叠子空间聚类算法*

针对现有子空间聚类方法处理类簇间存在重叠时聚类准确率较低的问题,文中提出基于概率模型的重叠子空间聚类算法.首先采用混合范数的子空间表示方法将高维数据分割为若干个子空间.然后使用服从指数族分布的概率模型判断子空间内数据的重叠部分,并将数据分配到正确的子空间内,进而得到聚类结果,在参数估计时利用交替最大化方法确定函数最优解.在人造数据集和UCI数据集上的测试实验表明,文中算法具有良好的聚类性能,适用于较大规模的数据集.