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科學出版社大數據

發布時間:2021-10-23 12:25:34

大數據時代空間數據挖掘的認識及其思考

引言

空間數據挖掘(Spatial Data Mining,SDM)即找出開始並不知道但是卻隱藏在空間數據中潛在的、有價值的規則的過程。具體來說,空間數據挖掘就是在海量空間數據集中,結合確定集、模糊集、仿生學等理論,利用人工智慧、模式識別等科學技術,提取出令人相信的、潛在有用的知識,發現空間數據集背後隱藏的規律、聯系,為空間決策提供理論技術上的依據[1]。

1.空間數據挖掘的一般步驟

空間數據挖掘系統大致可以分為以下步驟:

(1)空間數據准備:選擇合適的多種數據來源,包括地圖數據、影像數據、地形數據、屬性數據等。

(2)空間數據預處理和特徵提取:數據預處理目的是去除數據中的雜訊,包括對數據的清洗、數據的轉換、數據的集成等。特徵提取是剔除掉冗餘或不相關的特徵並將特徵轉化為適合數據挖掘的新特徵。

(3)空間數據挖掘和知識評估:採用空間數據挖掘技術對空間數據進行分析處理和預測,從而發現數據背後的某種聯系。然後結合具體的領域知識進行評估,看是否達到預期效果。

2.空間數據挖掘的方法研究

空間數據挖掘是一門綜合型的交叉學科,結合了計算機科學、統計學、地理學等領域的很多特性,產生了大量處理空間數據的挖掘方法。

2.1 空間關聯規則

關聯規則挖掘是尋找數據項之間的聯系,表達式形式是X→Y,其中X與Y是兩種不相交的數據項集,即X∩Y=?覫。KOPERSKI K等人將關聯規則與空間資料庫相結合,提出了空間關聯規則挖掘[2]。空間關聯規則將數據項替換為了空間謂詞,一般表達形式如下:

A1∧A2∧…∧An→B1∧B2∧…∧Bm(3)

令A=(A1,A2,…,An),B=(B1,B2,…,Bm),A和B分別表示Ai和Bj的謂詞集合,A和B可以是空間謂詞或非空間謂詞,但是必須至少包含一個空間謂詞且A∩B=?覫。SHEKHAR S和HUANG Y針對空間關聯規則的特點提出了把關聯規則的思想泛化成空間索引點集的空間同位規則的概念,在不違背空間相關性的同時用鄰域替換掉了事務[3]。時空關聯不僅涉及事件在空間中的關聯,還考慮了空間位置和時間序列因素。國內的柴思躍、蘇奮振和周成虎提出了基於周期表的時空關聯規則挖掘方法[4]。

2.2 空間聚類

空間聚類分析是普通聚類分析的擴展,不能完全按照處理普通數據的聚類分析方法來處理空間數據。由於存在地理學第一定律,即空間對象之間都存在一定的相關性,因此在空間聚類分析中,對於簇內的定義,要考慮空間自相關這一因素。通過對空間數據進行自相關分析,可判斷對象之間是否存在空間相關性,從而可合理判斷出對象是否可以分為一簇。

基本的聚類挖掘演算法有:

(1)劃分聚類演算法:存在n個數據對象,對於給定k個分組(k≤n),將n個對象通過基於一定目標劃分規則,不停迭代、優化,直到將這n個對象分配到k個分組中,使得每組內部對象相似度大於組之間相似度。

(2)層次聚類演算法:通過將數據不停地拆分與重組,最終把數據轉為一棵符合一定標準的具有層次結構的聚類樹。

(3)密度聚類演算法:用低密度的區域對數據對象進行分割,最終將數據對象聚類成為若干高密度的區域。

(4)圖聚類演算法:用空間結點表示每個數據對象,然後基於一定標准形成若乾子圖,最後把所有子圖聚類成一個包含所有空間對象的整圖,子圖則代表一個個空間簇。

(5)網格聚類演算法:把空間區域分割成具有多重解析度的和有網格結構特性的若干網格單元,在網格單元上對數據進行聚類。

(6)模型聚類演算法:藉助一定的數學模型,使用最佳擬合數據的數學模型來對數據進行聚類,每一個簇用一個概率分布表示。

僅採用一種演算法通常無法達到令人滿意的預期結果,王家耀、張雪萍、周海燕將遺傳演算法與K-均值演算法結合提出了用於空間聚類分析的遺傳K-均值演算法[5]。現實空間環境中,存在很多像道路、橋梁、河流的障礙物,張雪萍、楊騰飛等人把K-Medoids演算法與量子粒子群演算法結合進行帶有空間障礙約束的聚類分析[6]。

2.3 空間分類

分類,簡單地說是通過學習得到一定的分類模型,然後把數據對象按照分類模型劃分至預先給定類的過程。空間分類時,不僅考慮數據對象的非空間屬性,還要顧及鄰近對象的非空間屬性對其類別的影響,是一種監督式的分析方法。

空間分類挖掘方法有統計方法、機器學習的方法和神經網路方法等。貝葉斯分類器是基於統計學的方法,利用數據對象的先驗概率和貝葉斯公式計算出其後驗概率,選擇較大後驗概率的類作為該對象映射的類別。決策樹分類器是機器學習的方法,採取從上到下的貪心策略,比較決策樹內部節點的屬性值來往下建立決策樹的各分支,每個葉節點代表滿足某個條件的屬性值,從根節點到葉節點的路徑表示一條合適的規則。支持向量機也是機器學習的方法,思路是使用非線性映射把訓練數據集映射到較高維,然後尋找出最大邊緣超平面,將數據對象分類。神經網路是一種模擬人神經的網路,由一組連接的輸入和輸出單元組成,賦予各個連接相應的權值,通過調節各連接的權值使得數據對象得到正確分類。

針對融入空間自相關性的空間分類挖掘,SHEKHAR S等人使用空間自回歸模型和基於貝葉斯的馬可夫隨機場進行空間分類挖掘[7],汪閩、駱劍承、周成虎等人將高斯馬爾可夫隨機場與支持向量機結合並將其用於遙感圖像的信息提取[8]。

2.4 其他空間挖掘方法

空間數據挖掘的方法多種多樣,其他還包括:空間分析的方法,即利用GIS的方法、技術和理論對空間數據進行加工處理,從而找出未知有用的信息模式;基於模糊集、粗糙集和雲理論的方法可用來分析具有不確定性的空間數據;可視化方法是對空間數據對象的視覺表示,通過一定技術用圖像的形式表達要分析的空間數據,從而得到其隱含的信息;國內張自嘉、岳邦珊、潘琦等人將蟻群演算法與自適應濾波的模糊聚類演算法相結合用以對圖像進行分割[9]。

3.結論

空間數據挖掘作為數據挖掘的延伸,有很好的傳統數據挖掘方法理論的基礎,雖然取得了很大進步,然而其理論和方法仍需進一步的深入研究。伴隨著大數據時代,面對越來越多的空間數據,提升數據挖掘的准確度和精度是一個有待研究的問題。同時現在流行的空間數據挖掘演算法的時間復雜度仍停留在O(nlog(n))~O(n3)之間,處理大量的異構數據,數據挖掘演算法的效率也需要進一步提高。數據挖掘在雲環境下已經得到很好的應用[10],對於處理空間數據的空間雲計算是有待學者們研究的方向。大多數空間數據挖掘演算法沒有考慮含有障礙約束的情況,如何解決現實中障礙約束問題值得探討。帶有時間屬性的空間數據呈現出了一種動態、可變的空間現象,時空數據挖掘將是未來研究的重點。

由於數據挖掘涉及多種學科,其基本理論與方法也已經比較成熟,針對空間數據挖掘,如何合理地利用和拓展這些理論方法以實現對空間數據的挖掘仍將是研究人員們需要長期努力的方向。

參考文獻

[1] 李德仁,王樹良,李德毅.空間數據挖掘理論與應用(第2版)[M].北京:科學出版社,2013.

[2] KOPERSKI K, HAN J W. Discovery of spatial association rules in geographic information databases[C]. Procedings of the 4th International Symposium on Advances in Spatial Databases, 1995: 47-66.

[3] SHEKHAR S, HUANG Y. Discovering spatial co-location patterns: a summary of results[C]. Procedings of the 7th International Symposium on Advances in Spatial and Temporal Databases, 2001:236-256.

[4] 柴思躍,蘇奮振,周成虎.基於周期表的時空關聯規則挖掘方法與實驗[J].地球信息科學學報,2011,13(4):455-464.

[5] 王家耀,張雪萍,周海燕.一個用於空間聚類分析的遺傳K-均值演算法[J].計算機工程,2006,32(3):188-190.

[6] Zhang Xueping, Du Haohua, Yang Tengfei, et al. A novel spatial clustering with obstacles constraints based on PNPSO and K-medoids[C]. Advances in Swarm Intelligence, Lecture Notes in Computer Science (LNCS), 2010: 476-483.

[7] SHEKHAR S, SCHRATER P R, VATSAVAI R R, et al.Spatial contextual classification and prediction models for mining geospatial data[J]. IEEE Transactions on Multimedia, 2002, 4(2):174-187.

[8] 汪閩,駱劍承,周成虎,等.結合高斯馬爾可夫隨機場紋理模型與支撐向量機在高解析度遙感圖像上提取道路網[J].遙感學報,2005,9(3):271-275.

[9] 張自嘉,岳邦珊,潘琦,等.基於蟻群和自適應濾波的模糊聚類圖像分割[J].電子技術應用,2015,41(4):144-147.

[10] 石傑.雲計算環境下的數據挖掘應用[J].微型機與應用,2015,34(5):13-15.

來源 | AET電子技術應用

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"大數據"是一個體量特別大,數據類別特別大的數據集,並且這樣的數據集無法用傳統資料庫工具對其內容進行抓取、管理和處理。大數據是一個抽象的概念,對當前無論是企業還是政府、高校等單位面臨的數據無法存儲、無法計算的狀態。大數據,在於海量,單機無法快速處理,需要通過垂直擴展,即大內存高效能,水平擴展,即大磁碟大集群等來進行處理。

大數據為什麼重要:

獲取大數據後,用這些數據做:數據採集、數據存儲、數據清洗、數據分析、數據可視化

大數據技術對這些含有意義的數據進行專業化處理,對企業而言,大數據可提高工作效率,降低企業成本,精準營銷帶來更多客戶。對政府而言,可以利用大數進行統籌分析、提高管理效率、管理抓獲犯罪分子等。對個人而言,可以利用大數據更了解自己等。

如何應用大數據:

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❽ 大數據的應用領域有哪些

1.了解和定位客戶

這是大數據目前最廣為人知的應用領域。很多企業熱衷於社交媒體數據、瀏覽器日誌、文本挖掘等各類數據集,通過大數據技術創建預測模型,從而更全面地了解客戶以及他們的行為、喜好。

利用大數據,美國零售商Target公司甚至能推測出客戶何時會有Baby;電信公司可以更好地預測客戶流失;沃爾瑪可以更准確的預測產品銷售情況;汽車保險公司能更真實的了解客戶實際駕駛情況。

滑雪場利用大數據來追蹤和鎖定客戶。如果你是一名狂熱的滑雪者,想像一下,你會收到最喜歡的度假勝地的邀請;或者收到定製化服務的簡訊提醒;或者告知你最合適的滑行線路。。。。。。同時提供互動平台(網站、手機APP)記錄每天的數據——多少次滑坡,多少次翻越等等,在社交媒體上分享這些信息,與家人和朋友相互評比和競爭。

除此之外,政府競選活動也引入了大數據分析技術。一些人認為,奧巴馬在2012年總統大選中獲勝,歸功於他們團隊的大數據分析能力更加出眾。

2.

改善醫療保健和公共衛生

大數據分析的能力可以在幾分鍾內解碼整個DNA序列,有助於我們找到新的治療方法,更好地理解和預測疾病模式。試想一下,當來自所有智能手錶等可穿戴設備的數據,都可以應用於數百萬人及其各種疾病時,未來的臨床試驗將不再局限於小樣本,而是包括所有人!

蘋果公司的一款健康APP ResearchKit有效將手機變成醫學研究設備。通過收集用戶的相關數據,可以追蹤你一天走了多少步,或者提示你化療後感覺如何,帕金森病進展如何等問題。研究人員希望這一過程變得更容易、更自動化,吸引更多的參與者,並提高數據的准確度。

大數據技術也開始用於監測早產兒和患病嬰兒的身體狀況。通過記錄和分析每個嬰兒的每一次心跳和呼吸模式,提前24小時預測出身體感染的症狀,從而及早干預,拯救那些脆弱的隨時可能生命危險的嬰兒。

更重要的是,大數據分析有助於我們監測和預測流行性或傳染性疾病的暴發時期,可以將醫療記錄的數據與有些社交媒體的數據結合起來分析。比如,谷歌基於搜索流量預測流感爆發,盡管該預測模型在2014年並未奏效——因為你搜索「流感症狀」並不意味著真正生病了,但是這種大數據分析的影響力越來越為人所知。

3.提供個性化服務

大數據不僅適用於公司和政府,也適用於我們每個人,比如從智能手錶或智能手環等可穿戴設備採集的數據中獲益。Jawbone的智能手環可以分析人們的卡路里消耗、活動量和睡眠質量等。Jawbone公司已經能夠收集長達60年的睡眠數據,從中分析出一些獨到的見解反饋給每個用戶。從中受益的還有網路平台「尋找真愛」,大多數婚戀網站都使用大數據分析工具和演算法為用戶匹配最合適的對象。

4.

了解和優化業務流程

大數據也越來越多地應用於優化業務流程,比如供應鏈或配送路徑優化。通過定位和識別系統來跟蹤貨物或運輸車輛,並根據實時交通路況數據優化運輸路線。

人力資源業務流程也在使用大數據進行優化。Sociometric Solutions公司通過在員工工牌里植入感測器,檢測其工作場所及社交活動——員工在哪些工作場所走動,與誰交談,甚至交流時的語氣如何。美國銀行在使用中發現呼叫中心表現最好的員工——他們制定了小組輪流休息制度,平均業績提高了23%。

如果在手機、鑰匙、眼鏡等隨身物品上粘貼RFID標簽,萬一不小心丟失就能迅速定位它們。假想一下未來可能創造出貼在任何東西上的智能標簽。它們能告訴你的不僅是物體在哪裡,還可以反饋溫度,濕度,運動狀態等等。這將打開一個全新的大數據時代,「大數據」領域尋求共性的信息和模式,那麼孕育其中的「小數據」著重關注單個產品。


5.

改善城市和國家建設

大數據被用於改善我們城市和國家的方方面面。目前很多大城市致力於構建智慧交通。車輛、行人、道路基礎設施、公共服務場所都被整合在智慧交通網路中,以提升資源運用的效率,優化城市管理和服務。

加州長灘市正在使用智能水表實時檢測非法用水,幫助一些房主減少80%的用水量。洛杉磯利用磁性道路感測器和交通攝像頭的數據來控制交通燈信號,從而優化城市的交通流量。據統計目前已經控制了全市4500個交通燈,將交通擁堵狀況減少了約16%。


6.提升科學研究

大數據帶來的無限可能性正在改變科學研究。歐洲核子研究中心(CERN)在全球遍布了150個數據中心,有65,000個處理器,能同時分析30pb的數據量,這樣的計算能力影響著很多領域的科學研究。比如政府需要的人口普查數據、自然災害數據等,變的更容易獲取和分析,從而為我們的健康和社會發展創造更多的價值。

7.提升機械設備性能

大數據使機械設備更加智能化、自動化。例如,豐田普銳斯配備了攝像頭、全球定位系統以及強大的計算機和感測器,在無人干預的條件下實現自動駕駛。Xcel Energy在科羅拉多州啟動了「智能電網」的首批測試,在用戶家中安裝智能電表,然後登錄網站就可實時查看用電情況。「智能電網」還能夠預測使用情況,以便電力公司為未來的基礎設施需求進行規劃,並防止出現電力耗盡的情況。在愛爾蘭,雜貨連鎖店Tescos的倉庫員工佩戴專用臂帶,追蹤貨架上的商品分配,甚至預測一項任務的完成時間。

8.強化安全和執法能力

大數據在改善安全和執法方面得到了廣泛應用。美國國家安全局(NSA)利用大數據技術,檢測和防止網路攻擊(挫敗恐怖分子的陰謀)。警察運用大數據來抓捕罪犯,預測犯罪活動。信用卡公司使用大數據來檢測欺詐交易等等。

2014年2月,芝加哥警察局對大數據生成的「名單」——有可能犯罪的人員,進行通告和探訪,目的是提前預防犯罪。

9.

提高體育運動技能

如今大多數頂尖的體育賽事都採用了大數據分析技術。用於網球比賽的IBM SlamTracker工具,通過視頻分析跟蹤足球落點或者棒球比賽中每個球員的表現。許多優秀的運動隊也在訓練之外跟蹤運動員的營養和睡眠情況。NFL開發了專門的應用平台,幫助所有球隊根據球場上的草地狀況、天氣狀況、以及學習期間球員的個人表現做出最佳決策,以減少球員不必要的受傷。

還有一件非常酷的事情是智能瑜伽墊:嵌入在瑜伽墊中的感測器能對你的姿勢進行反饋,為你的練習打分,甚至指導你在家如何練習。

10.金融交易

大數據在金融交易領域應用也比較廣泛。大多數股票交易都是通過一定的演算法模型進行決策的,如今這些演算法的輸入會考慮來自社交媒體、新聞網路的數據,以便更全面的做出買賣決策。同時根據客戶的需求和願望,這些演算法模型也會隨著市場的變化而變化。

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