一种基于空间-拓扑结构相似性的复杂轨迹聚类算法

论文摘要

复杂的面状空间实体如海洋涡旋、环流和降雨过程在运动过程中会产生更复杂的轨迹,即具有分支结构的复杂轨迹。为了挖掘这类复杂轨迹的运动模式特征,本文从复杂轨迹的拓扑结构和空间特征出发,创新性地提出复杂轨迹的空间-拓扑结构相似性度量算法（Spatial-Topological Similarity Measurement, STSM）,该算法是基于图同构算法VF2改进的。首先STSM算法将复杂轨迹用带有节点和边的图结构表达,并将空间信息融入图结构的节点属性中,通过匹配复杂轨迹之间所有最大公共子结构,找到匹配结构中节点之间一一对应的关系,利用加权的欧式距离计算复杂轨迹匹配结构中点对之间的空间距离。然后,基于STSM相似性算法进行层次聚类分析,旨在发现复杂轨迹之间相似的拓扑结构在空间上的聚集模式。最后,利用1993-2016年长时间序列的中国南海冷涡复杂轨迹验证方法的有效性,并对比分析复杂轨迹拓扑结构相似性算法CSM。结果表明:单纯用拓扑结构相似性算法CSM进行聚类分析,不能充分挖掘空间的聚集模式,因为不同空间位置也存在拓扑结构相似的轨迹。而本文提出的STSM算法将南海冷涡复杂轨迹分为5类,第一类分布在南海北部、第二类分布在南海中部、其他三类交错在南海南部。这种聚集模式在一定程度上反映了冷涡的生成和演化过程在南海北部、中部、南部的差异性,同时也表明了冷涡移动在南海南部存在更为复杂的异质性。因此,本文提出的方法可以有效地从复杂轨迹数据中发现其演化过程的潜在聚集模式,为认识这类复杂动态现象的时空演化特征提供了一种新的方法。

论文目录

1 引言

2 研究方法

2.1 复杂轨迹概念

2.2 基于空间-拓扑结构相似性的复杂轨迹聚类方法

2.2.1 空间-拓扑结构相似性计算

2.2.2 复杂轨迹聚类分析方法

3 南海冷涡复杂轨迹聚类应用分析

3.1 南海冷涡复杂轨迹数据

3.2 南海冷涡聚类结果分析

4 结论与讨论

4.1 结论

4.2 讨论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 孙勇,王会蒙,靳奉祥,杜云艳,季民,易嘉伟

关键词: 复杂轨迹,相似性,拓扑结构,聚类,图匹配,南海,冷涡

来源: 地球信息科学学报 2019年11期

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,海洋学

单位: 山东科技大学测绘科学与工程学院,中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,中国科学院大学,山东建筑大学

基金: 国家自然科学基金项目（41671445,41471330）~~

分类号: O157.5;P73

页码: 1669-1678

总页数: 10

文件大小: 8292K

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一种基于空间-拓扑结构相似性的复杂轨迹聚类算法

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