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空间模式挖掘理论与方法 PDF下载

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内容简介

  空间关联和并置模式被统称为空间模式,空间模式发现是空间数据挖掘中最重要的任务之一。本书围绕挖掘的目标(如关联或并置)和对象(如经典数据、区间数据、不确定性数据或模糊数据等),系统地介绍了作者在空间模式挖掘领域的主要研究成果。内容包括:绪论;空间模式挖掘基础;空间关联规则挖掘;经典数据的空间colocation模式挖掘(1)、(2);不确定性数据的空间colocation模式挖掘;区间数据的空间colocation模式挖掘;模糊数据的空间colocation模式挖掘;加权colocation模式及其挖掘算法;负colocation模式挖掘及SCPMiner开发等。
  本书可供高等院校计算机及相关专业的本科生、研究生参考,对从事计算机开发及应用的科技人员及开发人员也有较大的参考价值。

作者简介

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目录

第1章 绪论
 1.1 背景及意义
 1.2 什么是空间模式挖掘
 1.3 空间模式挖掘的难点
 1.4 空间模式挖掘任务
 1.5 本书的内容与组织
 相关工作
 参考文献
第2章 空间模式挖掘基础
 2.1 从事务数据到空间数据挖掘
 2.2 空间数据的表示和建模
  2.2.1 栅格结构
  2.2.2 矢量结构
  2.2.3 矢栅一体化结构

前沿

随着数据挖掘研究领域的不断拓展,许多数据挖掘方面的研究工作也从关系型和事务型数据库扩展到了空间数据库。另外,随着卫星和遥感技术的广泛应用,在空间数据库中收集和存储了日益丰富的空间数据,比如从1999年起,美国国家航天航空局的地球观测系统(EOS)每天产生超过一兆兆字节的空间数据。对空间数据不断深入的应用需求推动了空间数据挖掘技术的研究与发展。该技术不仅在地理信息系统、地理市场、遥感、图像数据勘测、医学图像处理、公共卫生、导航、国防、交通控制、生态和环境研究等领域有着广泛的应用,还可以用于空间数据的理解、空间关系及空间与非空间数据关系的发现、空间知识库的构造、空间数据库的重组和空间查询的优化等领域。
与传统的数据不同,空间数据通常是相关的,或更确切地说是空间并置的(colocated),即两个空间对象的位置越近,就越可能具有相似的性质。例如,地理位置越近的地区,在自然资源、气候、温度、经济状态等方面一般越相似。因此,作为空间关联规则的一个特例,空间并置模式(spatialcolocationpatterns)被提出,空间colocation模式是空间特征的一个子集,它们的实例在空间中频繁关联。例如,西尼罗河病毒往往发生在蚊子泛滥、饲养家禽的区域;植物学家发现“半湿润常绿阔叶林”生长的地方80%有“兰类”植物生长。
空间关联规则和空间colocation模式被统称为空间模式。空间模式挖掘是指在大量的空间数据中,自动地发现空间实体间先前未知的有用模式的过程。由于空间数据的海量性、多维性、多尺度、不确定性和相关性等特点,不能简单地把空间模式挖掘视为传统关联规则挖掘的应用领域,而应该在经典数据挖掘的基本理论基础上,研究空间模式挖掘特有的理论、方法和应用。
本书作者自2003年起即对空间模式挖掘技术进行了连续多年的系统性研究。本书基于作者多年在空间模式挖掘技术方面的研究积累,以空间模式挖掘的目标和对象为主线,系统地介绍了空间模式挖掘技术的理论和方法,主要内容包括:空间多层关联规则挖掘算法及应用;经典数据的空间colocation模式挖掘算法及评估;不确定性数据的空间colocation模式及其挖掘算法;区间数据的空间colocation模式及其挖掘算法;模糊数据的空间colocation模式及其挖掘算法;加权colocation模式及其挖掘算法;负colocation模式挖掘以及空间模式挖掘原型系统(SCPMiner)开发等。
本书的内容和组织结构
本书内容涵盖8个空间模式挖掘任务和1个空间模式挖掘原型系统(SCPMiner),8个空间模式挖掘任务分别是空间关联分析、多层空间关联分析、经典数据的空间colocation模式挖掘、不确定性数据的空间colocation模式挖掘、区间数据的空间colocation模式挖掘、模糊数据的空间colocation模式挖掘、加权colocation模式挖掘以及负colocation模式挖掘。
所有内容被组织为10章。
第1章概述了空间模式挖掘技术。本章从讨论空间模式挖掘技术产生的背景及意义开始,讨论了空间模式挖掘过程和分类,指出了空间模式挖掘的任务和难点,并列举了本书所涵盖的关键主题。
第2章介绍了空间模式挖掘基础。其着重介绍了空间模式挖掘与事务数据模式挖掘的区别、空间数据的表示和建模、空间数据的获取技术以及空间计算技术(包括空间索引技术)。这一章的内容是空间模式挖掘的重要基础。
第3章介绍了空间关联分析的概念、算法和应用。主要介绍了著名的自顶向下、逐步求精的空间关联规则挖掘算法以及基于等价划分树的多层空间关联规则挖掘算法,最后是空间关联规则挖掘技术在气象数据上的应用。
第4章和第5章介绍了经典数据的空间colocation模式挖掘的相关概念、算法以及分析和评估。其介绍的算法包括基于完全连接的经典colocation模式挖掘算法(joinbased)、无连接的colocation模式挖掘算法(joinless)、部分连接的colocation模式挖掘算法(partialjoin)和基于前缀树结构的colocation模式挖掘算法(包括CPItree算法、iCPItree算法和ordercliquebased算法)。最后总结了空间colocation挖掘算法的一般模式。
第6章介绍了不确定性数据的空间colocation模式挖掘的概念、算法和评估。其介绍了空间不确定性数据表示和建模以及不确定对象间的距离计算方法,定义了期望频繁colocation模式和概率频繁colocation模式概念,介绍了基于期望距离的频繁colocation模式挖掘算法(Ujoinbased)、基于动态规划的概率频繁colocation模式挖掘算法以及挖掘概率频繁colocation模式的近似算法。
第7章介绍了区间数据的colocation模式挖掘算法和应用。其包括两方面内容:一是从区间数表示的空间数据集中挖掘colocation模式的概念、算法和应用;另一个是从带概率区间的空间不确定数据集中挖掘colocation模式的概念、模型和方法。对于区间数表示的空间数据,定义了空间实例的语义贴近邻居概念,设计了基于前缀等价关系划分的、不受有限内存限制的空间colocation模式挖掘算法。对于概率区间描述的空间不确定性数据,介绍了概率区间下的可能世界模型,通过扩展模式实例的可能世界概率计算得到全体特征实例的可能世界概率计算,设计了挖掘概率频繁colocation模式的有效算法。
第8章介绍了模糊数据的空间colocation模式挖掘算法和应用。其分别就空间特征模糊和空间特征的属性模糊的情况进行了相关定义、算法设计和应用分析。对于空间特征模糊的colocation模式挖掘问题,介绍了只给定单一模糊度阈值下进行空间colocation模式挖掘的概念和算法,以及给定模糊度阈值范围时,空间colocation模式挖掘的理论、方法和应用。对于空间特征的属性模糊的情况,提出了模糊colocation模式相关概念,设计了挖掘模糊colocation模式的算法和优化策略,并介绍了模糊colocation模式在城市土壤重金属含量关系分析中的应用。
第9章介绍了加权空间colocation模式挖掘理论和方法。其包括面向带稀有特征和带时间约束的空间数据集,统一使用加权的方法较好地解决了空间colocation模式的挖掘问题。对于带稀有特征的空间数据集,分析了基于最小加权参与率的方法相比于基于最大参与率的方法能挖掘到真正有趣的模式。对于带时间约束的空间实例,通过转换实例的时间约束为实例的权重,定义了加权参与率和加权参与度等概念,并设计了加权colocation模式挖掘和topk加权colocation模式挖掘算法。
第10章介绍了负colocation模式概念、挖掘算法和空间模式挖掘原型系统(SCPMiner)开发。本章首先介绍了有趣的负colocation模式概念和性质,给出了一个基于正负colocation模式关系挖掘有趣的负colocation模式的算法,讨论了基于正负colocation模式的城市规划分析和应用。然后,介绍了一个交互式、可视化、基于Web的空间模式挖掘原型系统SCPMiner。
尽管与传统的关联规则挖掘相比,空间模式挖掘还有待丰富和完善,但是空间模式挖掘领域已经太大,很难用一本书涵盖,因此,全书每章均附上了相关工作和参考文献。同时,为方便查阅和按主题检索内容,书末附上词汇索引。
本书的对象和使用方法
本书以挖掘的目标和对象为主线,从算法及应用的角度介绍空间模式挖掘的主要原理与技术。对于有志从事这个领域或相关领域的研究与应用的读者,应该能从书中找到有益的内容。当然,本书也可作为学习空间模式挖掘技术的一个起点。
本书主要面向高年级本科生、研究生、研究工作者和相关开发人员。本书既可作为学习者的教材,也可作为专业人士很好的参考资料。
本书涵盖空间关联、多层空间关联、经典数据的空间colocation模式、不确定性数据的空间colocation模式、区间数据的空间colocation模式、模糊数据的空间colocation模式、加权colocation模式以及负colocation模式8个空间模式挖掘主题和1个原型系统SCPMiner。每个主题均详细讲述了研究的动机、基本概念、算法、分析与评估及应用,这些均是我们在最近几年的最新研究成果。因此,本书既可用作学习工具又可用作参考书。
为了帮助读者理解书中的概念、理论和算法,我们提供了大量示例、图表和对比分析。每一章结尾的相关工作为那些对相关主题、重要成果和当前趋势感兴趣的读者提供了方便。
本书尽可能自成一体,传统数据挖掘技术、统计学、机器学习和空间计算等必要基础知识已经恰当地结合到正文中。另外,除第1章绪论和第2章空间模式挖掘基础外,本书介绍的8个空间模式挖掘的主题也是各成一体的,因此主题的阅读次序相当灵活,可以根据你的问题找到对应的章、节阅读和参考。当然,如果你从头至尾阅读本书,会发现少量的重复信息,这是为保证各主题的相对独立性而有意为之,但绝对谈不上信息冗余,我们鼓励读者顺序阅读和研究。
致谢
许多人都为本书做出了贡献。我们首先向我们的家人表示感谢,没有他们的鼓励和支持,不可能写出本书,谨以此书献给他们。
其次,我们要感谢国家自然基金委多年长期的课题资助(编号:61063008,60463004,61272126),没有明确的研究目标和资助,研究成果很难形成系统性和前瞻性。
本书的形成凝聚了云南大学信息学院数据挖掘实验室的集体智慧。感谢实验室的博士研究生和硕士研究生芦俊丽、陆叶、冯岭、欧阳志平、吴萍萍、范高峰、管鹏、赵楠、韩军、胡新、邹目权、姚华传、包玉珍、吴凤萍等。特别是芦俊丽、欧阳志平、管鹏、吴萍萍、胡新在资料收集和文献整理方面做了大量的工作。
本书涉及学科前沿,内容丰富,参考的文献众多。这里我们要特别感谢HuangYan和JinSoungYoo在相关领域所做的先驱性工作。
在课题的研究中,尽管作者投入了大量的精力,付出了艰苦的努力,以及在全书的撰写中,对每一章、每一节、每一句,甚至每个标点都进行了精心检查,然而受研究深度和知识水平所限,书中不当之处在所难免,敬请广大读者批评指正并不惜赐教。
最后感谢科学出版社为本书出版所做的工作。

作者
2013年11月


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