【Lidar】Open3D点云K-Means聚类算法:基于距离的点云聚类(单木分割)附Python代码

2023-12-28 18:36:01

1 K-Means算法介绍

????????K-means聚类算法是一种无监督学习算法,主要用于数据聚类。该算法的主要目标是找到一个数据点的划分,使得每个数据点与其所在簇的质心(即该簇所有数据点的均值)之间的平方距离之和最小。

????????在K-means聚类算法中,首先需要预定义簇的数量K,然后随机选择K个对象作为初始的聚类中心。接着,算法会遍历数据集中的每个对象,根据对象与各个聚类中心的距离,将每个对象分配给距离它最近的聚类中心。完成一轮分配后,算法会重新计算每个簇的聚类中心,新的聚类中心是该簇所有对象的均值。这个过程会不断重复,直到满足某个终止条件,如没有(或最小数目)对象被重新分配给不同的簇,没有(或最小数目)簇的中心再发生变化,或者误差平方和局部最小。

2 Python代码

? ? ? ? 我这里使用的是Python机器学习库里自带的K-Means算法,不用自己手动复现。参数如下:

????????1)n_clusters (整数): 这是你希望算法找到的簇的数量。例如,如果你希望算法将数据分为三类,那么你应该设置?n_clusters=3

????????2)random_state (整数或None): 这个参数是用来设置随机数生成器的种子。这样,每次运行算法时,你都会得到相同的结果。如果你想让结果每次都不一样,你可以设置?random_state=None

????????3)n_init (整数): 这个参数是用来指定算法运行的不同初始化次数的。算法会多次运行,每次都使用不同的随机初始化,然后选择最好的结果(即具有最小内部集群距离的结果)。这有助于避免局部最优解。

????????4)init (字符串或数组): 这个参数决定了初始化聚类中心的方法。常见的选项包括 "k-means++" 和 "random"。如果你使用 "k-means++",那么算法会首先随机选择一个点作为第一个聚类中心,然后选择具有最大与已选择聚类中心距离的点作为下一个聚类中心。这种方法有助于提高算法的稳定性。

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@Time : 2023/11/3 14:37
@Auth : RS迷途小书童
@File :Point Cloud Clustering.py
@IDE :PyCharm
@Purpose:点云聚类
@Web:博客地址:https://blog.csdn.net/m0_56729804
"""
import open3d as o3d
import numpy as np
from copy import deepcopy
from sklearn import cluster
import matplotlib.pyplot as plt


def KMeans():
    # KMeans聚类,非监督
    pcd_path = r"彭俊喜/4 - Cloud.pcd"
    pcd = o3d.io.read_point_cloud(pcd_path)
    pcd = o3d.geometry.PointCloud(pcd)
    print(pcd)
    pcd.paint_uniform_color(color=[0, 0, 0])
    # 对点云数据进行着色操作,使其所有点的颜色相同,颜色为 [0, 0, 0]
    n_clusters = 3   # 聚类簇数
    points = np.array(pcd.points)
    print(points)
    # 将点云数据转换为 numpy 数组,并使用 sklearn 的 KMeans 进行聚类
    kmeans = cluster.KMeans(n_clusters=n_clusters, random_state=42, n_init=10, init="k-means++")
    kmeans.fit(points)  # 获取聚类结果,这里主要是每个点的类别标签
    labels = kmeans.labels_
    colors = np.random.randint(0, 255, size=(n_clusters, 3)) / 255
    # 随机生成一些颜色,然后根据类别标签将这些颜色分配给对应的点
    colors = colors[labels]
    pcd_cluster = deepcopy(pcd)
    pcd_cluster.translate([50, 0, 0])
    # 对原始的点云数据做一个深度拷贝,并将这个拷贝的每个点的位置向下移动50个单位。这是为了在可视化时更清楚地看到聚类效果
    pcd_cluster.colors = o3d.utility.Vector3dVector(colors)
    # 将新生成的颜色赋值给拷贝的点云数据
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd_cluster])
    # o3d.io.write_point_cloud(r'3trees_clustering.ply', pcd_cluster, write_ascii=False, compressed=False,
    # print_progress=True)


if __name__ == "__main__":
    KMeans()

3 效果展示

4 总结

????????总的来说,K-Means算法还是不错的,单木分割方面比DBSCAN聚类表现得好。但是对于完善地林业单木分割还是有些困难,可能还需要加入其他算法来修正它的结果。其次在K-Means算法的参数方面需要好好臻选。

文章来源:https://blog.csdn.net/m0_56729804/article/details/135273985
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