基于K-means聚類的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢方法

曾泳諭

（廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510000）

0.引言

在道路監(jiān)測和維護管理中，需要對破碎地形道路斷面進行測量和實時監(jiān)測，分析破碎地形道路斷面的數(shù)據(jù)分布特性，構(gòu)建大數(shù)據(jù)庫，通過GIS信息檢測技術(shù)，進行破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的優(yōu)化查詢處理，以提高破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的實時關(guān)聯(lián)和調(diào)度能力。隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采用數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)方法，建立破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的信息聚類和檢測模型，實現(xiàn)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的優(yōu)化檢測。研究破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢，對提高破碎地形道路斷面測量能力具有重要意義[1]。

對破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢由分布式鏈路節(jié)點識別實現(xiàn)，結(jié)合對破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的特征分析，采用模糊測量和跟隨識別的方法實現(xiàn)對破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)查詢的方法主要有基于關(guān)聯(lián)特征檢測的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢方法、基于不規(guī)則三角網(wǎng)的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢方法等[2]，使用分析破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性特征量，使用狀態(tài)參數(shù)檢測，實現(xiàn)對破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的查詢。文獻[3]中構(gòu)建破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)快速查詢的地表沉降分斷層本體結(jié)構(gòu)模型，采用相關(guān)特征分析，實現(xiàn)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)快速查詢，但該方法的計算復(fù)雜度較高。文獻[4]中采用分布式鏈路節(jié)點跟隨識別的方法實現(xiàn)對破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)采集，對采集的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)進行非線性樣本重組，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢，但該方法的輸出穩(wěn)定性較差，查詢精度較低。針對以上方法存在的問題，本文提出基于Kmeans聚類的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢方法。首先采用組合傳感器和地形監(jiān)測儀實現(xiàn)對破碎地形道路斷面數(shù)據(jù)采集和測量，然后通過K-means聚類方法實現(xiàn)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的融合聚類和分層查詢，最后進行仿真測試分析。結(jié)果顯示：本文方法在提高破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢能力方面具有優(yōu)越性。

1.破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)特征分析

1.1 數(shù)據(jù)查詢總體結(jié)構(gòu)

%%為實現(xiàn)基于K-means聚類的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)快速查詢，分析基坑降水工程中土體的側(cè)向變形分布，結(jié)合對破碎地形道路斷面的中層位和斷層面的矢量分布，分析地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，在含逆斷層區(qū)域內(nèi)，通過上下干土、非飽和土與飽和土各自的斷面測量參數(shù)分布及密度感知結(jié)果，采用非飽和土的體變模量參數(shù)分析方法，進行數(shù)據(jù)分塊，得到破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的分塊存儲結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的分塊存儲結(jié)構(gòu)

在使用的分塊結(jié)構(gòu)中，分析道砟顆粒形狀對顆粒力學(xué)行為參數(shù)的影響，構(gòu)建破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的線性跟蹤控制模型，基于點云坐標構(gòu)建三角形薄片指數(shù)分析方法，進行特征點匹配。根據(jù)匹配結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索，采用組合傳感器和地形監(jiān)測儀實現(xiàn)對破碎地形道路斷面數(shù)據(jù)采集和測量，采集的斷面測量數(shù)據(jù)主要有位移數(shù)據(jù)、切向數(shù)據(jù)、應(yīng)變勢能和外力勢能等參數(shù)，通過連續(xù)體單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析，進行界面單元傳遞到離散元的數(shù)據(jù)分布，由此采用K-means算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)聚類[5]，得到數(shù)據(jù)查詢的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢的結(jié)構(gòu)模型

1.2 破碎地形道路斷面測量特征分析

根據(jù)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合不規(guī)則三角網(wǎng)地形重構(gòu)方法，建立地質(zhì)層面重構(gòu)模型，采用假設(shè)Gc表示破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)庫離散元與有限差分模型，在有向圖G1和G2的交集中得到平衡方程，在有向圖G1和G2的傳輸鏈路節(jié)點中，分析破碎地形道路斷面道砟顆粒外形特征以及細觀力，在狀態(tài)空間A、B和C中存在共同節(jié)點，當破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的存儲空間屬于G1和G2。計算有向圖G1、G2地表沉降分斷層模糊特征分布域Sr，并基于點云坐標構(gòu)建三角形薄片指數(shù)分布，構(gòu)建狀態(tài)方程，基于無重疊二維離散單元點云分析，得到破碎地形道路斷面三維模型如圖3所示。通過破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的地表沉降分斷層特征檢索，采用單顆粒激光掃描方法進行測量數(shù)據(jù)檢測，在垂直剖面上得到數(shù)據(jù)三維分布狀態(tài)方程，如式（1）所示：

圖3破碎地形道路斷面三維模型

式（1）中，φ1、φ2、φ3分別為破碎地形道路粒形狀輪廓坐標分布；a為沿界面單元切線；r為距離函數(shù)。在離散元模型與有限差分模型中，引入破碎地形道路斷面的球度指數(shù)Sp及棱角尖銳系數(shù)Ψ，得到破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的特征分布，如式（2）所示：

式（2）中，I為破碎地形道路斷面交點；P為各表面點坐標的分布曲面。由此，構(gòu)建破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)特征分析模型，根據(jù)斷面特征參數(shù)解析和聚類，進行數(shù)據(jù)查詢處理。

2.數(shù)據(jù)查詢算法優(yōu)化設(shè)計

2.1 K-means聚類的數(shù)據(jù)分類

對采集的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)進行非線性樣本重組，采用K-means聚類分析方法，分析地層的豎向參數(shù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合相空間重構(gòu)方法實現(xiàn)對破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的降維處理，構(gòu)建破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的聚類模型，得到地表沉降分斷層相似度S，如式（3）所示：

式（3）中，b為組合黏參數(shù)；Si為顆粒形狀指標分布；Sr為離散元的相似度分量，當Sr=0時，破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的模糊度辨識參量S取決于Sc·a，如式（4）所示：

式（4）中，n （D1）和n （D2）分別為破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)庫分布在有向圖G1和G2中的查詢節(jié)點數(shù)目；破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的交叉地表沉降分斷層分布集為n （D1∩D2），在破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)集的公共結(jié)點中，通過地表沉降分斷層融合，實現(xiàn)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲。

采用K-means聚類分析方法，得到破碎地形道路斷面的最大加載軸向聚類系數(shù)K，如式（5）所示：

式（5）中，mGC為橫斷面內(nèi)道砟顆粒的平動參數(shù)；GC為道床頂面寬度；在有限域GC中查詢到的破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的K-means聚類分量為如此可將線路測量簡化為二維問題并進行數(shù)值模擬，二維特征分析問題表示為Vi和Xi，得到破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢的目標控制函數(shù)f，如式（6）所示：

式（6）中，favg為循環(huán)加載的平均聚類參數(shù)；fi為檢測閾值，根據(jù)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢的全局尋優(yōu)，進行測量數(shù)據(jù)分量查詢。

2.2 數(shù)據(jù)查詢輸出

采用內(nèi)插的Grid（柵格）模型建立破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的分層結(jié)構(gòu)模型，在破碎地形道路斷面剖面上層位和斷層分布域中，最大和最小閾值控制參數(shù)ximax和ximin。由此得到破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)在區(qū)間(-1,1)之間的解釋控制變量cxi，如式（7）所示：

式（7）中，xi為軌枕-碎石道床離散元數(shù)值分布；ximin和ximax為最小和最大閾值，并計算蟻群尋優(yōu)過程控制參數(shù)，得到破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)在查詢過程中的新位置對應(yīng)的目標值fik+1，更新K-means聚類的差異度變量cxi，在最優(yōu)顆粒法向及切向接觸剛度約束下，得到破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)特征提取的決策變量xi，如式（8）所示：

由此，利用破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)特征的差異性實現(xiàn)信息融合，提高破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的檢測和查詢能力。

綜上分析，通過K-means聚類方法實現(xiàn)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的融合聚類和分層查詢。

3.仿真試驗分析

采用施工現(xiàn)場測試和仿真試驗分析的方法，進行破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢的試驗分析，對破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)采樣采用激光掃描儀，傳感器節(jié)點分布為200，圍壓保持為60 kPa，數(shù)據(jù)采樣的分布幅值為200 kPa，加載頻率為5 Hz，K-means聚類的迭代次數(shù)為1200，數(shù)據(jù)先驗分布的長度為1023，仿真硬件測試平臺如圖4所示。初始測量參數(shù)分布如表1所示。

圖4試驗測試平臺

表1參數(shù)設(shè)定

根據(jù)上述參數(shù)和仿真平臺設(shè)定，采用本文算法進行破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢，得出破碎地形道路斷面的有限元分布和點云數(shù)據(jù)參數(shù)分布如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)特征分布仿真

根據(jù)破碎地形道路斷面的有限元分布和點云數(shù)據(jù)參數(shù)分布特征解析結(jié)果，得到斷面測量結(jié)果如圖6所示。

圖6斷面測量查詢結(jié)果

測試不同方法的查準率和查全率，對比結(jié)果可知，本文方法的查準率和查全率較高，提高了破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢的尋優(yōu)能力如圖7所示。

圖7查詢性能對比測試

4.結(jié)束語

本文建立破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的融合和特征聚類模型，通過特征聚類和融合結(jié)果實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢，采用激光掃描的方法進行數(shù)據(jù)采集和仿真分析，在破碎地形道路斷面剖面上層位和斷層分布域中，通過K-means聚類方法實現(xiàn)破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)的融合聚類和分層查詢，根據(jù)破碎地形道路斷面的有限元分布和點云數(shù)據(jù)參數(shù)分布，實現(xiàn)數(shù)據(jù)特征聚類后的查詢能力分析。研究得出：本文方法提高了破碎地形道路斷面測量數(shù)據(jù)查詢能力，進而提高破碎地形道路斷面測量和養(yǎng)護能力。