分形维数算法

分形包括规则分形和无规则分形两种。

规则分形是指可以由简单的迭代或者

是按一定规律所生成的分形,如

Cantor

集,

Koch

曲线,

Sierpinski

海绵等。这些

分形图形具有严格的自相似性。

无规则分形是指不光滑的,

随机生成的分形,

蜿蜒曲折的海岸线,

变换无穷的布朗运动轨迹等。

这类曲线的自相似性是近似的

或统计意义上的,这种自相似性只存于标度不变区域。

对于规则分形,其自相似性、标度不变性理论上是无限的(观测尺度可以趋

于无限小)

。不管我们怎样缩小(或放大)尺度(标度)去观察图形,其组成部

分和原来的图形没有区别,

也就是说它具有无限的膨胀和收缩对称性。

因些对于

这类分形,

其计算方法比较简单,

可以用缩小测量尺度的或者不断放大图形而得

到。分形维数

D=lnN(

λ

)/ln(1/

λ

)

(

2-20

)

Cantor

集,分数维

D=ln2/ln3=0.631

Koch

曲线分数维

D=ln4/ln3=1.262;

Sierpinski

海绵分数维

D=ln20/ln3=2.777

对于不规则分形,它只具有统计意义下的自相似性。不规则分形种类繁多,

它可以是离散的点集、粗糙曲线、多枝权的二维图形、粗糙曲面、以至三维的点

集和多枝权的三维图形,下面介绍一些常用的测定方法

[26]

(

1

)

尺码法

用某个选定尺码沿曲线以分规方式测量,

保持尺码分规两端的落点始终在曲

线上。

不断改变尺码

λ

得到一系列长度

N

(

λ

)

λ

越小、

N

越大。

如果作

lnN

ln

λ

图后得到斜率为负的直线,这表明存在如下的幂函数关系

N

λ

-D

(

2-21

)

上式也就是

Mandelbrot

在《分形:形状、机遇与维数》专著中引用的

Richardson

公式。

Richardson

是根据挪威、澳大利亚、南非、德国、不列颠西

部、

葡萄牙的海岸线丈量结果得出此公式的,

使用的测量长度单位一般在

1

公里

4

公里之间。海岸线绝对长度

L

被表示为:

L=N

λ

λ

1-D

(

2-22

)

他得到挪威东南部海岸线的分维

D

1.52

,而不列颠西部海岸线的分维

D

1.3

。这说明挪威的海岸线更曲折一些

[27]

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