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        灰色關(guān)聯(lián)度模型在中藥材鑒別中的應(yīng)用

        2022-08-08 07:41:46
        黑龍江科學(xué) 2022年14期
        關(guān)鍵詞:模型

        劉 琴

        (陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 陽江 529500)

        1 問題背景

        光照是植物生存的必要因素,對中藥材進行鑒別分析,需要了解每個產(chǎn)地在不同波段內(nèi)光譜照射下的吸光度。中藥材的光譜特征差異較大,同一藥材來自不同產(chǎn)地,因其中無機元素的化學(xué)成分、有機物等差異性,在近紅外、中紅外光譜的照射下會表現(xiàn)出不同的光譜特征,因此可以利用這些特征來鑒別中藥材的種類及產(chǎn)地。中藥材的種類鑒別相對比較容易,不同種類的中藥材呈現(xiàn)的光譜區(qū)別比較明顯。中藥材的道地性以產(chǎn)地為主要指標(biāo),產(chǎn)地的鑒別對于藥材品質(zhì)鑒別尤為重要。

        2 利用灰色關(guān)聯(lián)度建立模型分析數(shù)據(jù)

        利用藥材的每個編號在對應(yīng)波段光譜照射下的吸光度數(shù)據(jù)進行灰色關(guān)聯(lián)度分析所有數(shù)據(jù),建立模型如下。

        假設(shè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)序列為:

        X1=(x1(1),x1(2),…,x1(n))

        X2=(x2(1),x2(2),…,x2(n))

        ……………………………

        Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n))

        ………………………………

        Xm=(xm(1),xm(2),…,xm(n))

        2)迭代運算模塊共享:設(shè)計中資源消耗最多的是迭代運算單元,同時作為每級流水線需要反復(fù)調(diào)用的核心單元,計算正余弦和反正切函數(shù)時共享此單元可以節(jié)省不少邏輯資源,但兩個函數(shù)所涉及到的判決條件不一樣,正余弦是以角度θ的迭代值,而反正切的則是Y的迭代值,這時需要控制寄存器來告訴每級流水迭代模塊使用何種判決條件。

        灰色關(guān)聯(lián)度模型建構(gòu)如下:

        對選中的編號數(shù)據(jù)進行圖表分析不同藥材的特征和差異性,對每個編號在對應(yīng)波段光譜照射下的吸光度數(shù)據(jù)進行灰色關(guān)聯(lián)度分析。在相隔0.05的吸光度中分別選擇一個中間位置的編號進行數(shù)據(jù)分析,設(shè)為15個編號。

        由圖1可知,大多光譜波數(shù)在1 000 cm-1的吸光度達(dá)到最大值,在2 000 cm-1的吸光度達(dá)到最小值,然后逐漸上升,又在大約3 300 cm-1達(dá)到一個小高峰,之后逐漸下降。

        圖1 15個編號的吸光度走勢圖Fig.1 Absorbance trend of 15 numbers

        不同種類藥材在中紅外數(shù)據(jù)下的吸光度特征有兩種:一種是光譜波數(shù)在1 000 cm-1的吸光度達(dá)到最大值,在2 000 cm-1的吸光度達(dá)到最小值,逐漸上升,又在大約3 300 cm-1達(dá)到一個小高峰,之后逐漸下降;另一種是大體上呈現(xiàn)下降趨勢。不同種類藥材的差異性是:一種是光譜波數(shù)在1 000 cm-1的吸光度中的最高值會差0.1~0.28,在第二個小高峰會差0.05~0.08;另一種是在起點位置差距0.1~0.2,總體會有0.06~0.15的差距。

        對每個產(chǎn)地的數(shù)據(jù)進行整合,再求出每個編號的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,標(biāo)準(zhǔn)差越大越不穩(wěn)定,故選擇每個產(chǎn)地中標(biāo)準(zhǔn)差最大的一個編號數(shù)據(jù),從每個產(chǎn)地的多個數(shù)據(jù)中提取出綜合性指標(biāo),即主成分。

        建立主成分分析模型:

        上述方程要求:

        當(dāng)原始變量X1,…,Xp標(biāo)準(zhǔn)化后,則:

        對每個產(chǎn)地篩選數(shù)值接近的編號數(shù)據(jù),整合成一個折線圖:

        由圖2可知,同一種藥材在不同產(chǎn)地的特征為大體走勢基本一致,波動起伏較大。差異性為11個產(chǎn)地兩兩之間大約有0.02~0.11的差距。

        圖2 同一藥材在不同產(chǎn)地的吸光度走勢圖Fig.2 Absorbance trend of a kind of medicinal material in different regions

        對綜合指標(biāo)進行主成分與因子分析,做出相關(guān)性碎石圖(圖3、圖4)與成分矩陣(圖5)。

        圖3 未知產(chǎn)地碎石圖Fig.3 Rubble map of unknown origins

        圖4 11個產(chǎn)地碎石圖Fig.4 Rubble map of 11 origin regions

        圖5 11個產(chǎn)地和未知產(chǎn)地的成分矩陣對比Fig.5 Comparison of ingredient matrix of 11 origins and unknown regions

        對每個產(chǎn)地的中紅外和近紅外數(shù)據(jù)進行整合分析,選中具有特殊性的每個產(chǎn)地的一組數(shù)值,再建立主成分分析模型:

        對綜合指標(biāo)進行主成分與因子分析,做出相關(guān)性碎石圖與成分矩陣,用最小二乘法擬合,構(gòu)建線性最小二乘擬合模型:設(shè)擬合函數(shù)

        y=f(x)=a+bx

        其中,δi=f(xi)-yi為擬合函數(shù)y=f(x)在xi處的偏差。

        從每一類中的每一個產(chǎn)地中選擇一組數(shù)據(jù),在matlab中導(dǎo)入待擬合數(shù)據(jù),得出數(shù)據(jù)折線圖,將數(shù)據(jù)擬合成一次函數(shù)并畫圖(藍(lán)色為吸光度走勢圖,紅色為擬合一次函數(shù)圖)。

        圖6 A類產(chǎn)地與編號在波數(shù)吸光度對比圖Fig.6 Wave number absorbance contrast of Class A origin regions and numbers

        3 模型效果評價

        灰色關(guān)聯(lián)度模型可解決小概率的不確定性問題,再用點圖客觀反映出在對應(yīng)波段光譜照射下的吸光度走勢圖,綜合反映了藥材的不同種類,在對應(yīng)波段光譜照射下的吸光度差距明顯。如果每種道地藥材的紅外光譜和吸光度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,則會更好地鑒別出藥材種類。

        通過主成分分析第一種模型建立、相關(guān)性矩陣、總方差解釋及成分矩陣的運用,可消除評價指標(biāo)之間的相關(guān)影響。減少指標(biāo)選擇的工作量,對于其他分析方法,由于難以消除評價指標(biāo)間的相關(guān)影響,所以選擇指標(biāo)時需花費較多精力。

        通過主成分分析第二種模型建立,在分析問題時,可以舍棄一部分主成分,只取前面方差較大的幾個主成分來代表原變量,從而減少了計算工作量。

        需要對產(chǎn)地、類別和編號中的在對應(yīng)波段光譜照射下的吸光度進行一一比較,運用最小二乘法擬合模型,更快地建立在對應(yīng)波段光譜照射下的吸光度走勢圖和擬合一元函數(shù)圖像,從而便于鑒別出藥材類別與產(chǎn)地。

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