中药材的鉴别模型——以20...大学生数学建模竞赛E题为例_伍星.pdf
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1、71 技术创新2021年全国大学生数学建模E题要求对不同中药材的种类或的中红外光谱图的数据。在此基础上我们提出:是否可以通过者对同种药材的不同产地建立数学模型进行鉴别,本文利用excel光谱图绘制得到结果;建立K-J均值聚类模型,分析所给药材可和spss软件对其附件1-4中光谱数据进行数据清洗,剔除异常以聚成几类;如何对每类药材进行特征和差异性描述。值,利用Unscrambler软件做归一化分析;再利用excel软件对数对于问题2,与问题1相比多了产地。首先,需要对附件中据进行折线图绘制,对药材类别进行预判,借助spss软件进行K-数据进行产地分类,再利用Spss和Excel软件分析各个产地之
2、间均值聚类、去中心化处理,以及PCA三维和二维散点图,分别给光谱的特征与差异性,统计分析均值、方差、标准差等。其出每类药材的不同产地的中红外光谱曲线图和对应种类的特次,考虑各产地光谱样本的聚合性,剔除异常数据值,再利用征;利用判别分析法对11个不同产地样本做循环分析,结合判均值中心化处理数据。最后,利用判别分析法对不同产地样本别分析分别和分类讨论法,完成中药材的鉴别。做分析,单独一次效果可能不佳,需要进行交叉验证,提高模型识别率。1 背景资料对于问题3,利用归一化处理后的数据,对原始光谱做中药材是药品的重要组成部分,随着科技的发展、时代的PCA三维和二维散点图,确定主成分因子,建立PCA样本模
3、型。进步,人们发现中药材会因为其生产地、种类的不同,使得其再利用SPSS软件对17个不同产地的数据进行判别分析模型多次无机元素的化学成分、有机物等存在差异性,进而在近红外、分析识别,得到不同的模型识别结果,再对比分析,提高识别中红外的照射下也会表现出不同的光谱特征,不同类药材表现率。的光谱特征差异较大,比较容易判别。然而,不同产地的同一3 解决问题种药材在同一波段内的光谱比较接近,使得光谱鉴别的误差较3.1 问题1的模型建立与求解大。相关部门想要通过这些光谱特征来鉴别中药材的种类及产根据所给中红外光谱数据进行药材分类,主要着眼于光谱地,更好的判定中药材的品质,使得中药材可以被更好的利图的比较,
4、即首先是吸收峰的数目是否一致,其次是峰位是否用。在此背景下,需要解决如下问题:一致,然后是各谱带的相对强弱是否一致,最后是谱带的形状(1)数据参照2021年高教社全国大学生数学建模竞赛E题是否一致。若所给药材光谱图的峰数、峰位、峰强和峰形一附件1中几种药材的中红外光谱数据,将药材进行分类,并研究致,则认为是同一类药材;若两个光谱图不同,则可判定为两不同种类药材的特征和差异性。种不同药材。但下此结论时,需要考虑以及有无其他外界因素(2)根据附件2中某一种药材的中红外光谱数据,分析不的干扰。我们根据中红外光谱图进行预判,药材的种类大致为同产地药材的特征和差异性,建立数学模型,并鉴别所给药材4类。的
5、产地。模型建立:输入簇的数目k和包含n个对象的数据库,输出(3)根据附件3中某一种药材的近红外和中红外数据,将k个簇,使平方误差准则最小。聚类原理:将样本分配给距离它两种数据对比分析找到不同产地药材的特征,建立同种药材不们最近的中心向量,并使目标函数值减小。同产地的数学模型,并鉴别所给药材的产地。更新簇平均值2 问题分析相关部门想要通过这些光谱特征来鉴别中药材的种类及产计算准则函数E地,更好的判定中药材的品质,使得中药材可以被更好的利用。为此,我们针对4个附件中不同种类、不同产地药材的光谱具体操作如下:数据进行统计分析。通过数据建立合理的模型鉴别中药材的种类与产地,并分析红外光谱图,对未知种类
6、与产地的中药材进首先,为每个聚类确定一个初始聚类中心,这样就有K个初行鉴定。始聚类中心;将样本集中的按照最小距离原则分配到最邻近聚对于问题1,通过使用Excel和Spss等软件处理附件1中药材类;使用每个聚类中的样本均值作为新的聚类中;重复步骤直中药材的鉴别模型以2021年全国大学生数学建模竞赛E题为例中药材的鉴别模型以2021年全国大学生数学建模竞赛E题为例四川信息职业技术学院基础教育部 伍 星四川信息职业技术学院基础教育部 伍 星722023 年 第 3 期到聚类中心不再变化;结束,得到K个聚类。我们利用SPSS软件,得到的初始聚类和最终聚类中心和四类组质心位置,以及分类的正确度,运行过程
7、中,迭代了5次,得到4类,每类的个案数目分别为2,1,219,203。具体结果如图1所示。图3由于外界存在干扰因素,因此对附件2中的数据进行排序,将同一地区的光谱数据放一起。采用原式光谱全波段建立判别图1分析模型,11个产地的样本数据,建模结果正确率很低,说明接着,对图像信息做同一处理,纵坐标表示吸光度,横坐判别分析的受干扰情况严重,我们需要考虑数据影响。因此,标中的1表示波数652光波,2表示653光波,依此类推。利用在建立模型前,需对光谱数据进行校正和预处理。excel软件分别绘制各类药材的中红外光谱图并将光谱图进行比通过excel与spss软件聚类分析,对偏离度较高的异样数据进较。从光谱
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