優(yōu)化雷達(dá)圖法在烤煙上部葉外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

杜 薇，王昌全，李 冰，李 斌，張宗錦，雷 彬

優(yōu)化雷達(dá)圖法在烤煙上部葉外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

杜 薇1，2，王昌全2*，李 冰2，李 斌3，張宗錦4，雷 彬4

（1.川渝中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心原料研究部，成都 600100；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 611130；3.四川省煙草公司，成都 610041；4.四川省煙草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617099）

本研究通過采用權(quán)重法計(jì)算夾角大小、運(yùn)用平均三角形法提取雷達(dá)圖唯一特征量、消除短板效應(yīng)系數(shù)λ來構(gòu)造周長(zhǎng)評(píng)價(jià)向量、簡(jiǎn)化綜合評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)圖法存在的不足進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的雷達(dá)圖法應(yīng)用于攀枝花不同氮施用量的烤煙上部葉外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中。結(jié)果表明，優(yōu)化雷達(dá)圖法較傳統(tǒng)雷達(dá)圖法能得到唯一的評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)化雷達(dá)圖法綜合評(píng)價(jià)出的樣本外觀質(zhì)量?jī)?yōu)劣排序與指數(shù)和法的一致，而優(yōu)化雷達(dá)圖法反映信息更豐富更直觀。

烤煙；優(yōu)化雷達(dá)圖法；上部葉；外觀質(zhì)量；綜合評(píng)價(jià)

雷達(dá)圖是一種多變量可視圖形，也稱星形圖，這種圖形可將高維空間的點(diǎn)與平面上某種圖形對(duì)應(yīng)，以反映高維數(shù)據(jù)的某些特點(diǎn)或數(shù)據(jù)間的整體關(guān)系。雷達(dá)圖能夠直觀地反映評(píng)價(jià)對(duì)象在各個(gè)指標(biāo)上的相對(duì)優(yōu)劣趨勢(shì)，是綜合評(píng)價(jià)中分析問題的輔助工具［1-2］。雷達(dá)圖早期多應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，如財(cái)務(wù)報(bào)表的分析，因其簡(jiǎn)潔、精確、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)而倍受關(guān)注?？緹熗庥^質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)是對(duì)烤煙的顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分和色度等多屬性組合的外觀狀態(tài)進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)［3］。目前對(duì)烤煙外觀質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)普遍采用指數(shù)和法［4-8］，通過最后的綜合指數(shù)高低來判斷外觀質(zhì)量的優(yōu)劣，不具有雷達(dá)圖法形象、直觀，反映信息量大的優(yōu)點(diǎn)。鄭惠莉等［1］嘗試以雷達(dá)圖為基礎(chǔ)，構(gòu)建一種圖形和數(shù)值相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，通過數(shù)據(jù)非線性變換提取雷達(dá)圖的特征量，采用特定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)值，用評(píng)價(jià)函數(shù)值表示評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果［1-2］，并取得了有益的成果。以往的研究將雷達(dá)圖法引入到烤煙外觀質(zhì)量、化學(xué)成分協(xié)調(diào)性的綜合評(píng)價(jià)中，為烤煙質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)提供了一種新的思路［9-12］。但是由于傳統(tǒng)雷達(dá)圖法的一些不足，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定偏差。為消除雷達(dá)圖法的評(píng)價(jià)偏差，本研究從指標(biāo)軸間夾角的計(jì)算、圖形唯一特征向量的提取、周長(zhǎng)評(píng)價(jià)向量的構(gòu)造和綜合評(píng)價(jià)函數(shù)的簡(jiǎn)化四個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)圖法進(jìn)行了全面優(yōu)化，將優(yōu)化雷達(dá)圖法應(yīng)用到不同施肥處理的攀枝花烤煙上部葉外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中，與傳統(tǒng)雷達(dá)圖法和指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析，提高雷達(dá)圖法綜合評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)度。

1 傳統(tǒng)雷達(dá)圖的基本特征

1.1 構(gòu)建傳統(tǒng)雷達(dá)圖的基本步驟

傳統(tǒng)雷達(dá)圖法中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)一條獨(dú)立的坐標(biāo)軸，坐標(biāo)軸呈輻射狀分布在中心點(diǎn)周圍，同一評(píng)價(jià)對(duì)象的各評(píng)價(jià)指標(biāo)在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸上的點(diǎn)用折線連接起來，形成的不規(guī)則多邊形用來比較若干個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的總體情況［13］。其基本步驟如下：

（3）將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值在對(duì)應(yīng)的數(shù)軸上標(biāo)度并連線，就繪制出了一張?jiān)u價(jià)對(duì)象的雷達(dá)圖。

（4）提取繪制出的雷達(dá)圖面積S、周長(zhǎng)L做為特征量。

（6）計(jì)算雷達(dá)圖法綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，得出綜合函數(shù)評(píng)價(jià)值。

1.2 傳統(tǒng)雷達(dá)圖法存在的問題和不足

（1）多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)等分圓周，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)各指標(biāo)在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中的不同權(quán)重。

（2）指標(biāo)數(shù)軸排序的多種組合將會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生多張雷達(dá)圖，傳統(tǒng)雷達(dá)圖法只提取其中任意一張雷達(dá)圖的面積和周長(zhǎng)作為特征量，提取的特征量并不唯一，導(dǎo)致計(jì)算出多個(gè)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值，影響綜合評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)度。

2 傳統(tǒng)雷達(dá)圖法的優(yōu)化

2.1 指標(biāo)軸間夾角計(jì)算的優(yōu)化

優(yōu)化雷達(dá)圖法中，采用指標(biāo)權(quán)重法來計(jì)算各數(shù)軸夾角的大小，計(jì)算相鄰指標(biāo)數(shù)軸，（i=1，2，…，n；j=i+1；i=n時(shí)，j=1）的軸間夾角用公式：

2.2 唯一特征量提取的優(yōu)化

優(yōu)化雷達(dá)圖法借助平均三角形法來解決提取的特征向量不唯一問題。在指標(biāo)個(gè)數(shù)及每個(gè)指標(biāo)的值確定的情況下，窮盡所有的指標(biāo)數(shù)軸排列，提取所有雷達(dá)圖的平均面積和平均周長(zhǎng)做為特征量就是唯一存在的了［15］。如果將任一評(píng)價(jià)對(duì)象所有可能的雷達(dá)圖作為一個(gè)整體來考察，那么其中包含的所

2.3 周長(zhǎng)評(píng)價(jià)向量的優(yōu)化

優(yōu)化后的評(píng)價(jià)向量，取值范圍均為（0，1），利用各評(píng)價(jià)對(duì)象雷達(dá)圖的平均面積和平均周長(zhǎng)的相對(duì)數(shù)，可以更好地評(píng)價(jià)樣本的總體優(yōu)勢(shì)和整體協(xié)調(diào)性。

2.4 綜合評(píng)價(jià)函數(shù)的優(yōu)化

優(yōu)化雷達(dá)圖法的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，取唯一特征量——平均面積S和平均周長(zhǎng)L的幾何平均值［1］，避免了誤差和繁瑣的計(jì)算過程，即：

雖然雷達(dá)圖的“面積”和“周長(zhǎng)”在綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算過程中已經(jīng)抽象化，但這并不影響雷達(dá)圖具有的直觀對(duì)比和定性分析的功能屬性，在實(shí)際應(yīng)用中，其定性地對(duì)比分析的結(jié)果并不隨著雷達(dá)圖數(shù)軸排序的不同而不同。

3 基于優(yōu)化雷達(dá)圖法的烤煙外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

為探討相同磷鉀肥使用量下，不同氮肥用量對(duì)烤煙質(zhì)量的影響，于2010年在攀枝花市米易縣普威鎮(zhèn)開展了田間試驗(yàn)。設(shè)置3個(gè)氮肥施用水平，分別為10、7、4 kg/667m2，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，磷肥用量均為5.6 kg/667m2，鉀肥用量均為19.6 kg/667m2。利用上述優(yōu)化后的雷達(dá)圖法對(duì)攀枝花不同氮施用量的初烤上部煙葉外觀質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

烤煙外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的指標(biāo)篩選、指標(biāo)量化方法、鑒定方法及指標(biāo)權(quán)重確定（顏色0.30，成熟，0.25，葉片結(jié)構(gòu)0.15，身份0.12，油分0.10，色度0.08）參照中國(guó)煙草種植區(qū)劃研究成果［16］。選取顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分、色度等6個(gè)烤煙外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)［17-21］。

烤煙外觀質(zhì)量各指標(biāo)量綱均為1，且得分均為10分制，因此不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化處理。樣本外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分見表1。

首先，構(gòu)造雷達(dá)圖框架，將指標(biāo)體系投影其上，

表1 樣本外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)得分Table1 Evaluation scores of sample appearance quality

雷達(dá)圖見圖1～3。

圖1 樣本1外觀質(zhì)量?jī)?yōu)化雷達(dá)圖Fig.1 Optimization of radar graph of sample 1

圖2 樣本2外觀質(zhì)量?jī)?yōu)化雷達(dá)圖Fig. 2 Optimization of radar graph of sample 2

圖3 樣本3外觀質(zhì)量?jī)?yōu)化雷達(dá)圖Fig.3 Optimization of radar graph of sample3

從雷達(dá)圖可以直觀看出，樣本2的圖形面積最大，樣本3次之，樣本1最小，可以定性的評(píng)價(jià)3個(gè)樣本中，綜合質(zhì)量最好的是樣本2，次之是樣本3，最差的是樣本1。6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，3個(gè)樣本的油分和色度得分均較之其他4項(xiàng)指標(biāo)偏低。

然后，運(yùn)用Excle 2007軟件，根據(jù)優(yōu)化的雷達(dá)圖法綜合評(píng)價(jià)的公式，計(jì)算出3個(gè)烤煙上部葉樣本的特征量（平均面積S和平均周長(zhǎng)L），特征向量（面積評(píng)價(jià)向量和周長(zhǎng)評(píng)價(jià)向量）和綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值（表3），并與傳統(tǒng)雷達(dá)圖法（表4）、指數(shù)和法進(jìn)行對(duì)比。值得注意的是，評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)軸排序不同，可繪制出720種不同的雷達(dá)圖形，這里不一一列舉，僅任選了其中7種雷達(dá)圖形進(jìn)行傳統(tǒng)雷達(dá)圖法計(jì)算，示意其與優(yōu)化雷達(dá)圖法的比較分析。

表3 樣本外觀質(zhì)量?jī)?yōu)化雷達(dá)圖法綜合評(píng)價(jià)相關(guān)參數(shù)Table3 Comprehensive evaluation results of sample appearance quality by optimized method

表4 樣本外觀質(zhì)量傳統(tǒng)雷達(dá)圖法綜合評(píng)價(jià)相關(guān)參數(shù)Table4 Comprehensive evaluation results of samples’appearance quality by traditional method

傳統(tǒng)雷達(dá)圖法計(jì)算過程繁瑣，而且由于評(píng)價(jià)者采用的指標(biāo)數(shù)軸排序不一樣，可能產(chǎn)生720個(gè)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值和相應(yīng)面積、周長(zhǎng)的參數(shù)，傳統(tǒng)雷達(dá)圖法即是從720個(gè)可能的評(píng)價(jià)結(jié)果中隨機(jī)選取產(chǎn)生1個(gè)。令評(píng)價(jià)者面對(duì)如此紛繁的評(píng)價(jià)值無從選擇，評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生偏差。而采用優(yōu)化雷達(dá)圖法，每個(gè)樣本具有唯一的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值和相關(guān)參數(shù)。

根據(jù)優(yōu)化雷達(dá)圖法計(jì)算的各個(gè)參數(shù)，可以得出3個(gè)烤煙上部葉樣本中，外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最好的是樣本2，樣本3次之，樣本1最差，與目前普遍采用的指數(shù)和法計(jì)算出的樣本外觀質(zhì)量?jī)?yōu)劣排序一致。說明優(yōu)化雷達(dá)圖法能夠?qū)緹熗庥^綜合質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)的綜合評(píng)價(jià)，但是優(yōu)化雷達(dá)圖法通過圖形和周長(zhǎng)評(píng)價(jià)向量參數(shù)可以進(jìn)一步得到樣本總體質(zhì)量與各指標(biāo)之間發(fā)展的均衡性，比指數(shù)和法反映信息更豐富更直觀。在攀枝花地區(qū)在烤煙種植生產(chǎn)中，氮肥施用量過高會(huì)明顯降低烤煙上部葉的外觀質(zhì)量，進(jìn)而降低上部煙葉的可用性，當(dāng)?shù)匦枰獙⒌实氖┯昧靠刂圃?～7 kg/667m2為宜。氮肥的具體施用量還需要根據(jù)土壤肥力水平和生態(tài)環(huán)境做進(jìn)一步的研究。

4 討 論

近年來，以雷達(dá)圖為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)非線性變換提取雷達(dá)圖的特征量，采用特定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)值，進(jìn)行數(shù)形結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)的實(shí)例越來越多［9-15］，它能直觀反映評(píng)價(jià)對(duì)象在各個(gè)指標(biāo)上的相對(duì)優(yōu)劣趨勢(shì)［1-2］。雷達(dá)圖法的研究為針對(duì)某一特定對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)提供了一種全新思路和方法。付赟等［13］提出了雷達(dá)圖法數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的公式和雷達(dá)圖繪制的步驟，并結(jié)合圖形定性分析了各評(píng)價(jià)對(duì)象在各指標(biāo)上的相對(duì)優(yōu)劣，卻沒有提取雷達(dá)圖的特征量進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)。有人在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，給出了雷達(dá)圖特征量的提取方法和綜合評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)圖法的數(shù)形結(jié)合［9-12，14-15］。

在雷達(dá)圖法的實(shí)際應(yīng)用中，大都提到了傳統(tǒng)雷達(dá)圖法存在周長(zhǎng)評(píng)價(jià)向量因“短板系數(shù)”取值不統(tǒng)一而產(chǎn)生多個(gè)周長(zhǎng)評(píng)價(jià)參數(shù)、綜合評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算過程過于繁瑣等問題［14-15］。有人曾在煙草綜合評(píng)價(jià)中應(yīng)用了雷達(dá)圖法，明確提出了該方法存在的局限性，一是各評(píng)價(jià)指標(biāo)的軸間夾角均等，不能準(zhǔn)確反映各指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的不同權(quán)重，二是各指標(biāo)的軸向順序取決于評(píng)價(jià)者的主觀取向，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)雷達(dá)圖，提取出的圖形面積和周長(zhǎng)不唯一，這會(huì)導(dǎo)致不同評(píng)價(jià)者的評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異［9-11］。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)圖法存在的不足逐一進(jìn)行了優(yōu)化，使其評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確且唯一。優(yōu)化內(nèi)容主要包括：（1）采用指標(biāo)權(quán)重法確定雷達(dá)圖各指標(biāo)數(shù)軸之間的夾角大小；（2）運(yùn)用平均三角形法提取所有可能的雷達(dá)圖的平均面積和平均邊長(zhǎng)做為唯一特征量；（3）消除短板效應(yīng)系數(shù)λ構(gòu)建周長(zhǎng)評(píng)價(jià)向量；（4）簡(jiǎn)化綜合評(píng)價(jià)函數(shù)為平均面積S和平均周長(zhǎng)L的幾何平均值。優(yōu)化后的雷達(dá)圖法評(píng)價(jià)結(jié)果不再受評(píng)價(jià)者主觀取向的影響，具有了唯一性，雷達(dá)圖可成為烤煙外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分析中較好的輔助工具之一。

5 結(jié) 論

（1）與傳統(tǒng)雷達(dá)圖法相比，優(yōu)化雷達(dá)圖法應(yīng)用于攀枝花不同氮施用量的烤煙上部葉外觀質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，具有唯一的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

（2）優(yōu)化雷達(dá)圖法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中樣本外觀質(zhì)量的優(yōu)劣排序與指數(shù)和法評(píng)價(jià)結(jié)果一致，說明優(yōu)化雷達(dá)圖法能夠?qū)緹熗庥^綜合質(zhì)量進(jìn)行精確的評(píng)價(jià)。但優(yōu)化雷達(dá)圖法比指數(shù)和法反映的信息更豐富，結(jié)果表達(dá)更直觀。

（3）攀枝花煙區(qū)氮肥施用量過高會(huì)明顯降低烤煙上部葉的外觀質(zhì)量，從而降低上部煙葉的可用性。評(píng)價(jià)結(jié)果得出，攀枝花煙區(qū)氮肥施用量控制在4～7 kg/667m2為宜。氮肥的具體施用量還需要根據(jù)土壤肥力水平和生態(tài)環(huán)境做進(jìn)一步的研究。

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Application of Optimized Radar-graph Method on Comprehensive Evaluation of Appearance Quality of Upper Leaves of Flue-cured Tobacco

DU Wei1，2， WANG Changquan2*， LI Bing2， LI Bin3， ZHANG Zongjin4， LEI Bin4
（1. Raw Material Department in Technology Center， China Tobacco Chuanyu Industrial Company， Chengdu 600100， China；2. Resource and Environment College of Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130， China； 3. Sichuan Provincial Tobacco Company， Chengdu 610041， China； 4. Panzhihua Tobacco Company of Sichuan Province， Panzhihua， Sichuan 617099， China）

In this study， the method of weighting was adopted to calculate the corner dimension. The average triangle method was applied to obtain characteristic quantities of radar-graph and eliminate the short-board effect coefficient λ to structure the perimeter evaluation vector. It can simplify the optimization of comprehensive evaluation function on shortcomings of traditional radar chart method. Then the optimized traditional radar-graph was utilized in the comprehensive evaluation of appearance quality of flue-cured Tobacco’s upper leaves in different Nitrogen treatments of Panzhihua. The results showed that the optimization radar-graph method could obtain the only consequence which was better than the traditional radar-graph method. The quality sort of sample’s appearance quality by optimization radar-graph method was consistent with Index sum method while the optimization radar-graph method could express richer and more intuitive information than Index sum method.

tobacco； optimized radar-graph method； upper leaf； appearance quality； comprehensive evaluation

S572.01

1007-5119（2015）01-0024-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2015.01.006

川渝中煙工業(yè)公司重點(diǎn)項(xiàng)目（12097）；四川省煙草公司科技重點(diǎn)項(xiàng)目（201202004，201202005）；攀枝花市煙草公司科技計(jì)劃項(xiàng)目

杜 薇，女，碩士研究生，主要從事煙葉原料技術(shù)的研究。E-mail：weiwei_du@126.com。*通信作者，E-mail：w.changquan@163.com

2014-07-29 修回日期：2014-09-22