優(yōu)化雷達(dá)圖法在烤煙上部葉外觀質(zhì)量綜合評價中的應(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)量綜合評價中的應(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)重法計算夾角大小、運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)造周長評價向量、簡化綜合評價函數(shù)對傳統(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)量綜合評價中。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價結(jié)果，優(yōu)化雷達(dá)圖法綜合評價出的樣本外觀質(zhì)量優(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；綜合評價

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與平面上某種圖形對應(yīng)，以反映高維數(shù)據(jù)的某些特點或數(shù)據(jù)間的整體關(guān)系。雷達(dá)圖能夠直觀地反映評價對象在各個指標(biāo)上的相對優(yōu)劣趨勢，是綜合評價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，如財務(wù)報表的分析，因其簡潔、精確、可操作性強等特點而倍受關(guān)注。烤煙外觀質(zhì)量綜合評價是對烤煙的顏色、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)行整體性評價［3］。目前對烤煙外觀質(zhì)量進(jìn)行綜合評價普遍采用指數(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。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)合的評價方法，通過數(shù)據(jù)非線性變換提取雷達(dá)圖的特征量，采用特定綜合評價函數(shù)計算評價函數(shù)值，用評價函數(shù)值表示評價對象的綜合評價結(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)性的綜合評價中，為烤煙質(zhì)量的綜合評價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)致評價結(jié)果存在一定偏差。為消除雷達(dá)圖法的評價偏差，本研究從指標(biāo)軸間夾角的計算、圖形唯一特征向量的提取、周長評價向量的構(gòu)造和綜合評價函數(shù)的簡化四個方面對傳統(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)量綜合評價中，與傳統(tǒng)雷達(dá)圖法和指數(shù)法評價結(jié)果對比分析，提高雷達(dá)圖法綜合評價的精準(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，各評價指標(biāo)對應(yīng)一條獨立的坐標(biāo)軸，坐標(biāo)軸呈輻射狀分布在中心點周圍，同一評價對象的各評價指標(biāo)在對應(yīng)坐標(biāo)軸上的點用折線連接起來，形成的不規(guī)則多邊形用來比較若干個評價對象的總體情況［13］。其基本步驟如下：

（3）將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值在對應(yīng)的數(shù)軸上標(biāo)度并連線，就繪制出了一張評價對象的雷達(dá)圖。

（4）提取繪制出的雷達(dá)圖面積S、周長L做為特征量。

（6）計算雷達(dá)圖法綜合評價函數(shù)，得出綜合函數(shù)評價值。

1.2 傳統(tǒng)雷達(dá)圖法存在的問題和不足

（1）多個評價指標(biāo)等分圓周，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)各指標(biāo)在整個評價體系中的不同權(quán)重。

（2）指標(biāo)數(shù)軸排序的多種組合將會對應(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)圖的面積和周長作為特征量，提取的特征量并不唯一，導(dǎo)致計算出多個綜合評價函數(shù)值，影響綜合評價的精準(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)重法來計算各數(shù)軸夾角的大小，計算相鄰指標(biāo)數(shù)軸，（i=1，2，…，n；j=i+1；i=n時，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)個數(shù)及每個指標(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做為特征量就是唯一存在的了［15］。如果將任一評價對象所有可能的雷達(dá)圖作為一個整體來考察，那么其中包含的所

2.3 周長評價向量的優(yōu)化

優(yōu)化后的評價向量，取值范圍均為（0，1），利用各評價對象雷達(dá)圖的平均面積和平均周長的相對數(shù)，可以更好地評價樣本的總體優(yōu)勢和整體協(xié)調(diào)性。

2.4 綜合評價函數(shù)的優(yōu)化

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

雖然雷達(dá)圖的“面積”和“周長”在綜合評價值的計算過程中已經(jīng)抽象化，但這并不影響雷達(dá)圖具有的直觀對比和定性分析的功能屬性，在實際應(yīng)用中，其定性地對比分析的結(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)量綜合評價

為探討相同磷鉀肥使用量下，不同氮肥用量對烤煙質(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。設(shè)置3個氮肥施用水平，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)行綜合評價。

烤煙外觀質(zhì)量綜合評價指標(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個烤煙外觀質(zhì)量評價指標(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)量評價指標(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)量評價指標(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)量優(yōu)化雷達(dá)圖Fig.1 Optimization of radar graph of sample 1

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

圖3 樣本3外觀質(zhì)量優(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，可以定性的評價3個樣本中，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項評價指標(biāo)中，3個樣本的油分和色度得分均較之其他4項指標(biāo)偏低。

然后，運用Excle 2007軟件，根據(jù)優(yōu)化的雷達(dá)圖法綜合評價的公式，計算出3個烤煙上部葉樣本的特征量（平均面積S和平均周長L），特征向量（面積評價向量和周長評價向量）和綜合評價函數(shù)值（表3），并與傳統(tǒng)雷達(dá)圖法（表4）、指數(shù)和法進(jìn)行對比。值得注意的是，評價指標(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)量優(yōu)化雷達(dá)圖法綜合評價相關(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)圖法綜合評價相關(guān)參數(shù)Table4 Comprehensive evaluation results of samples’appearance quality by traditional method

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

根據(jù)優(yōu)化雷達(dá)圖法計算的各個參數(shù)，可以得出3個烤煙上部葉樣本中，外觀質(zhì)量綜合評價結(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)和法計算出的樣本外觀質(zhì)量優(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)的綜合評價，但是優(yōu)化雷達(dá)圖法通過圖形和周長評價向量參數(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，采用特定綜合評價函數(shù)計算評價函數(shù)值，進(jìn)行數(shù)形結(jié)合的綜合評價的實例越來越多［9-15］，它能直觀反映評價對象在各個指標(biāo)上的相對優(yōu)劣趨勢［1-2］。雷達(dá)圖法的研究為針對某一特定對象的綜合評價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價對象在各指標(biāo)上的相對優(yōu)劣，卻沒有提取雷達(dá)圖的特征量進(jìn)行定量綜合評價。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價函數(shù)的計算公式，實現(xiàn)了雷達(dá)圖法的數(shù)形結(jié)合［9-12，14-15］。

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

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)雷達(dá)圖法存在的不足逐一進(jìn)行了優(yōu)化，使其評價結(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做為唯一特征量；（3）消除短板效應(yīng)系數(shù)λ構(gòu)建周長評價向量；（4）簡化綜合評價函數(shù)為平均面積S和平均周長L的幾何平均值。優(yōu)化后的雷達(dá)圖法評價結(jié)果不再受評價者主觀取向的影響，具有了唯一性，雷達(dá)圖可成為烤煙外觀質(zhì)量綜合評價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)量綜合評價，具有唯一的綜合評價結(jié)果。

（2）優(yōu)化雷達(dá)圖法綜合評價結(jié)果中樣本外觀質(zhì)量的優(yōu)劣排序與指數(shù)和法評價結(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)行精確的評價。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。評價結(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)公司重點項目（12097）；四川省煙草公司科技重點項目（201202004，201202005）；攀枝花市煙草公司科技計劃項目

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