JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY

CN 41-1437/TS  ISSN 2096-1553

基于改进随机森林算法的薏苡仁产地溯源研究

赵汉卿 ,  王斌 ,  陈瑶 ,  唐章奉 ,  方鑫 ,  陈增萍 ,  杨健 ,  邓婷

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赵汉卿, 王斌, 陈瑶, 等. 基于改进随机森林算法的薏苡仁产地溯源研究[J]. 轻工学报, 2023, 38(6): 70-77. doi: 10.12187/2023.06.009
引用本文: 赵汉卿, 王斌, 陈瑶, 等. 基于改进随机森林算法的薏苡仁产地溯源研究[J]. 轻工学报, 2023, 38(6): 70-77. doi: 10.12187/2023.06.009
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ZHAO Hanqing, WANG Bin, CHEN Yao, et al. Research on geographical origin traceability of Coix seed based on a modified random forest algorithm[J]. Journal of Light Industry, 2023, 38(6): 70-77. doi: 10.12187/2023.06.009
Citation: ZHAO Hanqing, WANG Bin, CHEN Yao, et al. Research on geographical origin traceability of Coix seed based on a modified random forest algorithm[J]. Journal of Light Industry, 2023, 38(6): 70-77. doi: 10.12187/2023.06.009
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基于改进随机森林算法的薏苡仁产地溯源研究

  • 1. 中南林业科技大学 理学院/应用化学研究所, 湖南 长沙 410004;

  • 2. 湖南工业大学 生命科学与化学学院, 湖南 株洲 412007;

  • 3. 湖南大学 化学化工学院/化学生物传感与计量学国家重点实验室, 湖南 长沙 410082;

  • 4. 中国中医科学院道地药材国家重点实验室培育基地 国家中药资源中心, 北京 100700

    • 作者简介: 赵汉卿(1997-),男,山东省东营市人,中南林业科技大学硕士研究生,主要研究方向为多种模式识别方法下中药产地的溯源。E-mail:hanqing4126@126.com;

  • 基金项目: 湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目（科技攻关类）（2020SK2029）；湖南省教育厅科研优秀青年项目（22B0579）

  • 中图分类号: TS202.1

Research on geographical origin traceability of Coix seed based on a modified random forest algorithm

  • 1. Institute of Applied Chemistry/School of Science, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;

  • 2. College of Life Sciences and Chemistry, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China;

  • 3. State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics/College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;

  • 4. National Resource Center for Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences, State Key Laboratory Breeding Base of Dao-di Herbs, Beijng 100700, China

  • Received Date: 2023-05-04
    Accepted Date: 2023-06-12

    CLC number: TS202.1

  • 摘要: 以9个产地的薏苡仁为研究对象，通过将激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱与改进的随机森林算法结合以实现薏苡仁产地的溯源分析。其中，随机森林算法的改进主要包括两方面：一是通过主成分分析（PCA）方法降低EEM荧光光谱的维度；二是利用网格筛选法找出PCA降维过程中最优保留主成分数及判别模型超参数。结果表明：基于薏苡仁的EEM荧光光谱数据构建的改进随机森林模型（加入标准差标准化和PCA降维模块）可以对9个产地薏苡仁样本进行准确预测，最佳模型由100棵最大深度为3、叶节点最小样本数为1个的决策树结合16个主成分数（PCs）构建，其对验证集和测试集（共108个样品）的准确度均为100%，优于偏最小二乘法构建的PLS-DA模型（96%）。
    Abstract: Coix seeds from 9 different origins were taken as the research object. An attempt was made to achieve geographical origin traceability of Coix seeds through the combination of excitation-emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy with improved random forest algorithm. The improvements to the random forest algorithm mainly include two aspects, firstly, principal component analysis (PCA) was adopted to reduce the dimension of EEM fluorescent data; secondly, a grid search method was used to identify the optimal number of principal components(PCs) to retain and the hyperparameters of the discriminant model during the PCA dimension reduction process. The results showed that an improved random forest model, incorporating standard deviation normalization and PCA dimension reduction modules, based on Coix seeds EEM fluorescence spectroscopy data, accurately predicted the geographical origin of Coix seed samples from 9 different areas. The optimal model was constructed by combining 100 decision trees with a maximum depth of 3 and a minimum sample size of 1 at the leaf node, using 16 principal components (PCs). This model achieved 100% prediction accuracy for both the validation and test sets, which consisted of a total of 108 samples, outperforming the PLS-DA model constructed by the partial least squares method (96% prediction accuracy).
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  • 收稿日期:  2023-05-04
  • 修回日期:  2023-06-12
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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引用本文: 赵汉卿, 王斌, 陈瑶, 等. 基于改进随机森林算法的薏苡仁产地溯源研究[J]. 轻工学报, 2023, 38(6): 70-77. doi: 10.12187/2023.06.009
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ZHAO Hanqing, WANG Bin, CHEN Yao, et al. Research on geographical origin traceability of Coix seed based on a modified random forest algorithm[J]. Journal of Light Industry, 2023, 38(6): 70-77. doi: 10.12187/2023.06.009
Citation: ZHAO Hanqing, WANG Bin, CHEN Yao, et al. Research on geographical origin traceability of Coix seed based on a modified random forest algorithm[J]. Journal of Light Industry, 2023, 38(6): 70-77. doi: 10.12187/2023.06.009
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基于改进随机森林算法的薏苡仁产地溯源研究

    作者简介:赵汉卿(1997-),男,山东省东营市人,中南林业科技大学硕士研究生,主要研究方向为多种模式识别方法下中药产地的溯源。E-mail:hanqing4126@126.com
  • 1. 中南林业科技大学 理学院/应用化学研究所, 湖南 长沙 410004;
  • 2. 湖南工业大学 生命科学与化学学院, 湖南 株洲 412007;
  • 3. 湖南大学 化学化工学院/化学生物传感与计量学国家重点实验室, 湖南 长沙 410082;
  • 4. 中国中医科学院道地药材国家重点实验室培育基地 国家中药资源中心, 北京 100700
  • 收稿日期: 2023-05-04
  • 录用日期: 2023-06-12
基金项目:  湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目（科技攻关类）（2020SK2029）；湖南省教育厅科研优秀青年项目（22B0579）

摘要: 以9个产地的薏苡仁为研究对象，通过将激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱与改进的随机森林算法结合以实现薏苡仁产地的溯源分析。其中，随机森林算法的改进主要包括两方面：一是通过主成分分析（PCA）方法降低EEM荧光光谱的维度；二是利用网格筛选法找出PCA降维过程中最优保留主成分数及判别模型超参数。结果表明：基于薏苡仁的EEM荧光光谱数据构建的改进随机森林模型（加入标准差标准化和PCA降维模块）可以对9个产地薏苡仁样本进行准确预测，最佳模型由100棵最大深度为3、叶节点最小样本数为1个的决策树结合16个主成分数（PCs）构建，其对验证集和测试集（共108个样品）的准确度均为100%，优于偏最小二乘法构建的PLS-DA模型（96%）。

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