烤煙顏色地域性多因素差異分析

支瑞聰 高鳴旋 謝永輝

摘要：為明確昆明烤煙煙葉顏色的區(qū)域分布特征以及土壤和海拔因素對烤煙顏色的影響，采用比例閾值法提取烤煙煙葉表面的顏色值，并將計算機視覺和多元統(tǒng)計分析等技術(shù)手段應(yīng)用于顏色數(shù)字化表征的分析過程中，以量化的形式反映不同因素下烤煙煙葉的顏色差異性。結(jié)果表明：（1）不同地區(qū)的烤煙顏色之間存在顯著差異性且南北部之間的差異較大;（2）同一地區(qū)部分布點（鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植區(qū)）的烤煙顏色之間有較強的相似性，同一部位不同布點的烤煙煙葉表面顏色特征大多可劃分為不同的3類;（3）不同海拔以及不同土壤類型烤煙煙葉表面的顏色均有顯著差異，烤煙煙葉的H（色調(diào)）值和V（亮度）值隨海拔的增加而增加，同時H顏色值受土壤類型的影響也較大，表現(xiàn)為在紫色土中的烤煙煙葉H顏色值最大。研究結(jié)果可為進一步掌握昆明烤煙煙葉的顏色特征和工業(yè)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)資料，且有助于了解各種因素對昆明烤煙顏色的影響。

關(guān)鍵詞：烤煙顏色;區(qū)域分布;海拔;土壤;差異性分析;聚類分析

中圖分類號： S572.01 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0226-04

烤煙煙葉顏色是指同一類型的煙葉經(jīng)調(diào)制后煙葉的色彩、色澤飽和度和色值的狀態(tài)?？緹煙熑~顏色形成的過程也是其內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程，煙葉內(nèi)部各種色素的比例大小決定了煙葉顏色的深淺[1]。煙葉內(nèi)部色素的分解和多種化學(xué)成分的分解是相互伴隨著進行的，因此煙葉的顏色差異也是煙葉內(nèi)部化學(xué)成分的分解程度和不同含量的反映。也就是說，顏色不同的煙葉，其內(nèi)部化學(xué)成分、煙氣質(zhì)量和物理特性是有很大差異的，因而它們的質(zhì)量特點也是不相同的，伴隨著質(zhì)量特點的不同，烤煙顏色也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，這正是煙葉按照顏色分組的依據(jù)[2-3]。目前關(guān)于烤煙顏色的研究也較多，但大多基于對烤煙顏色化學(xué)物質(zhì)的研究、顏色光譜特征的相關(guān)應(yīng)用和以顏色特征為參數(shù)實現(xiàn)烤煙煙葉自動化分組分級的相關(guān)技術(shù)研究。如針對烤煙煙葉表面顏色與煙堿、還原糖、總氮等化學(xué)成分的相關(guān)性研究[4-9]、烤煙煙葉表面顏色與顏色色素含量的關(guān)系[10-11]、應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)對烤煙顏色的相關(guān)研究[12-15]和以烤煙顏色為特征參數(shù)利用支持向量機、K最近鄰和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法實現(xiàn)烤煙煙葉的自動分組分級[16-18]研究等。另外，近年來還開展了有關(guān)烤煙表面顏色的差異性研究[19-20]，但針對烤煙煙葉顏色特征值的量化分析仍相對比較匱乏。

近年來，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，煙草產(chǎn)業(yè)逐漸走向規(guī)?；?、信息化、專業(yè)化，而對于煙葉顏色的判斷仍然需要人工主觀判斷，如果能夠?qū)崿F(xiàn)對顏色量化測定的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化，則可以通過數(shù)字化分析顏色的變化來判斷其分組類別和成熟度等，烘烤工藝也會更加的科學(xué)化、合理化，同時使煙葉的分組分級更加精確，從而有利于優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)。另一方面，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機視覺和多元統(tǒng)計分析等技術(shù)手段在煙葉顏色分析中的應(yīng)用也成為趨勢。昆明煙區(qū)具有較特殊的生態(tài)氣候條件，其主要植煙區(qū)海拔較高（1 300～2 200 m），煙區(qū)生長中后期降雨多、水分充足，成熟期日照時數(shù)減少、陰天數(shù)增多、平均氣溫相對降低，促使昆明地區(qū)烤煙煙葉表征顏色具有獨特性。為進一步掌握昆明烤煙煙葉的顏色特征，為工業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)資料，本研究應(yīng)用比例閾值法提取了烤煙煙葉的顏色特征值，并通過方差分析、聚類分析、可視化分析等方法探討了不同地區(qū)、不同土壤、不同海拔因素下烤煙數(shù)字化顏色特征值的差異性和相似性，為進一步分析烤煙煙葉的質(zhì)量提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備與樣本信息

選取昆明產(chǎn)區(qū)2016年K326品種的烤煙煙葉樣品，該品種的種植區(qū)包括23個布點（鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植區(qū)）所屬尋甸、石林、宜良、祿勸、安寧五大煙草種植區(qū)，其中尋甸地區(qū)包含7個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點1～7，石林地區(qū)包含6個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點 8～13，宜良地區(qū)包含4個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點14～17，祿勸地區(qū)包含5個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點18～22，安寧地區(qū)包含1個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點23。每個布點包括上、中、下3個部位（字母B、C、X分別代表煙葉的上、中、下部）的烤煙煙葉，且每個部位中都有各個檔級的5張煙葉樣品。為降低烤煙煙葉樣品采集過程中的失真性，提高圖像的分辨率和采集效率，本研究運用針對烤煙煙葉定制的圖像采集裝置Microtek掃描儀在恒溫恒濕的環(huán)境下完成圖像采集工作。

1.2 方法

數(shù)據(jù)提取方法：本研究采用中值濾波技術(shù)對烤煙煙葉的圖像進行去噪處理并采用閾值分割法對煙葉葉片部分進行檢測和提取。同時，本研究采用比例閾值（閾值設(shè)置為2/3）法提取烤煙煙葉。比例閾值法是一種提取煙葉顏色特征值的數(shù)字化表征方法，該方法通過計算烤煙煙葉各顏色值的頻率并按所設(shè)閾值范圍來提取葉片代表性顏色的特征值。比例閾值法克服了以往利用色差儀進行取點測色的局限性，降低了利用均值法提取顏色特征值時顏色異常點產(chǎn)生的影響。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：方差分析、聚類分析、可視化分析。本研究針對不同因素對烤煙顏色的影響，采用方差分析法來分析各因素之間的差異性規(guī)律并通過系統(tǒng)聚類的方法分析在哪些因素的影響下原有的分類可以進一步重新規(guī)劃或者對原有分類的正確性提供進一步的理論依據(jù)，同時應(yīng)用可視化方法直觀地顯示在影響因素下呈現(xiàn)的特征規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于不同地區(qū)對烤煙煙葉的顏色分析

根據(jù)本試驗所提取的顏色數(shù)據(jù)，應(yīng)用方差分析和聚類分析2種方法探索昆明市尋甸、石林、宜良、祿勸、安寧5個地區(qū)烤煙煙葉數(shù)字化顏色信息的差異化規(guī)律。表1為方差分析后多重比較的結(jié)果，可以看出，烤煙煙葉表面顏色特征參數(shù)在不同的種植區(qū)域間存在一定的差異性，色調(diào)指數(shù)H均值以祿勸地區(qū)的最高（0.120），其次是尋甸地區(qū)（0.119），石林和宜良地區(qū)的最低（0.117），說明祿勸地區(qū)烤煙表面的黃色特征比其他地區(qū)明顯。在顯著性水平0.05下，尋甸和祿勸地區(qū)的色調(diào)指數(shù)H均與其他3個地區(qū)之間存在顯著性的差異。飽和度指數(shù)S均值以尋甸地區(qū)的最高，在顯著性水平0.05下，除石林和祿勸地區(qū)之間的S值沒有顯著性差異，其他地區(qū)之間均存在顯著性的差異。在顯著性水平0.05下，尋甸地區(qū)的亮度參數(shù)V除與安寧地區(qū)不存在顯著性差異外，與其他3個地區(qū)之間均存在顯著性的差異，安寧地區(qū)的V（亮度）值只與石林和宜良地區(qū)之間存在顯著性的差異。綜合分析結(jié)果采用基于地圖的可視化方法來展現(xiàn)不同地區(qū)之間的差異化，圖1是昆明市縣級地圖，使用同一色系不同的深淺程度填充尋甸、石林、宜良、祿勸、安寧5個地區(qū)來表示不同地區(qū)之間的差異程度，即用顏色深淺程度來反映地區(qū)間烤煙顏色數(shù)字化特征值的差異程度。圖1中顯示尋甸、祿勸、安寧、宜良、石林5個地區(qū)的烤煙煙葉顏色都存在明顯差異，但差異程度不同，尋甸和安寧地區(qū)差異性最大，而宜良和安寧地區(qū)的差異性較小，總的來說南北地區(qū)烤煙表面顏色差異較大。

2.2 基于不同布點對烤煙煙葉的顏色分析

根據(jù)煙葉分組標(biāo)準(zhǔn)中的部位因素，基于不同部位對烤煙表面顏色展開進一步討論。首先采用方差分析方法對尋甸、石林、宜良、祿勸4個地區(qū)（安寧地區(qū)只有1個布點樣品，不作分析）3個部位不同布點之間的差異性進行分析。通過多因變量方差分析可以得出，尋甸上部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（6，85）=7.701，P=0.000<0.05），中部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（5，116）=9.638，P=0.000<0.05），下部不同布點之間烤煙顏色也存在顯著性差異（F（6，104）=7.786，P=0.000<0.05）;類似的，石林上部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（5，84）=8.479，P=0.000<0.05），中部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（5，89）=5.850，P=0.000<0.05），下部不同布點之間烤煙顏色也存在顯著性差異（F（6，84）=8.279，P=0.000<0.05）;宜良上部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（3，40）=10.578，P=0.000<0.05），中部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（3，58）=13.151，P=0.000<0.05），下部不同布點之間烤煙顏色也存在顯著性差異（F（3，46）=4.546，P=0.000<0.05）;祿勸上部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（3，62）=9.911，P=0.000<0.05），中部不同布點之間烤煙顏色存在顯著性差異（F（4，63）=10.608，P=0.000<0.05），下部不同布點之間烤煙顏色也存在顯著性差異（F（4，70）=13.550，P=0.000<0.05）。這些結(jié)果表明，在0.05的顯著性水平下，同一種植區(qū)同一部位下的不同布點烤煙表面顏色均存在顯著的差異性。為了使不同布點之間的差異與聯(lián)系能夠更加直觀地顯示，本研究采用基于箱線圖的可視化方法作進一步的分析。圖2為4個地區(qū)上部不同布點之間烤煙表面顏色值的展示，圖中橫坐標(biāo)表示各個布點，縱坐標(biāo)表示烤煙煙葉表面顏色的特征值。圖2直觀地顯示出各個布點烤煙煙葉表面顏色數(shù)字化特征值的最大、最小、平均值等信息，同時可以根據(jù)顯示直觀地判斷各布點之間的差異與聯(lián)系。例如，尋甸上部布點3的顏色值被包含在布點1中，說明2個布點之間有較大的相似性;而布點4卻和布點1的顏色值無論從最大值、最小值還是平均值來看都相差較大，說明布點4和布點1之間存在較大的差異性。

綜合方差分析、可視化分析的結(jié)果表明，昆明市尋甸、石林、宜良、祿勸、安寧5個地區(qū)之間都存在顯著性的差異，且在考慮不同部位的影響下各地區(qū)不同布點之間也存在著相似性和差異性，最終整合分析結(jié)果并根據(jù)聚類結(jié)果將布點之間進一步歸整分類（表2）。

2.3 基于不同海拔對烤煙煙葉的顏色分析

通過方差分析、可視化分析來探究不同海拔對烤煙煙葉表面顏色的影響。結(jié)果表明：在不同海拔種植的烤煙煙葉表面顏色存在顯著性差異（F（2，323）=7.620，P=0.000<0.005）。圖3采用雷達圖的可視化方法來分析不同海拔對烤煙表面顏色值的影響?？梢钥闯鐾徊课缓０卧礁?，烤煙顏色H參數(shù)值和V參數(shù)值越大，說明海拔越高黃色特征越明顯;而海拔對中部烤煙煙葉的S飽和度值沒有顯著的差異性，上部和下部顯示海拔為1 650～1 850 m 時烤煙顏色S參數(shù)值最低，說明隨著海拔降低，烤煙顏色飽和度也逐漸降低。

2.4 基于不同土壤類型對烤煙煙葉的顏色分析

方差分析的結(jié)果表明，在不同土壤類型中種植的烤煙煙葉表面顏色存在顯著的差異性（F（2，341）=6.463，P=0.000<0.005）。不同土壤類型中種植的烤煙煙葉特征值變化如圖4所示，可以看出在紫色土中生長的烤煙樣品無論從上部、中部還是下部來看H色調(diào)值都達到了最大，而S飽和度值相對最小;烤煙煙葉表面的H色調(diào)值受土壤類型的影響較大，而上部和下部3種類型土壤的V亮度值之間沒有顯著的差異性，中部不同土壤的V亮度值存在一定的差異性。

3 結(jié)論與討論

（1）方差分析、聚類分析、可視化分析可在一定程度上反映昆明不同地區(qū)的烤煙煙葉顏色存在顯著的差異。尋甸地區(qū)和祿勸地區(qū)都地處云南省昆明市的北部， 二者的烤煙煙葉顏色雖存在一定的差異性但比較小，而安寧在昆明東部與尋甸和祿勸都存在較大差異，說明地理位置對烤煙顏色的影響較大且南北方的差異極為顯著。

（2）同一地區(qū)部分布點（鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植區(qū)）的烤煙顏色之間有較強的相似性，同一部位不同布點烤煙煙葉表面顏色特征大都可劃分為不同的3類。

（3）不同海拔的烤煙煙葉表面顏色有顯著的差異性。結(jié)果表明隨著海拔逐漸變高，對應(yīng)烤煙煙葉表面的H參數(shù)值和V參數(shù)值也呈遞增趨勢，而S參數(shù)值沒有顯示出較強的規(guī)律性變化。

（4）烤煙表面顏色參數(shù)也表明，不同土壤類型的烤煙顏色之間存在顯著性差異，生長在紫色土中的烤煙顏色H參數(shù)值偏高且不同類型的土壤對H參數(shù)值的影響較大。

綜合考慮上述結(jié)果，筆者認(rèn)為烤煙煙葉表面顏色受南北地理位置的影響較大。同時，海拔的增加有利于烤煙表面色調(diào)值（H）和亮度值（V）的增加，而海拔的變化也會直接影響溫度和紫外線強度的不同，這說明在一定程度上色調(diào)值（H）和亮度值（V）會受溫度或者紫外線照射的影響。此外，由于不同的土壤類型會造成生長環(huán)境中化學(xué)成分的不同，進而導(dǎo)致烤煙煙葉表面顏色值的不同，其中色調(diào)（H）值受影響最大且紫色土更利于烤煙煙葉色調(diào)（H）值的積累。

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