基于K-means聚類分析的不同種植區烤煙外觀質量區域分類

楊明峰，詹 良，魏春陽，李 鋒，王信民

（1.山東中煙工業有限責任公司技術中心，青島 266101；2.中國煙葉公司，北京 100055；3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001）

由于我國各煙草主產區氣候、土壤等自然條件不同，以及品種、栽培、調制技術等因素的影響，各主產區生產的煙葉外觀質量各具特點，科學、準確地評價不同主產煙區典型生態點的煙葉外觀質量，是全國煙葉品質分析評價的重要內容之一。依據烤煙外觀質量評價結果，一方面指導煙葉生產技術措施的改進，另一方面為卷煙工業企業的煙葉使用提供參考依據。鄧小華等[1]研究表明，湖南產區不同生態區域煙葉外觀質量分值是湘南煙區＜湘中煙區＜湘西北煙區，不同等級、不同生態區域煙葉外觀質量類型差異明顯。厲福強等[2]分析了貴州湄潭煙葉的外觀質量因素特征及相關性和年度穩定性。馬瑩等[3]對黔西南州煙葉外觀質量進行了分析。張國等[4]運用因子分析法對湖南代表煙區煙葉外觀質量指標進行了分析，胡建軍等[5]應用兩階段聚類法對云南省大理州的部分中部煙葉外觀質量進行聚類分析，并應用多元方差分析對聚類效果進行了檢驗。然而，不同煙草種植區煙葉的外觀質量區域分類未見報道。本研究運用K－Means Cluster（快速聚類法）聚類方法分析各煙草種植區烤煙外觀質量區域特征及區域分布，為卷煙工業企業合理利用不同產區煙葉原料提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料

根據全國烤煙主產區生態特點，采集了云南、貴州、四川、福建等18個省112個典型生態點的2009年初烤C3F等級煙葉樣品，共112個。每個樣品取樣量不少于3 kg，品種為該典型生態點種植面積最大的主栽品種。文中對各煙草種植區不同生態點分別用代號表示。

1.2 方法

1.2.1 烤煙外觀質量評價指標體系構建及煙草種植區的劃分 烤煙外觀質量評價指標體系的指標篩選、指標量化方法、鑒定方法、指標權重確定以及煙草種植區的劃分參照中國煙草種植區劃研究成果[6]。

1.2.2 聚類分析 采用了 K-Means Cluster[7-8]聚類方法，先給定劃分的數目 k，劃分時首先創建一個初始劃分，然后采用一種迭代的重定位技術，嘗試通過對象在劃分間的移動來改進劃分，逐步調整，得到最終分類。劃分結果必須同時滿足以下2個要求：（1）每個組至少包括1個對象；（2）每個對象必須屬于且只屬于1個組。

依據生態相似優先的原則，將我國煙草種植區分為北方煙草種植區、黃淮煙草種植區、長江中上游煙草種植區、東南煙草種植區和西南煙草種植區，然后再依據烤煙外觀質量特征（顏色、成熟度、葉片結構、身份、油分和色度等6個指標）的相似性，運用K-Means Cluster聚類方法分析各煙草種植區烤煙外觀質量區域特征及區域分布。

1.2.3 數據處理方法 數據處理及分析在 Excel 2003、SPSS 11.0等[9]軟件的支持下進行。

2 結 果

2.1 5大種植區中部烤煙外觀質量分類及區域分布

2.1.1 北方煙草種植區 從烤煙外觀質量各類對應顏色、成熟度、葉片結構、身份、油分和色度指標的分值來看（表1、2，圖 1），北方煙草種植區中部烤煙外觀質量可分為3類。總的來看，第3類各指標是最優的，第1類次之，第2類一般。第3類烤煙外觀顏色純正，成熟度好，葉片結構疏松、富有彈性，身份適中、內含物質充實，富油分，色度強；占樣品總數的20.00%。第1類烤煙外觀顏色較純正，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份適中，油分有，色度為“強”、“中”界限，各指標相對均衡；占樣品總數的60.00%。第2類烤煙外觀顏色純正度一般，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份適中偏厚，油分略欠，色度中；占樣品總數的20.00%。

表1 最終的類中心Table 1 Final cluster centers

表2 樣品類屬及其與類中心的距離Table 2 Custer membership

圖1 烤煙外觀質量分類及比例Fig.1 Classification and proportion of appearance quality of flue-cured tobacco

由表3看出，聚類分析的6個指標在所分的3類中除身份和成熟度指標外都出現了明顯的差異。F統計量的相伴概率遠小于顯著性水平0.05。因此，可以認為將樣本分成3類的聚類分析基本上是成功的，聚類效果比較理想。“油分”和“色度”指標在北方煙草種植區烤煙間的差異達極顯著水平。

2.1.2 黃淮煙草種植區 由表1、2，圖1看出，黃淮煙草種植區中部烤煙外觀質量可分為3類。綜合來看，烤煙外觀質量第3類各指標較優，第2類次之，第1類稍差。第3類烤煙外觀顏色純正，成熟度好，葉片結構疏松、富有彈性，身份適中、內含物質充實，富油分，色度較強；占樣品總數11.11%。第2類烤煙外觀顏色較純正，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份適中，油分有，色度為“強”、“中”界限，各指標相對均衡；占樣品總數的66.67%。第1類烤煙外觀顏色純正度一般，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份適中偏厚，油分略欠，色度中；占樣品總數的22.22%。

對聚類后形成的各類樣本之間作單因素方差分析（表3）表明，6個指標在所分的3類中除身份指標外都出現了明顯的差異，所以有5個指標在聚類分析中發揮了明顯作用。從方差分析結果看，F統計量的相伴概率遠小于顯著性水平0.05，因此，可以認為將樣本分成3類的聚類分析基本上是成功的，聚類效果比較理想。“葉片結構”指標在黃淮煙草種植區烤煙樣品間的差異達極顯著水平。

表3 各類樣本方差分析檢驗結果Table 3 ANOVA of various types of samples

2.1.3 長江中上游煙草種植區 由表1、2，圖1看出，長江中上游煙草種植區中部烤煙外觀質量可分為3類，綜合來看，烤煙外觀質量第2類各指標較優，第3類次之，第1類一般。第2類烤煙外觀顏色純正，成熟度好，葉片結構疏松、富有彈性，身份適中略欠，富油分，色度強；占樣品總數的10.53%。第3類烤煙外觀顏色較純正，成熟度較好，葉片結構較疏松，身份適中，油分有，色度為“強”、“中”界限，各指標相對均衡，占樣品總數的63.16%。第1類烤煙外觀顏色純正度稍好，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份偏薄，油分略欠，色度中；占樣品總數的26.32%。

由表3看出，聚類分析的6個指標在所分的3類中身份、油分和色度出現了明顯的差異，所以有3個指標在聚類分析中發揮了明顯作用。從方差分析結果看，F統計量的相伴概率遠小于顯著性水平0.05，因此，可以認為將樣本分成3類的聚類分析基本上是成功的，聚類效果比較理想。“身份”和“色度”指標在長江中上游煙草種植區烤煙樣品間的差異達極顯著水平。

2.1.4 東南煙草種植區 由表1、2，圖1看出，東南煙草種植區中部烤煙外觀質量可分為3類，綜合來看，烤煙外觀質量第3類各指標較優，第2類次之，第1類一般。第3類烤煙外觀顏色較純正，成熟度較好，葉片結構疏松、富有彈性，身份適中，富油分，色度強；占樣品總數的36.36%。第2類烤煙外觀顏色較純正，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份適中，油分有，色度為“強”、“中”界限，各指標相對均衡；占樣品總數的45.45%。第1類烤煙外觀顏色純正度稍好，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份偏薄，油分略欠，色度為“強”、“中”界限；占樣品總數的18.18%。

由表3看出，聚類分析的6個指標在所分的3類中均出現了明顯的差異，所以6個指標在聚類分析中都發揮了明顯作用。從方差分析結果看，F統計量的相伴概率遠小于顯著性水平0.05，因此，可以認為將樣本分成3類的聚類分析是成功的，聚類效果比較理想。“身份”和“油分”指標在東南煙草種植區烤煙樣品間的差異達極顯著水平。

2.1.5 西南煙草種植區 由表1、2，圖1看出，西南煙草種植區中部烤煙外觀質量可分為3類。綜合來看，烤煙外觀質量第3類各指標是最優的，第1類次之，第2類一般。第3類烤煙外觀顏色純正，成熟度好，葉片結構疏松、富有彈性，身份適中、內含物質充實，富油分，色度強；占樣品總數的17.31%。第1類烤煙外觀顏色較純正，成熟度較好，葉片結構較疏松，身份適中，油分有，色度為“強”、“中”界限，各指標相對均衡；占樣品總數的67.31%。第2類烤煙外觀顏色純正度一般，成熟度一般，葉片結構較疏松，身份適中偏薄，油分略欠，色度中；占樣品總數的15.38%。

從方差分析結果看（表3），F統計量的相伴概率遠小于顯著性水平0.01，因此，可以認為將樣本分成3類的聚類分析是成功的，聚類效果比較理想。烤煙外觀各項指標在西南煙草種植區烤煙樣品間差異均達極顯著水平。

為了檢驗聚類分析結果，對聚類分析后形成的各類樣本之間作單因素方差分析（表3）。聚類分析的6個指標在所分的3類中均出現了明顯的差異，所以6個指標在聚類分析中都發揮了明顯作用。

3 小 結

5大煙草種植區中部煙葉烤煙樣品間均存在明顯差異，不同種植區指標差異不同。

北方煙草種植區烤煙樣品“油分”和“色度”指標存在極顯著差異，煙葉顏色、成熟度和身份一致性較好，但油分不足。

黃淮煙草種植區烤煙樣品“葉片結構”指標存在極顯著差異，多數烤煙成熟度一般，葉片結構趨緊，應引起重視。

長江中上游煙草種植區烤煙樣品“身份”和“色度”指標存在極顯著差異，多數烤煙內含物略欠充實，身份偏薄。

東南煙草種植區烤煙樣品“身份”和“油分”指標存在極顯著差異，多數烤煙內含物略欠充實，身份偏薄，油分略欠。

西南煙草種植區烤煙樣品烤煙外觀各指標均存在極顯著差異，可能與西南煙區立體氣候差異有關，多數烤煙顏色、成熟度、葉片結構較好，但油分和色度差異較大。

[1]鄧小華，周冀衡，楊虹琦，等.湖南烤煙外觀質量量化評價體系的構建與實證分析[J].中國農業科學，2007，40（9）：2036-2044.

[2]厲福強，張長云，張長華.貴州湄潭烤煙外觀質量因素分析[J].貴州農業科學，2009，37（1）：54-57.

[3]馬瑩，朱云燕，田野，等.黔西南州煙葉外觀質量分析[J].中國農學通報，2009，25（4）：78-81.

[4]張國，王奎武，朱列書，等.湖南烤煙外觀質量指標因子分析[J].中國農學通報，2007，23（2）：114-116.

[5]胡建軍，周冀衡，張建平，等.兩階段聚類分析在烤煙外觀質量評價中的應用[J].農業機械學報，2009，40（6）：143-146.

[6]王彥亭，謝劍平，李志宏，等.中國煙草種植區劃圖冊[M].西安：西安地圖出版社，2008：1-5.

[7]Tang Q Y, Feng M G.DPS Data processing system:Experimental design, statistical analysis, and data mining[M].Beijing: Science Press, 2007.

[8]高惠璇.應用多元統計分析[M].北京：北京大學出版社，2005.

[9]郝黎仁.SPSS實用統計分析[M].北京：中國水利水電出版社，2002.