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(duì)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(jì)算機(jī)視覺和多元統(tǒng)計(jì)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(diǎn)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植區(qū)）的烤煙顏色之間有較強(qiáng)的相似性，同一部位不同布點(diǎn)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(shí)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(jìn)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(duì)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(hào)： S572.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：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)。烤煙煙葉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(jìn)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(diǎn)也是不相同的，伴隨著質(zhì)量特點(diǎn)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(duì)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(shí)現(xiàn)烤煙煙葉自動(dòng)化分組分級(jí)的相關(guān)技術(shù)研究。如針對(duì)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(duì)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(jī)、K最近鄰和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法實(shí)現(xiàn)烤煙煙葉的自動(dòng)分組分級(jí)[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(duì)烤煙煙葉顏色特征值的量化分析仍相對(duì)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)模化、信息化、專業(yè)化，而對(duì)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(duì)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(huì)更加的科學(xué)化、合理化，同時(shí)使煙葉的分組分級(jí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺和多元統(tǒng)計(jì)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(shí)數(shù)減少、陰天數(shù)增多、平均氣溫相對(duì)降低，促使昆明地區(qū)烤煙煙葉表征顏色具有獨(dú)特性。為進(jìn)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(jìn)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(gè)布點(diǎn)（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(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點(diǎn)1～7，石林地區(qū)包含6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點(diǎn) 8～13，宜良地區(qū)包含4個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點(diǎn)14～17，祿勸地區(qū)包含5個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點(diǎn)18～22，安寧地區(qū)包含1個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）產(chǎn)區(qū)，記為布點(diǎn)23。每個(gè)布點(diǎn)包括上、中、下3個(gè)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(gè)部位中都有各個(gè)檔級(jí)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(yùn)用針對(duì)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(duì)烤煙煙葉的圖像進(jìn)行去噪處理并采用閾值分割法對(duì)煙葉葉片部分進(jìn)行檢測和提取。同時(shí)，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(jì)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(jìn)行取點(diǎn)測色的局限性，降低了利用均值法提取顏色特征值時(shí)顏色異常點(diǎn)產(chǎn)生的影響。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：方差分析、聚類分析、可視化分析。本研究針對(duì)不同因素對(duì)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(jìn)一步重新規(guī)劃或者對(duì)原有分類的正確性提供進(jìn)一步的理論依據(jù)，同時(shí)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(duì)烤煙煙葉的顏色分析

根據(jù)本試驗(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)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(jí)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(gè)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(gè)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(diǎn)對(duì)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(duì)烤煙表面顏色展開進(jìn)一步討論。首先采用方差分析方法對(duì)尋甸、石林、宜良、祿勸4個(gè)地區(qū)（安寧地區(qū)只有1個(gè)布點(diǎn)樣品，不作分析）3個(gè)部位不同布點(diǎn)之間的差異性進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)烤煙表面顏色均存在顯著的差異性。為了使不同布點(diǎn)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(jìn)一步的分析。圖2為4個(gè)地區(qū)上部不同布點(diǎn)之間烤煙表面顏色值的展示，圖中橫坐標(biāo)表示各個(gè)布點(diǎn)，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(gè)布點(diǎn)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(shí)可以根據(jù)顯示直觀地判斷各布點(diǎn)之間的差異與聯(lián)系。例如，尋甸上部布點(diǎn)3的顏色值被包含在布點(diǎn)1中，說明2個(gè)布點(diǎn)之間有較大的相似性;而布點(diǎn)4卻和布點(diǎn)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(diǎn)4和布點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)之間進(jìn)一步歸整分類（表2）。

2.3 基于不同海拔對(duì)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(duì)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(dá)圖的可視化方法來分析不同海拔對(duì)烤煙表面顏色值的影響。可以看出同一部位海拔越高，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(duì)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(shí)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(duì)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(dá)到了最大，而S飽和度值相對(duì)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(duì)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(diǎn)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植區(qū)）的烤煙顏色之間有較強(qiáng)的相似性，同一部位不同布點(diǎn)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(duì)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(qiáng)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(duì)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(shí)，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(huì)直接影響溫度和紫外線強(qiáng)度的不同，這說明在一定程度上色調(diào)值（H）和亮度值（V）會(huì)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(huì)造成生長環(huán)境中化學(xué)成分的不同，進(jìn)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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