不同产区烟叶表面颜色光谱分析

甄焕菊，周清明，魏春阳，丁新洁

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2中国烟草总公司职工进修学院，河南郑州450008；3中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州450001；4河南省烟草公司南阳市公司，南阳473000）

不同产区烟叶表面颜色光谱分析

甄焕菊1，2，周清明1，魏春阳3，丁新洁4

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2中国烟草总公司职工进修学院，河南郑州450008；3中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州450001；4河南省烟草公司南阳市公司，南阳473000）

为揭示不同产区烤烟表面颜色的光谱特性及差异，采用Color-Eye 7000A分光光谱仪测定国内不同产区C3F等级烟叶表面颜色的光谱。结果表明：不同产区烟叶表面颜色的平均反射光谱呈现相似的曲线形态，在可见光波长范围内，随着波长的增加，反射率逐渐增大，没有高峰和低峰；不同产区烟叶表面颜色在6个颜色波段的反射比率均表现为红色波段最高，其次是橙色波段、绿色波段、黄色波段、蓝色波段，紫色波段最低；不同产区烟叶表面颜色光谱差异的重要信息区主要集中在绿色波段（490～560 nm）和红色波段（630～700 nm）。

烤烟；叶面颜色；光谱分析

在中国，烟叶收购主要依据GB 2635-92国家烤烟标准和地域性烤烟实物标样标准实施。GB 2635-92中，烟叶颜色分为柠檬黄、桔黄和红棕等［1］。在实际烤烟生产中，同类颜色烟叶在不同产地存在较大差异，同为桔黄颜色的烤烟，黄淮地区多为浅色桔黄，西南地区多为金黄，而东南地区则多为深色桔黄。虽然有较多研究者运用计算机图像处理技术、色度学理论等提取烟叶颜色信息特征，建立了烤烟的计算机视觉自动分级系统［2～5］，但烟叶表面颜色的地域性差异鲜见报道［6］。物体表面的颜色反射光谱几乎不受照明和观察条件以及采集设备的制约，是颜色最准确最全面的描述方式［7］。笔者借助分光光谱仪获取中国不同产地C3F等级烟叶表面的颜色光谱，研究其光谱特性及产区间差异，旨在揭示不同产地烟叶表面颜色特征的地域性差异。

1 材料与方法

1.1 材料

采集云南、贵州、四川、福建等4个产区2009年度烤烟C3F等级烟叶样品33个，品种为当地主栽品种。样品采样点详细信息见表1。

表1 样品采样点信息

1.2 仪器

采用Color-Eye 7000A型分光光谱仪（Greta Macbeth公司，美国），测量孔为最大孔径，直径25.4 mm。软件Color iQC（标准版）。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 测量原理

Color-Eye 7000A台式分光光谱仪使用“散射／8°”（照明／测量）光学原理，测量的光谱范围为360～750 nm可见光谱范围，以每10 nm波长为一单位，并提供反射与透射模式测量［8］。该光谱仪具有镜面反射光（specular component included，SCI）、排除镜面反射光（specular component excluded，SCE）2种反射测量模式。在光滑度高的物体表面，镜面反射光相对强一些；在粗糙表面上，漫射光更强一些。在观察物体颜色时通常忽略镜面反射光。在SCE测量模式中，镜面反射光被排除在外，只测漫射光，这样测出的值与观测者看上去的物体颜色是相当的。由于烟叶表面较粗糙，而且烟叶表面不同位置的颜色存在一定差异，因此，采用SCE测量模式，并使用大口径在不同位置重复测量多次再计算平均值，以保证测量结果的准确性和代表性。图1为试验中采用的测量原理示意图。

图1 测量原理示意图

1.3.2 烤烟表面颜色光谱测定

将Color-Eye 7000A分光光谱仪用随机附带的标准黑色校正盒（L*＝0.00，a*＝0.00，b*＝0.00）和白色校正瓷砖（L*＝93.99，a*＝-0.38，b*＝2.72）校零［9，10］。光源采用D55标准光源。相关色温为5 500 K［11］。在SCE模式下，用随机附带的白色荧光校正瓷砖校正标准光源D55。

每个烤烟样品取5片代表性烟叶，从每片烟叶的叶尖、叶中和叶基部分对称选取6个测量点（选取的测量点尽量避开叶脉、残伤和病斑等），待测。以白色校正瓷砖为背景，将选取的烟叶测量点正表面遮盖测量孔，并用白纸板垫在后面，测量样品烤烟的表面颜色。

利用Color-Eye 7000A分光光谱仪软件Color iQC（标准版），在计算机上获得该烟叶样品30个测量点的360～750 nm（间隔10 nm）的光反射率，计算各波段光反射率的平均值。以光谱波长值为X轴，以光反射率值为Y轴，绘制烤烟表面颜色的光谱反射曲线。该曲线即为烤烟表面颜色的颜色光谱曲线。反射光谱数据与光源无关，它测量的是反射光的比率，而且反射光谱数据可以被转换为任何其他颜色模型（例如RGB、CMYK、L*a*b*、L*u* v*、L*C*H°）。反射光谱数据对颜色的描述是唯一的，通常称之为颜色的“指纹”。

1.3.3 光谱数据分析

计算提取的不同颜色波段（360～750 nm）光谱的反射比率，其中包括6个标准颜色波段［12］：紫色400～450 nm，蓝色450～490 nm，绿色490～560 nm，黄色560～590 nm，橙色590～630 nm，红色630～700 nm。具体做法：将某一颜色波段反射光光谱值的和除以整个可见光范围（400～700 nm）反射光光谱值之和，再乘以100，分别用R400～450／R400～700、R450～490／R400～700、R490～560／R400～700、R560～590／R400～700、R590～630／R400～700、R630～700／R400～700表示。

计算颜色反射光谱的一阶导数，即反射光谱曲线的斜率。具体计算方法：相邻2光谱值之差除以光谱间隔值10 nm，即为第一点的一阶导数值［12］。计算一阶导数是因为反射光谱曲线相对平滑，而反射光谱的一阶导数曲线则包含了更多的峰或谷，可以明显体现不同样品颜色特性的差异。

2 结果与分析

2.1 不同产区烟叶表面颜色的光谱数据聚类分析

将33个样品烟叶表面颜色光谱数据标准化转换后，采用欧式距离、离差平方和法进行系统聚类分析，聚类结果如图2所示。生态因素是影响烟叶表面颜色的重要因素之一，云南、贵州和四川3个产区生态多样，而且相邻省份交界处烟叶的表面颜色十分相似。结果表明，福建产区自成一类，而四川、云南和贵州产区之间存在较多交叉。

图2 33个样品烟叶表面颜色光谱的聚类分析图谱

为使产区间颜色光谱的差异更明显，将存在交叉的样品予以剔除，筛选出各省份间样品烟叶表面颜色自成一类的烟叶样品为研究对象进行颜色光谱分析，最终筛选出20个样品。筛选后的样品烟叶表面颜色光谱数据聚类结果如图3所示。由图3可见，样品烟叶表面颜色分为东南产区和西南产区2类；西南四川产区烟叶颜色更接近云南产区。

图3 筛选出的20个样品烟叶的表面颜色光谱聚类分析图

2.2 不同产区烟叶表面颜色的光谱分析

不同产区烟叶表面颜色的平均反射光谱呈现相似的曲线形态，在可见光波长范围，随着波长的增加，反射率逐渐增大，没有高峰和低峰；各产区样品烟叶表面颜色光谱自成一簇，表现出一定的次序。从颜色光谱曲线与X轴围成的面积看，福建产区最小，四川产区次之，再次为云南产区，贵州产区最大（图4）。

图4 部分产地烟叶表面颜色的平均反射光谱

2.3 不同产区烟叶表面颜色在不同颜色波段反射比率的差异

由表2可见，云南、贵州、四川和福建产区烟叶表面颜色在6个颜色波段的反射比率均表现为红色波段最高（50%左右），其次是橙色波段（25%左右）、绿色波段（19%左右）、黄色波段（15%左右）、蓝色波段（5%左右），紫色波段最低（3%左右）。其中，紫色、蓝色、黄色和橙色波段各产地烟叶表面颜色反射比率几乎相等，其连线近似为直线型；绿色和红色波段各产地烟叶表面颜色反射比率有一定的差异，其连线局部呈现波浪型，表明各产地烟叶表面颜色反射率的差异主要存在于红色和绿色波段。

表2 不同产地烟叶表面颜色各波段的反射比率

2.4 不同产地烟叶表面颜色的平均反射光谱一阶导数谱图

为进一步分析各产地烟叶表面颜色反射光谱的差异，绘制不同产地烟叶表面颜色平均反射光谱的一阶导数谱图（图5）。谱图中出现了2个高峰和1个低峰。2个高峰分别出现在510 nm和680 nm左右，1个低峰出现在650 nm左右。这3个峰中，1个在绿色波段（490～560 nm），2个在红色波段（630～700 nm）。这与各产地烟叶表面颜色反射率的差异主要来自于红色和绿色波段的结果一致，表明不同产地烟叶表面颜色光谱差异的重要信息区主要集中在绿色波段（490～560 nm）和红色波段（630～700 nm）。这对采用颜色光谱数据进行产地判别时避免引入无效信息具有实际意义。

3 结论与讨论

针对烟叶表面颜色建立的烤烟计算机视觉自动分级系统对烟叶等级的辅助判别结果表明，烟叶表面颜色确实存在一定差异［2～5］。本研究结果表明，不同产区烟叶表面颜色的平均反射光谱呈现相似的曲线形态，在可见光波长范围内，随着波长的增加，反射率逐渐增大，没有高峰和低峰；各产区样品烟叶表面颜色光谱自成一簇，表现出一定的次序；烟叶表面颜色反射红色、橙色、绿色和黄色波长区的光，吸收紫色和靛蓝波长区的光；不同产区烟叶表面颜色在6个颜色波段的反射比率均表现为红色波段的最高，其次是橙色波段、绿色波段、黄色波段、蓝色波段，紫色波段的最低；不同产区烟叶表面颜色光谱差异的重要信息区主要集中在绿色波段（490～560 nm）和红色波段（630～700 nm）。

图5 部分产地烟叶表面颜色平均反射光谱的一阶导数谱图

［1］ GB2635-92烤烟［S］.

［2］ 张建平，吴守一，方如明，等.农产品质量的计算机辅助检验与分级Ⅱ.烟叶自动分级模型的建立与训练［J］.农业工程学报，1997，13（4）：179-183.

［3］ 李 浩.基于数字图像处理技术的烤烟烟叶自动分组模型研究［D］.武汉：华中农业大学，2007.

［4］ 张惠民，韩力群，段正刚.基于图像特征的烟叶分级［J］.武汉大学学报（信息科学版），2003，28（3）：359 -362.

［5］ 阎瑞琼.烤烟烟叶的计算机辅助分级系统研究［D］.北京：北京工商大学，2001.

［6］ 梁洪波，李念胜，元 建，等.烤烟烟叶颜色与内在品质的关系［J］.中国烟草科学，2002，23（1）：9-11.

［7］ 精确的色彩交流［EB／OL］.［2010-07-07］.http：／／www.docin.com／p-43804458.htm l.

［8］ Color-Eye 7000A Spectrophotometer Operation Manual［EB／OL］.［2010-07-07］.http：／／www.xrite.com.

［9］ 姚江武，林昌建，李水根.染色瓷粉的荧光特性和色度空间［J］.实用口腔医学杂志，2007，23（5）：632-636.

［10］姚江武，李水根，林昌健.牙科乳光瓷透射参数的测量与比较［J］.华西口腔医学杂志，2008，26（3）：279 -283.

［11］YC／T 291-2009烟叶分级实验室环境条件［S］.

［12］沈振兴，张小曳，季峻峰，等.中国北方粉尘气溶胶中铁氧化物矿物的光谱分析［J］.自然科学进展，2004，14（8）：910-915.

Spectral Analysis of Flue-cured Tobacco Surface Color in Different Producing Areas

ZHEN Huan-ju1，2，ZHOU Qing-m ing1，WEIChun-yang3，DING Xin-jie4
（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Staff Training Academy of CNTC，Zhengzhou，Henan 450008，China；3 Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC，Zhengzhou，Henan 450001，China；4 Nanyang Company，Henan province Tobacco Corporation，Nanyang，Henan 473000，China）

In order to reveal characteristic and difference of color spectrum of flue-cured tobacco in different producing areas，the color spectrum measurement of C3F tobacco leaves in different producing areaswere carried on the Color-Eye 7000A spectroradiometer.The results showed that the average reflective spectrum of tobacco leaves surface color appeared similar curve.In visible light range，reflectivity was continuously increasing with the increase of wave length，and there were no high or low peak.Reflection ratio in the six color bands of the surface color of tobacco leaves growing in different areas reflected the performance of the red band ratios were the highest，followed by the orange band，green band，yellow band，blue band，purple band minimum.Difference of color spectrum among the tobacco leaves wasmainly reflected in the green band（490～560 nm）and red band（630～700 nm）.

Flue-cured tobacco；Surface color；Spectral analysis

S572.01

：A

1001-5280（2014）02-0168-05

10.3969／j.issn.1001-5280.2014.02.13

2013 12- 20

甄焕菊（1964-），女，河南省禹州市人，主要从事烟叶分级教学、科研工作。