基于主成分聚类分析的湘南烟叶子外观质量分类评价

2014-09-24杨红武

湖南农业科学 2014年14期

郭亮，文芸，杨红武，3

（1.湖南省烟草公司长沙市公司，湖南长沙410003；2.常德市烟草公司桃源县分公司，湖南常德415700；3.湖南农业大学农学院，湖南长沙410128）

烤烟外观质量是烟叶品质的主要考察指标之一[1-2]。目前国内对烟叶外观质量评价主要是定性描述，定量描述较少。这可能是因为烟叶外观质量是通过人体感官做出的判断，对感观结果无法定量，从而难以准确地根据感官评价结果对烟叶进行分类。蔡宪杰等[3]通过相关分析、聚类分析和主成分分析对烟叶外观质量指标体系进行了初步量化，建立了外观质量指数量化评价体系。魏春阳等[4]在烟叶外观质量评价体系中引入了特征向量法，运用指数和法确立了烟叶外观质量分类标准，从而比较客观地反映了烟叶外观质量状况。近年来，数理统计方法在烟叶外观质量方面得到了广泛的应用，如判别分析[5]、典型相关分析[6]、主成分分析[7]、模糊数学[8]、聚类分析[9]、灰色关联[10]等，这些方法各有优点，但也都有一定局限性。文章以2007～2011年湘南烟区烤烟样品为研究对象，采用专家咨询、因子分析和模糊数学等方法，建立了基于主成分分析和聚类分析的烟叶质量评价模型，旨在为烟叶外观质量评价提供科学方法和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取湖南省湘南烟区的衡南、耒阳、常宁、桂阳、宜章、嘉禾、永兴、宁远、安仁、江华、江永、道县、蓝山和新田14个县市的28个烤烟主产乡（镇）2007～2011年主栽品种Y87的初烤烟叶为样品。分为3个等级（X2F、C3F、B2F）取样，每个等级取28份样品，一共84份烟叶样品，进行统一化验和评价。样品等级由专职评级人员按照G B2635-92烤烟标准进行，等级合格率达到90%以上，每个样品取样量3 k g。品种来源于湘南烟区。

1.2 试验方法

1.2.1 烤烟外观质量评价指标的选择与量化与烤烟烟叶内在质量密切相关的外观质量指标有颜色、成熟度、部位、叶片结构、身份、油分、质量档次、发育状况、色度和叶片长度等。根据G B2635-92烤烟分级标准并采用专家咨询法和借鉴其他专家的建议，初步确定了烟叶外光质量评价指标和评分标准。评分标准参考邓小华等[11]人的标准。

1.2.2 鉴定方法样品外观质量鉴定前，随机选取50片含水率16%～18%的烟叶，由湖南省烟草质监站和中南烟草站的4～5名烤烟分级专家进行样品质量鉴定，按照成熟度、发育状况、身份、油分、色泽、色均匀度和光滑或微青逐一打分，然后计算出几何平均值作为该样品的鉴定分值。

1.2.3 数据处理首先，对各植烟乡（镇）2007～2011年烤烟的外观指标原始数据进行平均化处理，然后进行标准化，消除指标数量级差别对综合评价带来的系统误差，获得标准化的外观质量指标的相关系数矩阵；再采用SPSS12.0和Ex c e l进行统计分析、计算和统计作表，利用D PS9.50进行简单相关分析、主成分分析、系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 湘南烟区烟叶外观质量评价指标的描述性统计

从表1中可以看出，2007～2011年湘南烟区烟叶的色度与色均匀度指标的偏度值小于-1，样本内的变异不符合正态分布；其它指标偏度值较小，基本上符合正态分布。外观质量各指标的极差最小为1.86分，表明湘南烟区烟叶外观质量受到区域生态环境的影响较大，各指标的变异系数均不大，为3%～6%。

表1 2007～2011年湘南烟区烟叶外观质量评价指标的评分统计Table 1 Score statistics of appearance quality index of tobacco leaves in South-Hunan tobacco area during 2007～2011

由表2可知，除了2008年各项评价指标的变异系数较其它年份高以外，其余年份均相对稳定。这表明自2008年后，烟叶样品的外观质量趋于稳定水平，说明评价结果能客观地反映湘南烟区烟叶的外观质量。

2.2 湘南烟区烟叶外观质量评价指标的相关性分析

由表3可知，湘南烟区烟叶外观质量评价指标间均存在极显著的正相关关系[12]。其中，成熟度与发育状况、成熟度与叶片结构、发育状况与身份、发育状况与油分、发育状况与色度、发育状况与均匀度、身份与油分、色度与色均匀度之间均存在高度正相关关系；成熟度与光滑或微青、叶片结构与光滑或微青之间则存在高度负相关关系（光滑或微青的评分标准与其它指标相反）；其它各指标之间均存在中度相关性，也就是说烟叶成熟度适中，其烟叶的发育状况充分，叶片结构疏松有弹性，油分足，色泽强，色均匀度适中，光滑或微青少。就因为烟叶外观质量评价指标的密切关系，在评价数据中存在一定的信息重叠，在聚类分析分类中掩盖了统计的准确性，所以必须对数据进行主成分变换来还原其真实性。

表3 湘南烟区烟叶外观质量指标间的相关系数Table 3 Correlation of appearance quality index of tobacco leaves in South-Hunan tobacco area

2.3 湘南烟区烟叶外观质量评价指标的主成分分析

主成分变换的主要目的是将数据降维，将原来多个变量进行线性组合得到几个新变量。这些新变量之间互不影响，且能准确表达出原变量的基本信息，通常数学上的处理就是将原来P个指标作线性处理，得到新的综合变量指标[13]。

由表4可知，对标准化后的相关系数矩阵进行B a r t l ett球度检测的相伴概率为0.000 1。因此，拒绝B a r t l ett球度检测的零假设，数据完全满足主成分分析。前2个特征根累计贡献率已达到90.33%，基本反映了原来变量的信息。因此，根据特征值根值大于1的原则，选取前2个主成分是最合适的。

表4 因子的载荷矩阵、特征根值、贡献率及累计贡献率Table 4 Load matrix, characteristic root value, contribution and cumulative contribution of factors

由此得出，湘南烟区烟叶外观质量评价指标中成熟度、发育状况、叶片结构、身份、油分、色度、色均匀度、光滑或微青的权重系数分别为1.995、1.502、1.502、1.502、1.494、1.010、0.492、0.500；其中，成熟度的权重最高，占总权重的20%，而色均匀度和光滑或微青比较低，仅占总权重的5%。这表明烟叶的成熟度对烟叶外观质量指数的影响较大。

2.4 湘南烟区烟叶外观质量评价指标的聚类分析及综合评价

对烟叶外观质量评价指数通过组间联结方法进行系统聚类（图1和图2），将84份湘南烟叶样品的外观质量指数分成5类，每种类型外观质量指数的树状图范围和每类样本数见表6。然后，采用专家咨询法和借鉴其他专家的建议，习惯将烟叶外观质量分成5类，其中1类烟叶外观质量指数≥90，2类烟叶外观质量指数在85～90（85），3类烟叶外观质量指数在80～85（含80），4类烟叶外观质量在75～80（含75），5类烟叶外观质量指数在≤70。

由表5可知，采用两个主成分聚类得分进行聚类时，第1类有18个样本，第2类有27个样本，第3类有29个样本，第4类有5个样本，第5类有5个样本；采用主成分总分进行聚类时，第1类有18个样本，第2类有27个样本，第3类有20个样本，第4类有15个样本，第5类有4个样本。这表明两个主成分聚类的结果与主成分总分聚类大体一致，主要是第3类和第4类样本的差距大，因此烟叶外观质量评价指数在第3类和第4类容易混淆，区分度不高。从调整后的各类型的样本数百分比看，所评价的湘南烟区烟叶的外观质量集中在第2类烟（占32.14%），其次是第3类烟（占29.76%），而第5类烟最少（占3.57%）。

图1 湘南烟区烟叶外观质量指数两个主成分聚类图Fig.1 Two principal component clustering figures of appearance quality index of tobacco leaves in South-Hunan tobacco area

表5 湘南烟区烟叶外观质量系统聚类和分类Table 5 Clustering and classification of appearance quality indexof tobacco leaves in South-Hunan tobacco area

3 结论与讨论

外观质量是通过眼看手摸能直接感触和识别的烟叶外观特征，也在一定程度上反应了烟叶的品质特征，因此质量评价指标的选择对客观和全面研究烟样起着重要作用[14-15]。该研究选择了成熟度、发育状况、叶片结构、身份、油分、色度、色均匀度、光滑或微青8个指标来全面评价湘南烟区烟叶的外观质量，而选用2007～2011年连续5年的数据更加能客观地体现湘南烟叶的外观质量。研究结果表明，湘南烟区烟叶外观质量各指标间的变异程度均不大，2008年各项指标值的变化差异均较大，这可能与当年湘南烟区的生态气候有关。

图2 湘南烟区烟叶外观质量指数主成分总分聚类图Fig.2 Total principal component clustering figure of appearance quality index of tobacco leaves in South-Hunan tobacco area

选用的外观质量指标间均存在极显著相关关系，这与邓小华等[11]人的研究结果相吻合。该研究采用主成分分析法对原始数据进行降维处理，然后利用因子分析法确定烟叶外观质量各评价指标的权重，最后运用模糊数学方法计算各样本的外观质量指数，避免了各指标的重复信息掩盖数据的真实性，并且能客观地反映烟叶的外观质量。其结果表明，烟叶的成熟度是衡量烟叶外观质量的最主要因素，占总权重的20%，与烟叶的色、香、味密切相关，是烤烟分级评分的第一要素。

采用主成分分析结果进行聚类分析，客观地分析了8个外观质量指标，得到了新的两个主成分指标，所得到的结果与主成分总分指标聚类基本相似。为了应用方便，将聚类的5类进行调整，并规定每一类的外观质量指数值，使得烟叶外观质量好坏有了定量的衡量标准。研究结果表明，湘南烟区烟叶的外观质量集中在第2类烟（占32.14%），其次是第3类烟（占29.76%），而第5类烟最少（占3.57%）。由于受样本总量和烟叶产地的限制，所建立的主成分聚类模型还需进一步改进。

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