基于K⁃means聚类的烟叶物理特性分型方法

doi:10.16178/j.issn.0528-9017.20250019

浙江农业科学 ›› 2026, Vol. 67 ›› Issue (3): 608-616.DOI: 10.16178/j.issn.0528-9017.20250019

基于K⁃means聚类的烟叶物理特性分型方法

许强¹(), 苏雪苗², 苗晨琳¹, 张艺帆¹, 杨月¹, 陈超³, 黄恩华⁴, 吴昊⁵, 张玉海⁶(), 胡宗玉¹()

^1.江苏中烟工业有限责任公司，江苏南京 210004
^2.云南烟叶复烤有限责任公司楚雄复烤厂，云南楚雄 675299
^3.华环国际烟草有限公司涡阳复烤厂，安徽亳州 233606
^4.福建省三明金叶复烤有限责任公司，福建三明 365001
^5.贵州烟叶复烤有限责任公司遵义复烤厂，贵州遵义 563099
^6.郑州烟草研究院烟草工艺研究室，河南郑州 450000

收稿日期:2025-01-09 出版日期:2026-03-11 发布日期:2026-03-30
通讯作者: 张玉海,胡宗玉
作者简介:胡宗玉，E-mail：huzy@jszygs.com。
张玉海，E-mail：yancaozhangyuhai@126.com
许强，主要从事烟草加工工艺研究。E-mail：15077877253@163.com。
基金资助:
江苏中烟工业有限责任公司科技项目(H202210);中国烟草总公司重点研发项目(110202102005);中国烟草总公司重点研发项目(11020222008);中国烟草总公司“揭榜挂帅”项目(110202103006)

The classification method of physical characteristics of tobacco leaves based on K-means clustering

XU Qiang¹(), SU Xuemiao², MIAO Chenlin¹, ZHANG Yifan¹, YANG Yue¹, CHEN Chao³, HUANG Enhua⁴, WU Hao⁵, ZHANG Yuhai⁶(), HU Zongyu¹()

^1.Jiangsu Tobacco Industry Co. ，Ltd. ，Nanjing 210004，Jiangsu
^2.Chuxiong Redrying Factory of Yunnan Tobacco Redrying Co. ，Ltd. ，Chuxiong 675299，Yunnan
^3.Guoyang Redrying Factory of Huahuan International Tobacco Co. ，Ltd. ，Bozhou 233606，Anhui
^4.Fujian Sanming Jinye Redrying Co. ，Ltd. ，Sanming 365001，Fujian
^5.Zunyi Redrying Factory of Guizhou Tobacco Redrying Co. ，Ltd. ，Zunyi 563099，Guizhou
^6.Tobacco Technology Research Laboratory，Zhengzhou Tobacco Research Institute，Zhengzhou 450000，Henan

Received:2025-01-09 Online:2026-03-11 Published:2026-03-30
Contact: ZHANG Yuhai,HU Zongyu

摘要/Abstract

摘要：

为明确不同加工属性类型烟叶的典型产地、物理特性指标及其数据分布区间，探究不同加工属性类型烟叶的物理特性，本研究选取来自云南省、河南省等18个省份72个地级市31个品种的烟叶样品，分析了其黏附力、剪切强度、穿透强度、叶梗结合力、支脉结合力、拉力和伸长率等物理特性指标，采用K-means聚类和高斯混合模型算法进行分析，并建立加工属性分型方法。结果表明，采用正常系数评价指标可提高模型聚类效果，采用K-means模型的烟叶物理特性聚类效果要优于高斯混合模型，当以0.35作为正常系数的阈值时，可将烟叶样品物理指标按典型产地分为3类。本研究为确定不同加工属性类型烟叶的物理特性提供了一定的参考依据。

关键词: 烟叶, 物理特性, 聚类模型, K-means聚类模型, 高斯混合模型

Abstract:

To clarify the typical production areas，physical characteristic indicators and data distribution intervals of tobacco leaves with different processing attribute types，and to explore the physical characteristics of tobacco leaves with different processing attribute types，this study selected 31 varieties of tobacco leaves from 72 prefecture-level cities in 18 provinces including Yunnan Province and Henan Province. The physical characteristic indicators such as adhesion force，shear strength，penetration strength，leaf stem binding force，branch binding force，tensile force and elongation were analyzed. The K-means clustering and Gaussian mixture model algorithms were adopted for analysis，and the classification method of processing attributes was established. The results showed that using the normal coefficient evaluation index can improve the clustering effect of the model. The clustering effect of the physical characteristics of tobacco leaves using the K-means model was superior to that of the Gaussian mixture model. When 0.35 was taken as the threshold of the normal coefficient，the physical indicators of tobacco leaf samples can be classified into three categories according to typical production areas. This study provides a certain reference basis for determining the physical properties of tobacco leaves with different processing attribute types.

Key words: tobacco leaf, physical characteristic, clustering model, K-means clustering model, Gaussian mixture model

中图分类号:

S572

许强, 苏雪苗, 苗晨琳, 张艺帆, 杨月, 陈超, 黄恩华, 吴昊, 张玉海, 胡宗玉. 基于K⁃means聚类的烟叶物理特性分型方法[J]. 浙江农业科学, 2026, 67(3): 608-616.

XU Qiang, SU Xuemiao, MIAO Chenlin, ZHANG Yifan, YANG Yue, CHEN Chao, HUANG Enhua, WU Hao, ZHANG Yuhai, HU Zongyu. The classification method of physical characteristics of tobacco leaves based on K-means clustering[J]. Journal of Zhejiang Agricultural Sciences, 2026, 67(3): 608-616.

图/表 17

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产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量
安康	6	恩施	22	丽江	15	攀枝花	6	韶关	15	信阳	4
安顺	5	抚州	10	凉山	48	平顶山	16	邵阳	6	许昌	10
白城	3	赣州	16	临沧	22	普洱	29	双鸭山	4	宣城	10
百色	6	广元	4	临沂	18	黔东南	15	绥化	4	延安	2
宝鸡	5	贵阳	6	龙岩	15	黔南	7	铁岭	6	宜宾	8
保山	21	哈尔滨	4	陇南	3	黔西南	17	铜仁	6	宜昌	4
毕节	18	河池	4	泸州	6	庆阳	9	潍坊	4	宜春	4
常德	4	贺州	4	洛阳	34	曲靖	30	文山	17	永州	31
郴州	22	衡阳	8	漯河	6	日照	7	芜湖	4	玉溪	32
楚雄	29	红河	15	梅州	12	三门峡	41	咸阳	4	运城	7
大理	31	佳木斯	6	牡丹江	10	三明	30	湘西	3	长沙	6
丹东	7	昆明	27	南平	23	商洛	6	襄阳	5	遵义	34

产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量	产地	样本数量
安康	6	恩施	22	丽江	15	攀枝花	6	韶关	15	信阳	4
安顺	5	抚州	10	凉山	48	平顶山	16	邵阳	6	许昌	10
白城	3	赣州	16	临沧	22	普洱	29	双鸭山	4	宣城	10
百色	6	广元	4	临沂	18	黔东南	15	绥化	4	延安	2
宝鸡	5	贵阳	6	龙岩	15	黔南	7	铁岭	6	宜宾	8
保山	21	哈尔滨	4	陇南	3	黔西南	17	铜仁	6	宜昌	4
毕节	18	河池	4	泸州	6	庆阳	9	潍坊	4	宜春	4
常德	4	贺州	4	洛阳	34	曲靖	30	文山	17	永州	31
郴州	22	衡阳	8	漯河	6	日照	7	芜湖	4	玉溪	32
楚雄	29	红河	15	梅州	12	三门峡	41	咸阳	4	运城	7
大理	31	佳木斯	6	牡丹江	10	三明	30	湘西	3	长沙	6
丹东	7	昆明	27	南平	23	商洛	6	襄阳	5	遵义	34

指标	样本数	缺失值数量	平均值	标准差
黏附力/N	938	6	7.397 1	2.308 4
剪切强度/（kN·m^-1）	938	7	0.246 7	0.048 5
穿透强度/（N·mm^-2）	938	7	0.572 9	0.101 0
拉力/N	938	319	1.737 3	0.388 2
伸长率/%	938	319	15.181 6	3.541 4
叶梗结合力/N	938	6	0.694 6	0.223 4
支脉结合力/N	938	6	1.448 6	0.348 1

指标	样本数	缺失值数量	平均值	标准差
黏附力/N	938	6	7.397 1	2.308 4
剪切强度/（kN·m^-1）	938	7	0.246 7	0.048 5
穿透强度/（N·mm^-2）	938	7	0.572 9	0.101 0
拉力/N	938	319	1.737 3	0.388 2
伸长率/%	938	319	15.181 6	3.541 4
叶梗结合力/N	938	6	0.694 6	0.223 4
支脉结合力/N	938	6	1.448 6	0.348 1

物理特性指标	黏附力	剪切强度	穿透强度	叶梗结合力	支脉结合力	拉力	伸长率
伸长率	0.18	-0.09	0.11	0.16	0.24	0.29	1.00
拉力	-0.10	0.13	0.44	0.03	0.10	1.00	0.29
支脉结合力	0.12	0	0.04	0.84	1.00	0.10	0.24
叶梗结合力	0.09	-0.03	-0.10	1.00	0.84	0.03	0.16
穿透强度	0.02	0.12	1.00	-0.10	0.04	0.44	0.11
剪切强度	-0.05	1.00	0.12	-0.03	0	0.13	-0.09
黏附力	1.00	-0.05	0.02	0.09	0.12	-0.10	0.18

基于K⁃means聚类的烟叶物理特性分型方法

The classification method of physical characteristics of tobacco leaves based on K-means clustering

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物理指标	计数	平均值	标准差	最小值	中位数	最大值
黏附力/N	487	7.365 641	2.354 666	1.570 891	7.440 300	15.139 040
剪切强度/（kN·m^-1）	487	0.249 254	0.046 591	0.152 850	0.244 673	0.432 180
穿透强度/（N·mm^-2）	487	0.573 191	0.102 067	0.282 552	0.565 866	0.889 040
叶梗结合力/N	487	0.674 358	0.212 187	0.246 416	0.640 332	1.461 616
支脉结合力/N	487	1.416 322	0.340 530	0.687 400	1.356 756	2.729 844
拉力/N	487	1.729 990	0.384 078	0.606 100	1.690 889	3.712 250
伸长率/%	487	15.071 210	3.583 552	3.658 333	15.376 847	27.381 000

物理指标	计数	平均值	标准差	最小值	中位数	最大值
黏附力/N	122	7.545 989	2.497 425	2.777 712	7.349 419	14.512 170
剪切强度/（kN·m^-1）	122	0.250 875	0.048 672	0.170 509	0.244 347	0.442 815
穿透强度/（N·mm^-2）	122	0.582 039	0.094 653	0.388 210	0.581 151	0.825 715
叶梗结合力/N	122	0.656 555	0.203 680	0.280 868	0.605 275	1.447 579
支脉结合力/N	122	1.365 071	0.294 432	0.812 420	1.360 436	2.337 398
拉力/N	122	1.767 884	0.415 269	1.118 063	1.739 621	3.095 400
伸长率/%	122	15.524 080	3.437 281	5.155 833	15.548 855	24.300 000

类别	中心点位置	样本数
0	（-1.072 4，-0.572 9）	49
1	（-0.110 7，1.449 0）	38
2	（1.524 6，-0.573 0）	35
平均轮廓系数	0.308
PCA方差占比/%	50

类别	中心点位置	样本数
0	（-1.110 9，-0.610 4）	177
1	（-0.051 4，1.297 3）	128
2	（1.550 3，-0.655 5）	120
平均轮廓系数	0.505
PCA方差占比/%	50.100

簇号	物理指标	样本数	最小值	最大值	平均值	标准偏差
0	黏附力/N	177	1.570 9	14.512 2	6.816 2	2.276 6
	剪切强度/（kN·m^-1）		0.152 9	0.442 8	0.240 9	0.047 8
	穿透强度/（N·mm^-2）		0.282 6	0.670 4	0.516 4	0.066 3
	叶梗结合力/N		0.286 8	0.814 5	0.553 4	0.115 1
	支脉结合力/N		0.687 4	1.583 4	1.174 0	0.173 8
	拉力/N		0.606 1	2.148 9	1.452 2	0.248 8
	伸长率/%		3.658 3	20.114 7	13.171 5	3.446 3
1	黏附力/N	128	3.127 3	15.139 0	7.189 6	2.393 9
	剪切强度/（kN·m^-1）		0.173 1	0.363 8	0.270 9	0.043 1
	穿透强度/（N·mm^-2）		0.443 6	0.866 0	0.666 9	0.074 9
	叶梗结合力/N		0.246 4	0.864 1	0.578 3	0.110 1
	支脉结合力/N		0.784 0	1.990 6	1.306 2	0.187 4
	拉力/N		1.351 5	3.335 6	2.102 6	0.357 4
	伸长率/%		4.721 8	22.618 6	15.866 6	2.984 4
2	黏附力/N	120	3.697 9	12.775 4	7.987 6	2.210 1
	剪切强度/（kN·m^-1）		0.156 9	0.384 4	0.238 9	0.039 9
	穿透强度/（N·mm^-2）		0.386 1	0.746 5	0.548 9	0.092 0
	叶梗结合力/N		0.663 3	1.461 6	0.961 1	0.163 6
	支脉结合力/N		1.262 5	2.729 8	1.826 4	0.274 8
	拉力/N		1.140 2	2.365 8	1.701 2	0.249 5
	伸长率/%		7.525 8	23.343 6	16.536 5	3.032 8

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模型	簇个数	主成分个数	平均轮廓系数
K-means	3	2	0.354 074
GMM	3	2	0.309 502

模型	簇个数	主成分个数	平均轮廓系数
K-means	3	2	0.354 074
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