， ， ， ， ， (山西師范大學生命科學學院， 山西 臨汾 041004)

·問題探討·

基于顏色、形態(tài)的酸棗種子產(chǎn)地判別分析

王荷峰，陳霞霞，蘇艷麗，王佳倩，任麗麗，張強
(山西師范大學生命科學學院， 山西 臨汾 041004)

目的：分析不同省份酸棗種子顏色、形態(tài)的特點，篩選判別酸棗種子產(chǎn)地的有效指標，同時探索酸棗種子產(chǎn)地溯源方法，建立有效判別模型。方法：應用圖像處理技術(shù)和多元統(tǒng)計方法對煙臺、贊皇、銀川、吐魯番4地各100粒酸棗種子的顏色、形態(tài)進行判別分析和聚類分析。結(jié)果：經(jīng)逐步篩選得到影響酸棗種子產(chǎn)地判別的11個有效指標，并建立了酸棗種子產(chǎn)地溯源的判別模型，判別結(jié)果中回判驗證總正確率90.5%，交叉驗證總正確率88.5%。結(jié)論：利用酸棗種子顏色、形態(tài)特點,采用圖像處理技術(shù)與現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)相結(jié)合的方法，建立的判別模型對于酸棗種子產(chǎn)地溯源具有可行性。

酸棗； 種子顏色； 種子形態(tài)； 判別分析； 產(chǎn)地溯源

酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)為鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZizyphusMill.)小灌木，適應性強,廣布于華東、華北、西北和東北的向陽山坡、荒蕪丘陵和平原，從濕潤的東部海濱到干旱的西荒漠，均能生長良好[1]，酸棗根系發(fā)達，抗旱、耐寒、耐貧瘠能力強,具有重要的水土保持作用，是綠化荒山的先鋒樹種[2]。同時酸棗仁具有養(yǎng)心補肝、寧心安神、斂汗、生津的藥用價值,適用于虛煩不眠、驚悸多夢、體虛多汗、津傷口渴的人群[3]。目前,有關(guān)酸棗的研究主要集中在化學成分[4-6]、藥理作用[7]、系統(tǒng)分類學[8]、組織培養(yǎng)[9-11]等方面。研究表明，不同產(chǎn)地的酸棗種子品質(zhì)存在顯著差異,為了保證其來源的真實性,探索酸棗種子產(chǎn)地溯源方法具有重要意義。關(guān)于酸棗種子顏色、形態(tài)特征和產(chǎn)地判別的研究尚未見報道。本研究分析不同產(chǎn)地酸棗種子顏色、形態(tài)的特點,篩選酸棗種子產(chǎn)地判別的有效指標,探索顏色、形態(tài)和現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)對中國酸棗產(chǎn)地溯源的可行性,為酸棗種子的產(chǎn)地溯源提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試的普通酸棗種子共有400粒，分別來自于煙臺、贊皇、銀川、吐魯番，基本上代表了各研究地區(qū)酸棗的整體情況，具體樣本采集地點及樣本數(shù)量等信息見表1。

表1 4地酸棗樣本數(shù)及采集地點

地理 分布樣本數(shù)采樣點經(jīng)度緯度 煙臺100121°37′E37°21′N 贊皇100114°26′E37°39′N 銀川100105°57′E38°31′N 吐魯番10088°49′E42°47′N

1.2 酸棗種子圖像的獲取

按固定的次序和方向?qū)⑺釛椃N子擺放于EPSON掃描儀上，采用600 DPI分辨率分別獲取400粒酸棗種子的彩色圖像。

1.3 統(tǒng)計方法

Fisher判別分析是在分類確定的條件下，根據(jù)研究對象的各項特征判別其類型歸屬問題的一種多變量統(tǒng)計分析方法，操作簡單，對總體的分布沒什么特定的要求,通過降維方便從圖形上目測直接判別等，應用比較廣泛[12]。

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel軟件整理、制表，采用Photoshop CS 5軟件進行圖像處理、SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行描述統(tǒng)計和判別分析、DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行聚類分析。驗證方法采用回判驗證和交叉驗證法。

圖1 4地部分變量頻率分布直方圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地酸棗種子顏色、形態(tài)的描述統(tǒng)計

通過Photoshop CS 5軟件對酸棗種子圖像進行處理得到27個變量，從這些變量分布特征看存在一定的差異，為進一步進行判別分析提供了一定的依據(jù)。從這些變量中選取了幾個具有代表性的變量：R中值、B中值、灰度最小值、RGB中值，直方圖如下。

從圖1 b中可以看出，每一個地區(qū)B中值的大小比較分散，整體來看4個地區(qū)B中值的集中情況并不相同，說明4個產(chǎn)地酸棗種子在該變量上存在較大的差異；從圖1 c中看出煙臺、贊皇、吐魯番3個地區(qū)灰度最小值的大小相對比較集中，而銀川的比較分散，整體來看4個地區(qū)這一變量的集中情況比較相近。

2.2 酸棗種子顏色、形態(tài)變量的篩選

得到的27個變量，經(jīng)SPSS 17.0統(tǒng)計軟件逐步判別篩選得到11個有效變量，分別為RGB均值(X1)、RGB中值(X2)、R中值(X3)、G均值(X4)、G標準差(X5)、B中值(X6)、明度標準差(X7)、周長(X8)、高度(X9)、灰度最小值(X10)和灰度均值(X11)。

2.3 Fisher判別分析

根據(jù)Fisher判別法對4地酸棗種子數(shù)據(jù)進行分析，在此研究中運用非標準化的Fisher判別函數(shù)。此判別函數(shù)系數(shù)由于可以將實測的樣本觀測值直接代入求出判別函數(shù)值,所以該函數(shù)使用起來比標準化的系數(shù)要方便一些。由表2可知，用貢獻率最大的11個參數(shù)建立了3個Fisher判別函數(shù)，即：

Y1=-2.854-0.052X1+0.069X2+0.085X3+0.092X4+0.343X5-0.269X6-0.266X7+0.013X8-0.032X9-0.096X10+0.045X11;

Y2=-17.494+0.66X1-0.182X2+0.042X3-0.369X4-0.799X5+0.186X6+0.876X7-0.011X8+0.049X9-0.049X10-0.161X11;

Y3=-12.374+0.292X1-0.158X2-0.082X3-0.03X4-1.031X5+0.017X6+1.149X7+0.02X8-0.076X9+0.496X10-0.081X11。

表2 4地酸棗種子的組質(zhì)心

地點 編碼函 數(shù)123 煙臺1．1771．566-0．612 贊皇-2．1760．3401．229 銀川2．906-0．9840．461 吐魯番-1．907-0．922-1．078

圖2 4地酸棗種子函數(shù)三維分布散點圖

使用Fisher判別函數(shù)，可以計算每個樣本三維空間的坐標，然后計算該點離各中心的距離，距離哪個類中心最近，即屬于該類。

2.4 回判驗證與交叉驗證

回判驗證總正確率為90.5%，其中煙臺正確率最高，為94%，其次是贊皇91%，吐魯番89%，銀川88%。交叉驗證總正確率為88.5%。煙臺正確率最高為92%，其次是銀川88%，贊皇和吐魯番都是87%。

表3 回判驗證和交叉驗證分類結(jié)果

預測組地點煙臺贊皇銀川吐魯番合計回判驗證計數(shù)(%)煙臺94132100贊皇39106100銀川101881100吐魯番38089100交叉驗證計數(shù)(%)煙臺92143100贊皇48709100銀川101881100吐魯番58087100

2.5 聚類分析

采用歐式距離對4個地區(qū)酸棗種子基于11個有效變量進行聚類分析，結(jié)果表明，長度、周長為一類；B中值、明度標準差、G標準差為一類，其中明度標準差和G標準差的關(guān)系最近；灰度最小值、R中值、灰度均值、G均值、RGB中值、RGB均值為一類，其中RGB中值和RGB均值的關(guān)系最近。

圖3 酸棗種子11個有效指標的聚類圖

3 結(jié)論與討論

種子性狀主要由遺傳因子控制，同時也受環(huán)境因素的影響。大量研究表明，種子顏色、形態(tài)的變異程度較小[13]，可作為產(chǎn)地溯源的依據(jù)。對來源于煙臺、贊皇、銀川、吐魯番4地的酸棗種子進行顏色、形態(tài)信息提取，獲得27個指標。采用逐步篩選得到11個有效指標，分別為RGB均值、RGB中值、R中值、G均值、G標準差、B中值、明度標準差、周長、高度、灰度最小值、灰度均值，通過判別分析建立Fisher判別模型，并對模型進行了回判驗證和交叉驗證，回判驗證總正確率為90.5%，交叉驗證總正確率為88.5%，表明模型具有較高的可靠性。同時對篩選出的有效指標進行聚類分析，最終把這些有效指標分為3類，可以看出各個有效指標之間的相關(guān)關(guān)系。

本研究側(cè)重于不同環(huán)境對酸棗種子的影響，通過對酸棗種子的顏色、形態(tài)數(shù)量化，對其顏色、形態(tài)進行分析，篩選有效指標，建立函數(shù)模型，為酸棗的產(chǎn)地溯源提供依據(jù)。今后一方面可進一步結(jié)合酸棗果實等指標進行研究、建模，判斷其來源地，另一方面可探索其它模式識別方法進行酸棗種子產(chǎn)地溯源研究，提高所建模型的正確率。

綜上所述，利用酸棗種子顏色、形態(tài)特點，采用圖像處理技術(shù)與現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)相結(jié)合的方法，建立的判別模型對于酸棗產(chǎn)地溯源具有可行性。

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Origin Discriminate Analysis ofZizyphusjujubeSeed Based on Color and Shape

WANGHefeng,CHENXiaxia,SUYanli,WANGJiaqian,RENLili,ZHANGQiang

2016-03-27

國家自然科學基金(編號：30972396)。

王荷峰(1994—)，女，山西晉中人；本科生，主要從事資源植物開發(fā)利用研究；E-mail:1055923371@qq.com。

張 強(1968—)，男，山西臨汾人；講師，主要從事資源植物開發(fā)利用研究；E-mail:zqlf@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.07.064

S 665.1； S 323

A

1001-4705(2016)07-0064-03