周用武，李怡婷

（1.南京森林警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京210023；2.國(guó)家林業(yè)局森林公安司法鑒定中心，南京210023；3.野生動(dòng)植物物證技術(shù)國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210023）

依照我國(guó)《野生動(dòng)物保護(hù)法》以及CITES的規(guī)定，除科學(xué)研究、馴養(yǎng)繁殖等特殊情況外，國(guó)家禁止獵捕、殺害、收購(gòu)、運(yùn)輸、出售和進(jìn)出口亞洲大型貓科動(dòng)物及其制品．但是，破壞亞洲大型貓科動(dòng)物資源的違法犯罪活動(dòng)在我國(guó)還是十分猖獗[1]．我國(guó)目前對(duì)豹亞科動(dòng)物頭骨的研究不多，對(duì)豹亞科動(dòng)物的研究主要集中在豹皮毛的種屬認(rèn)定[2]、相關(guān)制品的價(jià)值及種屬認(rèn)定[3]、生存環(huán)境保護(hù)[4]等方面．

近些年來(lái)，幾何形態(tài)學(xué)被廣泛應(yīng)用于古生物學(xué)的鑒定[5-6]，而且逐步擴(kuò)展到對(duì)現(xiàn)生動(dòng)物外形的研究．如：蘇筱雨等[7]利用小盾片的幾何形態(tài)特征對(duì)10種鰓金龜Melolonthidae進(jìn)行了準(zhǔn)確識(shí)別．馬智[8]利用幾何形態(tài)測(cè)量方法對(duì)比翅脈形態(tài)上的差異成功鑒別了舞毒蛾Lymantria dispar、模毒蛾L.monacha和木毒蛾L.xylina三種毒蛾．王虹[9]基于幾何形態(tài)學(xué)對(duì)不同生態(tài)型黃鼬Mustela sibirica的頭骨功能進(jìn)行了研究．幾何形態(tài)測(cè)量也被廣泛應(yīng)用于涉及頭骨的相關(guān)問(wèn)題中[10-13]，但實(shí)驗(yàn)的檢材大多是兔形目、嚙齒目動(dòng)物頭骨或者人類顱骨，貓科動(dòng)物的頭骨未曾涉及．

目前我國(guó)司法實(shí)踐中，對(duì)于豹頭骨種屬認(rèn)定的方法大多采用DNA鑒定技術(shù)，然而此技術(shù)不僅會(huì)破壞檢材，而且設(shè)備價(jià)格高昂，不適合普遍應(yīng)用[14]．另外，豹亞科動(dòng)物的頭骨不同種之間形態(tài)差異微小，相關(guān)工作人員若通過(guò)觀察外部形態(tài)的方法來(lái)判斷鑒別其來(lái)源物種，則需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)對(duì)鑒定人員的專業(yè)水平和業(yè)務(wù)功底要求較高，鑒定的結(jié)果有較強(qiáng)的主觀性且作為定案根據(jù)比較勉強(qiáng)．基于幾何形態(tài)學(xué)探究頭骨形態(tài)上的差異，并采用計(jì)算機(jī)程序判斷，減少人為判斷的主觀性和差錯(cuò)，會(huì)更簡(jiǎn)便快捷，客觀性更強(qiáng)．本文選取豹亞科的云豹Neofelis nebulosa、雪豹Pantera uncia和豹Panthera pardus的頭骨作為研究樣本，基于幾何形態(tài)學(xué)探討它們形態(tài)上的差異，結(jié)合程序判別相應(yīng)的物種，嘗試尋找或建立一套既方便又快捷，可操作性強(qiáng)且準(zhǔn)確性高的豹類頭骨的鑒定方法或體系，以便于公安機(jī)關(guān)認(rèn)定瀕危物種的種屬，進(jìn)而打擊查處相關(guān)環(huán)境資源類犯罪，同時(shí)也能提高工作效率．此外，本工作也為后期開(kāi)發(fā)貓科動(dòng)物頭骨的圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)積累基礎(chǔ)資料．

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料取自國(guó)家林業(yè)局森林公安司法鑒定中心收到的涉案檢材，包括哺乳綱MAMMALIA貓科Felidae豹亞科Pantherinae的云豹Neofelis nebulosa、雪豹Pantera uncia、豹（俗名金錢豹）Panthera pardus，分類參照《中國(guó)獸類名錄》（2021版）[15]．首先對(duì)涉案檢材進(jìn)行拍照記錄，然后采用DNA技術(shù)鑒定檢材，根據(jù)鑒定結(jié)果選取拍照記錄的檢材進(jìn)行標(biāo)記．共選取其中3種豹的頭骨各2枚，用于幾何形態(tài)測(cè)量的圖片為對(duì)應(yīng)的3種豹頭骨背面照片各2張．

1.2 頭骨傳統(tǒng)形態(tài)信息獲取

利用游標(biāo)卡尺對(duì)3種豹頭骨的顱全長(zhǎng)——圖1（a）中P與A兩點(diǎn)間距離，顱基長(zhǎng)——圖1（b）中P與B兩點(diǎn)間距離，顴寬——圖1（a）中Zy與Zy兩點(diǎn)間距離、上頜齒列長(zhǎng)——圖1（b）中Pm與Pd兩點(diǎn)間的距離，眶間寬——圖 1（a）中Ect與Ect兩點(diǎn)間距離進(jìn)行多次測(cè)量，記錄數(shù)值，數(shù)據(jù)精確到0.01 mm．

圖1 基本度量示意圖[16]

1.3 頭骨幾何形態(tài)信息獲取

1.3.1 圖像獲取與處理

固定相機(jī)和比例尺的位置，使用水平儀調(diào)整角度將相機(jī)與拍攝面垂直，拍攝的圖片格式保存為RAW格式．將RAW格式的圖片文件導(dǎo)入到Photoshop2021，使用camera raw工具對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理，提高對(duì)比度，增加暗部曝光以及整體曝光度，分圖層減少背景曝光，便于對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)特征的提取及研究．

1.3.2 標(biāo)定地標(biāo)點(diǎn)

目前在幾何形態(tài)學(xué)的測(cè)量中較為常用的一種標(biāo)點(diǎn)方法即為標(biāo)定地標(biāo)點(diǎn)法．這種方法的基礎(chǔ)是利用笛卡爾坐標(biāo)，將不同樣本中標(biāo)定的地標(biāo)點(diǎn)在形態(tài)上的差異矢量化，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)[17]．通過(guò)tpsUtil32軟件將圖片轉(zhuǎn)化為TPS文件，使用tpsDig232軟件打開(kāi)TPS文件后進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)．根據(jù)圖片中的比例尺，逐一設(shè)置比例（set scale）．標(biāo)點(diǎn)方式為從頭骨的前頜骨最前端中點(diǎn)到頭骨最后緣的突出點(diǎn)，順時(shí)針依次標(biāo)記13個(gè)地標(biāo)點(diǎn)，每張圖片的標(biāo)點(diǎn)順序相同、數(shù)量相等且位置盡可能一致，詳見(jiàn)圖2．

圖2 豹頭骨的13個(gè)地標(biāo)點(diǎn)

1.3.3 形態(tài)數(shù)字信息化

利用tpsDig232將標(biāo)定的3組地標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化處理，并利用Past4.01軟件將3組數(shù)據(jù)整合到一起．

1.4 傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)分析方法

使用Microsoft Excel軟件計(jì)算3種不同的豹頭骨在傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)測(cè)量方法下的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值和變異系數(shù)（CV%）等基本統(tǒng)計(jì)量．在Past4.01軟件中對(duì)數(shù)據(jù)逐組進(jìn)行A-D檢驗(yàn)（P＞0.05），驗(yàn)證數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；接著通過(guò)Levene方差齊性檢驗(yàn)（P＞0.05），在滿足以上標(biāo)準(zhǔn)的前提下進(jìn)行單因素方差分析．對(duì)體現(xiàn)形態(tài)特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，判斷這些特征是否在不同種類之間存在顯著差異（P＜0.05）．

1.5 幾何形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)分析方法

利用Past4.01軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的普氏疊加分析，目的是通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)或縮放等各種方式消除非形狀上的因素差異．最后利用SPSS軟件對(duì)經(jīng)過(guò)普氏疊加后得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別分析和多變量方差分析，以此來(lái)對(duì)豹頭骨的種間形態(tài)差異進(jìn)行比較．

2 結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)差異分析

3種豹頭骨的傳統(tǒng)形態(tài)測(cè)量結(jié)果（表1）和差異分析如下：

表1 3種豹頭骨傳統(tǒng)形態(tài)測(cè)量學(xué)的基本統(tǒng)計(jì)量

3種頭骨種間顱全長(zhǎng)差異顯著（F=10.01，df=3.957，p=0.028 29），雪豹和云豹顱全長(zhǎng)差異顯著（P=0.026 78），云豹和豹顱全長(zhǎng)差異顯著（P=0.005 869），雪豹和豹顱全長(zhǎng)差異不顯著（P=0.392 7＞0.05）．

3種頭骨種間顱基長(zhǎng)差異不顯著（F=6.687，df=3.986，p=0.053 27＞0.05），云豹和豹顱基長(zhǎng)差異顯著（P=0.015 5），雪豹和云豹顱基長(zhǎng)差異不顯著（P=0.120 2＞0.05），雪豹和豹顱基長(zhǎng)差異不顯著（P=0.281＞0.05）．

3種頭骨種間顴寬差異不顯著（F=3.177，df=3.909，p=0.151 6＞0.05），云豹和豹、雪豹和云豹、雪豹和豹顴寬差異均不顯著（P=0.183 4、0.142 5、0.978 6＞0.05）．

3種頭骨種間上頜齒列長(zhǎng)差異不顯著（F=0.337 3，df=3.94，p=0.732 5＞0.05），云豹和豹、雪豹和云豹、雪豹和豹上頜齒列長(zhǎng)差異均不顯著（P=0.645 7、0.956 5、0.804 6＞0.05）．

3種頭骨種間眶間寬差異不顯著（F=5.689，df=3.993，p=0.067 79＞0.05），雪豹和云豹眶間寬差異顯著（P=0.027 75），云豹和豹、雪豹和豹眶間寬差異不顯著（P=0.743 3、0.069 36＞0.05）．

2.2 幾何形態(tài)學(xué)差異分析

2.2.1 判別分析

典則判別需根據(jù)樣本點(diǎn)計(jì)算判別函數(shù)，計(jì)算判別函數(shù)到各類中心的歐式距離，取距離最小的類別．首先是對(duì)觀測(cè)變量進(jìn)行分類并賦權(quán)重，觀測(cè)變量數(shù)據(jù)表中的類別=1為豹，類別=2為雪豹，類別=3為云豹；3種豹的每個(gè)觀測(cè)變量權(quán)重均為1，總權(quán)重分別為2、2、2，共有6個(gè)觀測(cè)量，總權(quán)重為6．然后進(jìn)行組平均值的同等檢驗(yàn)，威爾克Lambda值范圍在0～1之間，所有的觀測(cè)值都小于1，代表組均值在統(tǒng)計(jì)意義上均有區(qū)別．根據(jù)結(jié)果可知，大部分?jǐn)?shù)值都小于0.05，表示組均值不同，即其差異有統(tǒng)計(jì)意義．其中Y3、Y4、Y9、Y11（分別為豹頭骨第3、4、9、11標(biāo)定點(diǎn)的縱坐標(biāo)）．組間均值差異相近，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)意義．

兩個(gè)典則判別函數(shù)的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到100%，可利用豹頭骨的X1、Y1、X2的坐標(biāo)值對(duì)豹、雪豹、云豹進(jìn)行判別．建立兩個(gè)典則判別函數(shù)，具體如下：

式中X1是豹頭骨第一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的橫坐標(biāo)；Y1是豹頭骨第一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的縱坐標(biāo)；X2是豹頭骨第二個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的橫坐標(biāo)．

利用兩個(gè)典則判別函數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到3種豹頭骨標(biāo)記點(diǎn)普氏疊加后的典則判別散點(diǎn)圖（圖3）．由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)普氏疊加消除3種豹頭骨標(biāo)記點(diǎn)的非形狀因素影響后，每種豹的頭骨都聚集在各類別的組質(zhì)心處，聚集效果非常緊密，可得出判別的效果非常準(zhǔn)確．

圖3 3種豹頭骨的典則判別散點(diǎn)圖

貝葉斯判別首先假定各分類的先驗(yàn)概率相等，即各分類的先驗(yàn)概率為1/3，然后建立3個(gè)分類函數(shù)，具體如下：

式中X1是豹頭骨第一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的橫坐標(biāo)；Y1是豹頭骨第一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的縱坐標(biāo)；X2是豹頭骨第二個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的橫坐標(biāo)．通過(guò)計(jì)算得到3種豹頭骨的分類判別結(jié)果（表2）．

表2 3種豹頭骨的分類結(jié)果

由表2分析結(jié)果可得，利用3種豹頭骨標(biāo)記點(diǎn)普氏疊加后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別分析，判別正確率為100%．

2.2.2 多變量方差分析

單因子多變量MAOVA的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果中4種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量的P值均小于0.05，已達(dá)到顯著水平，表示雪豹、云豹、豹在13個(gè)因變量的平均數(shù)存在顯著差異．為了進(jìn)一步探究3種豹在哪些因變量的平均數(shù)存在顯著差異，進(jìn)行多組間區(qū)別分析和事后比較，結(jié)果顯示 3 種豹頭骨兩兩之間的Y5、X6、X7、Y7、X9、X10、Y11、X13均存在顯著區(qū)別，其他點(diǎn)有部分區(qū)別不顯著．

3 討論

3.1 形態(tài)定量分析的結(jié)果與優(yōu)勢(shì)

3種豹的頭骨形態(tài)高度相似，區(qū)分難度較大．在傳統(tǒng)的形態(tài)鑒定中，沒(méi)有明確的量化標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于豹類頭骨傳統(tǒng)形態(tài)鑒定的文獻(xiàn)中相關(guān)描述籠統(tǒng)且模糊，鑒別檢索表中多用“較窄”“較寬”“稍低”“較低”等詞匯進(jìn)行表述[18]，鑒定時(shí)容易受主觀因素的影響．

通過(guò)幾何形態(tài)學(xué)對(duì)豹亞科的雪豹、云豹、豹進(jìn)行頭骨的形態(tài)定量分析，結(jié)果表明3種豹頭骨在形態(tài)上存在較大的差異，并能準(zhǔn)確找到差異點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了3種豹頭骨的區(qū)分與判別．通過(guò)幾何形態(tài)學(xué)測(cè)量分析，3種豹的頭骨后緣、額骨眶后突、顴弓、顴突是3種豹形態(tài)差異顯著的部位，因此在形態(tài)學(xué)的鑒定中，可以著重關(guān)注以上部位．幾何形態(tài)學(xué)的分析還提示區(qū)分豹和雪豹的頭骨時(shí)可著重關(guān)注鼻骨、顴突和額骨眶后突部位；豹和云豹的頭骨區(qū)分可著重關(guān)注前頜骨、鼻骨、頭骨后緣、額骨眶后突和冠狀突部位；雪豹和云豹的頭骨區(qū)分可著重關(guān)注鼻骨、頭骨后緣、顴突、額骨眶后突、冠狀突和顴弓部位．

利用幾何形態(tài)學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)貓科動(dòng)物頭骨判別鑒定的方法，打破了傳統(tǒng)的特征檢索表鑒定或者DNA鑒定的思路，克服了傳統(tǒng)形態(tài)鑒定主觀性強(qiáng)、專業(yè)性要求高等缺點(diǎn)，鑒別分類的效果更加直接明了．

3.2 幾何形態(tài)鑒定豹頭骨方法的局限性

本實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)提取的過(guò)程中，采用的是tpsDig232軟件手動(dòng)標(biāo)點(diǎn)法對(duì)3種豹6張圖片的相同部位標(biāo)點(diǎn)以提取數(shù)據(jù)，因此存在一定的誤差．

客觀上，頭骨的形態(tài)受年齡或雌雄因素影響[17]．隨著豹年齡的增長(zhǎng)，其頭骨各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)有不同程度的增長(zhǎng)或擴(kuò)大，對(duì)不同年齡的豹或者年齡差異較大的不同種豹頭骨進(jìn)行判別鑒定時(shí)，形態(tài)差異的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步核實(shí)與確定．另外雄豹與雌豹的頭骨也在一定程度上存在差異，若無(wú)法確定豹的雄雌，則可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響．

不同地域的經(jīng)緯度、海拔、溫度等因素也會(huì)影響豹頭骨的變異[16]．我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)的生境有很強(qiáng)的差異性．例如：西部高山、西南盆地、南部島嶼等不同地區(qū)都分布有活動(dòng)的豹類，受環(huán)境因素的影響，其頭骨均會(huì)產(chǎn)生一定程度的形態(tài)變異．因此需要對(duì)檢材的來(lái)源進(jìn)行確認(rèn)，若無(wú)法確認(rèn)檢材來(lái)自同一地域，則可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果造成影響．

3.3 應(yīng)用前景與研究展望

本文通過(guò)幾何形態(tài)學(xué)成功區(qū)分了豹亞科的3種豹，幾何形態(tài)學(xué)測(cè)量相比于傳統(tǒng)的形態(tài)測(cè)量排除了樣本大小的干擾，只通過(guò)頭骨上幾個(gè)重要的地標(biāo)點(diǎn)在幾何形態(tài)上的差異實(shí)現(xiàn)不同種類的區(qū)分．這種方法與傳統(tǒng)的形態(tài)鑒定和DNA鑒定技術(shù)相比簡(jiǎn)單便捷、可操作性強(qiáng)、成本低，因此在實(shí)際的鑒定工作中具有非常重要的意義以及良好的發(fā)展前景．在今后的鑒定中還可以在以下方面進(jìn)行深入研究：

建立三維模型．本文是在二維空間中對(duì)檢材的圖片進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行的分析，隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展[19]，可以嘗試將該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用于頭骨的幾何形態(tài)學(xué)研究中．控制好精度，通過(guò)CT掃描獲取的三維幾何形態(tài)信息可以更好地反映不同種頭骨間的差異[20]．相較于二維空間的形態(tài)數(shù)據(jù)，三維的數(shù)據(jù)更加客觀精確，呈現(xiàn)的結(jié)果也更加立體化．

建立幾何空間形態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)．2013年，汪露等[21]通過(guò)研究開(kāi)發(fā)了果實(shí)蠅屬昆蟲(chóng)圖像識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種實(shí)蠅的鑒定．因此可借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，建立貓科動(dòng)物頭骨的幾何空間形態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)獲取數(shù)據(jù)并與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，判別相應(yīng)的物種，為貓科動(dòng)物頭骨的圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)．同時(shí)可進(jìn)一步減輕鑒定人員的工作壓力和去專家化，以實(shí)現(xiàn)快速高效的鑒定．