几何形态计量学在昆虫自动鉴定中的应用与展望-四川动物

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四川动物２０１３年第３２卷第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＳｉｃｈｕａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｏｏｌｏｇｙ㊀Ｖｏｌ３２㊀Ｎｏ３㊀２０１３ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７０８３．２０１３．０３．０３０
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四川动物２０１３年第３２卷第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＳｉｃｈｕａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｏｏｌｏｇｙ㊀Ｖｏｌ３２㊀Ｎｏ３㊀２０１３两类方法进行了简要的介绍，并着重介绍采用几何形态计量学方法进行昆虫自动鉴定的先进之处和工作流程，最后对采用几何形态计量学方法进行昆虫自动鉴定的未来发展进行了展望。标本进行测量时，不同的形态却可能会获得相同的距离数据，例如有些蝴蝶翅的形状并不相同，但它们的横轴长或者纵轴长有可能是一样的。此外，传统形态计量法只描述了昆虫的基本形状与结构关系，却忽略了局部的细微特征，这样会造成部分信息的丢失。上述这些缺点的存在，使基于传统形态计量法的昆虫自动鉴定方法产生一些不完全令人满意的结果，也使它的广泛应用遇到了不少难题。１２㊀几何形态计量学方法在２０世纪８０年代后期和９０年代初期，在形态结构数值化和数据分析的方法上有了重要突破，主要集中在几何形态结构的数据（包括轮廓数据和标志点数据）获得和对这些数据的分析方法上，从而产生了几何形态计量学。该方法通过标志点和标志点相对位置的几何信息的匹配，从而能够利用标志点的坐标所含有的空间相对位置的几何信息，并可以将多变量分析的标志点集叠加到生物原始图上（白明，杨兴科，２００７）。几何形态计量学进行多变量统计分析基于笛卡尔地标点的形状，使生物的大小和形状因素量化，通过重合、伸缩变Ｐｒｏｃｒｕｓｔｅｓｄｉｓｔａｎｃｅ）化、旋转等三个叠加过程，利用普氏距离（来估计平均空间，从而描述形状变异（Ｍｉｔｔｅｒｏｅｃｋｅｒ＆Ｇｕｎｚ，２００９）。它着眼于对生物形态自身的比较，将形态变化中的形状因素与大小因素相分离，通过少数几个变量，抓住由标志点坐标所提供的形状信息，能很好地解释生物体形状和大小的变异以及协同变异。而传统形态计量方法只能给出丢Ｓｃａｔｔｅｒｐｌｏｔ）（Ｍａｒｃｕｓ，１９９０）。由于失了空间特征的散点图（几何形态计量学不仅仅是生成散点图，而是试图客观反映生物的形态性状，这就使形态学研究从线性距离分析发展到标志点和轮廓的分析，因而被称为是生物形态计量方法上的一Ｒｏｈｌｆ＆Ｍａｒｃｕｓ，１９９３），因此，几何形态计量学也次“ 革命” （被昆虫学家所重视，并且在昆虫学的许多方面，特别是昆虫自动鉴定方面得到了应用。在进行昆虫自动鉴定方面，与传统形态计量学方法不同的是，几何形态计量学更注重轮廓线和特征点的测量和分析，如翅脉节点、终点等。该方法可重构图形来代表线性距离，这样可以保存更多的细节信息，提高测量精度。由于几何形态计量学着重研究生物形态的拓扑结构特征，因此可以避免受到标本的大小、形态变化等因素的影响，从而极大地提高了昆虫自动鉴定的准确性和鲁棒性。利用标志点和滑动处理的半标志点，采用椭圆傅立叶函Ｓｅｍｉｌａｎｄｍａｒｋ数逼近的方法得到形状变量。其中半标志点（ｐｏｉｎｔ）保持了它们在轮廓曲线上的相对位置，因为它们的构型也要经过平移、旋转、尺度调整等处理。这就是轮廓分析法（Ｏｕｔｌｉｎｅｍｅｔｈｏｄｓ），也是首先应用的几何形态计量学方法。轮廓分析法在昆虫翅脉较少的情况下显得比较方便，而且也适用于不以翅脉特征为鉴定依据的更多昆虫种类。Ｒｏｈｌｆ（１９９０）和Ｂｏｏｋｓｔｅｉｎ（１９９７）都提出了轮廓曲线的拟合方法，这些方法都扩展了标准普氏叠合。标志点是指那些明显且易辨认的点，这些点通常可以在生物体上标出，并给予一定的名称。这种对标志点二维或三Ｌａｎｄ维笛卡尔坐标值进行分析的方法，称为标志点分析法（
传统上昆虫种类的鉴定都是采用依赖于昆虫分类学家进行人工鉴定的方法来进行随着对昆虫种类鉴定需求的成倍增长对鉴定时间的要求也越来越急迫人数有限而且只对某一类群比较熟悉的昆虫学家已经远远不能满足昆虫鉴定的需求而如果能利用计算机图像数字化技术对昆虫种类进行自动鉴定哪怕只解决部分种类的识别也会显著减轻人工识别的工作量极大提高生产效率
ＡｐｐｔｒｉｃＭｏｒｐｈｏｍｅｔｒｉｃｓｉｎＩｎｓｅｃｔＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
１２１３ＹＡＮＧＨｏｎｇｚｈｅｎ，ＣＡＩＸｉａｏｎａ，ＬＩＸｉａｎｇｔａｏ，ＳＨＥＮＺｕｏｒｕｉ
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＭｕｓｅｕｍｏｆＮａｔｕｒａｌＨｉｓｔｏｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＦｏｒｅｓｔｒｙＣｏｌｌｅｇｅ，ＨｅｂｅｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ０７１０００，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｇｒｏｎｏｍｙａｎｄＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）㊀Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｒｐｈｏｍｅｔｒｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｃｏｎｃｅｒｎｓｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｐａｃｅａｎｄｉｓｎｏｔａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅ，ｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｏｆｉｎｓｅｃｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｕｔｌｉｎｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｌａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓｉｚｅａｎｄｓｈａｐｅｍａｒｋｍｅｔｈｏｄａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｒｐｈｏｍｅｔｒｉｃｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅａｕｔｏｍａｔｅｄｉｎｓｅｃｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．㊀Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｒｐｈｏｍｅｔｒｉｃｓ；ｉｎｓｅｃｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ㊀㊀昆虫是地球上种类和数量最多的一个动物类群，不仅在维持自然界生态平衡方面具有重要意义，而且也是与人类关系非常密切的一类动物。为了有效控制有害的昆虫给人类造成的危害，或为了有效利用给人类生活提供了丰富资源的有益昆虫，在农业、林业、国防、检疫、养殖等各个方面都需要准确地认识昆虫，也就是对昆虫的种类进行鉴定。传统上，昆虫种类的鉴定都是采用依赖于昆虫分类学家进行人工鉴定的方法来进行，随着对昆虫种类鉴定需求的成倍增长，对鉴定时间的要求也越来越急迫，人数有限而且只对某一类群比较熟悉的昆虫学家已经远远不能满足昆虫鉴定的需求，而如果能利用计算机图像数字化技术对昆虫种类进行自动鉴定，哪怕只解决部分种类的识别，也会显著减轻人工识别的工作量，极大提高生产效率。早在２０世纪８０年代，就有学者Ｄａｌｙ，１９８５）认识到，昆虫的外骨骼和翅不像其他动物的软（体组织那样会发生物理形变，因此比较适合进行生物测量学研究。这个认识也为昆虫自动鉴定的实践奠定了基础。昆虫自动鉴定技术是从２０世纪９０年代开始逐渐发展起来的，它通过利用计算机视觉技术，对昆虫标本形态所包含的数学形态学特征进行描述、计算和分析，从而达到识别昆虫物种的目的，并且具有快捷、方便的优点。为了使昆虫自动鉴定的方法更为完善，世界各国的昆虫学家、植物保护工作者与计算机图像数字化专家、数理统计学专家等都在不断探索着各种新的计算方法，并开发出许多与昆虫自动鉴定相关的计算机应用软件，取得了很大的成绩，在许多种类或类群中成功地实现了自动鉴定。０余年来，几何形态计量学（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｒｐｈｏｍｅｔ近１ｒｉｃｓ）作为一种新的生物形态分析方法发展迅速，使研究方法在形态结构数值化和数据分析上取得了重要突破。这种基于对样本标志点的分析方法，在数字摄影和图像分析技术的配合下，能够获取传统的形态观察和线性测量无法采集的样本形状、轮廓对称性、不同部位的排列和相对大小比例关系等方面的信息，使得量化分析复杂的形态特征成为可能，在包括昆虫学在内的生物学研究的诸多领域中逐渐开始发挥日益重要的作用，不仅给分类学上有争议的类群的鉴定提供了一个新的方法（Ｋａｌｉｏｎｔｚｏｐｏｕｌｏｕｅｔａｌ，２００７），也为昆虫自动鉴定的进一步发展提供了一个新的手段。到目前为止，用于昆虫自动鉴定的算法可以分为传统形态计量学方法和几何形态计量学方法两类。本文分别对这
几何形态计量学在昆虫自动鉴定中的应用与展望
杨红珍１，蔡小娜２，李湘涛１，沈佐锐３
（１．北京自然博物馆，北京１０００５０；２．河北农业大学林学院，河北保定０７１０００；３．中国农业大学农学与生物技术学院，北京１０００９４）㊀㊀摘要：几何形态计量学着重研究的是生物形态的拓扑结构信息，不受标本大小和形状变化的影响，是进行昆虫自动鉴定的一个新的手段。本文首先介绍了传统形态计量学和几何形态计量学两种昆虫自动鉴定的方法，并着重介绍了轮廓分析法和标志点分析法等几何形态计量学的分析方法，以及目前开发的几何形态计量学昆虫自动鉴定软件，简述了该方法应用于昆虫自动鉴定的工作流程，最后对几何形态计量学在昆虫自动鉴定方面的未来发展进行了展望。关键词：几何形态计量学；昆虫自动鉴定中图分类号：Ｑ９６９㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀文章编号：１０００－７０８３（２０１３）０３－０４６４－０６
收稿日期：２０１２１２０５㊀㊀接受日期：２０１２１２２７作者简介：杨红珍，女，博士，研究方向：昆虫信息技术，Ｅｍａｉｌ：ｈｏｎｇｚｈｅｎ６０７２＠１２６．ｃｏｍ通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｎｇｔａｏｌｉ＠１２６．ｃｏｍ