3種傳統(tǒng)方法對不同珊瑚表面積測量的適用性及其校準(zhǔn)方法——以3D掃描技術(shù)為基準(zhǔn)*

梁宇嫻, 俞曉磊, 郭亞娟, 黃暉, 周偉華, 袁翔城

海洋生物學(xué)

3種傳統(tǒng)方法對不同珊瑚表面積測量的適用性及其校準(zhǔn)方法——以3D掃描技術(shù)為基準(zhǔn)*

梁宇嫻1,2,3,5,6, 俞曉磊1,2,3,5,6, 郭亞娟4, 黃暉1,2,3,6, 周偉華1,2,3,6, 袁翔城1,2,6

1. 中國科學(xué)院南海海洋研究所 中國科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301; 2. 中國科學(xué)院南海海洋研究所 廣東省應(yīng)用海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301;3. 中國科學(xué)院海南熱帶海洋生物實(shí)驗(yàn)站, 海南 三亞 572000;4. 中國科學(xué)院南海海洋研究所 海洋環(huán)境檢測中心, 廣東 廣州 510301;5. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;6. 海南省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 三亞 572000

造礁石珊瑚的表面積是珊瑚生物學(xué)和珊瑚礁生態(tài)學(xué)研究中重要的參數(shù), 因其形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 準(zhǔn)確測量十分困難。由于測量方法的不同, 導(dǎo)致不同珊瑚之間的重要指標(biāo)無法被直接比較, 因此系統(tǒng)比較不同的表面積測量方法十分必要。以塊狀的普哥濱珊瑚和分枝狀的鹿角杯形珊瑚為研究對象, 以3D掃描技術(shù)測量的珊瑚表面積作為標(biāo)準(zhǔn)值, 對比石蠟包埋法、錫箔紙包裹法以及簡單幾何近似法3種傳統(tǒng)方法測量珊瑚表面積的準(zhǔn)確度; 討論了不同的表面積測量方法對于不同形態(tài)結(jié)構(gòu)珊瑚的適用性; 并通過簡單回歸分析, 校準(zhǔn)傳統(tǒng)測量方法的測量準(zhǔn)確度。研究結(jié)果表明, 無論在普哥濱珊瑚還是鹿角杯形珊瑚中, 簡單幾何近似法的測量準(zhǔn)確度最高(72.71%和94.52%), 石蠟包埋法其次(68.86%和83.08%), 錫箔紙包裹法最低(65.27%和58.07%)。簡單回歸分析結(jié)果表明, 除了錫箔紙包裹法測量普哥濱珊瑚表面積與3D掃描測量結(jié)果的相關(guān)性較低(2=0.76)外, 其他傳統(tǒng)測量方法與3D掃描測量結(jié)果均具有較強(qiáng)相關(guān)性(2>0.95)。因此, 研究認(rèn)為可通過簡單回歸分析構(gòu)建回歸方程對傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行校準(zhǔn), 以提高傳統(tǒng)方法的測量準(zhǔn)確度。

造礁石珊瑚; 表面積測量方法; 3D掃描技術(shù); 簡單回歸分析

珊瑚礁是地球上生物多樣性及生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一, 具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)服務(wù)功能(Cesar et al, 2003)。造礁石珊瑚作為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的框架生物, 是研究珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。造礁石珊瑚根據(jù)其形態(tài)結(jié)構(gòu), 可分為分枝狀珊瑚和塊狀珊瑚等(Naumann et al, 2009), 比如鹿角杯形珊瑚、美麗鹿角珊瑚、風(fēng)信子鹿角珊瑚、箭排孔珊瑚等為分枝狀珊瑚, 中華扁腦珊瑚、澄黃濱珊瑚等為塊狀珊瑚。

珊瑚表面積是研究造礁石珊瑚各種生理指標(biāo)的重要參數(shù)。造礁石珊瑚的鈣化速率、光合速率、呼吸速率、共生蟲黃藻密度以及葉綠素a含量等重要生理指標(biāo)最終均需歸一化于表面積(周潔, 2012; Huang et al, 2014; Camp et al, 2017; 郭亞娟等, 2018)。同時(shí), 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的評估以及珊瑚覆蓋率的監(jiān)測和豐度的估算也與珊瑚表面積的測量息息相關(guān)(Ferrari et al, 2017; House et al, 2018)。Madin等(2016)利用珊瑚表面積與體積的比值, 代表10種珊瑚的生長模式, 例如比值為0.5表示珊瑚的生長模式為塊狀或柱狀。但是造礁石珊瑚的形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 因此對于其表面積的準(zhǔn)確測量較為困難, 從而影響了其各項(xiàng)生理指標(biāo)測定的準(zhǔn)確性。

包埋法(coating techniques)是利用直接對比法原理測量不規(guī)則物體的表面積, 是常用且簡便的方法, 被廣泛應(yīng)用于珊瑚表面積測量中, 例如利用石蠟(Stimson et al, 1991)、錫箔紙(Marsh, 1970)、染料亞甲基藍(lán)(Hoegh-Guldberg, 1988)、凡士林(Odum et al, 1955)等對珊瑚進(jìn)行包埋, 測量其表面積。包埋法具有實(shí)驗(yàn)操作簡單, 材料獲得方便且便宜, 同時(shí)測量結(jié)果比較準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。因此, 石蠟包埋法(Wax Coating, WC)是目前測量珊瑚表面積最常用的方法(Andréfou?t et al, 2000; Vollmer et al, 2000; Vytopil et al, 2001; Wildgruber et al, 2005; Lesser et al, 2018; 郭亞娟等, 2018)。該方法的缺點(diǎn)是對樣品具有破壞性, 甚至可導(dǎo)致珊瑚死亡。

攝影制圖法是通過獲取目標(biāo)的二維圖像結(jié)合幾何建模軟件進(jìn)行表面積估算, 較早地被應(yīng)用于海洋生物表面積的測量(Anderson et al, 1958)。攝影制圖法分為簡單幾何近似法和高級攝影制圖法。簡單幾何近似法利用簡單的圖形相似性邏輯, 把不規(guī)則形狀物體近似為相似的規(guī)則圖形進(jìn)行表面積計(jì)算(Naumann et al, 2009); 而高級攝影制圖法則將二維圖像結(jié)合計(jì)算機(jī)算法重構(gòu)三維模型, 從而計(jì)算三維結(jié)構(gòu)的表面積(Ferrari et al, 2017; House et al, 2018; Fukunaga et al, 2019)。由于該方法具有可進(jìn)行原位測量、對樣品破壞性小和易操作等優(yōu)點(diǎn), 已被應(yīng)用于珊瑚覆蓋率的估算以及生物學(xué)樣品表面積的測量(Szmant-Froelich et al, 1985; Tubiello et al, 2007; Ferrari et al, 2017; House et al, 2018)。

3D掃描技術(shù)(3D scanning technique, ST) 是通過非接觸方式掃描或攝影獲取物體的深度信息, 結(jié)合計(jì)算機(jī)的精密算法, 利用目標(biāo)物體的三維數(shù)據(jù)重構(gòu)三維物體模型, 獲得真實(shí)物體的幾何形狀, 從而計(jì)算其表面積(林靜等, 2013)。該方法精度高, 是提高物體表面積測量準(zhǔn)確度的重要手段, 已逐漸地被應(yīng)用于珊瑚礁的研究中, 例如: 利用X-射線計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備(X-ray computed tomography system, X-CT)測量珊瑚的形態(tài)結(jié)構(gòu)和表面積(Kruszyński et al, 2006)以及監(jiān)測珊瑚覆蓋率和豐度; 利用激光3D掃描測量珊瑚的表面積等(Holmes et al, 2008)。

造礁石珊瑚的表面積測量方法眾多, 不同的方法適用于不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的珊瑚; 同時(shí)由于測量方法的準(zhǔn)確度不一, 導(dǎo)致不同珊瑚的生理和生態(tài)學(xué)指標(biāo)無法直接比較。因此, 有必要引入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值, 系統(tǒng)地比較不同測量方法的準(zhǔn)確度, 并對其進(jìn)行校準(zhǔn), 以增強(qiáng)不同研究結(jié)果之間的可比性。本文以3D掃描技術(shù)測量的珊瑚表面積為基準(zhǔn), 對3種常用的珊瑚表面積測量方法: 石蠟包埋法、錫箔紙包裹法(aluminium foil, AF)和簡單幾何近似法(simple geometry, SG), 進(jìn)行了對比和分析, 探討不同的珊瑚最適合的表面積測量方法, 并對測量方法進(jìn)行了校準(zhǔn), 以期為造礁石珊瑚表面積的準(zhǔn)確測量提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2018年10月7日于位于三亞鹿回頭的中國科學(xué)院海南熱帶海洋生物實(shí)驗(yàn)站外側(cè)海域采集塊狀的普哥濱珊瑚和分枝狀的鹿角杯形珊瑚各一株。分別分離出若干珊瑚小分塊(枝), 利用阿隆發(fā)膠將分塊(枝)黏固在陶瓷基座上(圖1a、b)。將樣品直接烘干或10%甲醛浸泡后烘干, 每種珊瑚取5個(gè)樣本(圖1c、d)。

圖1 珊瑚表面積測量樣品

a. 普哥濱珊瑚活體; b. 鹿角杯形珊瑚活體; c. 處理后的普哥濱珊瑚樣品; d, 處理后的鹿角杯形珊瑚樣品

Fig. 1 Coral samples for surface area measurement; Living(a); Living(b);after treatments (c);after treatments (d)

1.2 石蠟包埋法

選取7種規(guī)格(半徑為0.4、0.5、0.6、0.75、1.0、1.25、1.5cm,=5)的木質(zhì)圓柱體作為標(biāo)準(zhǔn)物, 因不同材質(zhì)的物體對石蠟的吸附量存在差異, 故需要包埋兩層石蠟。第一層裹蠟將物體表面密封, 以減少樣品與標(biāo)準(zhǔn)物之間的誤差。第二層裹蠟前后的重量差與表面積成正比。

具體的操作步驟是: 將固態(tài)石蠟置于1L的燒杯中, 水浴加熱至70±2℃, 待石蠟完全溶解后, 對木質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物以及珊瑚樣品進(jìn)行石蠟包埋。第一層石蠟包埋: 將樣品浸泡至石蠟溶液中2s, 取出并輕微搖晃, 避免形成蠟滴, 室溫放置5min后稱取初始重量; 然后進(jìn)行第二次石蠟包埋: 將樣品浸泡在石蠟溶液中5s, 其余步驟與第一層包埋步驟相同, 室溫放置5min(圖2a, 2b)后稱取末重量。通過木質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物的表面積與重量差構(gòu)建回歸方程, 得到簡單回歸方程式(=33.25+3.68,2=0.99), 將珊瑚樣品的重量差代入方程式, 計(jì)算得到珊瑚表面積(Stimson et al, 1991)。

圖2 不同方法測量珊瑚表面積

鹿角杯形珊瑚(a, c, e); 普哥濱珊瑚(b, d, f); 石蠟包埋法(a, b); 3D掃描方法(c, d); 簡單幾何近似法(e, f)

Fig. 2 Techniques for coral surface area quantification applied in this study:specimen (a, c, e);specimen (b, d, f). The methods are wax coating (a, b); 3D scanning technique (c, d); and simple geometry (e, f)

1.3 錫箔紙包裹法

選取3個(gè)正方形的錫箔紙, 表面積分別為25cm2、100cm2、144cm2, 將其表面積與質(zhì)量構(gòu)建回歸方程(=259.21+0.0009,2=0.9999)。用錫箔紙將樣品包裹, 盡量使錫箔紙均勻鋪在物體表面, 減少折疊。然后將錫箔紙取下并稱取其重量, 代入方程式計(jì)算得到珊瑚表面積。

1.4 3D掃描法

本文利用結(jié)構(gòu)光3D掃描儀(JTscan-MS)進(jìn)行測定, 其單幅精度為0.015mm, 點(diǎn)距為0.08mm。將樣品放置于電動(dòng)轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行360°掃描, 每個(gè)樣品掃描12次, 然后進(jìn)行融合得到初步的立體實(shí)物模型。若構(gòu)建的實(shí)物模型存在較大的空缺, 則將樣品進(jìn)行二次掃描, 將兩次掃描得到的模型進(jìn)行融合, 填補(bǔ)空缺。經(jīng)過多次掃描結(jié)合獲得較完整的實(shí)物模型, 再通過曲面模型重構(gòu), 對采集的3D數(shù)據(jù)進(jìn)行融合, 選擇平滑融合模式, 并對未掃描到的點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ), 從而得到完整的實(shí)物數(shù)據(jù)模型(圖2c、d)。利用Wrap軟件將得到的實(shí)物模型進(jìn)行后期處理, 將多余的雜質(zhì)剪截, 最終計(jì)算得到樣品的表面積。

1.5 簡單幾何近似法

將珊瑚分枝黏固在邊長為2.2cm的正方形陶瓷基座上, 使用相機(jī)對樣品5個(gè)面進(jìn)行拍照(左右側(cè)面、正背面和俯視面)。根據(jù)圖形相似性, 使用畫圖軟件將珊瑚樣品每部分近似為相似的規(guī)則圖形(圖2e、f)。按照圖片與基座實(shí)際大小的比例計(jì)算各部分表面積(表面積公式見表1), 將各部分表面積相加即為樣品總表面積。

1.6 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)以3D掃描法測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值, 通過對Naumann等(2009)提出的測量準(zhǔn)確度的公式進(jìn)行修改, 計(jì)算傳統(tǒng)方法的表面積測量準(zhǔn)確度。

傳統(tǒng)測量方法包括石蠟包埋法、錫箔紙包裹法和簡單幾何近似法。

利用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)以及簡單回歸分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。通過傳統(tǒng)方法測量結(jié)果與3D掃描方法的測量結(jié)果構(gòu)建回歸方程, 校準(zhǔn)傳統(tǒng)測量方法的準(zhǔn)確度。本研究采用軟件SPSS 21.0和SigmaPlot12.5分別進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

表1 用于簡單幾何近似法計(jì)算的幾何體的表面積公式

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)以3D掃描方法的測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值, 通過公式計(jì)算得到3種傳統(tǒng)方法的表面積測量準(zhǔn)確度(表2)。對于分枝狀的鹿角杯形珊瑚, 簡單幾何近似法的測量準(zhǔn)確度最高, 為94.52%; 石蠟包埋法的準(zhǔn)確度次之, 為83.08%; 錫箔紙包裹法的測量準(zhǔn)確度最低, 僅58.07%; 錫箔紙包裹法和石蠟包埋法的結(jié)果差異較大。對于塊狀的普哥濱珊瑚的表面積測量, 3種方法的測量準(zhǔn)確度差異不大: 簡單幾何近似法的測量準(zhǔn)確度最高, 為72.71%; 石蠟包埋法的準(zhǔn)確度次之, 約68.86%; 錫箔紙包裹法的測量準(zhǔn)確度最低, 為65.27%。錫箔紙包裹法應(yīng)用于形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單的塊狀珊瑚中準(zhǔn)確度更高, 而石蠟包埋法對于形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分枝狀珊瑚的準(zhǔn)確度更高。無論是分枝狀珊瑚還是塊狀珊瑚, 測量準(zhǔn)確度均表現(xiàn)為簡單幾何近似法最高。

表2 3種傳統(tǒng)方法測量珊瑚表面積的準(zhǔn)確度(單位: %)

注:=5。

珊瑚表面積測量結(jié)果中, 石蠟包埋法、錫箔紙包裹法和簡單幾何近似法與3D掃描方法測量結(jié)果均無顯著差異(>0.05)。從表3可以看出, 在鹿角杯形珊瑚的表面積測量中, 簡單幾何近似法與3D掃描方法的結(jié)果最接近, 僅相差0.006~0.1倍; 石蠟包埋法以及錫箔紙包裹法均高估樣品表面積, 其中石蠟包埋法高估了0.19~0.5倍, 錫箔紙包裹法高估了0.42~1.0倍。另外, 簡單幾何近似法的標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation, SD)最小, 實(shí)驗(yàn)的精確性最高; 而錫箔紙包裹法的標(biāo)準(zhǔn)偏差最高, 精確性最低。普哥濱珊瑚的表面積測量中, 石蠟包埋法以及錫箔紙包裹法均高估了0.34~0.86倍左右; 而簡單幾何近似法則低估了0.13~0.26倍左右。3種方法的精確性均較高(表3)。

表3 不同方法測定的鹿角杯形珊瑚(A1—A5)和普哥濱珊瑚(B1—B5)表面積

將3D掃描方法與石蠟包埋法、錫箔紙包裹法以及簡單幾何近似法的測量結(jié)果構(gòu)建回歸方程(圖3)。結(jié)果表明, 除了普哥濱珊瑚表面積的測量中錫箔紙包裹法與3D掃描方法測量結(jié)果的相關(guān)性較低(20.76,>0.05)外, 其他方法均呈現(xiàn)很高的相關(guān)性(2>0.95,<0.05)。

圖3 石蠟包埋法、錫箔紙包裹法和簡單幾何近似法與3D掃描方法測量珊瑚表面積的線性擬合

鹿角杯形珊瑚(a); 普哥濱珊瑚(b); 3D掃描法測量的表面積(ST); 石蠟包埋法測量的表面積(WC); 錫箔紙包裹法測量的表面積(AF); 簡單幾何近似法測量的表面積(SSG)

Fig. 3 Linear regressions among wax coating, aluminium foil, simple geometry and 3D scanning technique for determining surface area.STdenotes surface area of 3D scanning technique;WCdenotes surface area of wax coating;AFdenotes surface area of aluminium foil; andSGdenotes surface area of simple geometry.

樣品的測量時(shí)間是衡量珊瑚表面積測量方法優(yōu)劣的重要參考因素(表4)。4種測量方法中除了石蠟包埋法有嚴(yán)格的時(shí)間控制以外, 其他方法的測量時(shí)間與樣品的大小及形態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度相關(guān)。無論鹿角杯形珊瑚還是普哥濱珊瑚, 3D掃描方法的測量時(shí)間均為最長。在形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單的塊狀普哥濱珊瑚中, 錫箔紙包裹法與簡單幾何近似法的測量時(shí)間較短, 其中錫箔紙包裹法的測量時(shí)間最短。而在形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分枝狀鹿角杯形珊瑚中, 不同的樣品的測量時(shí)間存在差異, 這種差異與珊瑚的形態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度呈正相關(guān)。

表4 4種珊瑚表面積測定方法的測量時(shí)間

注:=5。

3 討論

珊瑚表面積測量的方法眾多, 但是測量結(jié)果的準(zhǔn)確度不一(表5), 因此選取一種測量方法作為基準(zhǔn)是必不可少的。目前3D掃描測量技術(shù)作為評估傳統(tǒng)測量表面積方法準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn), 是測量珊瑚表面積最準(zhǔn)確的方法(Kaandorp et al, 2005; Holmes, 2008; Naumann et al, 2009)。對比利用分辨率為2.5mm的激光掃描技術(shù)測量珊瑚表面積(Holmes, 2008), 或利用計(jì)算機(jī)斷層掃描測量結(jié)果(Computer Tomography, CT)作為標(biāo)準(zhǔn)值(Naumann et al, 2009), 本研究選取單幅精度為0.015mm的結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)測量的珊瑚表面積作為標(biāo)準(zhǔn)值, 其精度高。

雖然3D掃描技術(shù)測量結(jié)果準(zhǔn)確, 但由于設(shè)備昂貴, 對使用者的專業(yè)技能要求較高, 并且測量花費(fèi)時(shí)間較多, 所以傳統(tǒng)的表面積測量方法仍然是許多實(shí)驗(yàn)室的首選(Kikuzawa et al, 2018)。本文通過引用Naumann等(2009)提出的測量準(zhǔn)確度的概念并加以改進(jìn), 以3D掃描方法的測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值, 比較了石蠟包埋法、錫箔紙包裹法以及簡單幾何近似法運(yùn)用于分枝狀的鹿角杯形珊瑚和塊狀的普哥濱珊瑚的測量準(zhǔn)確度, 發(fā)現(xiàn)在形態(tài)結(jié)構(gòu)不同的珊瑚中各方法的準(zhǔn)確度存在差異, 導(dǎo)致形態(tài)結(jié)構(gòu)不同的珊瑚之間的表面積缺少可比性, 因此也間接降低結(jié)構(gòu)不同的珊瑚之間重要的生理指標(biāo)的可比性, 不利于珊瑚生理研究的橫向比較。

表5 珊瑚表面積測量方法的文獻(xiàn)總結(jié)(Holmes, 2008)

利用石蠟包埋法測定珊瑚表面積時(shí), 由于塊狀珊瑚邊緣生長向內(nèi)彎曲導(dǎo)致部分區(qū)域無法包埋, 可能低估其表面積, 因此該法應(yīng)用于分枝狀的鹿角杯形珊瑚的測量準(zhǔn)確度(83.08%)比塊狀的普哥濱珊瑚(68.86%)更高, 這與Naumann等(2009)的測量結(jié)果一致。而同為包埋法的錫箔紙包裹法的測量結(jié)果卻截然相反, 應(yīng)用于鹿角杯形珊瑚時(shí), 其測量準(zhǔn)確度明顯低于石蠟包埋法, 僅為58.07%, 且實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較低; 而在普哥濱珊瑚的表面積測量中, 準(zhǔn)確度為65.27%, 接近于石蠟包埋方法的結(jié)果。這可能是由于分枝狀珊瑚的分枝較多, 使用錫箔紙進(jìn)行包裹時(shí)錫箔紙容易產(chǎn)生折疊或者忽略分枝處的面積, 由此導(dǎo)致錫箔紙包裹法的測量準(zhǔn)確度偏低。因此, 對于分枝狀珊瑚來說, 選擇石蠟、凡士林等滲透性的材料包埋測量珊瑚表面積的準(zhǔn)確度會(huì)更高。但是滲透性材料會(huì)導(dǎo)致珊瑚樣品失活, 破壞樣品的生理特性。而錫箔紙包裹法對珊瑚樣品的損壞程度低, 因此如果實(shí)驗(yàn)樣品需要保存樣品活性, 則可選擇該法。本研究結(jié)果中, 簡單幾何近似法與3D掃描方法的測量結(jié)果最為接近, 鹿角杯形珊瑚的測量準(zhǔn)確度為94.52%, 接近于Naumann等(2009)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(116%)。但是普哥濱珊瑚的準(zhǔn)確度僅為72.71%, 這可能是由于普哥濱珊瑚的形態(tài)結(jié)構(gòu)并沒有吻合度高的相似幾何圖形, 從而導(dǎo)致其準(zhǔn)確度偏低。此外, 簡單幾何近似法相似圖形的選擇受主觀因素影響較大, 同時(shí)受相似圖形的限制, 導(dǎo)致該方法并不適合所有的珊瑚種類(Kikuzawa et al, 2018)。本研究結(jié)果表明, 簡單幾何近似法是傳統(tǒng)表面積測量方法中可重復(fù)性和準(zhǔn)確度最高的方法, 并且由于其操作簡單, 非接觸測量對珊瑚樣品不會(huì)造成任何損害, 能夠保持珊瑚的生理特性, 因此該法適用于珊瑚和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)多個(gè)水平研究。

由于激光容易衰減, 3D掃描測量技術(shù)適用范圍仍然受到限制(如激光掃描不能測量有顏色和放置水中的珊瑚樣品), 而結(jié)構(gòu)光掃描儀也無法識(shí)別顏色較暗的珊瑚, 因此只能測量顏色接近白色的活體珊瑚或者白化的珊瑚骨骼標(biāo)本(Naumann et al, 2009)。此外, 雖然3D掃描技術(shù)在珊瑚分枝水平上測量的準(zhǔn)確度非常高, 但其掃描范圍非常有限, 在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的珊瑚中, 比如亞整體水平、整體水平和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)水平上的準(zhǔn)確度非常低(Holmes, 2008)。因此, 目前3D掃描技術(shù)更多運(yùn)用在珊瑚分枝水平上的測量, 以及作為其他測量方法的標(biāo)準(zhǔn)值分析相關(guān)性, 計(jì)算估算系數(shù)(approximation factors, AF)、表面積指數(shù)(surface index, SI), 以及構(gòu)建回歸方程等(Dahl, 1973; Holmes, 2008; Naumann et al, 2009)。本研究通過簡單線性回歸與相關(guān)性分析, 對傳統(tǒng)測量方法的準(zhǔn)確度進(jìn)行了校準(zhǔn)。通過校準(zhǔn), 采用簡便的傳統(tǒng)測量方法, 便可較為準(zhǔn)確地估算珊瑚表面積以及珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中珊瑚的覆蓋率。對于鹿角杯形珊瑚, 3種傳統(tǒng)測量方法均與3D掃描法表現(xiàn)出很好的相關(guān)性, 其中石蠟包埋法與3D掃描方法的相關(guān)系數(shù)大于0.99, 這與利用激光掃描測量結(jié)果的相關(guān)性相同(Holmes, 2008)。而普哥濱珊瑚除了錫箔紙包裹法與3D掃描法的相關(guān)性較低(僅為0.76), 且方差分析結(jié)果>0.05外, 石蠟包埋法和簡單幾何近似法與3D掃描方法的相關(guān)性較高。因此利用簡單回歸分析構(gòu)建回歸方程對珊瑚表面積測量的傳統(tǒng)方法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)需要根據(jù)珊瑚形態(tài)結(jié)構(gòu)選擇不同的測量方法。比如分枝狀的鹿角杯形珊瑚中3種傳統(tǒng)測量方法均可通過簡單回歸方法進(jìn)行校準(zhǔn); 而塊狀的普哥濱珊瑚中利用簡單回歸方程校準(zhǔn)錫箔紙包裹法的測量結(jié)果的效果不佳, 而石蠟包埋法以及簡單幾何近似法是可行的。

珊瑚表面積測量方法的適用性除了考慮準(zhǔn)確度以外, 測量時(shí)間也是需要衡量的重要因素。在鹿角杯形珊瑚中, 錫箔紙包裹法需要的測量時(shí)間為7~20min, 對于對珊瑚樣品活性有要求的實(shí)驗(yàn), 這種方法并不適合, 因?yàn)樯汉鳂悠烽L時(shí)間暴露于空氣中, 對珊瑚的活性影響很大。而簡單幾何近似法雖然測量時(shí)間比較長, 但主要是因?yàn)閳D片后期處理花費(fèi)的時(shí)間比較多, 而樣品并不需要暴露于空氣中, 所以這種方法仍然適用。因此對于對珊瑚活性要求不高的結(jié)構(gòu)簡單的樣品采用錫箔紙包裹法進(jìn)行測量更節(jié)約時(shí)間; 而對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、分枝較多的樣品, 則石蠟包埋法消耗的時(shí)間更短。對于形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單的普哥濱珊瑚, 錫箔紙包裹法的測量時(shí)間僅為3~5min, 測量時(shí)間最短, 簡單幾何近似法次之, 這兩種方法對樣品活性均不會(huì)造成顯著的影響; 而石蠟包埋法測量時(shí)間長, 并且可導(dǎo)致樣品失活。因此在普哥濱珊瑚表面積測量中, 錫箔紙包裹法和簡單幾何近似法比石蠟包埋法的適用性更高。

隨著3D掃描測量技術(shù)的發(fā)展, 分枝水平上的珊瑚表面積測量已經(jīng)非常準(zhǔn)確, 但其僅適用于珊瑚骨骼表面積測量以及結(jié)構(gòu)簡單的珊瑚分枝。因此, 對于珊瑚表面積的測量仍然需要與其他方法相結(jié)合, 以提高珊瑚表面積測量的準(zhǔn)確度和適用范圍。但是, 與此同時(shí)利用回歸方程對傳統(tǒng)方法測量珊瑚表面積進(jìn)行校準(zhǔn), 依賴于作為標(biāo)準(zhǔn)值的3D掃描技術(shù)測量的準(zhǔn)確度。由于3D掃描測量技術(shù)忽略了珊瑚表層息肉, 低估了活體珊瑚表面積, 因此未來需要通過進(jìn)一步的研究, 找到解決3D掃描技術(shù)僅適用于珊瑚骨骼表面積測量的限制, 例如可通過應(yīng)用不同的層析成像技術(shù)來測量珊瑚活體表面積(馬敏等, 2018)。

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Applicability and calibration methods of three traditional surface area measurement methods for different coral species — based on 3D scanning technology

LIANG Yuxian1, 2, 3, 5, 6, YU Xiaolei1, 2, 3, 5, 6, GUO Yajuan4, HUANG Hui1, 2, 3, 6, ZHOU Weihua1, 2, 3, 6, YUAN Xiangcheng1, 2, 6

1. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China; 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China; 3. Tropical Marine Biological Research Station in Hainan, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China; 4. Testing Center of Marine Environment, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China; 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 6. Hainan Key Laboratory of Marine Biotechnology, Sanya 572000, China

The surface area of scleractinian corals is an important reference parameter required for various researchs of coral biology and coral reef ecology. However, due to its complex morphological structure, the accurate measurement of coral surface area remains difficult. The diversity of measurement methods leads to the unreachable direct comparison of important indicators between different coral species. Thus, it is necessary to make a systematic comparison of different surface area measurement methods in different coral species. Regarding coral surface area measured by 3D scanning technique as standard, this study investigated the accuracy of three traditional measurement methods (wax coating, aluminium foil and simple geometry), discussed the applicability of different methods for corals in different morphology, and calibrated the accuracy of traditional measurement methods by simple regression analysis of two scleractinian corals(massive) and(branching). Results showed that the accuracy of simple geometry method was the highest (72.71% and 94.52%), followed by that of wax coating method (68.86% and 83.08%), and the accuracy of aluminium foil method is the lowest (65.27% and 58.07%) forand, respectively. A strong correlation between 3D scanning method and each of the three traditional measurement methods (2>0.95) was revealed by simple regression analysis, except for the surface area ofmeasured by the aluminium foil method (2=0.762). Overall, to improve the accuracy of traditional coral surface area measurement methods, regression equations constructed by simple regression analysis can be used for calibration.

scleractinian coral; surface area measurement method; 3D scanning technique; simple regression analysis

2019-04-19;

2019-06-19.

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA13020403); National Key Research and Development Program of China (2017YFC0506301); National Natural Science Foundation of China (31370500)

ZHOU Weihua, E-mail: whzhou@scsio.ac.cn; YUAN Xiangcheng, E-mail: xcyuan@scsio.ac.cn

P735

A

1009-5470(2020)01-0085-09

10.11978/2019039

2019-04-19;

2019-06-19。

孫淑杰編輯

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA13020403); 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0506301); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370500)

梁宇嫻(1992—), 女, 廣東省湛江市人, 碩士, 從事珊瑚生物學(xué)和珊瑚礁生態(tài)學(xué)研究。E-mail: liangyuxian17@mails.ucas.ac.cn

周偉華, 袁翔城。E-mail: whzhou@scsio.ac.cn, xcyuan@scsio.ac.cn

*感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所珊瑚生物學(xué)與珊瑚礁生態(tài)學(xué)學(xué)科組全體人員對本論文的完成提供的幫助。

Editor: SUN Shujie