中國(guó)山東省下白堊統(tǒng)袖珍蒙山龍Mengshanosaurus minimus（爬行綱：離龍目）高精度CT三維數(shù)據(jù)集

秦婉瑩，袁夢(mèng)，易鴻宇

1.北京大學(xué)，地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

2.中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所，中國(guó)科學(xué)院脊椎動(dòng)物演化與人類起源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044

3.中國(guó)科學(xué)院生物演化與環(huán)境卓越創(chuàng)新中心，北京 100044

4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）基本信息簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）名稱 袖珍蒙山龍正型標(biāo)本（IVPG-T002）高精度CT三維數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 秦婉瑩、袁夢(mèng)、易鴻宇數(shù)據(jù)通信作者 易鴻宇（yihongyu@ivpp.ac.cn）標(biāo)本產(chǎn)出地層 下白堊統(tǒng)蒙陰組標(biāo)本產(chǎn)地 中國(guó)山東省新泰市寧家溝村北500米處（35°49′13″N，117°49′30″E）CT掃描空間分辨率 7.5197 μm數(shù)據(jù)量 14.0 GB數(shù)據(jù)格式 *.pcr, *.tif, *.stl, *.avi數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00289

基金項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)（集）組成中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）（XDA19050102）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）（XDB18030504，XDB26000000）；中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”計(jì)劃；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41702020）；國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目（41688103）。本數(shù)據(jù)集共包含4個(gè)子數(shù)據(jù)文件：（1）“slice images.zip”數(shù)據(jù)量10.5 GB，是袖珍蒙山龍正型標(biāo)本高精度CT掃描原始數(shù)據(jù)，包含一個(gè)掃描參數(shù)文件（parameter.pcr）和5354張CT掃描原始二維切面圖（*.tif）；（2）“specimen photo and CT model images.zip”數(shù)據(jù)量362 MB，包含一個(gè)標(biāo)本照片文件（holotype photo.tif）和一個(gè)頭骨的三維模型多角度展示圖片文件（Mengshanosaurus minimus CT model images.tif）；（3）“videos.zip”數(shù)據(jù)量2.30 GB，包含3個(gè)視頻文件，展示了頭骨三維CT模型進(jìn)行滾轉(zhuǎn)、俯仰、橫擺旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)圖像（*.avi）；（4）“skull polygon mesh.stl”數(shù)據(jù)量881 MB，包含一個(gè)袖珍蒙山龍頭骨的三維表面多邊形網(wǎng)格模型。

引 言

離龍目是一類生活在中侏羅世至早中新世，現(xiàn)今已經(jīng)絕滅的水生—半水生雙孔類爬行動(dòng)物，具有背腹向扁平的頭骨、邊緣齒為亞槽生齒、具腭面齒、缺失顱頂孔、具腹膜肋等獨(dú)特的形態(tài)特征。目前在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)并有效命名、明確歸入離龍目的化石總共有6科14屬29種，分布于勞亞大陸的歐洲，東亞，和北美地區(qū)[1-24]。離龍類化石在侏羅紀(jì)時(shí)期的屬種豐度較低；到了早白堊世時(shí)期，屬種豐度明顯增加，并演化出多種生態(tài)－形態(tài)類型（Ecomorphic Types）[25]：體型類似蜥蜴的短吻型，頭骨小、頸部長(zhǎng)、成體體長(zhǎng)在1米左右的長(zhǎng)頸型，以及體長(zhǎng)大于1米，頭骨類似現(xiàn)生食魚(yú)鱷的長(zhǎng)吻型。其中長(zhǎng)吻型離龍也稱新離龍類，具有以下特征與短吻型和長(zhǎng)頸型離龍相區(qū)別：體型較大，吻部長(zhǎng)度占頭骨總長(zhǎng)的比例較大，下顳孔開(kāi)放，顳孔向后外側(cè)擴(kuò)展[2,5-9,12-13,19-20,24]。近年來(lái)的系統(tǒng)發(fā)育研究顯示，新離龍類（Neochoristodera）在離龍類演化樹(shù)上形成單系；但是，受埋藏條件和技術(shù)手段限制，目前對(duì)一些新離龍類的形態(tài)學(xué)信息認(rèn)識(shí)有限，因此新離龍類內(nèi)部各屬種間的演化關(guān)系還未形成定論[20-24,26,27]。

中國(guó)離龍類化石數(shù)量多，種類豐富，囊括了離龍目的3種生態(tài)－形態(tài)類型，如短吻型的滿洲鱷、戲水龍、青龍和黑山龍[17,21-23]，長(zhǎng)頸型的潛龍[1,16]，和長(zhǎng)吻型的伊克昭龍和蒙山龍[13,15,19,24]。這些類群發(fā)現(xiàn)于晚侏羅世—早白堊世的河流與湖泊沉積物中，是中生代陸相生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[28-29]。這些化石記錄顯示中國(guó)是離龍類早期演化輻射的重要地區(qū)，為探討離龍類的屬種分化和生態(tài)分異之間的協(xié)同作用提供了不可多得的研究材料。

離龍類的形態(tài)學(xué)研究多在實(shí)體顯微鏡下進(jìn)行觀察，使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，最高精度為毫米級(jí)。對(duì)于在圍巖中壓扁保存的化石標(biāo)本，如我國(guó)熱河生物群中產(chǎn)出的上千件離龍標(biāo)本[1,4,15-17,19,21,23]，由于這些標(biāo)本往往僅有背面或腹面一側(cè)暴露，顯微鏡下的形態(tài)學(xué)觀察便局限于標(biāo)本暴露出來(lái)的一小部分信息。隨著高精度X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（High-Resolution X-Ray Computered Tomography）在古生物學(xué)研究中逐漸被廣泛應(yīng)用，研究者運(yùn)用X射線對(duì)化石材料進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，同時(shí)利用三維重建、3D打印等手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全方位觀察，數(shù)據(jù)精度可達(dá)微米級(jí)。呂君昌等于1999年運(yùn)用CT掃描對(duì)新離龍類中的孫氏伊克昭龍（Ikechosaurussunailinae）的鼻腔構(gòu)造進(jìn)行切面觀察，指出該類群主鼻腔內(nèi)側(cè)壁發(fā)育有溝嵴狀構(gòu)造，代表了鼻甲（Conchae）的存在，并推測(cè)該構(gòu)造具有調(diào)節(jié)體溫的功能[30]。近兩年對(duì)短吻型離龍侏羅青龍（Coeruleodracojurassicus）和侏儒黑山龍（Heishanosauruspygmaeus）的研究，也采用了CT掃描方法并重建了標(biāo)本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)精度均達(dá)到微米級(jí)[22-23]。對(duì)于新離龍類鱷龍屬（Champsosauruslindoei）頭骨的CT研究，重建了其腦顱內(nèi)的平衡和聽(tīng)覺(jué)器官，為推測(cè)離龍類的聽(tīng)覺(jué)能力提供了新數(shù)據(jù)[31-32]。由此可見(jiàn)，CT掃描和三維重建的技術(shù)手段為研究化石屬種的功能形態(tài)學(xué)和生態(tài)習(xí)性提供了更為豐富的信息，這將是未來(lái)研究離龍類演化的常規(guī)手段。

本文提供的是新離龍類新屬新種——袖珍蒙山龍（Mengshanosaurusminimus）的高精度電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（HRCT）三維數(shù)據(jù)集。袖珍蒙山龍產(chǎn)自山東省，是下白堊統(tǒng)蒙陰組中發(fā)現(xiàn)的第一件離龍類標(biāo)本，系統(tǒng)發(fā)育分析顯示其屬于新離龍類[24]。袖珍蒙山龍正型標(biāo)本頭骨全長(zhǎng)35 mm，是目前已知的最小的新離龍類個(gè)體[24]。目前該新種的頭骨CT掃描原始數(shù)據(jù)尚未上傳到公共數(shù)據(jù)庫(kù)，本文共享了其正型標(biāo)本（IVPG T-002），也是目前已知唯一一件標(biāo)本的頭骨的三維數(shù)據(jù)集，包括CT掃描原始數(shù)據(jù)、三維重建后頭骨CT 模型的照片和視頻、以及頭骨三維表面多邊形網(wǎng)格模型。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 標(biāo)本采集

袖珍蒙山龍正型標(biāo)本（IVPG-T002）由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)李大慶教授的團(tuán)隊(duì)于2012年采自山東省新泰市寧家溝村北 500 米處（35°49′13″N，117°49′30″E）。產(chǎn)出層位為下白堊統(tǒng)蒙陰組，同層位還出產(chǎn)多種爬行類化石，包括鄂爾多斯龜（Ordosemys）、中國(guó)龜（Sinemys）、狼鰭魚(yú)（Lycoptera）和弓鰭魚(yú)（Sinamia）[33]。碎屑鋯石U-Pb測(cè)年法測(cè)得的蒙陰組的地質(zhì)年代為145-136 Ma[34]。

袖珍蒙山龍正型標(biāo)本只保留了頭骨，頭后骨骼未保存。由于標(biāo)本極小，且化石骨骼十分脆弱，常規(guī)的機(jī)械修理只暴露了下頜腹面和腭面的少數(shù)骨骼，顯微鏡下及肉眼觀察所得信息有限（圖1A）。為進(jìn)一步了解化石標(biāo)本的內(nèi)部骨骼結(jié)構(gòu)（圖1B, C），研究者采用了高精度CT掃描方法對(duì)該標(biāo)本進(jìn)行分析[24]。

圖1 袖珍蒙山龍正型標(biāo)本

1.2 高精度CT數(shù)據(jù)采集

袖珍蒙山龍頭骨的CT掃描使用了工業(yè)高精度CT掃描儀phoenix v|tome|x m，數(shù)據(jù)精度為微米級(jí)。掃描－成像過(guò)程原理為利用微焦點(diǎn)X射線球管對(duì)標(biāo)本各個(gè)部位的不同層面進(jìn)行掃描投射，探測(cè)器接收到這些X射線并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光后，先由光電轉(zhuǎn)換器將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像[35]。袖珍蒙山龍頭骨CT掃描參數(shù)設(shè)置如下：電壓為140 kV，電流為120 μA，添加0.5 mm銅濾片，曝光時(shí)間為333毫秒，投影數(shù)量為1800張。三維CT掃描數(shù)據(jù)空間分辨率為7.5197 μm，初步重建后得到5354張二維切面圖像（tif 格式）。這些高精度的掃描數(shù)據(jù)使得后續(xù)進(jìn)行三維重建時(shí)不同骨骼間的縫合線清晰可見(jiàn)，保證了三維重建結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 三維重建

袖珍蒙山龍正型標(biāo)本的三維重建工作所使用的軟件為VGSTUDIO MAX 3.4.0（Volume Graphics，Heidelberg，Germany）。將二維CT切面圖導(dǎo)入軟件堆疊形成三維圖像。導(dǎo)入時(shí)選擇文件菜單，并選擇導(dǎo)入圖像堆棧。在數(shù)據(jù)導(dǎo)入過(guò)程中可設(shè)定三維數(shù)據(jù)的空間分辨率，同時(shí)可以裁減原始掃描圖片，去掉無(wú)化石材料的背景區(qū)域來(lái)減少三維重建所需的電腦內(nèi)存。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后開(kāi)始進(jìn)行三維重建。根據(jù)研究需要，可以從原始數(shù)據(jù)中分割、提取出多個(gè)“感興趣區(qū)”（Region of Interest），每個(gè)感興趣區(qū)對(duì)應(yīng)某一塊或多塊骨骼。不同的感興趣區(qū)可以渲染成不同顏色便于區(qū)分（圖 2）。三維重建完成之后，可以對(duì)相應(yīng)的三維模型進(jìn)行平滑（Smooth）或是修正（Refine）處理。

圖2 袖珍蒙山龍正型標(biāo)本三維模型的二維圖像

1.3.2 三維模型的二維圖像、動(dòng)畫(huà)視頻和三維表面多邊形網(wǎng)格模型的制作流程

標(biāo)本三維模型重建完成后，可保存其二維圖像（圖2），制作從多個(gè)角度觀察三維模型的動(dòng)畫(huà)視頻，也可以提取三維模型的表面多邊形網(wǎng)格模型。本數(shù)據(jù)集中包含的袖珍蒙山龍頭骨 CT模型的二維圖像，在圖像保存時(shí)遵循統(tǒng)一流程：首先選中 VGSTUDIO MAX的三維視圖窗口，顯示比例尺，然后將三維模型調(diào)整適當(dāng)大小，通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型選取不同角度（如背視圖、腹視圖、側(cè)視圖、前視圖、后視圖）分別保存圖像（tif格式，見(jiàn)子數(shù)據(jù)文件specimen photo and CT model images.zip）。制作動(dòng)畫(huà)視頻的流程為：使用VGSTUDIO MAX動(dòng)畫(huà)菜單中的關(guān)鍵幀模式，進(jìn)入編輯頁(yè)面后通過(guò)旋轉(zhuǎn)三維模型定義視頻的旋轉(zhuǎn)方向和角度并設(shè)置每秒鐘的幀數(shù)，生成視頻文件（avi格式，見(jiàn)子數(shù)據(jù)文件videos.zip）。提取三維表面多邊形網(wǎng)格模型的流程為：首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行表面測(cè)定，根據(jù)頭骨三維模型調(diào)整表面測(cè)定選取的灰度值，然后將三維模型的表面導(dǎo)出為多邊形或三角形表面網(wǎng)格文件（stl格式，見(jiàn)子數(shù)據(jù)文件skull polygon mesh）。本文提供的是三維表面三角形網(wǎng)格模型，該數(shù)據(jù)不能直接用于 3D打印；如果后續(xù)有打印需求，可結(jié)合相應(yīng)的 3D打印機(jī)的參數(shù)設(shè)置，在第三方軟件（如Meshlab）中對(duì)該網(wǎng)格模型進(jìn)行優(yōu)化，如減少三角網(wǎng)格數(shù)量或去除多余的網(wǎng)格。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

測(cè)量數(shù)據(jù)顯示袖珍蒙山龍正型標(biāo)本（IVPG-T002）頭骨總長(zhǎng)約35 mm（圖3A），是目前已知最小的新離龍類個(gè)體[24]。根據(jù)其額骨和頂骨之間骨縫未完全閉合，腦顱未完全骨化，推測(cè)該個(gè)體處于生長(zhǎng)發(fā)育階段早期[24]。袖珍蒙山龍為長(zhǎng)吻型離龍，分類學(xué)上屬于離龍目中的新離龍亞目，詳細(xì)的系統(tǒng)古生物學(xué)信息如下：

圖3 基于CT數(shù)據(jù)的測(cè)量

雙孔亞綱Diapsida Osborn, 1903

離龍目Choristodera Cope, 1876

新離龍亞目Neochoristodera Evans and Hecht, 1993

袖珍蒙山龍MengshanosaurusminimusYuan et al., 2021

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

本數(shù)據(jù)集包含袖珍蒙山龍正型標(biāo)本的高精度 CT掃描的原始數(shù)據(jù)和參數(shù)文件，研究者可通過(guò)多種三維重建軟件（VGSTUDIO MAX、Mimics、Dragonfly等）讀取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中的袖珍蒙山龍頭骨三維模型的可靠性，或與其他離龍類頭骨的形態(tài)進(jìn)行對(duì)比。該標(biāo)本為一幼年個(gè)體，因此頭骨除了腦顱區(qū)域保存不完整以外，其他骨骼在化石埋藏過(guò)程中也出現(xiàn)了不同程度的破損?；l(fā)掘及前期機(jī)械修理過(guò)程中盡量維持了標(biāo)本的初始狀態(tài)和完整性，以保證掃描數(shù)據(jù)反映標(biāo)本真實(shí)的狀態(tài)。本文的CT掃描數(shù)據(jù)空間分辨率為7.5197 μm，掃描精度超過(guò)了前人報(bào)道的其他離龍類CT數(shù)據(jù)[22-23,31]。在三維重建工作中，較高的空間分辨率能更清楚地展現(xiàn)化石骨骼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和骨骼間的邊界，提高頭骨三維模型的準(zhǔn)確度（如圖3B）。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集提供了袖珍蒙山龍正型標(biāo)本的高精度 CT掃描原始數(shù)據(jù)和頭骨三維模型。袖珍蒙山龍是目前已知最小的長(zhǎng)吻型離龍類[24]。由于正型標(biāo)本極小，頭骨全長(zhǎng)不超過(guò)50 mm（圖3A），憑借顯微鏡下觀察獲得的形態(tài)學(xué)信息僅局限于下頜的腹面和部分腭面骨骼，而 CT數(shù)據(jù)展現(xiàn)了一個(gè)基本完整的頭骨，將其頭骨背側(cè)、腦顱的骨化情況顯示出來(lái)，提供了豐富的形態(tài)學(xué)信息。如果沒(méi)有 CT數(shù)據(jù)，袖珍蒙山龍的系統(tǒng)分類研究將十分困難。已報(bào)道的離龍類 CT數(shù)據(jù)包括北美晚白堊世的鱷龍（Champsosaurus）成體頭骨數(shù)據(jù)[31]，亞洲中晚侏羅世的侏羅青龍成體頭骨數(shù)據(jù)[22]，以及亞洲早白堊世的孫氏伊克昭龍的鼻部構(gòu)造數(shù)據(jù)[30]、侏儒黑山龍成體的頭骨數(shù)據(jù)[23]。但是，目前僅有近期發(fā)表的鱷龍頭骨CT原始數(shù)據(jù)上傳到了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放數(shù)據(jù)平臺(tái)[31]。離龍類CT數(shù)據(jù)的逐步積累，將加深對(duì)該類群頭骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)如腦顱、半規(guī)管的認(rèn)識(shí)，有助于深入研究離龍類及水生爬行類嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的演化歷程。數(shù)據(jù)集中的三維表面多邊形網(wǎng)格模型可經(jīng)第三方軟件處理后進(jìn)行頭骨模型的3D打印，應(yīng)用于科研、教學(xué)、科普工作。

致 謝

感謝甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)李大慶教授團(tuán)隊(duì)采集標(biāo)本。感謝英華檢測(cè)（上海）有限公司提供標(biāo)本高精度CT掃描條件。