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(duì)不同珊瑚表面積測(cè)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(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 海洋環(huán)境檢測(cè)中心, 廣東 廣州 510301;5. 中國(guó)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(cè)量十分困難。由于測(cè)量方法的不同, 導(dǎo)致不同珊瑚之間的重要指標(biāo)無(wú)法被直接比較, 因此系統(tǒng)比較不同的表面積測(cè)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(duì)象, 以3D掃描技術(shù)測(cè)量的珊瑚表面積作為標(biāo)準(zhǔn)值, 對(duì)比石蠟包埋法、錫箔紙包裹法以及簡(jiǎn)單幾何近似法3種傳統(tǒng)方法測(cè)量珊瑚表面積的準(zhǔn)確度; 討論了不同的表面積測(cè)量方法對(duì)于不同形態(tài)結(jié)構(gòu)珊瑚的適用性; 并通過(guò)簡(jiǎn)單回歸分析, 校準(zhǔn)傳統(tǒng)測(cè)量方法的測(cè)量準(zhǔn)確度。研究結(jié)果表明, 無(wú)論在普哥濱珊瑚還是鹿角杯形珊瑚中, 簡(jiǎn)單幾何近似法的測(cè)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(jiǎn)單回歸分析結(jié)果表明, 除了錫箔紙包裹法測(cè)量普哥濱珊瑚表面積與3D掃描測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性較低(2=0.76)外, 其他傳統(tǒng)測(cè)量方法與3D掃描測(cè)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(guò)簡(jiǎn)單回歸分析構(gòu)建回歸方程對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行校準(zhǔn), 以提高傳統(tǒng)方法的測(cè)量準(zhǔn)確度。

造礁石珊瑚; 表面積測(cè)量方法; 3D掃描技術(shù); 簡(jiǎn)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(chóng)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(píng)估以及珊瑚覆蓋率的監(jiān)測(cè)和豐度的估算也與珊瑚表面積的測(cè)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(zhǎng)模式, 例如比值為0.5表示珊瑚的生長(zhǎng)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(duì)于其表面積的準(zhǔn)確測(cè)量較為困難, 從而影響了其各項(xiàng)生理指標(biāo)測(cè)定的準(zhǔn)確性。

包埋法(coating techniques)是利用直接對(duì)比法原理測(cè)量不規(guī)則物體的表面積, 是常用且簡(jiǎn)便的方法, 被廣泛應(yīng)用于珊瑚表面積測(cè)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(duì)珊瑚進(jìn)行包埋, 測(cè)量其表面積。包埋法具有實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單, 材料獲得方便且便宜, 同時(shí)測(cè)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(cè)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(duì)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(guò)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(cè)量(Anderson et al, 1958)。攝影制圖法分為簡(jiǎn)單幾何近似法和高級(jí)攝影制圖法。簡(jiǎn)單幾何近似法利用簡(jiǎn)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(jí)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(cè)量、對(duì)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)量珊瑚的形態(tài)結(jié)構(gòu)和表面積(Kruszyński et al, 2006)以及監(jiān)測(cè)珊瑚覆蓋率和豐度; 利用激光3D掃描測(cè)量珊瑚的表面積等(Holmes et al, 2008)。

造礁石珊瑚的表面積測(cè)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(cè)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(wú)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(cè)量方法的準(zhǔn)確度, 并對(duì)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(cè)量的珊瑚表面積為基準(zhǔn), 對(duì)3種常用的珊瑚表面積測(cè)量方法: 石蠟包埋法、錫箔紙包裹法(aluminium foil, AF)和簡(jiǎn)單幾何近似法(simple geometry, SG), 進(jìn)行了對(duì)比和分析, 探討不同的珊瑚最適合的表面積測(cè)量方法, 并對(duì)測(cè)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(cè)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(guó)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(cè)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(duì)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(duì)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(guò)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(jiǎn)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(guò)多次掃描結(jié)合獲得較完整的實(shí)物模型, 再通過(guò)曲面模型重構(gòu), 對(duì)采集的3D數(shù)據(jù)進(jìn)行融合, 選擇平滑融合模式, 并對(duì)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(jiǎn)單幾何近似法

將珊瑚分枝黏固在邊長(zhǎng)為2.2cm的正方形陶瓷基座上, 使用相機(jī)對(duì)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(huà)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?qǐng)D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(jiàn)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(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值, 通過(guò)對(duì)Naumann等(2009)提出的測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度。

傳統(tǒng)測(cè)量方法包括石蠟包埋法、錫箔紙包裹法和簡(jiǎn)單幾何近似法。

利用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)以及簡(jiǎn)單回歸分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)傳統(tǒng)方法測(cè)量結(jié)果與3D掃描方法的測(cè)量結(jié)果構(gòu)建回歸方程, 校準(zhǔn)傳統(tǒng)測(cè)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(jiǎn)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(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值, 通過(guò)公式計(jì)算得到3種傳統(tǒng)方法的表面積測(cè)量準(zhǔn)確度(表2)。對(duì)于分枝狀的鹿角杯形珊瑚, 簡(jiǎn)單幾何近似法的測(cè)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(cè)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(duì)于塊狀的普哥濱珊瑚的表面積測(cè)量, 3種方法的測(cè)量準(zhǔn)確度差異不大: 簡(jiǎn)單幾何近似法的測(cè)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(cè)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(jiǎn)單的塊狀珊瑚中準(zhǔn)確度更高, 而石蠟包埋法對(duì)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(wú)論是分枝狀珊瑚還是塊狀珊瑚, 測(cè)量準(zhǔn)確度均表現(xiàn)為簡(jiǎn)單幾何近似法最高。

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

注:=5。

珊瑚表面積測(cè)量結(jié)果中, 石蠟包埋法、錫箔紙包裹法和簡(jiǎn)單幾何近似法與3D掃描方法測(cè)量結(jié)果均無(wú)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(cè)量中, 簡(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(jiǎn)單幾何近似法的測(cè)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(cè)量中錫箔紙包裹法與3D掃描方法測(cè)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(jiǎn)單幾何近似法與3D掃描方法測(cè)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(cè)量的表面積(ST); 石蠟包埋法測(cè)量的表面積(WC); 錫箔紙包裹法測(cè)量的表面積(AF); 簡(jiǎn)單幾何近似法測(cè)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(cè)量時(shí)間是衡量珊瑚表面積測(cè)量方法優(yōu)劣的重要參考因素(表4)。4種測(cè)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(cè)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(wú)論鹿角杯形珊瑚還是普哥濱珊瑚, 3D掃描方法的測(cè)量時(shí)間均為最長(zhǎng)。在形態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的塊狀普哥濱珊瑚中, 錫箔紙包裹法與簡(jiǎn)單幾何近似法的測(cè)量時(shí)間較短, 其中錫箔紙包裹法的測(cè)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(cè)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(cè)定方法的測(cè)量時(shí)間

注:=5。

3 討論

珊瑚表面積測(cè)量的方法眾多, 但是測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度不一(表5), 因此選取一種測(cè)量方法作為基準(zhǔn)是必不可少的。目前3D掃描測(cè)量技術(shù)作為評(píng)估傳統(tǒng)測(cè)量表面積方法準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn), 是測(cè)量珊瑚表面積最準(zhǔn)確的方法(Kaandorp et al, 2005; Holmes, 2008; Naumann et al, 2009)。對(duì)比利用分辨率為2.5mm的激光掃描技術(shù)測(cè)量珊瑚表面積(Holmes, 2008), 或利用計(jì)算機(jī)斷層掃描測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確, 但由于設(shè)備昂貴, 對(duì)使用者的專業(yè)技能要求較高, 并且測(cè)量花費(fèi)時(shí)間較多, 所以傳統(tǒng)的表面積測(cè)量方法仍然是許多實(shí)驗(yàn)室的首選(Kikuzawa et al, 2018)。本文通過(guò)引用Naumann等(2009)提出的測(cè)量準(zhǔn)確度的概念并加以改進(jìn), 以3D掃描方法的測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)量方法的文獻(xiàn)總結(jié)(Holmes, 2008)

利用石蠟包埋法測(cè)定珊瑚表面積時(shí), 由于塊狀珊瑚邊緣生長(zhǎng)向內(nèi)彎曲導(dǎo)致部分區(qū)域無(wú)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(cè)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(cè)量結(jié)果一致。而同為包埋法的錫箔紙包裹法的測(cè)量結(jié)果卻截然相反, 應(yīng)用于鹿角杯形珊瑚時(shí), 其測(cè)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(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度偏低。因此, 對(duì)于分枝狀珊瑚來(lái)說(shuō), 選擇石蠟、凡士林等滲透性的材料包埋測(cè)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(duì)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(jiǎn)單幾何近似法與3D掃描方法的測(cè)量結(jié)果最為接近, 鹿角杯形珊瑚的測(cè)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(méi)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(jiǎn)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(jiǎn)單幾何近似法是傳統(tǒng)表面積測(cè)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(jiǎn)單, 非接觸測(cè)量對(duì)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(cè)量技術(shù)適用范圍仍然受到限制(如激光掃描不能測(cè)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(wú)法識(shí)別顏色較暗的珊瑚, 因此只能測(cè)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(cè)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(cè)量, 以及作為其他測(cè)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(guò)簡(jiǎn)單線性回歸與相關(guān)性分析, 對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法的準(zhǔn)確度進(jìn)行了校準(zhǔn)。通過(guò)校準(zhǔn), 采用簡(jiǎn)便的傳統(tǒng)測(cè)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(duì)于鹿角杯形珊瑚, 3種傳統(tǒng)測(cè)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(cè)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(jiǎn)單幾何近似法與3D掃描方法的相關(guān)性較高。因此利用簡(jiǎn)單回歸分析構(gòu)建回歸方程對(duì)珊瑚表面積測(cè)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(cè)量方法。比如分枝狀的鹿角杯形珊瑚中3種傳統(tǒng)測(cè)量方法均可通過(guò)簡(jiǎn)單回歸方法進(jìn)行校準(zhǔn); 而塊狀的普哥濱珊瑚中利用簡(jiǎn)單回歸方程校準(zhǔn)錫箔紙包裹法的測(cè)量結(jié)果的效果不佳, 而石蠟包埋法以及簡(jiǎn)單幾何近似法是可行的。

珊瑚表面積測(cè)量方法的適用性除了考慮準(zhǔn)確度以外, 測(cè)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(cè)量時(shí)間為7~20min, 對(duì)于對(duì)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(zhǎng)時(shí)間暴露于空氣中, 對(duì)珊瑚的活性影響很大。而簡(jiǎn)單幾何近似法雖然測(cè)量時(shí)間比較長(zhǎng), 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(duì)于對(duì)珊瑚活性要求不高的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的樣品采用錫箔紙包裹法進(jìn)行測(cè)量更節(jié)約時(shí)間; 而對(duì)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(duì)于形態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的普哥濱珊瑚, 錫箔紙包裹法的測(cè)量時(shí)間僅為3~5min, 測(cè)量時(shí)間最短, 簡(jiǎn)單幾何近似法次之, 這兩種方法對(duì)樣品活性均不會(huì)造成顯著的影響; 而石蠟包埋法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng), 并且可導(dǎo)致樣品失活。因此在普哥濱珊瑚表面積測(cè)量中, 錫箔紙包裹法和簡(jiǎn)單幾何近似法比石蠟包埋法的適用性更高。

隨著3D掃描測(cè)量技術(shù)的發(fā)展, 分枝水平上的珊瑚表面積測(cè)量已經(jīng)非常準(zhǔn)確, 但其僅適用于珊瑚骨骼表面積測(cè)量以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的珊瑚分枝。因此, 對(duì)于珊瑚表面積的測(cè)量仍然需要與其他方法相結(jié)合, 以提高珊瑚表面積測(cè)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(duì)傳統(tǒng)方法測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確度。由于3D掃描測(cè)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(lái)需要通過(guò)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(cè)量的限制, 例如可通過(guò)應(yīng)用不同的層析成像技術(shù)來(lái)測(cè)量珊瑚活體表面積(馬敏等, 2018)。

郭亞娟, 周偉華, 袁翔城, 等, 2018. 兩種造礁石珊瑚對(duì)海水酸化和溶解有機(jī)碳加富的響應(yīng)[J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 37(1): 57–63. GUO YAJUAN, ZHOU WEIHUA, YUAN XIANGCHENG, et al, 2018. Responses of two species of reef-building corals to acidification and dissolved organic carbon enrichment[J]. Journal of tropical oceanography, 37(1): 57–63 (in Chinese with English abstract).

林靜, 湯汶, 萬(wàn)韜阮, 2013. 基于結(jié)構(gòu)光的3D激光掃描儀系統(tǒng)研究[J]. 微處理機(jī), 34(2): 78–80. LIN JING, TANG WEN, WAN TAORUAN, 2013. Study to the low-cost 3D laser scanner based on structured light[J]. Microprocessors, 34(2): 78–80 (in Chinese with English abstract).

馬敏, 王伯波, 閆超奇, 等, 2018. 基于旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像技術(shù)圖像融合算法[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 39(1): 43–46. MA MIN, WANG BOBO, YAN CHAOQI, et al, 2018. Image fusion algorithm-based rotating electrodes for electrical capacitance tomography[J]. Acta Metrologica Sinica, 39(1): 43–46 (in Chinese with English abstract).

周潔, 2012. 海洋酸化對(duì)海南三亞珊瑚共生蟲(chóng)黃藻密度和光合效率影響的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 廣州: 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所: 1–82. ZHOU Jie, 2012. Experimental study on the impact of ocean acidification on photosynthesis efficiency of symbiotic zooxanthellae of corals from Sanya Bay, China[D]. Guangzhou: South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences: 1–82 (in Chinese with English abstract).

ANDERSON A E, JONAS E C, ODUM H T, 1958. Alteration of clay minerals by digestive processes of marine organisms[J]. Science, 127(3291): 190–191.

ANDRéFOU?T S, ROUX L, CHANCERELLE Y, et al, 2000. A fuzzy-possibilistic scheme of study for objects with indeterminate boundaries: application to French Polynesian reefscapes[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 38(1): 257–270.

Bythell J, Pan P, Lee J, 2001. Three-dimensional morphometric measurements of reef corals using underwater photogrammetry techniques[J]. Coral Reefs, 20(3): 193–199.

Camp E F, Nitschke M R, Rodolfo-Metalpa R, et al, 2017. Reef-building corals thrive within hot-acidified and deoxygenated waters[J]. Scientific Reports, 7(1): 2434.

Cesar H, Burke L, Pet-soede L, 2003. The economics of worldwide coral reef degradation[M]. Arnhem, Netherlands: Cesar Environmental Economics Consulting: 1–23.

CHANCERELLE Y, 2000. Méthodes d’estimation des surfaces développées de coraux scléractiniaires à l’échelle d’une colonie ou d’un peuplement[J]. Oceanologica Acta, 23(2): 211–219.

Cocito S, Sgorbini S, Peirano A, et al, 2003. 3-D reconstruction of biological objects using underwater video technique and image processing[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 297(1): 57–70.

Courtney L A, Fisher W S, Raimondo S, et al, 2007. Estimating 3-dimensional colony surface area of field corals[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 351(1–2): 234–242.

Dahl A L, 1973. Surface area in ecological analysis: quantification of benthic coral-reef algae[J]. Marine Biology, 23(4): 239–249.

Ferrari R, Figueira W F, PRATCHETT M S, et al, 2017. 3D photogrammetry quantifies growth and external erosion of individual coral colonies and skeletons[J]. Scientific Reports, 7(1): 16737.

FUKUNAGA A, BURNS J H R, CRAIG B K, et al, 2019. Integrating three-dimensional benthic habitat characterization techniques into ecological monitoring of coral reefs[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 7(2): 27.

Hoegh-Guldberg O, 1988. A method for determining the surface area of corals[J]. Coral Reefs, 7(3): 113–116.

Holmes G, 2008. Estimating three-dimensional surface areas on coral reefs[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 365(1): 67–73.

House J E, Brambilla V, Bidaut L M, et al, 2018. Moving to 3D: relationships between coral planar area, surface area and volume[J]. PeerJ, 6(2): e4280.

Huang Hui, Yuan XiangCheng, Cai WeiJun, et al, 2014. Positive and negative responses of coral calcification to elevatedCO2: case studies of two coral species and the implications of their responses[J]. Marine Ecology Progress Series, 502: 145–156.

Kaandorp J A, Kübler J E, 2001. The algorithmic beauty of seaweeds, sponges and corals[M]. Berlin, Germany: Springer: 1–193.

KAANDORP J A, SLOOT P M A, MERKS R M H, et al, 2005. Morphogenesis of the branching reef coral[J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 272(1559): 127–133.

KIKUZAWA Y P, TOH T C, NG C S L, et al, 2018. Quantifying growth in maricultured corals using photogrammetry[J]. Aquaculture Research, 49(6): 2249–2255.

Kruszyński K J, VAN Liere R, Kaandorp J A, 2006. An interactive visualization system for quantifying coral structures[C]//Proceedings of the 8th joint Eurographics/IEEE VGTC conference on visualization. Lisbon, Portugal: Eurographics Association Aire-la-Ville: 283–290.

LESSER M P, MORROW K M, PANKEY S M, et al, 2018. Diazotroph diversity and nitrogen fixation in the coralfrom the Great Barrier Reef[J]. The ISME Journal, 12(3): 813–824.

MADIN J S, HOOGENBOOM M O, CONNOLLY S R, et al, 2016. A trait-based approach to advance coral reef science[J]. Trends in Ecology & Evolution, 31(6): 419–428.

Marsh J A JR, 1970. Primary productivity of reef-building calcareous red algae[J]. Ecology, 51(2): 255–263.

Meyer J L, Schultz E T, 1985. Tissue condition and growth rate of corals associated with schooling fish[J]. Limnology and Oceanography, 30(1): 157–166.

Naumann M S, Niggl W, Laforsch C, et al, 2009. Coral surface area quantification–evaluation of established techniques by comparison with computer tomography[J]. Coral Reefs, 28(1): 109–117.

Odum H T, Odum E P, 1955. Trophic structure and productivity of a windward coral reef community on Eniwetok atoll[J]. Ecological Monographs, 25(3): 291–320.

Stimson J, Kinzie III R A, 1991. The temporal pattern and rate of release of zooxanthellae from the reef coral(Linnaeus) under nitrogen-enrichment and control conditions[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 153(1): 63–74.

Szmant-Froelich A, Reutter M, Riggs L, 1985. Sexual reproduction of(Esper): lunar patterns of gametogenesis, embryogenesis and planulation in Puerto Rico[J]. Bulletin of Marine Science, 37(3): 880–892.

Tubiello F N, Amthor J S, Boote K J, et al, 2007. Crop response to elevated CO2and world food supply: a comment on “Food for Thought…” by Long et al., Science 312:1918–1921, 2006[J]. European Journal of Agronomy, 26(3): 215–223.

Vollmer S V, Edmunds P J, 2000. Allometric scaling in small colonies of the scleractinian coral Siderastrea siderea (Ellis and Solander)[J]. Biological Bulletin, 199(1): 21–28.

Vytopil E, Willis B, 2001. Epifaunal community structure inspp. (Scleractinia) on the Great Barrier Reef: implications of coral morphology and habitat complexity[J]. Coral Reefs, 20(3): 281–288.

Wildgruber D, Riecker A, Hertrich I, et al, 2005. Identification of emotional intonation evaluated by fMRI[J]. NeuroImage, 24(4): 1233–1241.

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(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA13020403); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0506301); 國(guó)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(guó)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(duì)本論文的完成提供的幫助。

Editor: SUN Shujie