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Journal of Tropical Oceanography >

2020 , Vol. 39 >Issue 1: 85 - 93

DOI: https://doi.org/10.11978/2019039

Marine Biology

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

  • LIANG Yuxian 1, 2, 3, 5, 6 ,
  • YU Xiaolei 1, 2, 3, 5, 6 ,
  • GUO Yajuan 4 ,
  • HUANG Hui 1, 2, 3, 6 ,
  • ZHOU Weihua , 1, 2, 3, 6 ,
  • YUAN Xiangcheng , 1, 2, 6
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  • 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
ZHOU Weihua, E-mail: 。
YUAN Xiangcheng, E-mail:

Received date: 2019-04-19

  Request revised date: 2019-06-19

  Online published: 2020-01-09

Supported by

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)

Copyright

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

Abstract

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 Porites pukoensis (massive) and Pocillopora damicornis (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%) for P. pukoensis and P. damicornis, respectively. A strong correlation between 3D scanning method and each of the three traditional measurement methods (r2>0.95) was revealed by simple regression analysis, except for the surface area of P. pukoensis measured by the aluminium foil method (r2=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.

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

Cite this article

LIANG Yuxian , YU Xiaolei , GUO Yajuan , HUANG Hui , ZHOU Weihua , YUAN Xiangcheng . Applicability and calibration methods of three traditional surface area measurement methods for different coral species — based on 3D scanning technology[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2020 , 39(1) : 85 -93 . DOI: 10.11978/2019039

*感谢中国科学院南海海洋研究所珊瑚生物学与珊瑚礁生态学学科组全体人员对本论文的完成提供的帮助。
珊瑚礁是地球上生物多样性及生产力最高的生态系统之一, 具有重要的经济价值和生态服务功能(Cesar et al, 2003)。造礁石珊瑚作为珊瑚礁生态系统的框架生物, 是研究珊瑚礁生态系统的基础。造礁石珊瑚根据其形态结构, 可分为分枝状珊瑚和块状珊瑚等(Naumann et al, 2009), 比如鹿角杯形珊瑚Pocillopora damicornis、美丽鹿角珊瑚Acropora formosa、风信子鹿角珊瑚Acropora hyacinthus、箭排孔珊瑚Seriatopora hystrix等为分枝状珊瑚, 中华扁脑珊瑚Platygyra sinensis、澄黄滨珊瑚Porites lutea等为块状珊瑚。
珊瑚表面积是研究造礁石珊瑚各种生理指标的重要参数。造礁石珊瑚的钙化速率、光合速率、呼吸速率、共生虫黄藻密度以及叶绿素a含量等重要生理指标最终均需归一化于表面积(周洁, 2012; Huang et al, 2014; Camp et al, 2017; 郭亚娟 等, 2018)。同时, 珊瑚礁生态系统的评估以及珊瑚覆盖率的监测和丰度的估算也与珊瑚表面积的测量息息相关(Ferrari et al, 2017; House et al, 2018)。Madin等(2016)利用珊瑚表面积与体积的比值, 代表10种珊瑚的生长模式, 例如比值为0.5表示珊瑚的生长模式为块状或柱状。但是造礁石珊瑚的形态结构复杂, 因此对于其表面积的准确测量较为困难, 从而影响了其各项生理指标测定的准确性。
包埋法(coating techniques)是利用直接对比法原理测量不规则物体的表面积, 是常用且简便的方法, 被广泛应用于珊瑚表面积测量中, 例如利用石蜡(Stimson et al, 1991)、锡箔纸(Marsh, 1970)、染料亚甲基蓝(Hoegh-Guldberg, 1988)、凡士林(Odum et al, 1955)等对珊瑚进行包埋, 测量其表面积。包埋法具有实验操作简单, 材料获得方便且便宜, 同时测量结果比较准确等优点。因此, 石蜡包埋法(Wax Coating, WC)是目前测量珊瑚表面积最常用的方法(Andréfouët et al, 2000; Vollmer et al, 2000; Vytopil et al, 2001; Wildgruber et al, 2005; Lesser et al, 2018; 郭亚娟 等, 2018)。该方法的缺点是对样品具有破坏性, 甚至可导致珊瑚死亡。
摄影制图法是通过获取目标的二维图像结合几何建模软件进行表面积估算, 较早地被应用于海洋生物表面积的测量(Anderson et al, 1958)。摄影制图法分为简单几何近似法和高级摄影制图法。简单几何近似法利用简单的图形相似性逻辑, 把不规则形状物体近似为相似的规则图形进行表面积计算(Naumann et al, 2009); 而高级摄影制图法则将二维图像结合计算机算法重构三维模型, 从而计算三维结构的表面积(Ferrari et al, 2017; House et al, 2018; Fukunaga et al, 2019)。由于该方法具有可进行原位测量、对样品破坏性小和易操作等优点, 已被应用于珊瑚覆盖率的估算以及生物学样品表面积的测量(Szmant-Froelich et al, 1985; Tubiello et al, 2007; Ferrari et al, 2017; House et al, 2018)。
3D扫描技术(3D scanning technique, ST) 是通过非接触方式扫描或摄影获取物体的深度信息, 结合计算机的精密算法, 利用目标物体的三维数据重构三维物体模型, 获得真实物体的几何形状, 从而计算其表面积(林静 等, 2013)。该方法精度高, 是提高物体表面积测量准确度的重要手段, 已逐渐地被应用于珊瑚礁的研究中, 例如: 利用X-射线计算机断层摄影设备(X-ray computed tomography system, X-CT)测量珊瑚的形态结构和表面积(Kruszyński et al, 2006)以及监测珊瑚覆盖率和丰度; 利用激光3D扫描测量珊瑚的表面积等(Holmes et al, 2008)。
造礁石珊瑚的表面积测量方法众多, 不同的方法适用于不同形态结构的珊瑚; 同时由于测量方法的准确度不一, 导致不同珊瑚的生理和生态学指标无法直接比较。因此, 有必要引入一个标准值, 系统地比较不同测量方法的准确度, 并对其进行校准, 以增强不同研究结果之间的可比性。本文以3D扫描技术测量的珊瑚表面积为基准, 对3种常用的珊瑚表面积测量方法: 石蜡包埋法、锡箔纸包裹法(aluminium foil, AF)和简单几何近似法(simple geometry, SG), 进行了对比和分析, 探讨不同的珊瑚最适合的表面积测量方法, 并对测量方法进行了校准, 以期为造礁石珊瑚表面积的准确测量提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2018年10月7日于位于三亚鹿回头的中国科学院海南热带海洋生物实验站外侧海域采集块状的普哥滨珊瑚和分枝状的鹿角杯形珊瑚各一株。分别分离出若干珊瑚小分块(枝), 利用阿隆发胶将分块(枝)黏固在陶瓷基座上(图1a、b)。将样品直接烘干或10%甲醛浸泡后烘干, 每种珊瑚取5个样本(图1c、d)。
图1 珊瑚表面积测量样品

a. 普哥滨珊瑚活体; b. 鹿角杯形珊瑚活体; c. 处理后的普哥滨珊瑚样品; d, 处理后的鹿角杯形珊瑚样品

Fig. 1 Coral samples for surface area measurement; Living P.

pukoensis (a); Living P. damicornis (b); P. pukoensis after treatments (c); P. damicornis after treatments (d)

1.2 石蜡包埋法

选取7种规格(半径为0.4、0.5、0.6、0.75、1.0、1.25、1.5cm, n=5)的木质圆柱体作为标准物, 因不同材质的物体对石蜡的吸附量存在差异, 故需要包埋两层石蜡。第一层裹蜡将物体表面密封, 以减少样品与标准物之间的误差。第二层裹蜡前后的重量差与表面积成正比。
具体的操作步骤是: 将固态石蜡置于1L的烧杯中, 水浴加热至70±2℃, 待石蜡完全溶解后, 对木质标准物以及珊瑚样品进行石蜡包埋。第一层石蜡包埋: 将样品浸泡至石蜡溶液中2s, 取出并轻微摇晃, 避免形成蜡滴, 室温放置5min后称取初始重量; 然后进行第二次石蜡包埋: 将样品浸泡在石蜡溶液中5s, 其余步骤与第一层包埋步骤相同, 室温放置5min(图2a, 2b)后称取末重量。通过木质标准物的表面积与重量差构建回归方程, 得到简单回归方程式(y=33.25x+3.68, r2=0.99), 将珊瑚样品的重量差代入方程式, 计算得到珊瑚表面积(Stimson et al, 1991)。
图2 不同方法测量珊瑚表面积

鹿角杯形珊瑚(a, c, e); 普哥滨珊瑚(b, d, f); 石蜡包埋法(a, b); 3D扫描方法(c, d); 简单几何近似法(e, f)

Fig. 2 Techniques for coral surface area quantification applied in this study: P..

damicornis specimen (a, c, e); P. pukoensis specimen (b, d, f). The methods are wax coating (a, b); 3D scanning technique (c, d); and simple geometry (e, f)

1.3 锡箔纸包裹法

选取3个正方形的锡箔纸, 表面积分别为25cm2、100cm2、144cm2, 将其表面积与质量构建回归方程(y=259.21x+0.0009, r2=0.9999)。用锡箔纸将样品包裹, 尽量使锡箔纸均匀铺在物体表面, 减少折叠。然后将锡箔纸取下并称取其重量, 代入方程式计算得到珊瑚表面积。

1.4 3D扫描法

本文利用结构光3D扫描仪(JTscan-MS)进行测定, 其单幅精度为0.015mm, 点距为0.08mm。将样品放置于电动转盘上进行360°扫描, 每个样品扫描12次, 然后进行融合得到初步的立体实物模型。若构建的实物模型存在较大的空缺, 则将样品进行二次扫描, 将两次扫描得到的模型进行融合, 填补空缺。经过多次扫描结合获得较完整的实物模型, 再通过曲面模型重构, 对采集的3D数据进行融合, 选择平滑融合模式, 并对未扫描到的点进行插补, 从而得到完整的实物数据模型(图2c、d)。利用Wrap软件将得到的实物模型进行后期处理, 将多余的杂质剪截, 最终计算得到样品的表面积。

1.5 简单几何近似法

将珊瑚分枝黏固在边长为2.2cm的正方形陶瓷基座上, 使用相机对样品5个面进行拍照(左右侧面、正背面和俯视面)。根据图形相似性, 使用画图软件将珊瑚样品每部分近似为相似的规则图形(图2e、f)。按照图片与基座实际大小的比例计算各部分表面积(表面积公式见表1), 将各部分表面积相加即为样品总表面积。
表1 用于简单几何近似法计算的几何体的表面积公式

Tab. 1 Area equations for geometric shapes and forms used in Simple Geometry approximation calculations

几何体 表面积公式
圆台 S=π(r²+Rl+rl)
圆柱 S=πr(r+2h)
三角形 S=ah/2
半球 S=2πr²
梯形 S=(a1+a2)h/2

注: R为圆台下底的半径; r为圆台上底、圆柱、半球的半径; l=$\sqrt{{{(R-r)}^{2}}+{{h}^{2}}}$; a为三角形的底边; a1为梯形上底边; a2为梯形下底边。

1.6 数据分析

本实验以3D扫描法测量结果为标准值, 通过对Naumann等(2009)提出的测量准确度的公式进行修改, 计算传统方法的表面积测量准确度。
$表面积测量准确度\%=100-\frac{|传统方法测量结果-3D扫描法测量结果|}{3D扫描法测量结果}\times 100$
传统测量方法包括石蜡包埋法、锡箔纸包裹法和简单几何近似法。
利用独立样本T检验以及简单回归分析方法进行数据统计分析。通过传统方法测量结果与3D扫描方法的测量结果构建回归方程, 校准传统测量方法的准确度。本研究采用软件SPSS 21.0和SigmaPlot12.5分别进行数据统计分析和作图。

2 结果

实验以3D扫描方法的测量结果为标准值, 通过公式计算得到3种传统方法的表面积测量准确度(表2)。对于分枝状的鹿角杯形珊瑚, 简单几何近似法的测量准确度最高, 为94.52%; 石蜡包埋法的准确度次之, 为83.08%; 锡箔纸包裹法的测量准确度最低, 仅58.07%; 锡箔纸包裹法和石蜡包埋法的结果差异较大。对于块状的普哥滨珊瑚的表面积测量, 3种方法的测量准确度差异不大: 简单几何近似法的测量准确度最高, 为72.71%; 石蜡包埋法的准确度次之, 约68.86%; 锡箔纸包裹法的测量准确度最低, 为65.27%。锡箔纸包裹法应用于形态结构简单的块状珊瑚中准确度更高, 而石蜡包埋法对于形态结构复杂的分枝状珊瑚的准确度更高。无论是分枝状珊瑚还是块状珊瑚, 测量准确度均表现为简单几何近似法最高。
表2 3种传统方法测量珊瑚表面积的准确度(单位: %)

Tab. 2 Accuracy of three traditional techniques applied in coral surface area measurement (units: %)

方法 鹿角杯形珊瑚 普哥滨珊瑚
石蜡包埋法 83.08±11.28 68.86±8.19
锡箔纸包裹法 58.07±6.70 65.27±8.32
简单几何近似法 94.52±7.31 72.71±12.30

注: n=5。

珊瑚表面积测量结果中, 石蜡包埋法、锡箔纸包裹法和简单几何近似法与3D扫描方法测量结果均无显著差异(p>0.05)。从表3可以看出, 在鹿角杯形珊瑚的表面积测量中, 简单几何近似法与3D扫描方法的结果最接近, 仅相差0.006~0.1倍; 石蜡包埋法以及锡箔纸包裹法均高估样品表面积, 其中石蜡包埋法高估了0.19~0.5倍, 锡箔纸包裹法高估了0.42~1.0倍。另外, 简单几何近似法的标准偏差(standard deviation, SD)最小, 实验的精确性最高; 而锡箔纸包裹法的标准偏差最高, 精确性最低。普哥滨珊瑚的表面积测量中, 石蜡包埋法以及锡箔纸包裹法均高估了0.34~0.86倍左右; 而简单几何近似法则低估了0.13~0.26倍左右。3种方法的精确性均较高(表3)。
表3 不同方法测定的鹿角杯形珊瑚(A1—A5)和普哥滨珊瑚(B1—B5)表面积

Tab. 3 Surface area values for P. damicornis (A1-A5) and P. pukoensis (B1-B5) obtained by different techniques

样品编号 3D扫描方法 石蜡包埋法 锡箔纸包裹法 简单几何近似法
表面积/cm2 SD 表面积/cm2 SD 表面积/cm2 SD 表面积/cm2 SD
A1 37.59 0.84 38.68 6.43 55.42 2.73 37.07 0.49
A2 14.13 0.49 19.06 1.45 28.30 3.81 14.22 0.70
A3 11.46 0.08 14.83 2.57 20.74 3.96 11.26 0.78
A4 31.20 0.06 31.70 2.84 46.57 7.82 30.66 0.47
A5 8.95 0.09 13.49 1.28 18.28 3.54 8.65 0.37
B1 20.82 0.15 27.92 2.85 34.76 2.99 23.90 1.22
B2 19.94 0.09 36.46 3.56 37.09 3.67 14.69 0.74
B3 22.66 0.34 30.44 0.95 32.22 1.05 19.57 1.12
B4 14.46 0.29 20.66 1.18 19.45 1.83 10.28 0.25
B5 15.70 0.24 22.25 1.98 11.90 0.82 11.95 0.26
将3D扫描方法与石蜡包埋法、锡箔纸包裹法以及简单几何近似法的测量结果构建回归方程(图3)。结果表明, 除了普哥滨珊瑚表面积的测量中锡箔纸包裹法与3D扫描方法测量结果的相关性较低(r2=0.76, p>0.05)外, 其他方法均呈现很高的相关性(r2>0.95, p<0.05)。
图3 石蜡包埋法、锡箔纸包裹法和简单几何近似法与3D扫描方法测量珊瑚表面积的线性拟合

鹿角杯形珊瑚(a); 普哥滨珊瑚(b); 3D扫描法测量的表面积(SST); 石蜡包埋法测量的表面积(SWC); 锡箔纸包裹法测量的表面积(SAF); 简单几何近似法测量的表面积(SSG)

Fig. 3 Linear regressions among wax coating, aluminium foil, simple geometry and 3D scanning technique for determining surface area.

SST denotes surface area of 3D scanning technique; SWC denotes surface area of wax coating; SAF denotes surface area of aluminium foil; and SSG denotes surface area of simple geometry.

样品的测量时间是衡量珊瑚表面积测量方法优劣的重要参考因素(表4)。4种测量方法中除了石蜡包埋法有严格的时间控制以外, 其他方法的测量时间与样品的大小及形态结构的复杂程度相关。无论鹿角杯形珊瑚还是普哥滨珊瑚, 3D扫描方法的测量时间均为最长。在形态结构简单的块状普哥滨珊瑚中, 锡箔纸包裹法与简单几何近似法的测量时间较短, 其中锡箔纸包裹法的测量时间最短。而在形态结构复杂的分枝状鹿角杯形珊瑚中, 不同的样品的测量时间存在差异, 这种差异与珊瑚的形态结构的复杂程度呈正相关。
表4 4种珊瑚表面积测定方法的测量时间

Tab. 4 Measuring times of four techniques applied in coral area determination

方法 每个样本的测量时间
鹿角杯形珊瑚/min 普哥滨珊瑚/min
3D扫描方法 10~50 15~60
石蜡包埋法 15±2 15±2
锡箔纸包裹法 7~20 3~5
简单几何近似法 6~30 3~10

注: n=5。

3 讨论

珊瑚表面积测量的方法众多, 但是测量结果的准确度不一(表5), 因此选取一种测量方法作为基准是必不可少的。目前3D扫描测量技术作为评估传统测量表面积方法准确度的标准, 是测量珊瑚表面积最准确的方法(Kaandorp et al, 2005; Holmes, 2008; Naumann et al, 2009 )。对比利用分辨率为2.5mm的激光扫描技术测量珊瑚表面积(Holmes, 2008), 或利用计算机断层扫描测量结果(Computer Tomography, CT)作为标准值(Naumann et al, 2009), 本研究选取单幅精度为0.015mm的结构光3D扫描技术测量的珊瑚表面积作为标准值, 其精度高。
表5 珊瑚表面积测量方法的文献总结(Holmes, 2008)

Tab. 5 Published methods for estimating surface area of corals (Holmes, 2008)

方法 原位测量 珊瑚整体水平测量 珊瑚礁群落水平测量 准确性 参考文献
投影面积 适用 适用 适用 低 Odum et al, 1955
锡箔纸包裹法 不适用 受限制 不适用 较高 Marsh et al, 1970
平面比例估算方法 适用 适用 适用 低 Dahl, 1973; Chancerelle, 2000, Courtney et al, 2007
乳胶包埋法 不适用 受限制 不适用 较高 Meyer et al, 1985
扫描法 不适用 受限制 不适用 高 Kaandorp et al, 2001
染料包埋法 不适用 适用 不适用 较高 Hoegh-Guldberg, 1988
石蜡包埋法 不适用 受限制 不适用 较高 Stimson et al, 1991
摄影测量技术 适用 受限制 不适用 受时间限制 Bythell et al, 2001
3D重构技术 适用 受限制 不适用 受时间限制 Cocito et al, 2003
虽然3D扫描技术测量结果准确, 但由于设备昂贵, 对使用者的专业技能要求较高, 并且测量花费时间较多, 所以传统的表面积测量方法仍然是许多实验室的首选(Kikuzawa et al, 2018)。本文通过引用Naumann等(2009)提出的测量准确度的概念并加以改进, 以3D扫描方法的测量结果为标准值, 比较了石蜡包埋法、锡箔纸包裹法以及简单几何近似法运用于分枝状的鹿角杯形珊瑚和块状的普哥滨珊瑚的测量准确度, 发现在形态结构不同的珊瑚中各方法的准确度存在差异, 导致形态结构不同的珊瑚之间的表面积缺少可比性, 因此也间接降低结构不同的珊瑚之间重要的生理指标的可比性, 不利于珊瑚生理研究的横向比较。
利用石蜡包埋法测定珊瑚表面积时, 由于块状珊瑚边缘生长向内弯曲导致部分区域无法包埋, 可能低估其表面积, 因此该法应用于分枝状的鹿角杯形珊瑚的测量准确度(83.08%)比块状的普哥滨珊瑚(68.86%)更高, 这与Naumann等(2009)的测量结果一致。而同为包埋法的锡箔纸包裹法的测量结果却截然相反, 应用于鹿角杯形珊瑚时, 其测量准确度明显低于石蜡包埋法, 仅为58.07%, 且实验的重复性较低; 而在普哥滨珊瑚的表面积测量中, 准确度为65.27%, 接近于石蜡包埋方法的结果。这可能是由于分枝状珊瑚的分枝较多, 使用锡箔纸进行包裹时锡箔纸容易产生折叠或者忽略分枝处的面积, 由此导致锡箔纸包裹法的测量准确度偏低。因此, 对于分枝状珊瑚来说, 选择石蜡、凡士林等渗透性的材料包埋测量珊瑚表面积的准确度会更高。但是渗透性材料会导致珊瑚样品失活, 破坏样品的生理特性。而锡箔纸包裹法对珊瑚样品的损坏程度低, 因此如果实验样品需要保存样品活性, 则可选择该法。本研究结果中, 简单几何近似法与3D扫描方法的测量结果最为接近, 鹿角杯形珊瑚的测量准确度为94.52%, 接近于Naumann等(2009)的实验结果(116%)。但是普哥滨珊瑚的准确度仅为72.71%, 这可能是由于普哥滨珊瑚的形态结构并没有吻合度高的相似几何图形, 从而导致其准确度偏低。此外, 简单几何近似法相似图形的选择受主观因素影响较大, 同时受相似图形的限制, 导致该方法并不适合所有的珊瑚种类(Kikuzawa et al, 2018)。本研究结果表明, 简单几何近似法是传统表面积测量方法中可重复性和准确度最高的方法, 并且由于其操作简单, 非接触测量对珊瑚样品不会造成任何损害, 能够保持珊瑚的生理特性, 因此该法适用于珊瑚和珊瑚礁生态系统多个水平研究。
由于激光容易衰减, 3D扫描测量技术适用范围仍然受到限制(如激光扫描不能测量有颜色和放置水中的珊瑚样品), 而结构光扫描仪也无法识别颜色较暗的珊瑚, 因此只能测量颜色接近白色的活体珊瑚或者白化的珊瑚骨骼标本(Naumann et al, 2009)。此外, 虽然3D扫描技术在珊瑚分枝水平上测量的准确度非常高, 但其扫描范围非常有限, 在结构复杂的珊瑚中, 比如亚整体水平、整体水平和珊瑚礁生态系统水平上的准确度非常低(Holmes, 2008)。因此, 目前3D扫描技术更多运用在珊瑚分枝水平上的测量, 以及作为其他测量方法的标准值分析相关性, 计算估算系数(approximation factors, AF)、表面积指数(surface index, SI), 以及构建回归方程等(Dahl, 1973; Holmes, 2008; Naumann et al, 2009)。本研究通过简单线性回归与相关性分析, 对传统测量方法的准确度进行了校准。通过校准, 采用简便的传统测量方法, 便可较为准确地估算珊瑚表面积以及珊瑚礁生态系统中珊瑚的覆盖率。对于鹿角杯形珊瑚, 3种传统测量方法均与3D扫描法表现出很好的相关性, 其中石蜡包埋法与3D扫描方法的相关系数大于0.99, 这与利用激光扫描测量结果的相关性相同(Holmes, 2008)。而普哥滨珊瑚除了锡箔纸包裹法与3D扫描法的相关性较低(仅为0.76), 且方差分析结果p>0.05外, 石蜡包埋法和简单几何近似法与3D扫描方法的相关性较高。因此利用简单回归分析构建回归方程对珊瑚表面积测量的传统方法进行校准时需要根据珊瑚形态结构选择不同的测量方法。比如分枝状的鹿角杯形珊瑚中3种传统测量方法均可通过简单回归方法进行校准; 而块状的普哥滨珊瑚中利用简单回归方程校准锡箔纸包裹法的测量结果的效果不佳, 而石蜡包埋法以及简单几何近似法是可行的。
珊瑚表面积测量方法的适用性除了考虑准确度以外, 测量时间也是需要衡量的重要因素。在鹿角杯形珊瑚中, 锡箔纸包裹法需要的测量时间为7~20min, 对于对珊瑚样品活性有要求的实验, 这种方法并不适合, 因为珊瑚样品长时间暴露于空气中, 对珊瑚的活性影响很大。而简单几何近似法虽然测量时间比较长, 但主要是因为图片后期处理花费的时间比较多, 而样品并不需要暴露于空气中, 所以这种方法仍然适用。因此对于对珊瑚活性要求不高的结构简单的样品采用锡箔纸包裹法进行测量更节约时间; 而对于结构比较复杂、分枝较多的样品, 则石蜡包埋法消耗的时间更短。对于形态结构简单的普哥滨珊瑚, 锡箔纸包裹法的测量时间仅为3~5min, 测量时间最短, 简单几何近似法次之, 这两种方法对样品活性均不会造成显著的影响; 而石蜡包埋法测量时间长, 并且可导致样品失活。因此在普哥滨珊瑚表面积测量中, 锡箔纸包裹法和简单几何近似法比石蜡包埋法的适用性更高。
随着3D扫描测量技术的发展, 分枝水平上的珊瑚表面积测量已经非常准确, 但其仅适用于珊瑚骨骼表面积测量以及结构简单的珊瑚分枝。因此, 对于珊瑚表面积的测量仍然需要与其他方法相结合, 以提高珊瑚表面积测量的准确度和适用范围。但是, 与此同时利用回归方程对传统方法测量珊瑚表面积进行校准, 依赖于作为标准值的3D扫描技术测量的准确度。由于3D扫描测量技术忽略了珊瑚表层息肉, 低估了活体珊瑚表面积, 因此未来需要通过进一步的研究, 找到解决3D扫描技术仅适用于珊瑚骨骼表面积测量的限制, 例如可通过应用不同的层析成像技术来测量珊瑚活体表面积(马敏 等, 2018)。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
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