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  • Artec Space Spider協(xié)助測量氣候變化對鳥類體形的變化

  • 發(fā)布時間:2023-12-15
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  • 挑戰(zhàn):澳大利亞研究員始終致力于研究不同的鳥類,以測量在過去100年間,它們?yōu)閼?yīng)對全球變暖而出現(xiàn)的體形變化。研究員們需要一種快速、精準(zhǔn)又簡便的方式來記錄博物館收藏的86種鳥類、上千個鳥喙的精確尺寸。

    解決方案:Artec Space Spider, Artec Studio

    效果:使用手持式三維掃描儀Artec Space Spider,每只鳥都能在短短兩分鐘內(nèi)完成亞毫米級的彩色3D捕獲。這樣,只需去一次博物館就能完成30-50只鳥的掃描。每只鳥的掃描處理也只需要6分鐘不到。最終完成的掃描數(shù)據(jù)表明,在過去一個世紀,鳥喙大約變大了4%-10%。



    博士生Sara Ryding用Artec Space Spider掃描澳洲粉紅鳳頭鸚鵡(Eolophus roseicapilla)(供圖:Sara Ryding)

    全球變暖的嚴重影響已經(jīng)持續(xù)了幾十年:全球不少鳥類都在應(yīng)對溫度上升的過程中出現(xiàn)了體形變化,包括喙、腿和其他部位,這表明它們和環(huán)境不斷斗爭,只為生存。

    這種變化是如何幫助它們應(yīng)對氣溫升高的,目前只能用鮮有人知的“艾倫法則”來解釋。19世紀,這條生物進化規(guī)則表明,溫暖氣候下的動物通常有更大的器官,如耳、喙、尾、四肢。

    由于許多器官沒有被毛皮或羽毛覆蓋,所以這些結(jié)構(gòu)本身起到了熱輻射器的作用,來散發(fā)熱量,讓身體降溫至舒適溫度。

    火烈鳥的紅外圖顯示它們通過喙和腿來散熱(供圖:Glenn Tattersall)

    非洲象利用耳部散熱,老鼠通過尾巴,而鳥類則通過喙和腿。

    鳥類體溫調(diào)節(jié)原理

    如果我們進一步探究鳥類天生的體溫調(diào)節(jié)功能,就會發(fā)現(xiàn)大自然是如此鬼斧神工,這種散熱模式十分高效。首先,是鳥類身體有效的調(diào)溫器——喙。如果不仔細觀察,你會以為鳥喙是由類似樹皮一樣的惰性材料構(gòu)成的。

    來自南非卡拉哈里沙漠的雌性南方黃嘴犀鳥(Tockus leucomelas)喙部含有大量血管(供圖:T. van de Ven, UCT)

    其實,喙部也是活生生的器官,含有大量血管,有豐富的血管分支。舉個形象的例子,鳥類身體需要在睡眠時降溫,這時,它們會向喙部傳輸更多血液,將身體多余的熱量排出,使核心溫度降到有助于睡眠的水平。

    顯然,對體形相當(dāng)?shù)镍B類而言,喙部更大,散熱就更高效。

    正在散熱的大西海海雀(Fratercula arctica)(供圖:Glenn Tattersall)

    大致來說,為應(yīng)對快速上升的溫度,一代代動物都需要根據(jù)身體比例增大部分器官的體積。但由于這種改變會造成身體對稱性的變化,從而造成體形改變。

    鳥類體形變化的那些事

    通常,鳥類的體形變化十分微小,必須通過測量過去幾十年的標(biāo)本來判斷,這些標(biāo)本幾乎都收藏于博物館,只有通過這種方式,才能對發(fā)生的體形變化做好量化工作。

    過去的研究集中在某種或幾種特定鳥類上的進化過程。盡管現(xiàn)在的研究同樣揭示了鳥類這一快速變化的趨勢,但這次的研究覆蓋了86種鳥類,共計6000只鳥。

    Artec Space Spider掃描的澳大利亞壯麗細尾鷯鶯(Malurus cyaneus)(供圖:Sara Ryding)

    這項研究由澳大利亞墨爾本迪肯大學(xué)博士生Sara Ryding負責(zé),她和同事們一起,專門從事澳大利亞鳥類研究。

    為了測量鳥類標(biāo)本時盡可能提高精度,Ryding的導(dǎo)師Matthew Symonds博士,決定采用三維掃描技術(shù)。

    研究員Sara Ryding握著一只澳洲鳶(Elanus axillaris)(供圖:Sara Ryding)

    Symonds了解了市面所有符合要求的三維掃描儀后,聯(lián)系了當(dāng)?shù)氐陌L坪献魃?span>Objective3D。

    公司專家為他推薦了Artec Space Spider,這是一款計量級精度的手持式三維掃描儀,受到許多研究人員和專家的青睞,適合處理對精度和分辨率要求高的任務(wù)。

    Artec Space Spider

    對比鳥類體形變化的傳統(tǒng)方式就是使用數(shù)字卡尺來計算喙部的長、寬、深度。隨后,將這些數(shù)值套入一個公式,計算同體積圓錐體的表面積。

    Space Spider完整捕獲3D外形數(shù)據(jù)

    Ryding提到,鳥喙有各種各樣的復(fù)雜外形,“如果把喙部簡化為一個圓錐,勢必會丟失幾何數(shù)據(jù),無法記錄下重要的解剖表面數(shù)據(jù)?!?

    她補充道:“我們關(guān)注很多不同種類,從鴨子、夜鶯到猛禽……只有在研究范圍擴大后,才能看到這些不同的喙部形狀。因此,我認為三維掃描技術(shù)更適合這樣的研究,因為我們可以完整采集自然形態(tài)的全部數(shù)據(jù),不會有任何遺失?!?

    準(zhǔn)備用數(shù)字卡尺來測量澳洲紋翅食蜜鳥喙部(供圖:Sara Ryding)

    手動測量的另一個問題就是操作誤差。在測量鳥類體形時,由于卡尺位置不同,哪怕是多位經(jīng)驗豐富、全神貫注的研究員,都會出現(xiàn)測量差異,從而對數(shù)據(jù)結(jié)果帶來大的影響。

    數(shù)秒鐘成就高精測量

    Ryding表示:“有了Artec Space Spider,我們可以將操作員的誤差降到很低,即便是由不同人員操作,每份掃描幾乎都是一樣的。這才是研究員希望看到的結(jié)果。數(shù)據(jù)集精度越高,相關(guān)性就體現(xiàn)得更清晰,這也有助于我們得出可靠的結(jié)論?!?

    目前為止,Symond的研究已經(jīng)顯示,在過去一個世紀,鳥類喙部的體積已經(jīng)增加了約4%-10%。

    就掃描效率來看,盡管新冠疫情封控政策導(dǎo)致無法多次前往博物館,但她還是在幾個月內(nèi),掃描了3000多只鳥。她的終極目標(biāo)是6000只。

    掃描當(dāng)天,Ryding都會有一到兩個明確目標(biāo)。在館長的幫助下,她找到這些鳥類的具體位置,并根據(jù)標(biāo)本收集的年份和地點來挑選部分進行掃描。

    基本一個下午,她可以掃40-50只小鳥,或30-40只大鳥。

    Artec Studio 截圖: Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡,未加紋理(供圖:Sara Ryding)

    Ryding的掃描工作流程十分簡單:把鳥放在旋轉(zhuǎn)臺上,面朝上,仰面躺好。然后,緩慢轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺的同時,用Space Spider掃描,一次性采集喙部所有解剖結(jié)構(gòu)。這一過程大約持續(xù)2分鐘,最后的掃描數(shù)據(jù)用途十分廣泛。

    秒殺手動測量的3D數(shù)據(jù)效果

    用Ryding的話說;“每份掃描提供的表面數(shù)據(jù)足夠我進行各種分析了,甚至還有可能用于今后其他研究,例如幾何形態(tài)測量。想到過去的傳統(tǒng)操作方法,就會發(fā)現(xiàn),數(shù)字卡尺是絕無可能捕捉到這么詳細的表面數(shù)據(jù)的。

    Artec Studio 截圖: Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡,帶紋理(供圖:Sara Ryding)

    隨后,Ryding會在家或?qū)W校里用Artec Studio軟件處理掃描??偟膩砜矗麄€處理流程每只鳥大約需要6分鐘。

    對此,她進行了細致描述:“掃描處理流程如下:先進行整體配準(zhǔn),然后移除異常值,進行尖銳融合,可清晰保留所有微小的細節(jié)。隨后,應(yīng)用紋理,即可清晰看出羽毛的根部和喙部開始的位置。隨后,刪除多余數(shù)據(jù),只剩喙部。”

    在Artec Studio中分離澳洲粉紅鳳頭鸚鵡喙部以便測量(供圖:Sara Ryding)

    隨后,使用Artec Studio中的測量工具,為喙部快速完成線性測量,并和數(shù)字卡尺的結(jié)果進行對比。

    她繼續(xù)介紹后續(xù)步驟:“然后,我會進行一項卡尺無法完成的操作,也就是測量表面積,那么我得到的就是整個喙部的面積,而不是線條長度。”

    “Space Spider可以采集到喙部的微小平面和弧度,使表面積測算十分精準(zhǔn),可達毫米級以下。

    Ryding繼續(xù)說道:“我會直接使用這些測量數(shù)據(jù),但如果我需要進行幾何或形態(tài)分析,那我或其他研究員也可以利用這些Space Spider的掃描數(shù)據(jù),我只需把掃描以PLY文件導(dǎo)出,即可用于不同應(yīng)用場景,完成不同任務(wù)?!?

    Artec Space Spider捕獲的黃翅澳吸蜜鳥(Phylidonyris novaehollandiae)(供圖:Sara Ryding)

    至于如何將這項研究的范圍擴大至其他國家,Ryding希望能有更多研究人員搜集數(shù)據(jù),讓大家看到不同區(qū)域、大洲甚至半球的各種鳥類(或其他動物)體形變化的量化數(shù)據(jù)和對比分析。

    三維掃描技術(shù)在生物研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用

    在她看來,三維掃描是實現(xiàn)研究目標(biāo)的必備工具:“如果我們想簡化研究過程,讓不同研究員可以直接對比,那么數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度十分重要。手動測量法是不現(xiàn)實的?!?

    Ryding補充道:有了Space Spider,每只鳥的掃描時間只需幾分鐘,我們可以采集亞毫米級的表面數(shù)據(jù)和逼真紋理細節(jié),甚至今后的工作需要都能滿足。

    Artec Space Spider掃描的澳洲綠鸝(Oriolus flavocinctus)(供圖:Sara Ryding)

    對于那些無法獲得高效三維掃描儀的研究人員,Ryding和她的團隊正在通過比較公式估算值和Space Spider完成的3D尺寸模型,完善現(xiàn)有鳥類喙部尺寸估算公式(幾何法)。

    具體方法就是找出8個重要的喙部獨立線段值。隨后,將這些值和同一樣本的3D模型對比,Ryding設(shè)計了新的公式,提高了喙部手動測量的精度。

    Ryding仍在這一領(lǐng)域深耕,她計劃制定更多公式,覆蓋更多物種。

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