Artec Space Spider协助测量气候变化对鸟类体形的变化

博士生Sara Ryding用Artec Space Spider扫描澳洲粉红凤头鹦鹉（Eolophus roseicapilla）（供图：Sara Ryding）

全球变暖的严重影响已经持续了几十年：全球不少鸟类都在应对温度上升的过程中出现了体形变化，包括喙、腿和其他部位，这表明它们和环境不断斗争，只为生存。

这种变化是如何帮助它们应对气温升高的，目前只能用鲜有人知的“艾伦法则”来解释。19世纪，这条生物进化规则表明，温暖气候下的动物通常有更大的器官，如耳、喙、尾、四肢。

由于许多器官没有被毛皮或羽毛覆盖，所以这些结构本身起到了热辐射器的作用，来散发热量，让身体降温至舒适温度。

火烈鸟的红外图显示它们通过喙和腿来散热（供图：Glenn Tattersall）

非洲象利用耳部散热，老鼠通过尾巴，而鸟类则通过喙和腿。

鸟类体温调节原理

如果我们进一步探究鸟类天生的体温调节功能，就会发现大自然是如此鬼斧神工，这种散热模式十分高效。首先，是鸟类身体最有效的调温器——喙。如果不仔细观察，你会以为鸟喙是由类似树皮一样的惰性材料构成的。

来自南非卡拉哈里沙漠的雌性南方黄嘴犀鸟（Tockus leucomelas）喙部含有大量血管（供图：T. van de Ven, UCT）

其实，喙部也是活生生的器官，含有大量血管，有丰富的血管分支。举个形象的例子，鸟类身体需要在睡眠时降温，这时，它们会向喙部传输更多血液，将身体多余的热量排出，使核心温度降到有助于睡眠的水平。

显然，对体形相当的鸟类而言，喙部更大，散热就更高效。

正在散热的大西海海雀（Fratercula arctica）（供图：Glenn Tattersall）

大致来说，为应对快速上升的温度，一代代动物都需要根据身体比例增大部分器官的体积。但由于这种改变会造成身体对称性的变化，从而造成体形改变。

鸟类体形变化的那些事

通常，鸟类的体形变化十分微小，必须通过测量过去几十年的标本来判断，这些标本几乎都收藏于博物馆，只有通过这种方式，才能对发生的体形变化做好量化工作。

过去的研究集中在某种或几种特定鸟类上的进化过程。尽管现在的研究同样揭示了鸟类这一快速变化的趋势，但这次的研究覆盖了86种鸟类，共计6000只鸟。

Artec Space Spider扫描的澳大利亚壮丽细尾鹩莺（Malurus cyaneus）（供图：Sara Ryding）

这项研究由澳大利亚墨尔本迪肯大学博士生Sara Ryding负责，她和同事们一起，专门从事澳大利亚鸟类研究。

为了测量鸟类标本时尽可能提高精度，Ryding的导师Matthew Symonds博士，决定采用三维扫描技术。

研究员Sara Ryding握着一只澳洲鸢（Elanus axillaris）（供图：Sara Ryding）

Symonds了解了市面所有符合要求的三维扫描仪后，联系了当地的埃太科合作商Objective3D。

公司专家为他推荐了Artec Space Spider，这是一款计量级精度的手持式三维扫描仪，受到许多研究人员和专家的青睐，适合处理对精度和分辨率要求极高的任务。

Artec Space Spider

对比鸟类体形变化的传统方式就是使用数字卡尺来计算喙部的长、宽、深度。随后，将这些数值套入一个公式，计算同体积圆锥体的表面积。

Space Spider完整捕获3D外形数据

Ryding提到，鸟喙有各种各样的复杂外形，“如果把喙部简化为一个圆锥，势必会丢失几何数据，无法记录下重要的解剖表面数据。”

她补充道：“我们关注很多不同种类，从鸭子、夜莺到猛禽……只有在研究范围扩大后，才能看到这些不同的喙部形状。因此，我认为三维扫描技术更适合这样的研究，因为我们可以完整采集自然形态的全部数据，不会有任何遗失。”

准备用数字卡尺来测量澳洲纹翅食蜜鸟喙部（供图：Sara Ryding）

手动测量的另一个问题就是操作误差。在测量鸟类体形时，由于卡尺位置不同，哪怕是多位经验丰富、全神贯注的研究员，都会出现测量差异，从而对数据结果带来极大影响。

数秒钟成就高精测量

Ryding表示：“有了Artec Space Spider，我们可以将操作员的误差降到最低，即便是由不同人员操作，每份扫描几乎都是一样的。这才是研究员希望看到的结果。数据集精度越高，相关性就体现得更清晰，这也有助于我们得出可靠的结论。”

目前为止，Symond的研究已经显示，在过去一个世纪，鸟类喙部的体积已经增加了约4%-10%。

就扫描效率来看，尽管新冠疫情封控政策导致无法多次前往博物馆，但她还是在几个月内，扫描了3000多只鸟。她的终极目标是6000只。

扫描当天，Ryding都会有一到两个明确目标。在馆长的帮助下，她找到这些鸟类的具体位置，并根据标本收集的年份和地点来挑选部分进行扫描。

基本一个下午，她可以扫40-50只小鸟，或30-40只大鸟。

Artec Studio 截图： Artec Space Spider扫描的澳洲粉红凤头鹦鹉，未加纹理（供图：Sara Ryding）

Ryding的扫描工作流程十分简单：把鸟放在旋转台上，面朝上，仰面躺好。然后，缓慢转动旋转台的同时，用Space Spider扫描，一次性采集喙部所有解剖结构。这一过程大约持续2分钟，最后的扫描数据用途十分广泛。

秒杀手动测量的3D数据效果

用Ryding的话说；“每份扫描提供的表面数据足够我进行各种分析了，甚至还有可能用于今后其他研究，例如几何形态测量。想到过去的传统操作方法，就会发现，数字卡尺是绝无可能捕捉到这么详细的表面数据的。

Artec Studio 截图： Artec Space Spider扫描的澳洲粉红凤头鹦鹉，带纹理（供图：Sara Ryding）

随后，Ryding会在家或学校里用Artec Studio软件处理扫描。总的来看，整个处理流程每只鸟大约需要6分钟。

对此，她进行了细致描述：“扫描处理流程如下：先进行整体配准，然后移除异常值，进行尖锐融合，可清晰保留所有微小的细节。随后，应用纹理，即可清晰看出羽毛的根部和喙部开始的位置。随后，删除多余数据，只剩喙部。”

在Artec Studio中分离澳洲粉红凤头鹦鹉喙部以便测量（供图：Sara Ryding）

随后，使用Artec Studio中的测量工具，为喙部快速完成线性测量，并和数字卡尺的结果进行对比。

她继续介绍后续步骤：“然后，我会进行一项卡尺无法完成的操作，也就是测量表面积，那么我得到的就是整个喙部的面积，而不是线条长度。”

“Space Spider可以采集到喙部的微小平面和弧度，使表面积测算十分精准，可达毫米级以下。”

Ryding继续说道：“我会直接使用这些测量数据，但如果我需要进行几何或形态分析，那我或其他研究员也可以利用这些Space Spider的扫描数据，我只需把扫描以PLY文件导出，即可用于不同应用场景，完成不同任务。”

Artec Space Spider捕获的黄翅澳吸蜜鸟（Phylidonyris novaehollandiae）（供图：Sara Ryding）

至于如何将这项研究的范围扩大至其他国家，Ryding希望能有更多研究人员搜集数据，让大家看到不同区域、大洲甚至半球的各种鸟类（或其他动物）体形变化的量化数据和对比分析。

三维扫描技术在生物研究领域发挥关键作用

在她看来，三维扫描是实现研究目标的必备工具：“如果我们想简化研究过程，让不同研究员可以直接对比，那么数据的精准度十分重要。手动测量法是不现实的。”

Ryding补充道：“有了Space Spider，每只鸟的扫描时间只需几分钟，我们可以采集亚毫米级的表面数据和逼真纹理细节，甚至今后的工作需要都能满足。”

Artec Space Spider扫描的澳洲绿鹂（Oriolus flavocinctus）（供图：Sara Ryding）

对于那些无法获得高效三维扫描仪的研究人员，Ryding和她的团队正在通过比较公式估算值和Space Spider完成的3D尺寸模型，完善现有鸟类喙部尺寸估算公式（几何法）。

具体方法就是找出8个最重要的喙部独立线段值。随后，将这些值和同一样本的3D模型对比，Ryding设计了新的公式，提高了喙部手动测量的精度。

Ryding仍在这一领域深耕，她计划制定更多公式，覆盖更多物种。