本文基于一种改进的实验方案，通过半自动成像方法对与底栖河流大型无脊椎动物相对应的数字化物体进行扫描、检测、分类和识别。该方法可在约1小时内获取大型无脊椎动物群落的个体大小分布及大小参数。
方法文章
本文基于一种改进的实验方案，通过半自动成像方法对与底栖河流大型无脊椎动物相对应的数字化物体进行扫描、检测、分类和识别。该方法可在约1小时内获取大型无脊椎动物群落的个体大小分布及大小参数。
体型是一个重要的功能性状，可作为生物指示剂用于评估自然群落中干扰的影响。群落的体型结构会对生物和非生物梯度产生响应，包括跨分类群和生态系统的人为干扰。然而，对小型生物（如底栖大型无脊椎动物，其体长通常为>500 µm至数厘米）进行人工测量十分耗时。为了加快群落体型结构的估算速度，本文建立了一种半自动测量保存的河流大型无脊椎动物个体体型的实验方案，这类生物是评估淡水生态系统生态状况最常用的生物指示剂之一。本方案改编自一种已有的方法，该方法原本用于通过专为水样设计的扫描系统对海洋中型浮游动物进行扫描。本方案包括三个主要步骤：（1）扫描河流大型无脊椎动物的子样本（细粒级和粗粒级样本组分），并对数字化图像进行处理，以在每幅图像中将检测到的每个对象单独分割；（2）通过人工智能建立、评估和验证训练集，以半自动地将扫描样本中大型无脊椎动物的个体图像与碎屑及人工杂质区分开来；（3）描绘大型无脊椎动物群落的体型结构。除实验方案外，本研究还提供了校准结果，并列举了若干在将该方法适配于大型无脊椎动物样本时所面临的挑战及改进建议。总体而言，研究结果支持使用本方案中的扫描系统对河流大型无脊椎动物进行自动体型测量，并表明其体型谱的描绘是快速生物评价淡水生态系统的一项有效工具。
底栖大型无脊椎动物被广泛用作生物指示剂，以确定水体的生态状况1。大多数用于描述大型无脊椎动物群落的指数都侧重于分类学指标。然而，鼓励使用整合了体型大小的新生物评价工具，以对分类学方法提供替代或补充的视角2,3。
体型被认为是一种与新陈代谢、生长、呼吸和运动等其他重要性状相关的元性状4。此外，体型可以决定生物在食物网中的营养级位置及其相互作用5。在一个群落中，个体体型与按体型分级归一化的生物量（或丰度）之间的关系被定义为尺度谱6，其普遍模式表现为：在对数尺度上，随着个体体型的增加，归一化生物量呈线性下降7。这一线性关系的斜率已在理论上得到广泛研究，且跨生态系统的实证研究已将其用作群落体型结构的生态学指标4。另一个在生物多样性-生态系统功能研究中成功应用的群落体型结构综合指标是群落体型多样性，它以尺度谱中各体型类别的香农指数或其类似指标来表示，后者基于个体体型分布进行计算8。
在....
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注意：此处描述的实验方案基于 Gorsky 等人27为海洋中型浮游动物开发的系统。有关扫描仪（ZooSCAN）、扫描软件（VueScan 9x64 [9.5.09]）、图像处理软件（Zooprocess、ImageJ）以及自动识别软件（Plankton Identifier）的具体操作步骤，可参见先前的文献32,33。为更好地将底栖大型无脊椎动物的尺寸范围与中型浮游动物相匹配，在按照原始方案32,33创建项目后，需在配置文件中将最小尺寸参数（minsizeesd_mm）调整为 0.3 mm，最大尺寸参数（maxsizeesd_mm）调整为 100 mm。为便于遵循本方案，相关流程已总结于工作流程图中（图 1）。所创建的项目将存储在计算机的 C 盘文件夹中，并按以下文件夹进行组织：PID_process、Zooscan_back、Zooscan_check、Zooscan_config、Zooscan_meta、Zooscan_results 和 Zooscan_scan。每个文件夹包含多个子文件夹，供后续实验方案中的不同软件程....
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大型无脊椎动物样本的数字图像采集
扫描注意事项：扫描托盘中的乙醇残留
在对大型无脊椎动物进行系统测试时，多次扫描图像质量较差。背景中出现深色过饱和区域，影响了图像的正常处理，并妨碍对大型无脊椎动物个体大小的测量（图2）。背景出现过饱和区域或图像严重像素化可能由多种原因造成：（1）扫描托盘上放置的生物体过多；（2）样本中含有杂质；（3）样本预览与正式扫描之间的时间间隔不足；或（4）在图像处理过程中所使用的背景图像质量不佳，原因可能包括冷凝、污垢或水质差33。在大型无脊椎动物群落样本中，若使用乙醇代替水，会在托盘上产生沉淀物；若扫描之间未用清水充分冲洗，该沉淀会形成深色阴影。这一点至关重要，既可获得清晰图像，又能最大限度减少对扫描托盘玻璃的潜在腐蚀。
扫描细节：碎片浓度
通过对 47,473 个片段的分析，其中大部分（86.1%）为碎片，包括碎屑、纤维或生.......
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采用 Gorsky 等人 2010 年描述的方法对河流大型无脊椎动物进行适应性改进，可实现对淡水大型无脊椎动物群落个体大小结构的高精度分类评估。结果表明，该方案可将单个样本个体大小结构的估算时间缩短至约 1 小时。因此，本方案旨在推动将大型无脊椎动物个体大小谱作为快速且综合的生物指示指标，用于评估外界干扰对淡水生态系统的影响。大型无脊椎动物个体大小谱已被成功用作评价沿海泻湖生态状况的有效指数22。随着该方案的建立，可开展大规模的无脊椎动物调查，从而支持覆盖广泛空间和时间尺度的野外监测工作。
由于本方案的目的是快速获得所采样群落中个体的大小分布，而不考虑分类学信息，因此建议创建一个如本文所提出的简单学习集。更精细的学习集（类别数量更多）的测试结果显示，整体大型无脊椎动物的召回率和精确度较低（表2），且验证步骤更加耗时。
自动预测结果与来自不同采样点的42个天然亚样品的验证预测结果高度一致，表明自动模式下的方法适用于对天然样品中的大型无脊椎动物进行计.......
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作者声明不存在潜在的利益冲突。
本工作得到了西班牙科学、创新和大学部（项目编号 RTI2018-095363-B-I00）的支持。我们感谢 CERM-UVic-UCC 成员 Èlia Bretxa、Anna Costarrosa、Laia Jiménez、María Isabel González、Marta Jutglar、Francesc Llach 和 Núria Sellarès 在大型无脊椎动物野外采样和实验室分类工作中的贡献，以及 David Albesa 在样品扫描方面的合作。最后，我们感谢 Josep Maria Gili 和海洋科学研究所（ICM-CSIC）提供实验室设施和扫描设备的使用。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 烧杯 | Labbox | 可使用其他容器 | |
| 去离子水 | Icopresa | 8420239600123 | 用于稀释乙醇 |
| 漏斗 | Vitlab | 41094 | |
| 8 ml 玻璃小瓶 | Labbox | SVSN-C10-195 | 每份样品使用 1 个小瓶 |
| ImageJ 软件 | 免费获取 | 版本 4.41o / 图像处理软件 | |
| 大尺寸框架 | Hydroptic | 由 ZooScan 提供 | 24.5 cm × 15.8 cm |
| Monalcol 96（乙醇 96） | Montplet | 1050JE001 | |
| 浮游生物识别软件 | 免费获取 | 版本 1.2.6 / 自动识别软件 | |
| 筛网 | Cisa | 26852.2 | 标称孔径 500µ，标称孔径 0.5 cm |
| 镊子 | Bondline | B5SA | 不锈钢、抗磁、耐酸 |
| VueScan 9 x 64 (9.5.09) 软件 | Hydroptic | 版本 9.0.51 / 扫描软件 | |
| 木质针 | 可使用任意塑料或木质针 | ||
| Zooprocess 软件 | 免费获取 | 版本 7.14 / 图像处理软件 | |
| ZooScan | Hydroptic | 54 | 版本 III / 扫描仪 |
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