HSC3D: A Python package to quantify three-dimensional habitat structural complexity

IF 6.3 2区环境科学与生态学 Q1 ECOLOGY

Methods in Ecology and Evolution Pub Date : 2024-02-27 DOI:10.1111/2041-210X.14305

Yi-Fei Gu, Jiamian Hu, Kai Han, Jackson W. T. Lau, Gray A. Williams

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HSC3D：量化三维生境结构复杂性的 Python 软件包

1 引言栖息地结构复杂性（以下简称 HSC）与多个生态系统的空间组织、生态功能和恢复力有关，已被广泛研究（Menge & Sutherland, 1976; Richardson 等人，2017; Thrush 等人，2008）。一般来说，较高的 HSC 往往会在多个空间尺度上提供更广泛的潜在壁龛（Gámez & Harris, 2022; Hutchinson, 1957; Levin, 1992），从而从机制上支持相关类群的多样化和丰富群落（Graham & Nash, 2013; Loke & Todd, 2016）。然而，HSC 是一个模棱两可的总称，没有公认的定义（McElhinny 等人，2005 年），因此应用了多种指标来衡量这一属性，其中一些指标是针对特定生态系统的，例如海草（Hovel 等人，2002 年）；森林（Atkins 等人，2018 年，2023 年）；珊瑚礁（Torres-Pulliza 等人，2020 年）。然而，在不考虑数据来源或计算过程的情况下直接移植不同生态系统的指标，不可避免地会造成观察者偏差，甚至与物种丰富度模式产生错误的弱相关性（见 Loke & Chisholm, 2022; McAbendroth et al.）随着摄影测量和计算机视觉的发展，结构-运动摄影测量点云正变得越来越容易获取，并成为高保真地表现三维环境的普遍数据源（见 D'Urban Jackson 等人的综述，2020 年）。虽然不同设备和生成算法所产生的摄影测量点云的数据质量和数量各不相同，但与 2.5D 光栅（即 DEM、DSM、DTM）相比，这些点云描述的是特征密集型三维信息（即点级空间坐标），从而减轻了观察者对结构内物体的偏差（Kobler 等人，2007 年）。然而，处理摄影测量点云仍然具有挑战性，因为它们是在没有通用空间尺度的不规则非欧几里得域上生成的（Fernandes 等人，2021 年）。与栅格数据相比，此类数据可能不那么直观（见附录 A：方框 1），而且几乎不可能在摄影测量点云上直接应用基于栅格的度量（Sappington 等人，2007 年）。为了用数学上定义明确的度量来解释从摄影测量点云中得出的 HSC，本研究提出了一个 Python 软件包 HSC3D，供研究人员使用并适应其特定需求。该软件包提供传统和新颖的三维度量，并结合绘图功能来说明所实施算法的机制，从而提高 HSC 解释的透明度和可重复性。详细的软件包教程请访问 https://github.com/Vicellken/HSC3D。为了展示研究人员如何利用摄影测量点云并探索 HSC 对生态系统模式和过程的影响，我们以结构复杂的岩石海岸双壳贝床为例进行了案例研究。

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Methods in Ecology and Evolution ECOLOGY-

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4-8 weeks

期刊介绍： A British Ecological Society journal, Methods in Ecology and Evolution (MEE) promotes the development of new methods in ecology and evolution, and facilitates their dissemination and uptake by the research community. MEE brings together papers from previously disparate sub-disciplines to provide a single forum for tracking methodological developments in all areas. MEE publishes methodological papers in any area of ecology and evolution, including: -Phylogenetic analysis -Statistical methods -Conservation & management -Theoretical methods -Practical methods, including lab and field -This list is not exhaustive, and we welcome enquiries about possible submissions. Methods are defined in the widest terms and may be analytical, practical or conceptual. A primary aim of the journal is to maximise the uptake of techniques by the community. We recognise that a major stumbling block in the uptake and application of new methods is the accessibility of methods. For example, users may need computer code, example applications or demonstrations of methods.

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