三维图像重建在植硅体研究中的应用

三维图像重建在植硅体研究中的应用

1．引言

1988年以来，植硅体—作为一门新学科，在我国考古学和地质学研究中得到了广泛的应用。近十年来，植硅体研究的相关成果，尤其在史前农业考古领域，呈迅速上升趋势。如赵志军等⁽¹⁾关于稻类植物颖片上峰状植硅体的研究，为野生稻与栽培稻的区分提供了一种新的思路；郑云飞⁽²⁾等运用植硅体对早期水稻系统演变进行的有益探索等。尽管如此，人们普遍感到，植硅体研究的主观性较强，特别是其各种参数的测量，极为费事费力，常常令人望而却步。植硅体测量的困难，业已成为其应用与发展的瓶颈，因此，探寻新的测量方法，切实解决这一困难，越来越显得迫在眉睫。

利用二维图像重建其三维图像的方法，已成功应用于医学、物理学等领域。本文尝试将这一方法移入植硅体参数的测量和分析之中。通过三维图像重建，对水稻稃面双峰乳突进行三维建模，根据建模结果可迅速测量各类参数，并与电镜下的实测结果进行对比分析。研究表明，三维重建方法能够一次性重建水稻稃面多个双峰乳突的三维图像，并能够迅速地测得水稻稃面植硅体的各种参数，经对比分析电镜下的实测数据，证明其计算数据精度可满足实际分析的需求。这样，不仅明显提高了测量速度，而且有效降低了测量的随意性，使植硅体分析向规范化、系统化迈出了坚实的一步。既然三维图像重建方法在植硅体分析领域具有诱人的应用前景，那么，应该将有关研究在这里作一介绍。

2．样品介绍

分析样品皆选自商周时期安徽地区出土的炭化稻。之所以选用炭化稻作为分析样品，主要考虑炭化稻稃面双峰乳突与双峰乳突的植硅体具有同源性特征。这样，若能够为炭化稻双峰乳突建模，则意味着对双峰突乳的植硅体同样可以建模。况且，炭化稻较易找到双峰突乳形态，既便于实际测量，也便于将三维重建的计算结果与实际测量数据作对比分析。

3．样品的三维图像重建

所谓三维重建，即由两张或两张以上具有明确转角关系的平面图片，借助计算机程序处理，得出原物的三维图像。为重建上述炭化稻双峰乳突的三维图像，先将样品平置于扫描电镜的样品台上，拍摄一张样品的形貌照片(图1)，然后，将样品台在3－10℃范围内倾斜一微小角度，再拍摄一张形貌照片(图2)。依次将两张形貌照片输入计算机，启动三维重建analysis软件，即可获得样品的三维图像。

为了验证由三维图像重建方法所测参数的有效性，有必要对双峰乳突的扫描电镜照片作直接实测。具体实测过程为：旋转、平移扫描电镜的样品台，使镜头对准某一双峰乳突，将与待测参数相关的平面置于水平位置，再具体测量有关参数。不过，不难发现，实际测量颇多困难。一般说来，最外围双峰乳突的参数较易测得，而大部分位于中部的双峰参数都难以测得。而即便是最外围的双峰参数，通常也需要电镜操作人员具有丰富的经验，通过样品台的合理旋转和平移，方能测得双峰乳突的有关参数。图5为一张较理想的双峰乳突的SEM照片，系耗费了大量精力方拍摄成功的。

6．测量精度分析

考虑到双峰距的测量较为便宜，数据精度也便于控制，因此，在这里，将利用重建的三维图像与电镜直接实测的双峰距数据作对比分析。表1列出了两种方法的测量数据以及两者间的相对误差。

表1显示，四个实测数据与三维测量的误差均在0.4um以内。对比各个稻种参数之间的差异⁽³⁾，不难发现，其测量误差远低于不同稻种之间相应数据的差异，仅就这一点而言，三维图像重建方法在植硅体分析领域应有着广泛的应用前景。

7．结论与讨论

本文首次将三维图像重建方法移入植硅体分析领域。利用analysis软件重建水稻稃面双峰乳突的三维图像，测量三维图像显示的各类参数，并与电镜下的实测结果作对比分析。研究指出，三维重建方法能够一次性对多个水稻稃面双峰乳突进行重建，并能够测量各种相关参数。对比分析实测数据后指出，三维重建的精度应能满足实际研究的需要。由此可见，三维重建方法，不仅能大大节省人力，而且可望建立植硅体测量的标准化。

正如著名的微体古生物学家R.V.Kesling⁽⁴⁾所说，“用昨天的经验建立了我们今天的信念，从而更好地为发展明天的微体古生物奠定基础”。无论哪个学科，都是社会发展到一定阶段的产物，一个学科发展到一定阶段，常需要新的研究途径予以推动。本文将三维重建方法尝试移入植硅体研究领域，取得了一些有意义的初步成果。虽然植硅体的微观特征描述、精确形态参数的定量研究、植硅体研究的系统化等问题的解决，还需要大量细致艰苦的工作，但有理由相信，三维图像重建方法将会有效发挥其自身特有的优势，将植硅体研究推向新的高度。

参考文献：

1.Zhijun Zhao, et al. Distinguishing Rice (Oryza Sativa Poaceae) from Wild Oryza Species Through Phytolith Analysis, Ⅱ: Final Method. Economic Botany 52(2) pp.134-145. 1998。

2.郑云飞、刘斌、松井章、宇田津彻朗、藤原宏志：从南庄桥遗址的稻硅酸体看早期水稻的系统演变，浙江大学学报(农业与生命科学版) ，2002年第3期：340-346。

3．张文绪、汤圣祥：稻属20个种外稃乳突的扫描电镜观察，作物学报，第23卷第3期1997年5月。

4．王永吉、吕厚远：《植物硅酸体研究及应用》，海洋出版社，1993。