可视化海洋学数据以描述浮游植物的长期变化

摘要

在这里，我们提出了一种将浮游植物显微图像转换为矢量图形和重复模式的协议，以实现 60 年来浮游植物分类群和生物量变化的可视化。该协议代表了一种可用于全球其他浮游生物时间序列和数据集的方法。

摘要

海洋学时间序列为生态系统中的环境过程提供了重要的视角。位于美国罗德岛州纳拉甘西特湾的纳拉甘西特湾长期浮游生物时间序列（NBPTS）是世界上最长的浮游生物时间序列之一（1959年至今），为可视化水生生态系统中的长期变化提供了独特的机会。浮游植物是大多数海洋系统中食物网的基础，包括纳拉甘西特湾。因此，向生活在沿海海洋的 24 亿人传达它们的重要性至关重要。我们开发了一个协议，目的是通过利用Adobe Illustrator将从NBPTS收集的浮游植物的微观图像转换为矢量图形，从而可视化浮游植物的多样性和数量，这些图形可以随着时间的推移形成重复的视觉模式。选择数量丰富的分类群或对经济和健康构成威胁的分类群，例如有害藻华分类群， Pseudo-nitzschia spp.，进行图像转换。然后，根据收集的数十年数据（1970 年代、1990 年代和 2010 年代）的相对丰度创建各种浮游植物图像的模式。浮游植物生物量的年代际模式为每个十年的轮廓提供了信息，而从蓝色到红色的背景颜色梯度用于揭示在纳拉甘西特湾观察到的长期温度升高。最后，在96英寸×34英寸的大型面板上印有重复的浮游植物图案，以说明浮游植物丰度随时间推移的潜在变化。该项目能够可视化浮游植物生物量的字面变化，这些变化通常是肉眼看不见的，同时利用艺术品本身的实时序列数据（例如，浮游植物生物量和丰度）。它代表了一种可用于许多其他浮游生物时间序列的方法，用于数据可视化、通信、教育和外展工作。

引言

浮游植物是初级生产者，代表了整个水生生态系统食物网的基础^1,2。虽然浮游植物监测计划是确定海洋生态系统当前和未来变化的关键，但随着时间的推移，其支持正在下降 ³.由于浮游植物的生成时间相对较短且流动性有限，它们对气候变化特别敏感，这使它们成为时间序列监测的重要工具。浮游植物时间序列对于为基于生态系统的资源可用性管理提供信息以及为偶发事件（如海洋热浪）提供背景也很重要⁴.以年为单位的短期时间序列可以深入了解浮游植物群落演替和季节动态（例如，参考文献^5,6），而长期时间序列，如百慕大大西洋时间序列（BATS）和夏威夷海洋时间序列（HOTS）计划，跨越了二十多年，能够检测长期趋势^7,8.这些研究说明了高度分辨的浮游植物记录对于全面了解动态海洋环境中长期生态系统变化的益处和重要性。此外，将浮游植物的这些变化可视化和交流，这些变化是肉眼看不到的，比大型且易于可见的生物（如鱼类和鲸鱼）更难理解。计算机可视化提供了一种探索复杂数据集^的技术9

研究方案

1. 将浮游植物图像转换为矢量图形

1. 选择从纳拉甘西特湾长期浮游生物时间序列（NBPTS）拍摄的浮游植物显微图像作为.JPG，.PNG或.PDF文件（图1A）。
   注：分类群包括Thalassiosira nordenskioeldii，Thalassionema nitzschioides，Tripos spp.，Odontella aurita，Skeletonema物种复合体，Chaetoceros diadema，Eucampia zodiacus，Dinophysis spp.和 Pseudo-nitzschia spp.。图像是用光学显微镜拍摄的。
2. 打开用于本研究的特定软件矢量图形编辑器或插画器（请参阅 材料表）。矢量图形软件在手稿中被进一步提及为插画家。
3. 通过从计算机打开文件或将其拖放到新工作区中，将.JPG或.PNG显微图像放入 Illustrator 工作区。
4. 转到 “查看”>“显示透明度网格 ”以显示指示透明度的棋盘背景。
5. 单击下拉菜单 中的“窗口”>“图像跟踪 ”以打开“图像跟踪”窗口。
6. ....

讨论

该协议的关键步骤包括获取浮游植物的显微图像并将其转换为矢量图形。制作肉眼看不见的浮游植物图像，大到可以在壁画上没有放大镜的情况下看到，有助于让观众栩栩如生。为了将这幅壁画不仅作为艺术品，而且作为一种数据可视化方法，将观察到的数据纳入项目非常重要。在浮游植物壁画的情况下，按十年平均的叶绿素 a （chl a）年周期代表了实际数据，并显示了不同面板上ch.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Adobe Illustrator	Adobe	version 23.0.6	Free alternatives include: Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator
Eclipse E800	Nikon	ECLIPSE Ni/Ci Upright Microscope	Now succeeded by Eclipse Ni-U
Epson Large Format Printer	Epson	SCT5475SR
Heavy Matte Paper	Epson	S041596
RStudio	Rstudio, PBC	version 2022.07.1	Any statistical software tool will suffice