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从博物馆到笔记本电脑：视觉叶库是识别植物的新工具

来源：花匠小妙招时间：2024-08-17 14:01

化石植物揭示了地球上绿色生命的进化，但发现的最丰富的样本——化石叶子——也是最具挑战性的识别。由宾夕法尼亚州立大学领导的团队开发的大型开放式视觉叶子库提供了一种新资源，可帮助科学家识别和分类这些叶子。

宾夕法尼亚州立大学地球科学教授彼得威尔夫说：“树叶的复杂性超出了图表，我们必须描述它们的术语只是最微小的开始。” “研究人员需要更多可访问的视觉参考来研究许多植物群之间的差异，因此我们可以将更多信息用文字表达出来。有很多植物科看起来表面上相似，而这个集合提供了一个观察的机会新模式。”

传统上，研究化石和现代树叶需要对博物馆藏品进行研究访问，这需要资金、计划和前往多个地点的时间。科学家们说，越来越多的博物馆将树叶收藏品放到网上，但这些图像通常分辨率低、数量难以获取、文件名信息不足，或者树叶与其他植物部分和标签一起拍照，这使得快速比较具有挑战性。

科学家们结合了来自几个著名收藏品的现代和化石叶子的图像，其中包括一些以前没有以任何格式在线发布的图像，并花费了数千小时对数据进行格式化，以创建一个单一的、合并的、开放访问的数据集，该数据集具有标准化、易于搜索的文件名和高-分辨率图像。他们在PhytoKeys中报告说，该数据集可从 Figshare Plus 存储库中获得。

该数据集包含 30,252 张图像，其中包括 26,176 张经过清除和 X 光检查的叶子图像和 4,076 张化石叶子。清除的叶子是经过化学漂白、染色并安装在载玻片上以显示静脉图案的标本。每张图片代表一个有凭证的博物馆标本。

“我们在这里所做的是通过审查和标准化来自不同传统来源的所有这些图像，让每个人都可以使用这个庞大的教育资源，”威尔夫说。“我们花了 15 年的时间来做这件事并转换所有文件名，但现在你可以通过单击浏览器将整个包放在桌面上。每个文件名都嵌入了关键信息，以相同的顺序快速 alpha-排序：科、属、种、标本号。文件名可以在几秒钟内快速搜索到您感兴趣的项目和使用标准工具（如Windows搜索栏）查看的图像。所有图像都是原始分辨率；没有什么是下采样。”

该数据集不仅是培训学生的潜在资源，也是机器学习程序的潜在资源。将经过审查的训练数据提供给学习算法可以让他们更好地识别树叶并找到人类可能忽略或无法看到的重要视觉模式。

“对于研究植物学科，特别是古植物学等领域的科学家来说，这些工具可以最可靠地用于促进和扩大人类专业知识的影响，”布朗大学的博士生雅各布罗斯说，他与威尔夫密切合作，创建了数据集。他的顾问、布朗大学计算机科学教授 Thomas Serre 也做出了贡献。“使用这些模型作为专家接受、拒绝或进一步审查的起点，很快就会证明这是一个深刻的例子，它利用技术来扩大单个科学家可能产生的价值以及可能产生的价值。我们作为一个社会来了解自然世界，无论是规模还是精度。”

机器学习对于古植物学家来说可能尤为重要，他们最常发现没有种子、果实或花朵的孤立化石叶子，可以帮助识别植物。使挑战更加复杂的是，许多单独的化石代表了已经灭绝的植物。

新的数据集是训练机器学习的一个有前途的选择，因为它包含现代和化石叶子的例子，至少经过家庭层面的审查，这是一种更高的分类学分类，是化石叶子识别的标准第一个目标。例如，山毛榉科包括山毛榉、栗子和橡树。

该数据集包括 Jack A. Wolfe 和 Leo J. Hickey 对 National Cleared Leaf Collection 和 Scott Wing X 射线系列在华盛顿特区史密森尼国家历史博物馆的贡献，以及 Daniel I. Axelrod Cleared加州大学伯克利分校古生物学博物馆的叶子收藏品。还包括来自北美和南美不同地点的化石图像。最大的贡献来自科罗拉多州的 Florissant Fossil Beds National Monument。

史密森尼博物馆古植物学研究地质学家和策展人 Scott Wing 说：“这个数据库以一种比原始数据库更易于搜索且更适合数字分析的形式向世界各地的人们提供这些馆藏中的信息。” “我们认为该数据库将鼓励新的研究，并向人们开放博物馆藏品。”

宾夕法尼亚州立大学本科生邹晓宇也做出了贡献；Herbert Meyer，古生物学家，Florissant Fossil Beds National Monument；Rohit Saha，布朗大学前研究生；Rubén Cúneo，阿根廷 Egidio Feruglio 古生物学博物馆馆长；Michael Donovan，克利夫兰国家历史博物馆古植物学收藏经理；Diane Erwin，加州大学伯克利分校高级博物馆科学家；M. Alejandra Gandolfo，康奈尔大学副教授；Erika González-Akre，史密森尼保护生物学研究所项目经理；Fabiany Herrera，菲尔德国家历史博物馆古植物学助理馆长；胡树生，耶鲁皮博迪自然历史博物馆古植物学馆藏经理；Ari Iglesias，阿根廷科马休国立大学研究员；和塔利亚卡里姆，

美国国家科学基金会和国家公园管理局为这项工作提供了资金

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