中國侏羅紀原始遼翼龍（爬行綱：翼龍目）頭骨CT三維形態數據集

中國侏羅紀原始遼翼龍（爬行綱：翼龍目）頭骨CT三維形態數據集
作者：易鴻宇　周長付　高克勤
2017年12月30日

本作品收錄於《中國科學數據》

易鴻宇, 周長付, 高克勤. 中國侏羅紀原始遼翼龍（爬行綱：翼龍目）頭骨CT三維形態數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2017, 2(4). (2017-12-22). DOI: 10.11922/csdata.2017.22.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：原始遼翼龍（Liaodactylus primus）為已知最早的具濾食性生態適應的翼龍，化石產自遼寧葫蘆島市建昌縣，地層為晚侏羅世髫髻山組，年代距今約1億6千萬年前（161.8±0.4～159.5±0.6 Ma）。原始遼翼龍的發現記錄了中國北方中生代燕遼生物群中翼龍類特異的食性，有助於了解該生物群中爬行動物的生態多樣性。本文對應提供該化石種正型標本（PMOL-AP00031）的X光斷層掃描（X-ray CT）數據集，包括CT原始圖片數據、根據CT數據重建的上下頜三維模型及視頻、以及用於系統分析的形態學矩陣。其頭骨CT數據和形態學矩陣可應用於翼龍類形態、生態、系統發育的進一步研究。其翼龍取食器官的數字三維模型，3D打印為實體模型後可廣泛應用於科研、教學和科普。

關鍵詞：化石；翼龍；燕遼生物群；CT掃描數據

Abstract & Keywords

Abstract: Liaodactylus primus is the earliest filter-feeding pterosaur, discovered from the Late Jurassic Tiaojishan Formation in Jianchang County, Liaoning Province of China. It dates back to about 160 million years ago (161.8±0.4 – 159.5±0.6 Ma). The discovery of Liaodactylus primus documents a specialized feeding strategy among pterosaurs in the Mesozoic Yanliao Biota in northern China, which contributes to understanding ecological diversity in reptiles of the biota. Here we provide a dataset of the holotype of Liaodactylus primus (PMOL-AP00031) from X-ray Computed Tomography (X-ray CT), including original CT slice images, reconstructed three-dimensional CT models of the mandibles, animated videos, and morphological character matrix for phylogenetic analysis. Data for the skull of Liaodactylus primus based on CT scan will contribute to further studies of pterosaurs regarding their morphology, ecology, and phylogeny. Three-dimensional virtual models of the mandible of Liaodactylus primus can be 3D printed, with broad applications in research, teaching, and public outreach.

Keywords: fossil; pterosaur; Yanliao Biota; CT scan data

數據庫（集）基本信息簡介

'數據庫（集）名稱'Title	侏羅紀原始遼翼龍（爬行綱：翼龍目）頭骨三維形態CT數據集A 3D CT dataset of the skull of Liaodactylus primus (Reptilia: Pterosauria) from the Jurassic of China
'數據作者'Data authors	易鴻宇、周長付、高克勤Yi Hongyu, Zhou Changfu, Gao Keqin
'通信作者'Corresponding author	易鴻宇 Yi Hongyu(yihongyu@ivpp.ac.cn)
'樣品地質年代'Geological time rang	晚侏羅世髫髻山組，距今161.8±0.4～159.5±0.6百萬年前；CT掃描於2016年。Upper Jurassic Tiaojishan Formation, 161.8±0.4Ma – 159.5±0.6Ma; CT scan in 2016.
'地理區域'Geographical scope	化石點位於遼寧省葫蘆島市建昌縣大西山村，地理坐標為北緯40°52.210′，東經119°59.297′。The fossil is found near Daxishan Village, Jianchang County, Huludao City, Liaoning Province. GPS: 40°52.210′N and 119°59.297′E.
'掃描精度'Scan precision	80.9 μm
'數據量'Data volume	3.05 GB
'數據格式'Data format	*.tiff, *.xteckt, *.avi, *.stl, *.tnt
'數據服務系統網址'Data service system	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/498
'基金項目'Sources of funding	國家自然科學基金（NSFC 41272016）、國土資源部公益性行業科研專項經費（周長付，201311120）、遼寧省百千萬人才項目（周長付，2014Q110）、英國皇家學會中英學者計劃博士後獎學金，愛丁堡大學（易鴻宇，2014–2016）、中國科學院「率先行動」百人計劃C類（易鴻宇，2017）、國家自然科學基金基礎科學中心項目（批准號：41688103）、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）資助（XDB18000000）National Natural Science Foundation of China (NSFC 41272016), The Public Science and Technology Research Funds Projects of Land and Resources (CZ, 201311120), 「Million Talents」 Program of Liaoning Province (CZ, 2014Q110), The Royal Society – Sino-British Trust Incoming Fellowship of the University of Edinburgh(HY, 2014–2016), Hundred Talents Program C of the Chinese Academy of Sciences (HY, 2017), National Natural Science Foundation of China (No. 41688103), The Strategic Priority Research Program (B) of Chinese Academy of Sciences (No. XDB18000000)
'數據庫（集）組成'Dataset composition	數據集由4部分數據組成，其一為CT掃描圖片數據；其二是重構後的頭骨三維數據；其三為頭骨動畫視頻數據；其四為用於翼龍類系統分析的形態學矩陣。數據集共包括4個數據文件，分別為：Liaodactylus1.zip，Liaodactylus2.zip，Liaodactylus3.zip， Liaodactylus4.zip。其中：（1）Liaodactylus.zip是圖片集（.tiff）和掃描參數文本文件（.xteckt），數據量3.03 GB；（2）Liaodactylus2.zip是三維模型（.stl），數據量6.6 MB；（3）Liaodactylus3.zip是視頻數據（.avi），數據量10 MB；（4）Liaodactylus4.zip是形態學矩陣（.tnt），數據量20 KB。The dataset consists of 4 subsets in total, including CT images, reconstructed three-dimensional models of the skull, videos of the skull, and morphological data matrix for phylogenetic analysis, totaling 2004 data documents. The subsets are recorded as Liaodactylus1.zip, Liaodactylus2.zip, Liaodactylus3.zip, and Liaodactylus4.zip: (1) Liaodactylus1.zip is made up of image data (.tiff) and text data (.xteckt), with a data volume of 3.03 GB; (2) Liaodactylus2.zip is made up of three-dimensional model data (.stl), with a data volume of 6.6 MB; (3) Liaodactylus3.zip is made up of video data (.avi), with a data volume of 10 MB; (4) Liaodactylus4.zip is made up of morphological matrix data (.tnt), with a data volume of 20 KB.

引 言

近20年來，高精度X光斷層掃描（High-resolution X-ray Computed Tomography，簡稱CT）技術在生物形態學研究中的應用日趨廣泛[1-5]。使用高能量的X射線穿透樣品可對其內部三維結構進行成像。掃描數據由上千張可疊加的二維圖片組成，採用三維建模軟件恢復出數字化的樣品模型。傳統的揭片法製作一個三維模型往往耗費數月，且損壞標本。CT掃描幾小時即可完成，且對標本無損，尤其適用於不可複製的化石標本。採用CT數據重建的模型既包含表面形態信息，也包含內部形態信息，在現生和化石生物的形態、發育、系統學研究中有極大的應用前景。化石物種的CT數據正在飛速積累，而相關數據的分享還處於起步階段。目前國內外均缺乏系統的CT源數據分享平台。國外數據分享網站如Digimorph、Morphospace提供的大部分是經過重建的模型，僅少數標本的原始掃描數據可直接下載。這給數據的重複使用帶來一定的不便。

本數據集是侏羅紀一具有濾食行為的翼龍的頭骨CT掃描源數據和三維模型。翼龍類是生活在距今約2億多年至6百萬年前的中生代爬行動物，會飛行，是恐龍時代的空中霸主[6–8]。其食性多樣，如食魚、食蟲，以及濾食性[9–11]。本文所描述的原始遼翼龍（Liaodactylus primus Zhou, Gao, Yi, Xue, Li & Fox, 2017）是已知最早具有濾食性生態適應的翼龍^[1]，其化石的發現揭示了中國中生代燕遼生物群^[2][3]獨特的生態適應。化石標本頭骨的CT數據立體展現了原始遼翼龍特化的取食器官，如加長的上下頜，長而尖、緊密交疊呈「網篩狀」的上下頜牙齒，均指示原始遼翼龍可過濾水體中的魚蝦或藻類為食^[1]。

本數據集還包括作者根據三維模型製作的視頻和形態特徵編碼矩陣，所有數據均上傳到Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/498），供科研人员和公众下载。原始辽翼龙正型标本的CT源数据、视频以及翼龙类形态学矩阵可用于进一步的形态学及系统学研究。数据集中的三维模型可进行三维打印，运用于科研、教学、展览、科普。

1 數據採集和處理方法

採用CT對化石標本的內部三維結構進行成像。原始數據為沿樣本任意方向上採集的上千張圖片集。通過三維建模軟件，將圖片集沿統一方向疊加起來，得到樣品的三維數字模型。在此基礎上，研究者使用相應軟件重建出與研究相關「感興趣區域」（region of interest）。「感興趣區域」既可以包括整個骨骼標本，也可以只分離骨關節面、牙齒等局部三維特徵。

1.1 化石樣品預處理

化石樣品需首先經過機械修理，去掉大部分覆蓋在骨骼上的圍岩，有助於形成更清晰的CT圖像。該步驟在瀋陽師範大學遼寧古生物博物館完成。修理完成後先使用柔軟的材料（紙巾、膠帶、珍珠棉泡沫）將化石全面包裹住再進行掃描，假如CT實驗過程中有小骨片掉落，還可回收進行標本修復。

1.2 CT掃描與數據預處理

在中國地質大學（北京）科學研究院實驗中心微焦點工業CT實驗室，使用高精度X光掃描儀（Nikon XT H 320 LC）對樣品進行掃描成像。掃描時X光垂直於樣品最長軸（z軸）進行照射，以達到最佳穿透能力和成像效果；樣品固定在樣品台上，旋轉360°以採集三維信息。初始三維數據通過掃描儀自帶軟件進行三維重構，並對掃描過程中的輕微晃動和射線硬化進行矯正，最終輸出為z軸方向上的1999張二維圖片文件，用於進一步三維建模。

圖片

圖1 CT掃描與建模流程圖（比例尺 = 20 mm）

1.3 CT數據三維建模

二維圖片文件導入三維建模軟件進行分析。第一步三維重建：將1999張圖片沿樣品縱向最長軸（z軸）進行疊覆，形成化石樣品的數字化三維模型，包括其表面形態信息和內部形態信息。第二步提取相應的樣品三維信息，可通過手動選擇或程序自帶的工具建立感興趣區域。在本文中通過手動選擇的方式提取了原始遼翼龍的上下頜及緊密排列的牙齒的三維模型。為方便展現上下頜牙齒的咬合方式，將上頜和下頜分開提取為感興趣區域。第三步，將已建立的上下頜感興趣區域分別存儲為三維模型（.stl格式）。

本文採用VG Studio Max 2.1 對樣品進行三維建模，也可以使用Mimics、Avizo、Dragonfly、ORS等軟件完成。

圖片

圖2 原始遼翼龍（PMOL-AP00031）上下頜三維模型（A）上頜側視圖；（B）下頜側視圖；（C）上下頜咬合側視圖，展現牙齒交叉排列呈「網篩狀」 ，比例尺 = 10 mm。

2 數據樣本描述

化石標本PMOL-AP00031是原始遼翼龍的正型標本，收藏於位於瀋陽師範大學的遼寧古生物博物館。該化石標本顯示的頭長約255 mm，最大寬度205 mm。其系統分類信息如下：

翼龍目 Pterosauria Kaup, 1834

翼手龍亞目 Pterodactyloidea Plieninger, 1901

梳頜翼龍科 Ctenochasmatidae Nopcsa, 1928

原始遼翼龍 Liaodactylus primus Zhou, Gao, Yi, Xue, Li & Fox, 2017

圖片

圖3 原始遼翼龍（PMOL-AP00031）的背腹視圖（比例尺 = 20 mm）

3 數據質量控制和評估

本樣品掃描精度為80.9 μm，對標本中牙齒的形狀、着生方式、排列方式均有較好的展現，但在頭骨眼眶後部的清晰度欠佳。這是由於板狀保存的化石在平行於水平面且垂直於最短邊的方向往往X光穿透性較差，而頭骨眼眶後部骨骼較多，寬度較吻端更大，同時含有更多圍岩。掃描數據表現為越靠近頭骨後部，有越多的金屬偽影，化石與圍岩之間的密度邊界也越不明顯。這部分CT數據可用於觀察頭骨內部形態，但重建三維模型有一定難度。

4 數據價值

本數據集應用於科研，可作為對原始遼翼龍進行進一步形態學研究的基礎。基於原始的CT掃描數據，不僅可以恢復其上下頜，也可以恢復其頭骨其它三維結構，有助於將原始遼翼龍與其它翼龍類化石進行形態對比。原始遼翼龍作為梳頜翼龍類的早期代表，其系統分類關係對理解該科的演化歷史至關重要，本文的CT數據和形態學矩陣將是進一步討論梳頜翼龍科分類關係、特徵演變的依據之一。

數據集第二部分包含的三維模型可進行3D打印，可作為科研模型、教學課件、博物館模型。有了化石標本的三維模型，科研人員、學生、公眾無需去標本館藏的博物館就能近距離觀察該化石的形態。這一方面有助於提高公眾對形態各異的化石標本的認知，另一方面也保護了化石的正型標本，減少遠距離搬運、減少損壞。數據集中包含的圖片、視頻均支持上傳到科普網站，進一步擴大化石標本和古生物研究的受眾。

致 謝

感謝中國地質大學（北京）地球科學與資源學院李全國和該校科學研究院實驗中心微焦點工業CT實驗室方勤方協助進行CT掃描實驗。

參考文獻

1. ^ ^{1.0 1.1} ZHOU C, GAO K, YI H, et al. Earliest filter-feeding pterosaur from the Jurassic of China and ecological evolution of Pterodactyloidea[J/OL]. Royal Society Open Sciences, 2017, 4. DOI: 10.1098/rsos.160672.
2. ZHOU Z, WANG Y. Vertebrate assemblages of the Jurassic Yanliao Biota and the Early Cretaceous Jehol Biota: Comparisons and implications[J]. Palaeoworld, 2017, 26: 241–25.
3. GUO X, HAN J, JI S. Advance in the study of vertebrate fossils of the Middle Jurassic Yanliao Biota in western Liaoning Province and adjacent areas[J]. Geolological Bulletin of China, 2012, 31: 928–935.

數據引用格式

易鴻宇, 周長付, 高克勤. 侏羅紀原始遼翼龍（爬行綱：翼龍目）頭骨三維形態CT數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2017. (2017-09-30). DOI: 10.11922/sciencedb.498.