点:在监测生态系统变化点估算的准确性

文摘

生态监测项目依赖于描述参数的稳健估计。百分比,从横断面抽样与视频图像,是一种流行的底栖生物生态学描述符通常估计使用点计数,一个基于图像的方法确定基质类型下随机点。我们测试的假设点需要强劲的数量估计底栖生物覆盖在视频图像横断面取决于盖本身,预测,下盖将需要更多的点/帧精确估计。虽然这一点似乎是显而易见的统计上斜,点密度的合理性在很大程度上忽略了在文学。我们检查了使用计算机模拟的统计点估算的行为估计20米长的横断面数据从巴哈马礁后图案。确保所需的最小数量的点准确覆盖百分比估计,最优点估算(OPC),是一个函数的平均百分比封面和底栖生物群落的空间异质性。要求更多的点描述珊瑚礁与下盖和珊瑚礁的分布更均匀。这些结果表明,必须谨慎地考虑抽样设计和数据分析之前试图估计底栖生物覆盖,特别是在长期监测的环境退化的珊瑚礁生态系统。

1。介绍

一个常见的问题在生态特征和监测项目工作期间如何有效地测试和优化方法和实验设计。覆盖是一种广泛使用的生态百分比描述符生活在海洋保护生物学和大型监控项目(例如,1- - - - - -4]),一直是一个关键参数量化的珊瑚礁退化在大空间尺度上(例如,(5- - - - - -7])。使用点估算分析视频横断面和photoquadrats估计百分比覆盖是一种有效的方法和监测大区域,因为它允许大量的数据收集,同时减少水下时间,并提供一个永久记录的底栖生物群落8,9]。基质类型识别潜在的随机分配点。然后覆盖百分比估计点的数量的比例覆盖衬底类型点的总数。

点使用的数量单位面积(点密度和单位面积从视频图像帧横断面)是至关重要的获得一个健壮的估计的百分比,和初始统计测试应该执行建立点密度,将提供足够的精度和准确性,同时最大化效率(确定基质类型基础点的时间)。这些测试包括功率分析(1,4,10),性能曲线(图形检查标准偏差的通货膨胀相对于点密度(4,11- - - - - -13]),引导的估计偏差(13),皮尔逊积矩相关[14),和考试的交互项横断面的双向方差分析两次使用不同的采样点密度(4]。

同时需要确定适当的点密度是珊瑚礁监测手册中提到的(例如,15])和同行评议的出版物(例如,9),这个基本参数适当很少在文献中报道。“珊瑚与Excel扩展点估算”(CPCe)于2006年被释放16),并在2006年和2009年10月之间,其用于覆盖百分比估计在同行评议的文献报道32倍。我们可以检查这些论文30,其中23 CPCe用来估计百分比。十六岁的23项研究报告点密度/帧没有任何形式的理由。四个研究报告甚至没有使用点的数量,和只有3研究评估的统计鲁棒性单位面积上的点的数量。

除了引入偏差差校准取样工作,包括估计的准确性可以显著减少礁结构和覆盖水平随时间变化的。在这种情况下,即使资源经理评估统计精确的开始长期监测计划,没有保证覆盖估计将在多年调查没有偏见。据我们所知,点估算的行为估计相对于不同的百分比支付尚未解决,尽管这是一个核心问题的全球衰退持续的珊瑚礁。如果所用的随机点的数量准确估算覆盖是覆盖的函数本身,最优数量的点(最佳点估算,OPC)足够健壮的封面估计high-cover珊瑚礁可能会增加减少。在这种沟通中,我们使用电脑视频横断面,允许我们测试这个想法直接比较真实(模拟)封面及其估计点计数。我们不是试图审查珊瑚监测抽样设计;相反,我们意识到一个严重的问题与一个特定方面的视频横断面抽样模拟使用点计数和地址。

2。材料和方法

2.1。设置的计算机模拟

评估统计点估算方法的鲁棒性,我们用R环境(17)来模拟抽样横断面(底栖生物群落的视频8]。计算机模拟的优势模仿给定水平的底栖生物覆盖住,可以直接估计相比,他们使用点估算方法。参数模拟现场条件遇到在彩虹花园礁,巴哈马的补丁礁附近的李Exumas袜岛(12,18,19),不同的监测技术测试和优化18]。基于这些实证研究,模拟横断面包含50不重叠的帧像素(近似区域范围:0.2米²/框架;10米²/样)。

我们的模拟引擎初始化设置目标意味着覆盖百分比()及其标准偏差();因此覆盖值控制在横断层面,利用帧复制。底栖生物异质性是通过生成随机数从正态分布,人为地创造内部结构在每个样。

对于每一个模拟样,估计使用点估算方法,通过增加一个“封面”柜台如果一个随机点恰逢模拟覆盖的一个领域。生成随机点“splancs”包(20.]。对于所有的测试,是统计学意义限制。

2.2。现实主义的计算机模拟

估计的计算机模拟覆盖定性估计相比,从人类产生数据(真实数据)来评估计算机模型的现实主义。我们判断仿真过程是现实的,真实的估计盖和模拟盖(图中是相似的1)。然而,变化在字段数据高于在模拟数据。模型中缺乏框架水准仪的空间异质性(只有transect-level异质性是模拟)和缺乏斜正态分布用于生成transect-level异质性可能解释这种差异。我们选择忽略这些参数模拟引擎尽可能简单。

2.3。利用计算机模拟来评估点估算方法的鲁棒性

设置为30,20、10和模拟现实的活珊瑚覆盖率下降5%(例如,5)),设置为0.2,0.4,和0.6倍。这些值的让现实的变化沿横断面(使用经验数据值裁剪)。例如,当和,变化在15%和40%之间。五百年为每个组合模拟运行和值。对于每一个模拟,覆盖百分比估计使用一个50分帧。分布的真实和估计百分比支付使用Wilcoxon测试相比,非参数替代以及(21];虽然我们使用正态分布模拟内部样结构,覆盖估计基于几点每帧产生了非正态的分布。值为每个测试作为box-and-whisker策划阴谋来可视化每组模拟的下限。最优点估算每帧(OPC)决定为所有nonoutlier点的数量值(异常值定义为四分位范围值> 1.5倍)高于0.05的统计学意义的限制。换言之,OPC对应于所需的最小数量的点看看真正的统计学差别,估计只有罕见的实例(异常值值)。

点估算方法的疗效也测试了量化的偏见(绝对区别参数及其估计)的平均值和标准偏差百分比覆盖模拟横断面。偏差计算使用的值和上面所描述的那样,10、50、100和100点每帧,复制了每个参数组合(值意味着对这些报道100复制)。

3所示。结果

估计和模拟参数值聚合点每帧的数量增加(图2)。更多的点被要求准确地估计百分比遮挡low-cover横断面(图3),这种关系在异质性水平(表是一致的1)。偏见是系统更高的下盖值(图4)。增加分帧的数量显著减少偏见在所有情况下。而没有任何影响的偏见的意思是,这大大影响了标准偏差的偏见;标准差估计从齐次横断面明显比异构的偏见。

4所示。讨论

礁生态学家面临的困境来捕获复杂和动态的现实环境与统计精度。任何生态系统监控程序的设计必须基于种群动态的理解和遵守统计前提抽样制度反映了如此丰富的生物。珊瑚礁生态学家采取了一些植物生态学的一般检验技术由于森林和珊瑚礁的结构相似(即。样,行横断面和最近邻分析)。修改发生由于需要优化水下水下工作时间和其他方面的工作。线截取横断面被拦截,取代目前仍然摄影,视频。

我们选择解决问题的百分比封面的决心,因为它的核心调查方法。显然,长期的需求,健康状况监控程序的需求不仅仅是百分比的更多信息覆盖,因此需要更多的数据比在这里提供规划复杂,社区生态调查。底栖生物类别的数量(例如,珊瑚物种,基质类型,和健康状况,等等)的增加,显然更多的关注必须应用于确定OPC(尤其是检测稀有物种)。项目目标,时空范围和ecosystemic决议应该规定实验设计。每个项目应该承担自己的统计设计基于生态抽样理论开始全面的评估有多少站,横断面,方形(等)一直到多少类别和点/框架使用。而所有这些参数影响的鲁棒性和可靠性抽样设计,这种沟通意识到一个严重的问题与一个特定的方面的视频横断面抽样用模拟使用点计数,并解决它。

随着生态系统的变化,最优数量的点(OPC)应该调整保持一致的精确度。例如,当和μ,真正的封面及其估计没有明显不同与13分每帧的采样工作。当降至5%,OPC是保持在每帧13分,60%的复制模拟检测到显著统计学差异分布的估计和真实值。换言之,点估算封面是满意的估计只有40%的时间。珊瑚死亡和损失的活珊瑚覆盖广泛承认礁下降的症状,与住盖下降5 - 20%正在考虑生物意义(22- - - - - -25]。在仿真图的例子2,设置为20%,6分每帧产生估计15.2%的封面。比较这估计真实意味着覆盖百分比将导致“假警报”(下降了4.8%)或错误。另一方面,如果这个估计是用作基线,和同一横断面失去5%覆盖多年来,比较会导致“假阴性”或II型错误(例如,26])。调查人员必须确保测量误差水平仍低于生理上有意义的变化。

Transect-level异质性在OPC覆盖强烈影响。在彩虹花园礁,scleractinian珊瑚覆盖不同octocoral横断面内盖的两倍。底栖生物类型可能因此强影响点估算校准。同时,底栖生物异质性可能取决于珊瑚礁地貌本身(例如,27,28])。最后,珊瑚礁退化与损失相关联的建筑复杂性或“礁压扁”[29日),这一现象引起的摄动平衡吸积和侵蚀。如果珊瑚礁异质性改变加班(彩虹花园礁的情况;(19]),相应地OPC应该重新评估。

我们的研究结果表明OPC必须确定一组特定的环境。然而,提供了一个简单的经验法则来计算OPC是困难的,因为OPC取决于更多的因素不仅仅是礁石和异质性。OPC决心必须根据特定的嵌套设计,达到所需的空间规模的准确性。除了上面列出的变量抽样(样如样尺寸,长度和数量的横断面,等等),OPC取决于生物意义的差异之间的一个愿望来检测治疗组(即。“效果”)。我们的模拟可以因此包含大量的变量。相反,我们选择限制自己一组参数,反映了真实情况(彩虹花园礁的研究,12,18,19])和演示选择错误的点密度的境况不佳的影响。我们希望这种沟通将激励社区更多的批判性的评估抽样设计在使用点计数。

确认

作者感谢阿梅利亚Viricel保罗•Leberg约翰•Fauth朱迪斯•朗和两个匿名评论者的评论之前草稿;阿米莉亚Viricel和凯瑟琳布克领域的帮助,和人事加勒比海洋研究中心(李长袜岛)的技术支持。工作在彩虹花园珊瑚礁是由佩里的资助海洋科学研究所和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)海底研究项目(项目号CMRC-04-PRPD-04-04A) PD和EP和格兰特的斯洛克姆Lunz基金会和EP的查尔斯顿学院。此处观点是作者,不一定反映的意见,pim NOAA,或任何分经销处。作者感谢查尔斯顿学院生物学系覆盖页面的指控。这是格赖斯381号海洋生物实验室的贡献。

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