Morphometrics with R (use R)英文版

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目录
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Abbreviations and Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Morphometrics Today . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Shapes and Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 An R Approach to Morphometrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Starting with R. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 Expression, Assignment and Other Basics . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.2 Objects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.3 Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.4 Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.5 Generating Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.6 Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 Acquiring and Manipulating Morphometric Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 Collecting and Organizing Morphometric Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 Collecting Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2 Organizing Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Data Acquisition with R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Loading and Reading R Datafiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Entering Data by Hand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.3 Reading Text Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.4 Reading and Converting Image Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.5 Graphical Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.6 Image Analysis and Morphometric Data Acquisition with R 41
2.3 Manipulating and Creating Data with R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
xvi Contents
2.3.1 Obtaining Distance from Coordinates of Points . . . . . . . . . . . 49
2.3.2 Calculating an Angle from Two Interlandmark Vectors . . . . . 50
2.3.3 Regularly Spaced Pseudolandmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.4 Outline Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4 Saving and Converting Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5 Missing Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.1 Estimating Missing Measurements by Multiple Regression . 60
2.5.2 Estimating Missing Landmarks on Symmetrical Structures . 61
2.6 Measurement Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.6.1 Sources of Measurement Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.6.2 Protocols for Estimating Measurement Error . . . . . . . . . . . . . 65
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 Traditional Statistics for Morphometrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1 Univariate Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.1 Visualizing and Testing the Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1.2 When Data are Organized in Several Groups . . . . . . . . . . . . . 72
3.2 Bivariate Analyses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.1 Graphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.2 Analyzing the Relationship Between two Distance
Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.3 Analyzing the Relationship Between Two Distance
Measurements in Different Groups. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.4 A Short Excursion to Generalized Linear Models . . . . . . . . . 89
3.2.5 Interspecific Measurements and Phylogenetic Data . . . . . . . . 92
3.2.6 Allometry and Isometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3 Size: A Problem of Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4 Multivariate Morphometrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.4.1 Visualization of More than Two Distance Measurements . . . 105
3.4.2 Principal Component Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4.3 Analyzing Several Groups with Several Variables . . . . . . . . . 111
3.4.4 Analyzing Relationships Between Different Sets of Variables 124
3.4.5 Comparing Covariation or Dissimilarity Patterns Between
Two Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4 Modern Morphometrics Based on Configurations of Landmarks . . . . 133
4.1 The Truss Network Approach of Strauss and Bookstein . . . . . . . . . . . 133
4.2 Superimposition Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.2.1 Removing the Size Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2.2 Baseline Registration and Bookstein Coordinates . . . . . . . . . 141
4.2.3 Procrustes Methods and Kendall Coordinates . . . . . . . . . . . . . 148
4.2.4 The Kendall Shape Space and the Tangent Euclidean Shape
Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.2.5 Resistant-fit Superimposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Contents xvii
4.3 Thin-Plate Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.4 Form and Euclidean Distance Matrix Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.5 Angle-based Approaches for the Study of Shape Variation . . . . . . . . 198
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5 Statistical Analysis of Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.1 Open Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.1.1 Polynomial Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.1.2 Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.1.3 Bezier Polynomials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.2 Fourier Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.2.1 Fourier Analysis Applied to Radii Variation of Closed
Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.2.2 Fourier Analysis applied to the Tangent Angle . . . . . . . . . . . . 217
5.2.3 Elliptic Fourier Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.3 Eigenshape Analysis and Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6 Statistical Analysis of Shape using Modern Morphometrics . . . . . . . . . 233
6.1 Explorative Analyses of the Shape Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.1.1 Landmark Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.1.2 Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.2 Discriminant and Multivariate Analysis of Variance . . . . . . . . . . . . . . 248
6.2.1 Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
6.2.2 Procrustes Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.3 Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.4 Morphometrics and Phylogenies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.5 Comparing Covariation Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.6 Analyzing Developmental Patterns with Modern Morphometrics . . . 267
6.6.1 Allometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.6.2 Developmental Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.6.3 Developmental Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7 Going Further with R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.1 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.2 Writing Functions and Implementing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.2.1 Generalities and Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.2.2 A Worked Example in R+C Programming: Contour
Acquisition Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
7.3 Interfacing and Hybridizing R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.3.1 Example 1: Creating an Animation with R
and ImageMagick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.3.2 Example 2: Using ImageMagick to Display High
Resolution Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
xviii Contents
7.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Appendix A: Functions Developed in this Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Appendix B: Packages Used in this Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

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2013-2-15 12:10 上传

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