我们提供了一个详细的协议,用于进行水下结构从运动摄影测量测量,以生成3D模型和正射镶嵌。
运动结构 (SfM) 摄影测量是一种用于从一系列二维 (2D) 图像生成三维 (3D) 重建的技术。SfM方法作为监测许多系统的非侵入性方法变得越来越流行,包括人为和自然景观,地质结构以及陆地和水生生态系统。本文提供了用于收集SfM图像以生成底栖栖息地3D模型的详细协议。此外,还比较了使用数码单反(DSLR)相机与较便宜的运动相机的成本、时间效率和输出质量。观察到计算时间和分辨率之间的权衡,数码单反相机生产的模型分辨率是其两倍以上,但制作时间大约是运动相机的1.4倍。本入门书旨在为那些不熟悉该技术的人以及已经使用类似方法的人提供在底栖生境收集SfM数据所需步骤的全面描述。
生态系统过程是自然动态的,可能难以量化。在过去的十年中,从单个生态系统特征的三维激光扫描到大面积的卫星遥感,捕获生态系统及其动态的新技术激增1,2,3。在底栖生境中,结构与生态系统功能8密切相关,这使得同时允许监测几何形状和群落结构的工具对于理解生态动态特别有价值。然而,由于水的物理性质(例如,折射,变形,浊度),许多现代方法不能用于水生系统。诸如LiDAR(光探测和测距)和一些航空测量方法等技术可能适用于大空间尺度,但无法获得评估底栖生境精细尺度变化所需的分辨率。运动结构 (SfM) 摄影测量方法最近已被调整为生成水下栖息地的大比例、高分辨率正射马赛克和 3D 表面模型4、5、6、7。
SfM摄影测量是一种成本相对低、简单、非侵入性和可重复的方法,可以生成水生生态系统中底栖环境的大规模高分辨率记录9。SfM 使用一系列 2D 图像来生成 3D 模型重建。SfM生成的模型可用于收集底栖生态系统的结构复杂性(例如,粗糙度,维度)4,5,10,11,12和群落结构(例如,物种组成,种群人口统计)13,14,15的数据。此外,由于这种方法相对便宜,快速且可重复,科学家和非科学家都可以使用它来收集有关这些生态系统的有价值的客观信息。因此,这种方法是一种可行的技术,可用于公民科学项目,其中抽样工作的标准化、偏见的最小化、参与者的参与和易于培训对于数据质量和整体成功至关重要16,17。
本文提供了进行水下SfM调查的详细协议。同时,将数码单反相机的使用与更具成本效益的“运动相机”进行了比较,并概述了每种相机的相对优缺点。总体目标是通过提供一种简单、常用的协议,使科学家和非科学家尽快熟悉底栖SfM调查方法,从而促进这种方法的更广泛使用。 有关应用这种方法的变体来研究水下生态群落的研究示例,请参阅 Burns 等人 (2015)4、Storlazzi 等人 (2016)18、文图拉等人 (2016 和 2018)19,20、爱德华兹等人 (2017)14、George 等人 (2018)21、Anelli 等人 (2019)22 和 Torres-Pulliza 等人 (2020)10。
这里描述的方法需要两人浮潜或水肺团队。选择测量地点后,在地点的中心放置线轴(图1A),校准瓦片(图1B)分布在距离中心~2 m的地方。一个人(游泳者)用相机游泳并捕获现场的图像,而第二个人(助手)则在图的中心照顾线轴(图1C)。首先,游泳者通过线将相机连接到线轴,然后开始连续拍摄底栖动物的照片,同时面朝下和向前游泳,将线从线轴上解开。游泳者应始终保持基质上方~1 m的垂直距离,在游泳时调整其位置以匹配地形。重要的是,连接线轴和相机的线应始终保持拉紧,以便在游泳者调查地块时在螺旋中创造均匀的间距。助手将线轴保持在稳定、直立的位置,并确保线轴不会旋转,并且线不会缠结。
一旦线完全解开,游泳者就会停下来、转弯并朝相反的方向游泳,以将线绕线轴反冲。当游泳者切换方向时,助手转动线轴将线卷入,正好 180°,以防止传出路径的精确重叠。一旦游泳者尽可能靠近中心,相机就会从线上分离,助手拿起线轴和线,游离场地的中心部分。然后,游泳者通过在中心上方以小螺旋状移动相机来完成对绘图中心的成像。虽然有几种方法可以有效地对区域进行成像,但此处描述的线轴方法即使在非理想的环境条件下也是稳健的,在这些环境中,波涛汹涌的地表水、膨胀或低能见度可能会阻碍数据收集。在这些情况下,这种方法使浮潜者/潜水员保持连接,并通过使游泳者保持在受控路径上来确保图像的高度重叠。
这项研究表明,数码单反相机和运动相机在标准台式计算机上的处理时间不到10小时即可生成分辨率优于0.5 mm /像素的模型。除了成本之外,数码单反相机和运动相机之间的主要权衡是分辨率更高,处理时间更快。但是,报告的处理时间仅包括计算处理。因此,尽管运动相机的计算时间较短,但从视频中提取图像投入了大量时间(10-20分钟),而数码单反相机不需要这些时间。另一种方法是在连拍模式下使用运动相机以避免图像提取。本样张中没有使用连拍模式,因为运动相机只能以2 fps的速度拍摄,这需要明显较慢的游泳速度来收集足够的图像来构建完整的模型。在这方面,使用连拍模式在野外的较长时间与使用视频模式时在计算机上提取图像的时间较长之间存在权衡。
运动相机的优点包括经济实惠,易于在水下运输和操作。数码单反相机的主要优点是它可以产生更高分辨率的图像;因此,当前者成本不高时,建议使用数码单反相机而不是运动相机。研究试图解决的问题类型对于确定所使用的方法也很重要。例如,在相对同质的环境中(例如,海草床,死珊瑚/瓦砾栖息地),或者在大空间尺度上仅评估广泛的群落指标(例如丰度,多样性)的环境中,运动相机可能更可取。但是,在跟踪单个生物体或基质的精细变化是感兴趣的情况下,可能会部署数码单反相机。
由于这是一种野外方法,模型输出将取决于各种环境因素,例如照明、水的透明度、表面条件、浪涌量以及鱼类或非静止底栖结构(例如海草)的移动。虽然没有绝对阈值来说明何时适合使用这种方法,但略带阴天、水透明度高、表面条件平静且浪涌小,通常会产生最佳模型。此外,这些方法所需的最小深度存在限制。这些方法在水深小于0.5 m的条件下效果不佳,因为照片之间的重叠度低,每张照片的区别特征较少。然而,这确实突出了运动相机的另一个优点,即它们更小,因此更容易在较浅的深度使用。此外,更小直径的线轴和更高的帧速率(或更广角的镜头)可以在非常浅的条件下改善图像重叠9。
许多其他数据类型可以与此方法集成。例如,正镶嵌已被用于使用开源软件“ili”26显示珊瑚24和人类25上的分子数据(例如基因和代谢物)的空间密度。同一平台还可用于绘制环境中动物、微生物、病毒和/或化学物质的空间密度。其他例子使用SfM通过地理信息系统软件10在空间上注释正射镶嵌上的底栖物种。此外,SfM生成的3D模型可用于估计栖息地特征,例如粗糙度和分形维数。事实上,这里概述的方法最近被用来推导出栖息地表面的新几何理论10。最后,正射镶嵌被用作空间显式计算模型的输入表面,允许将动态模拟叠加在模型的 3D 表面上。能够轻松生成底栖生境的大图像和3D表示,使海洋科学家能够解决迄今为止无法想象的问题3。
总体而言,以下是使用数码单反相机或更具成本效益的运动相机进行水下SfM摄影测量的详细协议。这些方法可以被科学家用于广泛的目的,从提取有关底栖生态系统的数据到开发用于 计算机模拟的 3D输入表面。然而,这些协议也可以被非科学家用作公民科学工作的一部分,以收集有关生物多样性模式、栖息地复杂性、群落结构和其他生态指标的宝贵信息。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢保罗·艾伦家庭基金会资助这项研究,并感谢露丝·盖茨(Ruth Gates)利用技术帮助保护珊瑚礁的灵感。我们还要感谢NOAA和其他合作者对这些方法的深思熟虑的讨论。最后,我们感谢Catie Foley和Patrick Nichols提供这些方法的无人机和水下视频。
我们感谢国家鱼类和野生动物基金会作为这项工作的资助合作伙伴。
Action camera (GoPro Hero7 Black) | GoPro | Could be any waterproof action camera | |
Adobe Lightroom | Adobe | Color correction | |
Calibration tiles ( flat PVC board cut to size for Agisoft targets. Attach a dive weight underneath if expecting waves) | Any negatively buoyant object of known size and color. We recommend using the scale marker templates available from Agisoft Metashape software (v.1.6.0). | ||
DSLR camera (Canon EOS Rebel SL3 ) | Canon | 3453C002AA | Could be any DSLR camera in a underwater housing |
Line (plastic clothes line filament) | Any negatively buoyant line that is strong enough to withstand field use | ||
Micro SDXC memory card (for GoPro) | |||
Oceanic Veo 2.0 | Oceanic | Digital depth gauge | |
SDXC memory card (for DSLR) | Any SDXC memory card should work, so long as there is enough space to hold all the pictures necessary to build the model | ||
Spool (2 inch-long section of 8 inch diameter PVC pipe which was attached to a 3 feet section of 1 inch PVC pipe to form the stem | Any negatively buoyant, round object of the desired diameter | ||
Underwater camera housing for DSLR (Ikelite 200DLM/C Underwater TTL Housing) | Ikelite | 6970.09 | Should be the specific water housing for the DSLR make and model |
Windows 10 desktop computer with an Intel i9-9900K 8-core CPU, two Nvidia GeForceRTX 2070 SUPER GPUs, and 128 GB of RAM. | Processing |