אנו מספקים פרוטוקול מפורט לביצוע סקרי פוטוגרמטריה תת-ימיים של מבנה מתנועה כדי ליצור מודלים תלת-ממדיים ואורתופסיפסים.
פוטוגרמטריה של מבנה מתנועה (SfM) היא טכניקה המשמשת ליצירת שחזורים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) מרצף של תמונות דו-ממדיות (2D). שיטות SfM הופכות פופולריות יותר ויותר כדרך לא פולשנית לפקח על מערכות רבות, כולל נופים אנתרופוגניים וטבעיים, מבנים גיאולוגיים, ומערכות אקולוגיות יבשתיות ומימיות. כאן, פרוטוקול מפורט מסופק לאיסוף תמונות SfM כדי ליצור מודלים תלת ממדיים של בתי גידול בנטיים. בנוסף, הושוו העלות, יעילות הזמן ואיכות הפלט של שימוש במצלמת רפלקס דיגיטלית עם עדשה יחידה (DSLR) לעומת מצלמת אקשן זולה יותר. נצפתה פשרה בין זמן חישובי לרזולוציה, כאשר מצלמת ה-DSLR ייצרה דגמים עם רזולוציה של יותר מפי שניים, אך לקח בערך פי 1.4 יותר זמן לייצר מאשר מצלמת האקשן. פריימר זה נועד לספק תיאור יסודי של הצעדים הדרושים לאיסוף נתוני SfM בבתי גידול בנתיים עבור אלה שאינם מכירים את הטכניקה, כמו גם עבור אלה שכבר משתמשים בשיטות דומות.
תהליכים במערכת אקולוגית הם דינמיים מטבעם וקשה לכמת אותם. בעשור האחרון חל זינוק בטכנולוגיות חדשות ללכידת מערכות אקולוגיות והדינמיקה שלהן במגוון קני מידה, החל מסריקת לייזר תלת-ממדית של תכונות מערכת אקולוגית בודדות ועד לחישה מרחוק באמצעות לוויין של שטחים גדולים 1,2,3. בבתי גידול בנטיים, המבנה קשור קשר הדוק עם תפקוד המערכת האקולוגית8, מה שהופך כלים המאפשרים בו זמנית ניטור גיאומטריה ומבנה קהילה בעלי ערך רב במיוחד להבנת דינמיקה אקולוגית. עם זאת, גישות מודרניות רבות אינן יכולות לשמש במערכות ימיות בשל התכונות הפיזיקליות של מים (למשל, שבירה, עיוות, עכירות). טכניקות, כגון LiDAR (Light Detection and Ranging) וכמה שיטות סקר אווירי, עשויות להתאים בקנה מידה מרחבי גדול, אך אינן יכולות להשיג את הרזולוציה הדרושה להערכת שינויים בקנה מידה עדין בבתי גידול בנטיים. שיטות פוטוגרמטריה של מבנה מתנועה (SfM) הותאמו לאחרונה כדי לייצר אורתופסיפס בקנה מידה גדול, ברזולוציה גבוהה ומודלים תלת-ממדיים של פני שטח של בתי גידול תת-ימיים 4,5,6,7.
פוטוגרמטריה SfM היא שיטה זולה יחסית, פשוטה, לא פולשנית וחוזרת על עצמה המאפשרת יצירת רשומות בקנה מידה גדול, ברזולוציה גבוהה של הסביבה הבנתית במערכות אקולוגיות ימיות9. SfM משתמש ברצף של תמונות דו-ממדיות כדי ליצור שחזורים של מודלים תלת-ממדיים. המודלים שנוצרו מ-SfM יכולים לשמש לאיסוף נתונים על המורכבות המבנית (למשל, רוגוסיטיות, ממדיות)4,5,10,11,12 ומבנה הקהילה (למשל, הרכב מינים, דמוגרפיה של אוכלוסיות)13,14,15 של מערכות אקולוגיות בנטיות. יתר על כן, מכיוון ששיטה זו זולה יחסית, מהירה וניתנת לחזרה, מדענים ולא-מדענים יכולים להשתמש בה כדי לאסוף מידע אובייקטיבי ובעל ערך על מערכות אקולוגיות אלה. לכן, שיטה זו היא טכניקה בת קיימא לשימוש בפרויקטים של מדע אזרחי שבהם סטנדרטיזציה של מאמץ הדגימה, מזעור הטיה, מעורבות המשתתפים וקלות ההכשרה חיוניים לאיכות הנתונים ולהצלחה הכוללת16,17.
מאמר זה מספק פרוטוקול מפורט לביצוע סקרי SfM מתחת למים. במקביל, השימוש במצלמת DSLR הושווה לזה של ‘מצלמת פעולה’ חסכונית יותר, ומתוארים היתרונות והחסרונות היחסיים של כל אחת מהן. המטרה הכוללת היא להכיר מדענים ולא מדענים עם שיטות סקר SfM benthic מהר ככל האפשר על ידי מתן פרוטוקול פשוט, נפוץ, בתורו, קידום השימוש בשיטה זו באופן נרחב יותר. לדוגמאות למחקרים שיישמו וריאציות של שיטה זו לחקר קהילות אקולוגיות תת-ימיות, ראו Burns et al. (2015)4, Storlazzi et al. (2016)18, Ventura et al (2016 and 2018)19,20, Edwards et al. (2017)14, George et al. (2018)21, Anelli et al. (2019)22, and Torres-Pulliza et al. (2020)10.
השיטה המתוארת כאן דורשת צוות שנורקל או SCUBA של שני אנשים. לאחר בחירת אתר הסקר, סליל של קו (איור 1A) ממוקם במרכז האתר, ואריחי כיול (איור 1B) מפוזרים ~2 מ’ מהמרכז. אדם אחד (השחיין) שוחה עם המצלמה ולוכד תמונות של האתר, בעוד שהאדם השני (העוזר) נוטה את הסליל במרכז העלילה (איור 1C). ראשית, השחיין מחבר את המצלמה לסליל דרך הקו ולאחר מכן מתחיל לצלם תמונות רציפות של הבנט’ואים תוך כדי שחייה עם הפנים כלפי מטה וקדימה כדי לשחרר את הקו מהסליל. השחיין צריך לשמור על מרחק אנכי של ~ 1 מ ‘מעל המצע בכל עת, להתאים את המיקום שלהם כך שיתאים לזה של הטופוגרפיה בזמן שהם שוחים. חשוב לציין, הקו המחבר בין הסליל למצלמה צריך להישאר מתוח בכל עת כדי ליצור ריווח אחיד בספירלה בזמן שהשחיין סוקר את העלילה. העוזר שומר על הסליל במצב יציב וזקוף ומוודא שהסליל לא מסתובב ושהקו לא מסתבך.
לאחר שהקו השתחרר לחלוטין, השחיין עוצר, מסתובב ושוחה בכיוון ההפוך כדי להרתיע את הקו סביב הסליל. כאשר השחיין מחליף כיוון, העוזר מסובב את הסליל כדי לסובב את הקו פנימה, בדיוק 180° כדי למנוע חפיפה מדויקת של הנתיב היוצא. ברגע שהשחיין קרוב ככל האפשר למרכז, המצלמה מנותקת מהקו, והעוזר לוקח את הסליל והקו ושוחה הרחק מהחלק המרכזי של האתר. לאחר מכן השחיין מסיים לצלם את מרכז העלילה על ידי הזזת המצלמה בספירלה קטנה מעל המרכז. בעוד שישנן מספר דרכים לדמיין אזור ביעילות, שיטת הסליל והקו המתוארת כאן חזקה אפילו בתנאים סביבתיים לא אידיאליים שבהם מים על פני השטח סוערים, התנפחות או ראות נמוכה עלולים לעכב את איסוף הנתונים. בתרחישים אלה, שיטה זו שומרת על שנורקלים/צוללנים מחוברים ומבטיחה חפיפה גבוהה של תמונות על ידי שמירה על השחיין במסלול מבוקר.
מחקר זה מדגים כי הן מצלמת ה-DSLR והן מצלמת הפעולה מייצרות דגמים ברזולוציה טובה מ-0.5 מ”מ/פיקסל בפחות מ-10 שעות של זמן עיבוד במחשב שולחני סטנדרטי. הפשרה העיקרית בין מצלמת DSLR למצלמת אקשן, מלבד עלות, היא רזולוציה עדינה יותר לעומת זמן עיבוד מהיר יותר, בהתאמה. עם זאת, זמני העיבוד המדווחים כוללים רק את העיבוד החישובי. לכן, למרות שזמן החישוב קטן יותר עבור מצלמת הפעולה, יש כמות משמעותית של זמן (10-20 דקות) המושקע בחילוץ תמונה מהסרטונים שאינו נדרש עם DSLR. חלופה אחרת היא להשתמש במצלמת הפעולה במצב צילום רציף כדי למנוע חילוץ תמונה. מצב צילום רציף לא שימש בדוגמה זו, מכיוון שמצלמת הפעולה יכולה לצלם רק בקצב של 2 fps, מה שדורש קצב שחייה איטי משמעותית כדי לאסוף מספיק תמונות לבניית מודל שלם. בהקשר זה, יש פשרה בין זמן ארוך יותר בשטח באמצעות מצב צילום רציף לעומת זמן ארוך יותר במחשב, חילוץ תמונות, בעת שימוש במצב וידאו.
היתרונות של מצלמת הפעולה כוללים מחיר סביר וקלות הובלה ותפעול מתחת למים. היתרון העיקרי של DSLR הוא שהוא מייצר תמונות ברזולוציה גבוהה יותר; לפיכך, מצלמות DSLR מומלצות על פני מצלמות אקשן כאשר הראשונה אינה חסכונית. סוגי השאלות שהמחקר מבקש לענות עליהן יהיו חשובים גם בקביעת השיטה בה נעשה שימוש. לדוגמה, מצלמת פעולה עשויה להיות עדיפה בסביבות הומוגניות יחסית (למשל, ערוגות עשב-ים, בתי גידול מתים של אלמוגים/הריסות), או שבהן רק מדדים קהילתיים רחבים (כגון שפע, גיוון) נבחנים על פני קני מידה מרחביים גדולים. עם זאת, מצלמת DSLR עשויה להיות פרוסה במקרים שבהם מעקב אחר שינויים בקנה מידה עדין באורגניזמים בודדים או מצעים הוא מעניין.
מכיוון שמדובר בשיטת שדה, תפוקות המודל יהיו תלויות בגורמים סביבתיים שונים כגון תאורה, צלילות מים, תנאי פני השטח, כמות נחשולי מתח ותנועה של דגים או מבנים בנטיים לא נייחים (למשל, עשב ים). למרות שאין סף מוחלט מתי מתאים להשתמש בשיטה זו, ימים מעוננים מעט עם בהירות מים גבוהה, תנאי שטח רגועים ונחשול קטן בדרך כלל מייצרים את הדגמים הטובים ביותר. יתר על כן, יש גבול לעומק המינימלי הנדרש לשיטות אלה. שיטות אלה אינן פועלות היטב בתנאים שבהם יש פחות מ -0.5 מ ‘מים בגלל החפיפה הנמוכה בין תמונות ופחות תכונות הבחנה לכל תמונה. עם זאת, זה מדגיש יתרון נוסף של מצלמת האקשן, כלומר הם קטנים יותר ולכן קלים יותר לשימוש בעומקים רדודים יותר. יתר על כן, סליל בקוטר קטן יותר וקצב פריימים גבוה יותר (או עדשה בעלת זווית רחבה יותר) יכולים לשפר את חפיפת התמונה בתנאים רדודים מאוד9.
ניתן לשלב סוגי נתונים רבים אחרים בגישה זו. לדוגמה, אורתופסיפס שימש כדי להראות את הצפיפות המרחבית של נתונים מולקולריים (למשל, גנים ומטבוליטים) על אלמוגים 24 ובני אדם 25 באמצעות תוכנת הקוד הפתוח ‘ili’26. אותה פלטפורמה יכולה לשמש גם למיפוי הצפיפויות המרחביות של בעלי חיים, מיקרואורגניזמים, וירוסים ו / או כימיקלים בסביבה. דוגמאות אחרות השתמשו ב-SfM לביאור מינים בנטיים מרחבית על גבי אורתופסיפסים באמצעות תוכנת מערכת מידע גיאוגרפית10. יתר על כן, ניתן להשתמש במודלים התלת-ממדיים שנוצרו על ידי SfM כדי להעריך מאפייני בית גידול כגון רוגוזיות וממד פרקטלי. ואכן, השיטות המתוארות כאן שימשו לאחרונה כדי לגזור תיאוריה גיאומטרית חדשה עבור משטחי בית גידול10. לבסוף, אורתופסיפס משמשים כמשטחי קלט עבור מודלים חישוביים מפורשים מרחבית, המאפשרים הדמיות דינמיות להיות מונחות-על על פני השטח התלת-ממדיים של המודל. היכולת ליצור בקלות תמונות גדולות וייצוגים תלת-ממדיים של בתי גידול בנתיים אפשרה למדענים ימיים לענות על שאלות שלא דמיינו עד כה3.
בסך הכל, הנה פרוטוקול מפורט לביצוע פוטוגרמטריה SfM מתחת למים עם מצלמות DSLR או מצלמות פעולה חסכוניות יותר. שיטות אלה יכולות לשמש מדענים למגוון רחב של מטרות, החל מחילוץ נתונים על מערכות אקולוגיות בנטיות ועד לפיתוח משטחי קלט תלת-ממדיים עבור סימולציות סיליקו . עם זאת, פרוטוקולים אלה יכולים לשמש גם אנשים שאינם מדענים כחלק ממאמצי המדע האזרחי לאסוף מידע רב ערך על דפוסים של מגוון ביולוגי, מורכבות בתי גידול, מבנה קהילתי ומדדים אקולוגיים אחרים.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לקרן משפחת פול ג. אלן על מימון מחקר זה ומודים לרות גייטס על ההשראה להשתמש בטכנולוגיה כדי לסייע בשימור שוניות. אנו מודים גם ל-NOAA ולמשתפי פעולה אחרים על דיון מעמיק בנוגע לשיטות אלה. לבסוף, אנו מודים לקייטי פולי ופטריק ניקולס על אספקת הרחפן והווידאו התת-ימי של שיטות אלה.
אנו מכירים בקרן הלאומית לדגים וחיות בר כשותפה למימון בעבודה זו.
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 |