Vi tillhandahåller ett detaljerat protokoll för att genomföra fotogrammetriundersökningar under vatten från rörelse för att generera 3D-modeller och ortomosaiker.
Struktur-från-rörelse (SfM) fotogrammetri är en teknik som används för att generera tredimensionella (3D) rekonstruktioner från en sekvens av tvådimensionella (2D) bilder. SfM-metoder blir alltmer populära som ett icke-invasivt sätt att övervaka många system, inklusive antropogena och naturliga landskap, geologiska strukturer och både terrestra och akvatiska ekosystem. Här tillhandahålls ett detaljerat protokoll för insamling av SfM-bilder för att generera 3D-modeller av bentiska livsmiljöer. Dessutom har kostnaden, tidseffektiviteten och utskriftskvaliteten för att använda en DSLR-kamera (Digital Single Lens Reflex) jämfört med en billigare actionkamera jämförts. En kompromiss mellan beräkningstid och upplösning observerades, där DSLR-kameran producerar modeller med mer än dubbelt så hög upplösning, men tar ungefär 1,4 gånger längre tid att producera än actionkameran. Denna primer syftar till att ge en grundlig beskrivning av de steg som krävs för att samla in SfM-data i bentiska livsmiljöer för dem som inte känner till tekniken såväl som för dem som redan använder liknande metoder.
Ekosystemprocesser är naturligt dynamiska och kan vara svåra att kvantifiera. Det senaste decenniet har sett en ökning av ny teknik för att fånga ekosystem och deras dynamik i en rad skalor från 3D-laserskanning av enskilda ekosystemfunktioner till satellitfjärranalys av stora områden 1,2,3. I bentiska livsmiljöer är strukturen intimt kopplad till ekosystemfunktion8, vilket gör verktyg som samtidigt möjliggör övervakning av geometri och samhällsstruktur särskilt värdefulla för att förstå ekologisk dynamik. Många moderna metoder kan dock inte användas i akvatiska system på grund av vattnets fysikaliska egenskaper (t.ex. brytning, distorsion, grumlighet). Tekniker, såsom LiDAR (Light Detection and Ranging) och vissa flygundersökningsmetoder, kan vara lämpliga på stora rumsliga skalor, men kan inte få den upplösning som behövs för att bedöma finskaliga förändringar i bentiska livsmiljöer. Struktur-från-rörelse (SfM) fotogrammetrimetoder har nyligen anpassats för att producera storskaliga, högupplösta ortomosaiker och 3D-ytmodeller av undervattensmiljöer 4,5,6,7.
SfM-fotogrammetri är en relativt billig, enkel, icke-invasiv och repeterbar metod som möjliggör generering av storskaliga, högupplösta register över den bentiska miljön i akvatiska ekosystem9. SfM använder en sekvens av 2D-bilder för att generera 3D-modellrekonstruktioner. Modellerna som genereras från SfM kan användas för att samla in data om den strukturella komplexiteten (t.ex. rugositet, dimensionalitet)4,5,10,11,12 och samhällsstruktur (t.ex. artsammansättning, populationsdemografi)13,14,15 av bentiska ekosystem. Dessutom, eftersom denna metod är relativt billig, snabb och repeterbar, kan den användas av både forskare och icke-forskare för att samla värdefull, objektiv information om dessa ekosystem. Därför är denna metod en livskraftig teknik för användning i medborgarvetenskapliga projekt där standardisering av provtagningsinsatser, minimering av partiskhet, deltagarnas engagemang och enkel utbildning är avgörande för kvaliteten på data och övergripande framgång16,17.
Den här artikeln innehåller ett detaljerat protokoll för att utföra SfM-undersökningar under vattnet. Samtidigt har användningen av en DSLR-kamera jämförts med en mer kostnadseffektiv “actionkamera”, och de relativa fördelarna och nackdelarna med var och en beskrivs. Det övergripande målet är att bekanta forskare och icke-forskare med bentiska SfM-undersökningsmetoder så snabbt som möjligt genom att tillhandahålla ett enkelt, vanligt använt protokoll, vilket i sin tur främjar användningen av denna metod i större utsträckning. För exempel på studier som har tillämpat variationer av denna metod för att studera ekologiska samhällen under vattnet, se Burns et al. (2015) (2015) 4, Storlazzi et al. (2016) (2016 och 2018) 19, 20, Edwards et al. (2017) (2017) 14, George et al. (2018) ) 21, Anelli et al. (2019) 22 och Torres-Pulliza et al. (2020) 10.
Metoden som beskrivs här kräver ett snorkel- eller SCUBA-team för två personer. När undersökningsplatsen har valts placeras en linjespole (figur 1A) i mitten av platsen och kalibreringsplattor (figur 1B) fördelas ~ 2 m från mitten. En person (simmaren) simmar med kameran och tar bilder av platsen, medan den andra personen (assistenten) sköter spolen i mitten av tomten (figur 1C). Först ansluter simmaren kameran till spolen via linjen och börjar sedan ta kontinuerliga bilder av bentos medan han simmar med framsidan nedåt och framåt för att varva ner linan från spolen. Simmaren bör alltid hålla ett vertikalt avstånd på ~ 1 m över underlaget och justera sin position för att matcha topografin när de simmar. Det är viktigt att linjen som förbinder spolen och kameran alltid är spänd för att skapa jämnt avstånd i spiralen när simmaren undersöker tomten. Assistenten håller spolen i ett stabilt, upprätt läge och ser till att spolen inte roterar och att linjen inte trasslar ihop sig.
När linan är helt upprullad stannar simmaren, vänder sig och simmar i motsatt riktning för att rekylera linan runt spolen. När simmaren byter riktning vrider assistenten spolen för att linda in linan, exakt 180° för att förhindra exakt överlappning av den utgående banan. När simmaren är så nära mitten som möjligt lossas kameran från linjen, och assistenten tar spolen och linjen och simmar bort från den centrala delen av platsen. Simmaren avslutar sedan avbildningen av mitten av tomten genom att flytta kameran i en liten spiral över mitten. Även om det finns flera sätt att avbilda ett område effektivt, är spol-och-linjemetoden som beskrivs här robust även i icke-idealiska miljöförhållanden där hackigt ytvatten, svällning eller låg sikt annars kan hindra datainsamling. I dessa scenarier håller denna metod snorklare / dykare anslutna och säkerställer hög överlappning av bilder genom att hålla simmaren på en kontrollerad väg.
Denna studie visar att både DSLR-kameran och actionkameran producerar modeller med bättre upplösning än 0,5 mm/pixel på mindre än 10 timmars bearbetningstid på en vanlig stationär dator. Den stora avvägningen mellan DSLR och actionkamera, bortsett från kostnaden, är finare upplösning respektive snabbare bearbetningstid. De rapporterade behandlingstiderna inkluderar dock endast beräkningsbearbetningen. Således, även om beräkningstiden är mindre för actionkameran, investeras det en betydande tid (10-20 min) i bildutvinning från videorna som inte krävs med DSLR. Ett alternativ är att använda actionkameran i serietagningsläge för att undvika bildextrahering. Läget för kontinuerlig tagning användes inte i det här exemplet, eftersom actionkameran bara kan fotografera med 2 bilder per sekund, vilket kräver en betydligt långsammare simhastighet för att samla in tillräckligt med bilder för att bygga en komplett modell. I detta avseende finns det en avvägning mellan längre tid i fältet med kontinuerligt fotograferingsläge kontra längre tid på datorn, extrahera bilder, när du använder videoläge.
Fördelarna med actionkameran inkluderar överkomliga priser och enkel transport och drift under vattnet. Den största fördelen med DSLR är att den producerar bilder med högre upplösning; Därför rekommenderas DSLR-kameror framför actionkameror när den förra inte är kostnadsoöverkomlig. De typer av frågor som en studie försöker ta itu med kommer också att vara viktiga för att bestämma den använda metoden. Till exempel kan en actionkamera vara att föredra i miljöer som är relativt homogena (t.ex. sjögräsbäddar, döda koraller / murar) eller där endast breda samhällsmått (som överflöd, mångfald) bedöms över stora rumsliga skalor. En DSLR-kamera kan dock användas i fall där spårning av finskaliga förändringar i enskilda organismer eller substrat är av intresse.
Eftersom detta är en fältmetod beror modellens resultat på olika miljöfaktorer som belysning, vattenklarhet, ytförhållanden, överspänningsmängd och rörelse av fisk eller icke-stationära bentiska strukturer (t.ex. havsgräs). Även om det inte finns några absoluta trösklar för när det är lämpligt att använda denna metod, ger något mulna dagar med hög vattenklarhet, lugna ytförhållanden och liten våg vanligtvis de bästa modellerna. Dessutom finns det en gräns för det minsta djup som krävs för dessa metoder. Dessa metoder fungerar inte bra under förhållanden där det finns mindre än 0,5 m vatten på grund av den låga överlappningen mellan foton och färre särdrag per foto. Detta belyser dock en annan fördel med actionkameran, dvs de är mindre och därmed lättare att använda på grundare djup. Dessutom kan en spole med mindre diameter och högre bildhastighet (eller objektiv med bredare vinkel) förbättra bildöverlappningen under mycket grunda förhållanden9.
Många andra datatyper kan integreras med den här metoden. Till exempel har ortomosaiker använts för att visa den rumsliga densiteten hos molekylära data (t.ex. gener och metaboliter) på koraller24 och människor25 med hjälp av programvaran “ili” med öppen källkod26. Samma plattform kan också användas för att kartlägga rumstätheten hos djur, mikroorganismer, virus och / eller kemikalier i miljön. Andra exempel har använt SfM för att kommentera bentiska arter rumsligt på ortomosaiker med hjälp av geografisk informationssystemprogramvara10. Dessutom kan de 3D-modeller som genereras av SfM användas för att uppskatta livsmiljöegenskaper som rugositet och fraktal dimension. Faktum är att de metoder som beskrivs här nyligen användes för att härleda en ny geometrisk teori för livsmiljöytor10. Slutligen används ortomosaiker som ingångsytor för rumsligt explicita beräkningsmodeller, vilket gör det möjligt att lägga dynamiska simuleringar på modellens 3D-yta. Att enkelt kunna generera stora bilder och 3D-representationer av bentiska livsmiljöer har gjort det möjligt för marina forskare att ta itu med hittills oanade frågor3.
Sammantaget är här ett detaljerat protokoll för att genomföra undervattens SfM-fotogrammetri med antingen DSLR-kameror eller mer kostnadseffektiva actionkameror. Dessa metoder kan användas av forskare för ett brett spektrum av ändamål, från att extrahera data om bentiska ekosystem till att utveckla 3D-ingångsytor för in silico-simuleringar . Dessa protokoll kan dock också användas av icke-forskare som en del av medborgarvetenskapliga insatser för att samla värdefull information om mönster av biologisk mångfald, livsmiljökomplexitet, samhällsstruktur och andra ekologiska mätvärden.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Paul G. Allen Family Foundation för att finansiera denna forskning och är tacksamma för Ruth Gates för inspirationen att använda teknik för att bevara rev. Vi tackar också NOAA och andra samarbetspartners för tankeväckande diskussion om dessa metoder. Slutligen tackar vi Catie Foley och Patrick Nichols för att ha tillhandahållit drönaren och undervattensvideon av dessa metoder.
Vi uppmärksammar National Fish and Wildlife Foundation som finansieringspartner i detta arbete.
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 |