Vi leverer en detaljeret protokol til udførelse af undervandsstruktur-fra-bevægelse fotogrammetriundersøgelser for at generere 3D-modeller og ortomosaikker.
Struktur-fra-bevægelse (SfM) fotogrammetri er en teknik, der bruges til at generere tredimensionelle (3D) rekonstruktioner fra en sekvens af todimensionelle (2D) billeder. SfM-metoder bliver stadig mere populære som en ikke-invasiv måde at overvåge mange systemer på, herunder menneskeskabte og naturlige landskaber, geologiske strukturer og både terrestriske og akvatiske økosystemer. Her leveres en detaljeret protokol til indsamling af SfM-billeder for at generere 3D-modeller af bentiske levesteder. Derudover er omkostningerne, tidseffektiviteten og outputkvaliteten ved at anvende et Digital Single Lens Reflex (DSLR) kamera sammenlignet med et billigere actionkamera. Der blev observeret en afvejning mellem beregningstid og opløsning, hvor DSLR-kameraet producerede modeller med mere end dobbelt så høj opløsning, men det tog cirka 1,4 gange længere tid at producere end actionkameraet. Denne primer har til formål at give en grundig beskrivelse af de trin, der er nødvendige for at indsamle SfM-data i bentiske levesteder for dem, der ikke er bekendt med teknikken, såvel som for dem, der allerede bruger lignende metoder.
Økosystemprocesser er naturligt dynamiske og kan være vanskelige at kvantificere. Det seneste årti har der været en stigning i nye teknologier til indfangning af økosystemer og deres dynamik i en række skalaer fra 3D-laserscanning af individuelle økosystemfunktioner til satellittelemåling af store områder 1,2,3. I bentiske levesteder er struktur tæt forbundet med økosystemfunktion8, hvilket gør værktøjer, der samtidig giver mulighed for overvågning af geometri og samfundsstruktur, særligt værdifulde for at forstå økologisk dynamik. Imidlertid kan mange moderne tilgange ikke anvendes i akvatiske systemer på grund af vandets fysiske egenskaber (f.eks. Brydning, forvrængning, turbiditet). Teknikker, såsom LiDAR (Light Detection and Ranging) og nogle luftundersøgelsesmetoder, kan være passende på store rumlige skalaer, men kan ikke opnå den opløsning, der er nødvendig for at vurdere fine skalaændringer i bentiske levesteder. Struktur-fra-bevægelse (SfM) fotogrammetrimetoder er for nylig blevet tilpasset til at producere storskala, høj opløsning ortomosaikker og 3D-overflademodeller af undersøiske levesteder 4,5,6,7.
SfM-fotogrammetri er en relativt billig, enkel, ikke-invasiv og gentagelig metode, der giver mulighed for generering af store registreringer i høj opløsning af det bentiske miljø i akvatiske økosystemer9. SfM bruger en sekvens af 2D-billeder til at generere 3D-modelrekonstruktioner. De modeller, der genereres fra SfM, kan bruges til at indsamle data om den strukturelle kompleksitet (f.eks. rugositet, dimensionalitet)4,5,10,11,12 og samfundsstruktur (f.eks. artssammensætning, populationsdemografi)13,14,15 af bentiske økosystemer. Da denne metode desuden er relativt billig, hurtig og gentagelig, kan den bruges af både forskere og ikke-forskere til at indsamle værdifulde, objektive oplysninger om disse økosystemer. Derfor er denne metode en levedygtig teknik til brug i borgervidenskabsprojekter, hvor standardisering af prøveudtagningsindsats, minimering af bias, involvering af deltagere og let træning er afgørende for datakvaliteten og den samlede succes16,17.
Denne artikel indeholder en detaljeret protokol til udførelse af undervands SfM-undersøgelser. Samtidig er brugen af et DSLR-kamera blevet sammenlignet med brugen af et mere omkostningseffektivt ‘actionkamera’, og de relative fordele og ulemper ved hvert er skitseret. Det overordnede mål er at gøre forskere og ikke-forskere fortrolige med bentiske SfM-undersøgelsesmetoder så hurtigt som muligt ved at tilvejebringe en enkel, almindeligt anvendt protokol, hvilket igen fremmer brugen af denne metode mere bredt. For eksempler på undersøgelser, der har anvendt variationer af denne metode til at studere økologiske samfund under vandet, se Burns et al. (2015)4, Storlazzi et al. (2016)18, Ventura et al (2016 og 2018)19,20, Edwards et al. (2017)14, George et al. (2018)21, Anelli et al. (2019)22 og Torres-Pulliza et al. (2020)10.
Metoden beskrevet her kræver en to-personers snorkel eller SCUBA-team. Når undersøgelsesstedet er valgt, placeres en linjespole (figur 1A) i midten af stedet, og kalibreringsfliser (figur 1B) fordeles ~ 2 m fra midten. En person (svømmeren) svømmer med kameraet og tager billeder af stedet, mens den anden person (assistenten) plejer spolen i midten af plottet (figur 1C). Først forbinder svømmeren kameraet til spolen via linjen og begynder derefter at tage kontinuerlige billeder af benthos, mens han svømmer med forsiden nedad og fremad for at slappe af linjen fra spolen. Svømmeren skal til enhver tid holde en lodret afstand på ~ 1 m over underlaget og justere deres position, så den matcher topografiens, når de svømmer. Det er vigtigt, at linjen, der forbinder spolen og kameraet, altid skal forblive stram for at skabe jævn afstand i spiralen, når svømmeren undersøger plottet. Assistenten holder spolen i en stabil, opretstående position og sikrer, at spolen ikke roterer, og at linjen ikke bliver sammenfiltret.
Når linen er rullet helt ud, stopper svømmeren, drejer og svømmer i modsat retning for at rekylere linen omkring spolen. Når svømmeren skifter retning, drejer assistenten spolen for at sno linen ind, nøjagtigt 180° for at forhindre nøjagtig overlapning af den udgående sti. Når svømmeren er så tæt på midten som muligt, løsnes kameraet fra linjen, og assistenten tager spolen og linjen og svømmer væk fra den centrale del af stedet. Svømmeren afslutter derefter billedet af midten af plottet ved at flytte kameraet i en lille spiral over midten. Selvom der er flere måder at afbilde et område effektivt på, er spole-og-linje-metoden, der er beskrevet her, robust under selv ikke-ideelle miljøforhold, hvor hakket overfladevand, dønninger eller lav sigtbarhed ellers kan hindre dataindsamling. I disse scenarier holder denne metode snorklere / dykkere fastgjort og sikrer høj overlapning af billeder ved at holde svømmeren på en kontrolleret sti.
Denne undersøgelse viser, at både DSLR-kameraet og actionkameraet producerer modeller med bedre end 0,5 mm / pixelopløsning på mindre end 10 timers behandlingstid på en standard stationær computer. Den største afvejning mellem DSLR og actionkameraet, bortset fra omkostninger, er henholdsvis finere opløsning versus hurtigere behandlingstid. De rapporterede behandlingstider omfatter dog kun den beregningsmæssige behandling. Selvom beregningstiden er mindre for actionkameraet, er der således en betydelig mængde tid (10-20 min) investeret i billedekstraktion fra videoerne, der ikke kræves med DSLR. Et alternativ er at bruge actionkameraet i kontinuerlig optagetilstand for at undgå billedudtrækning. Kontinuerlig optagetilstand blev ikke brugt i dette eksempel, da actionkameraet kun kan optage ved 2 fps, hvilket kræver en betydeligt langsommere svømmehastighed for at indsamle nok billeder til at bygge en komplet model. I denne henseende er der en afvejning mellem længere tid i marken ved hjælp af kontinuerlig optagelsestilstand versus længere tid på computeren, udtrækning af billeder, når du bruger videotilstand.
Fordele ved actionkameraet inkluderer overkommelighed og nem transport og betjening under vandet. Den største fordel ved DSLR er, at den producerer billeder med højere opløsning; derfor anbefales DSLR-kameraer frem for actionkameraer, når førstnævnte ikke er omkostningsuoverkommelig. Den slags spørgsmål, en undersøgelse søger at behandle, vil også være vigtige for at bestemme den anvendte metode. For eksempel kan et actionkamera være at foretrække i miljøer, der er relativt homogene (f.eks. Havgræsbede, døde koraller/murbrokker), eller hvor kun brede samfundsmålinger (såsom overflod, mangfoldighed) vurderes over store rumlige skalaer. Et DSLR-kamera kan dog anvendes i tilfælde, hvor sporing af finskalaændringer i individuelle organismer eller substrater er af interesse.
Da dette er en feltmetode, vil modellens output afhænge af forskellige miljøfaktorer såsom belysning, vandklarhed, overfladeforhold, bølgemængde og bevægelse af fisk eller ikke-stationære bentiske strukturer (f.eks. Havgræs). Selvom der ikke er nogen absolutte tærskler for, hvornår det er hensigtsmæssigt at bruge denne metode, producerer let overskyede dage med høj vandklarhed, rolige overfladeforhold og lille bølge typisk de bedste modeller. Desuden er der en grænse for den mindste dybde, der kræves til disse metoder. Disse metoder fungerer ikke godt under forhold, hvor der er mindre end 0,5 m vand på grund af den lave overlapning mellem fotos og færre kendetegn pr. Foto. Dette fremhæver dog en anden fordel ved actionkameraet, nemlig at de er mindre og dermed lettere at bruge på lavere dybder. Desuden kan en spole med mindre diameter og højere billedhastighed (eller bredvinkelobjektiv) forbedre billedoverlapning under meget lave forhold9.
Mange andre datatyper kan integreres med denne tilgang. For eksempel er ortomosaikker blevet brugt til at vise den rumlige tæthed af molekylære data (f.eks. gener og metabolitter) på koraller 24 og mennesker 25 ved hjælp af open source-softwaren ‘ili’26. Den samme platform kan også bruges til at kortlægge den rumlige tæthed af dyr, mikroorganismer, vira og/eller kemikalier i miljøet. Andre eksempler har brugt SfM til at annotere bentiske arter rumligt på ortomosaikker ved hjælp af geografisk informationssystemsoftware10. Desuden kan de 3D-modeller, der genereres af SfM, bruges til at estimere habitatkarakteristika såsom rugositet og fraktal dimension. Faktisk blev de metoder, der er skitseret her, for nylig brugt til at udlede en ny geometrisk teori for habitatoverflader10. Endelig bruges ortomosaikker som inputflader til rumligt eksplicitte beregningsmodeller, hvilket gør det muligt at overlejre dynamiske simuleringer på modellens 3D-overflade. At være i stand til nemt at generere store billeder og 3D-repræsentationer af bentiske levesteder har gjort det muligt for havforskere at adressere hidtil uanede spørgsmål3.
Samlet set er her en detaljeret protokol til udførelse af undervands SfM-fotogrammetri med enten DSLR-kameraer eller mere omkostningseffektive actionkameraer. Disse metoder kan bruges af forskere til en bred vifte af formål, fra at udtrække data om bentiske økosystemer til at udvikle 3D-inputoverflader til in silico-simuleringer . Disse protokoller kan dog også bruges af ikke-forskere som en del af borgervidenskabelige bestræbelser på at indsamle værdifuld information om mønstre af biodiversitet, habitatkompleksitet, samfundsstruktur og andre økologiske målinger.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Paul G. Allen Family Foundation for at finansiere denne forskning og er taknemmelige for Ruth Gates for inspirationen til at bruge teknologi til at hjælpe med at bevare rev. Vi takker også NOAA og andre samarbejdspartnere for tankevækkende diskussion om disse metoder. Endelig takker vi Catie Foley og Patrick Nichols for at levere drone- og undervandsvideoen af disse metoder.
Vi anerkender National Fish and Wildlife Foundation som finansieringspartner i dette arbejde.
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 |