Yapı-hareket-hareket-fotogrametri kullanarak bentik ekosistemleri izlemek için bir alan astarı
Summary
3D modeller ve ortomozaikler oluşturmak için sualtı hareketten yapı fotogrametri araştırmaları yapmak için ayrıntılı bir protokol sağlıyoruz.
Abstract
Hareketten yapı (SfM) fotogrametrisi, iki boyutlu (2B) görüntülerin bir dizisinden üç boyutlu (3B) rekonstrüksiyonlar üretmek için kullanılan bir tekniktir. SfM yöntemleri, antropojenik ve doğal manzaralar, jeolojik yapılar ve hem karasal hem de sucul ekosistemler dahil olmak üzere birçok sistemi izlemenin invaziv olmayan bir yolu olarak giderek daha popüler hale gelmektedir. Burada, bentik habitatların 3D modellerini oluşturmak için SfM görüntülerini toplamak için ayrıntılı bir protokol sağlanmıştır. Ek olarak, daha ucuz bir aksiyon kamerasına karşı Dijital Tek Lensli Refleks (DSLR) kamera kullanmanın maliyeti, zaman verimliliği ve çıktı kalitesi karşılaştırılmıştır. Hesaplama zamanı ve çözünürlük arasında bir denge gözlendi; DSLR fotoğraf makinesi iki kattan fazla çözünürlüğe sahip modeller üretti, ancak aksiyon kamerasından yaklaşık 1,4 kat daha uzun sürdü. Bu astar, tekniğe aşina olmayanlar ve zaten benzer yöntemler kullananlar için bentik habitatlarda SfM verilerini toplamak için gerekli adımların kapsamlı bir açıklamasını sağlamayı amaçlamaktadır.
Introduction
Ekosistem süreçleri doğal olarak dinamiktir ve ölçülmesi zor olabilir. Son on yılda, ekosistemleri ve dinamiklerini, bireysel ekosistem özelliklerinin 3D lazer taramasından geniş alanların uydu uzaktan algılanmasına kadar bir dizi ölçekte yakalamak için yeni teknolojilerde bir artış görülmüştür 1,2,3. Bentik habitatlarda, yapı ekosistem fonksiyonu8 ile yakından bağlantılıdır, bu da geometriyi ve topluluk yapısını aynı anda izlemeye izin veren araçları ekolojik dinamikleri anlamak için özellikle değerli kılar. Bununla birlikte, suyun fiziksel özellikleri nedeniyle (örneğin, kırılma, bozulma, bulanıklık) su sistemlerinde birçok modern yaklaşım kullanılamaz. LiDAR (Işık Algılama ve Aralık) ve bazı hava araştırma yöntemleri gibi teknikler, büyük mekansal ölçeklerde uygun olabilir, ancak bentik habitatlardaki ince ölçekli değişiklikleri değerlendirmek için gereken çözünürlüğü elde edemez. Hareketten Yapı (SfM) fotogrametri yöntemleri son zamanlarda sualtı habitatlarının büyük ölçekli, yüksek çözünürlüklü ortomozaiklerini ve 3D yüzey modellerini üretmek için uyarlanmıştır 4,5,6,7.
SfM fotogrametrisi, sucul ekosistemlerdeki bentik ortamın büyük ölçekli, yüksek çözünürlüklü kayıtlarının oluşturulmasına izin veren nispeten düşük maliyetli, basit, invaziv olmayan ve tekrarlanabilir bir yöntemdir9. SfM, 3B model rekonstrüksiyonları oluşturmak için bir dizi 2B görüntü kullanır. SfM’den üretilen modeller, bentik ekosistemlerin yapısal karmaşıklığı (örneğin, rugosite, boyutsallık)4,5,10,11,12 ve topluluk yapısı (örneğin, tür kompozisyonu, popülasyon demografisi)13,14,15 hakkında veri toplamak için kullanılabilir. Ayrıca, bu yöntem nispeten ucuz, hızlı ve tekrarlanabilir olduğundan, hem bilim adamları hem de bilim adamı olmayanlar tarafından bu ekosistemler hakkında değerli, objektif bilgiler toplamak için kullanılabilir. Bu nedenle, bu yöntem, örnekleme çabasının standardizasyonunun, önyargının en aza indirilmesinin, katılımcıların katılımının ve eğitim kolaylığının veri kalitesi ve genel başarı için hayati önem taşıdığı vatandaş bilimi projelerinde kullanım için uygun bir tekniktir16,17.
Bu makale, sualtı SfM araştırmalarını yürütmek için ayrıntılı bir protokol sunmaktadır. Aynı zamanda, bir DSLR fotoğraf makinesinin kullanımı daha uygun maliyetli bir ‘aksiyon kamerası’ ile karşılaştırılmış ve her birinin göreceli avantajları ve dezavantajları özetlenmiştir. Genel amaç, bilim adamlarını ve bilim adamı olmayanları, basit, yaygın olarak kullanılan bir protokol sağlayarak, bu yöntemin kullanımını daha yaygın olarak teşvik ederek, bentik SfM anket yöntemleriyle mümkün olduğunca çabuk tanıştırmaktır. Sualtı ekolojik topluluklarını incelemek için bu yöntemin varyasyonlarını uygulayan çalışmaların örnekleri için bakınız: 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 ve Torres-Pulliza et al. (2020)10.
Burada açıklanan yöntem iki kişilik bir şnorkel veya SCUBA ekibi gerektirir. Yüzey araştırması alanı seçildikten sonra, alanın ortasına bir çizgi makarası (Şekil 1A) yerleştirilir ve kalibrasyon karoları (Şekil 1B) merkezden ~ 2 m uzağa dağıtılır. Bir kişi (yüzücü) kamera ile yüzer ve sitenin görüntülerini yakalarken, ikinci kişi (asistan) arsanın ortasındaki makarayı yönlendirir (Şekil 1C). İlk olarak, yüzücü kamerayı çizgi üzerinden makaraya bağlar ve daha sonra makaradaki çizgiyi gevşetmek için yüzüstü ve ileriye doğru yüzerken benthos’un sürekli fotoğraflarını çekmeye başlar. Yüzücü, her zaman substratın üzerinde ~ 1 m’lik dikey bir mesafeyi korumalı ve yüzerken konumlarını topografyanınkiyle eşleşecek şekilde ayarlamalıdır. Önemli olarak, makarayı ve kamerayı birbirine bağlayan çizgi, yüzücü arsa üzerinde gezinirken spiralde eşit boşluk oluşturmak için her zaman gergin kalmalıdır. Yardımcı, makarayı sabit, dik bir konumda tutar ve makaranın dönmemesini ve çizginin karışmamasını sağlar.
Çizgi tamamen çözüldükten sonra, yüzücü durur, döner ve makaranın etrafındaki çizgiyi geri tepmek için ters yönde yüzer. Yüzücü yön değiştirirken, asistan giden yolun tam olarak çakışmasını önlemek için çizgiyi tam olarak 180 ° sarmak için makarayı çevirir. Yüzücü merkeze mümkün olduğunca yakın olduğunda, kamera çizgiden ayrılır ve asistan makarayı ve çizgiyi alır ve sitenin orta kısmından uzağa yüzer. Yüzücü daha sonra kamerayı merkez üzerinde küçük bir spiral halinde hareket ettirerek arsanın merkezini görüntülemeyi bitirir. Bir alanı etkili bir şekilde görüntülemenin birkaç yolu olsa da, burada açıklanan biriktirme ve çizgi yöntemi, dalgalı yüzey sularının, şişmenin veya düşük görünürlüğün veri toplamayı engelleyebileceği ideal olmayan çevresel koşullarda bile sağlamdır. Bu senaryolarda, bu yöntem şnorkelle yüzenleri / dalgıçları bağlı tutar ve yüzücüyü kontrollü bir yolda tutarak görüntülerin yüksek oranda üst üste binmesini sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, hem DSLR fotoğraf makinesinin hem de aksiyon kamerasının, standart bir masaüstü bilgisayarda 10 saatten daha kısa bir işlem süresinde 0,5 mm / pikselden daha iyi çözünürlüğe sahip modeller ürettiğini göstermektedir. DSLR ve aksiyon kamerası arasındaki en büyük denge, maliyetin yanı sıra, sırasıyla daha hızlı işlem süresine karşı daha iyi çözünürlüktür. Ancak, bildirilen işlem süreleri yalnızca hesaplamalı işlemeyi içerir. Bu nedenle, aksiyon kamerası için hesaplama süresi daha az olmasına rağmen, DSLR ile gerekli olmayan videolardan görüntü çıkarmaya önemli miktarda zaman (10-20 dakika) yatırılmaktadır. Bir alternatif, görüntü çıkarmayı önlemek için aksiyon kamerasını sürekli çekim modunda kullanmaktır. Bu örnekte sürekli çekim modu kullanılmamıştır, çünkü aksiyon kamerası yalnızca 2 fps’de çekim yapabilir, bu da tam bir model oluşturmak için yeterli görüntü toplamak için önemli ölçüde daha yavaş bir yüzme hızı gerektirir. Bu bağlamda, video modunu kullanırken sürekli çekim modunu kullanarak sahada daha uzun süre ile bilgisayarda daha uzun süre kalmak, görüntüleri çıkarmak arasında bir denge vardır.
Aksiyon kamerasının avantajları arasında uygun fiyatlılık ve su altında taşıma ve kullanım kolaylığı bulunur. DSLR’nin en büyük avantajı daha yüksek çözünürlüklü görüntüler üretmesi; Bu nedenle, DSLR fotoğraf makineleri, birincisi maliyet açısından engelleyici olmadığında aksiyon kameralarına göre önerilir. Bir çalışmanın ele almaya çalıştığı soru türleri, kullanılan yöntemin belirlenmesinde de önemli olacaktır. Örneğin, bir aksiyon kamerası nispeten homojen ortamlarda (örneğin, deniz çayırı yatakları, ölü mercan / moloz habitatları) veya yalnızca geniş topluluk metriklerinin (bolluk, çeşitlilik gibi) büyük mekansal ölçeklerde değerlendirildiği ortamlarda tercih edilebilir. Bununla birlikte, bir DSLR fotoğraf makinesi, bireysel organizmalardaki veya substratlardaki ince ölçekli değişikliklerin izlenmesinin ilgi çekici olduğu durumlarda kullanılabilir.
Bu bir saha yöntemi olduğundan, model çıktıları aydınlatma, su berraklığı, yüzey koşulları, dalgalanma miktarı ve balıkların veya sabit olmayan bentik yapıların (örneğin, deniz otu) hareketi gibi çeşitli çevresel faktörlere bağlı olacaktır. Bu yöntemin ne zaman kullanılmasının uygun olduğuna dair mutlak bir eşik olmamasına rağmen, yüksek su berraklığı, sakin yüzey koşulları ve az dalgalanma ile hafif bulutlu günler tipik olarak en iyi modelleri üretir. Ayrıca, bu yöntemler için gereken minimum derinliğin bir sınırı vardır. Bu yöntemler, fotoğraflar arasındaki düşük örtüşme ve fotoğraf başına daha az ayırt edici özellik nedeniyle 0,5 m’den az suyun bulunduğu koşullarda iyi çalışmaz. Bununla birlikte, bu, aksiyon kamerasının başka bir avantajını vurgulamaktadır, yani daha küçüktürler ve bu nedenle sığ derinliklerde kullanım için daha kolaydırlar. Ayrıca, daha küçük çaplı bir makara ve daha yüksek kare hızı (veya daha geniş açılı lens) çok sığ koşullarda görüntü örtüşmesini iyileştirebilir9.
Diğer birçok veri türü bu yaklaşımla tümleştirilebilir. Örneğin, ortomozaikler, açık kaynaklı yazılım ‘ili’26’yı kullanarak mercanlar 24 ve insanlar25 üzerindeki moleküler verilerin (örneğin, genler ve metabolitler) uzamsal yoğunluğunu göstermek için kullanılmıştır. Aynı platform, çevredeki hayvanların, mikroorganizmaların, virüslerin ve / veya kimyasalların mekansal yoğunluklarını haritalamak için de kullanılabilir. Diğer örnekler, coğrafi bilgi sistemi yazılımı10’u kullanarak bentik türlerin ortomozaiklere mekansal olarak açıklama eklemek için SfM’yi kullanmıştır. Ayrıca, SfM tarafından oluşturulan 3D modeller, rugosite ve fraktal boyut gibi habitat özelliklerini tahmin etmek için kullanılabilir. Gerçekten de, burada özetlenen yöntemler yakın zamanda habitat yüzeyleri için yeni bir geometrik teori türetmek için kullanılmıştır10. Son olarak, ortomozaikler, mekansal olarak açık hesaplamalı modeller için giriş yüzeyleri olarak kullanılıyor ve dinamik simülasyonların modelin 3B yüzeyine bindirilmesine izin veriyor. Bentik habitatların büyük görüntülerini ve 3D temsillerini kolayca üretebilmek, deniz bilimcilerinin şimdiye kadar hayal edilmemiş soruları ele almalarını sağlamıştır3.
Genel olarak, DSLR kameralarla veya daha uygun maliyetli aksiyon kameralarıyla sualtı SfM fotogrametrisi yapmak için ayrıntılı bir protokol. Bu yöntemler, bilim adamları tarafından bentik ekosistemler hakkında veri çıkarmaktan, in silico simülasyonları için 3D giriş yüzeyleri geliştirmeye kadar çok çeşitli amaçlar için kullanılabilir. Bununla birlikte, bu protokoller, bilim adamı olmayanlar tarafından biyoçeşitlilik, habitat karmaşıklığı, topluluk yapısı ve diğer ekolojik metrikler hakkında değerli bilgiler toplamak için vatandaş bilimi çabalarının bir parçası olarak da kullanılabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Paul G. Allen Aile Vakfı’na bu araştırmayı finanse ettiği için teşekkür ediyoruz ve resiflerin korunmasına yardımcı olmak için teknolojiyi kullanma ilhamı için Ruth Gates’e minnettarız. Ayrıca, NOAA’ya ve diğer işbirlikçilere bu yöntemlerle ilgili düşünceli tartışmalar için teşekkür ederiz. Son olarak, Catie Foley ve Patrick Nichols’a bu yöntemlerin drone ve sualtı videosunu sağladıkları için teşekkür ederiz.
Ulusal Balık ve Yaban Hayatı Vakfı’nı bu çalışmada finansman ortağı olarak kabul ediyoruz.
Materials
| 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 |
References
- Levy, J., Hunter, C., Lukacazyk, T., Franklin, E. C. Assessing the spatial distribution of coral bleaching using small unmanned aerial systems. Coral Reefs. 37 (2), 373-387 (2018).
- Muller-Karger, F. E., et al. Satellite sensor requirements for monitoring essential biodiversity variables of coastal ecosystems. Ecological Applications. 28 (3), 749-760 (2018).
- Dornelas, M., et al. Towards a macroscope: Leveraging technology to transform the breadth, scale and resolution of macroecological data. Global Ecology and Biogeography. 28, 1937-1948 (2019).
- Burns, J. H. R., Delparte, D., Gates, R. D., Takabayashi, M. Integrating structure-from-motion photogrammetry with geospatial software as a novel technique for quantifying 3D ecological characteristics of coral reefs. PeerJ. 2015 (3), 1077 (2015).
- House, J. E., et al. Moving to 3D: Relationships between coral planar area, surface area and volume. PeerJ. 2018 (6), 4280 (2018).
- Carlot, J., et al. Community composition predicts photogrammetry-based structural complexity on coral reefs. Coral Reefs. , 1-9 (2020).
- Young, G. C., Dey, S., Rogers, A. D., Exton, D. Cost and time-effective method for multi-scale measures of rugosity, fractal dimension, and vector dispersion from coral reef 3D models. PloS ONE. 12 (4), 0175341 (2017).
- Wilson, S. K., Robinson, J. P. W., Chong-Seng, K., Robinson, J., Graham, N. A. J. Boom and bust of keystone structure on coral reefs. Coral Reefs. 38 (4), 625-635 (2019).
- Pizarro, O., Friedman, A., Bryson, M., Williams, S. B., Madin, J. A simple, fast, and repeatable survey method for underwater visual 3D benthic mapping and monitoring. Ecology and Evolution. 7 (6), 1770-1782 (2017).
- Torres-Pulliza, D., et al. A geometric basis for surface habitat complexity and biodiversity. Nature Ecology & Evolution. 4, 1495-1501 (2020).
- Bayley, D., Mogg, A., Koldewey, H., Purvis, A. Capturing complexity: field-testing the use of ‘structure from motion’derived virtual models to replicate standard measures of reef physical structure. PeerJ. 2019 (7), 6540 (2019).
- Leon, J. X., Roelfsema, C. M., Saunders, M. I., Phinn, S. R. Measuring coral reef terrain roughness using ‘Structure-from-Motion’ close-range photogrammetry. Geomorphology. 242, 21-28 (2015).
- Burns, J. H. R., et al. Assessing the impact of acute disturbances on the structure and composition of a coral community using innovative 3D reconstruction techniques. Methods in Oceanography. 15-16, 49-59 (2016).
- Edwards, C. B., et al. Large-area imaging reveals biologically driven non-random spatial patterns of corals at a remote reef. Coral Reefs. 36, 1291-1305 (2017).
- Piazza, P., et al. Underwater photogrammetry in Antarctica: long-term observations in benthic ecosystems and legacy data rescue. Polar Biology. 42 (6), 1061-1079 (2019).
- Bonney, R., et al. Citizen science: A developing tool for expanding science knowledge and scientific literacy. BioScience. 59 (11), 977-984 (2009).
- Dickinson, J. L., Zuckerberg, B., Bonter, D. N. Citizen science as an ecological research tool: Challenges and benefits. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 41 (1), 149-172 (2010).
- Storlazzi, C. D., Dartnell, P., Hatcher, G., Gibbs, A. E. End of the chain? Rugosity and fine-scale bathymetry from existing underwater digital imagery using structure-from-motion (SfM) technology. Coral Reefs. 35 (3), 889-894 (2016).
- Ventura, D., Lasinio, G. J., Belluscio, A., Ardizzone, G. A low-cost drone based application for identifying and mapping of coastal fish nursery grounds Feeding ecology View project Habitat use of juvenile Diplodus species View project. Estuarine Coastal and Shelf Science. 171, 85-98 (2016).
- Ventura, D., Bonifazi, A., Gravina, M. F., Belluscio, A., Ardizzone, G. Mapping and classification of ecologically sensitive marine habitats using unmanned aerial vehicle (UAV) imagery and object-based image analysis (OBIA). Remote Sensing. 10 (9), 1331 (2018).
- George, E. E., et al. Relevance of coral geometry in the outcomes of the coral-algal benthic war. bioRxiv. , (2018).
- Anelli, M., et al. Towards new applications of underwater photogrammetry for investigating coral reef morphology and habitat complexity in the Myeik Archipelago, Myanmar. Geocarto International. 34 (5), 459-472 (2017).
- Suka, R., et al. Processing photomosaic imagery of coral reefs using structure-from-motion standard operating procedures. U.S. Dept. of Commerce, NOAA Technical Memorandum NOAA-TM-NMFS-PIFSC-93. , (2019).
- Galtier d’Auriac, I., et al. Before platelets: the production of platelet-activating factor during growth and stress in a basal marine organism. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 285 (1884), 20181307 (2018).
- Bouslimani, A., et al. Molecular cartography of the human skin surface in 3D. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (17), 2120-2129 (2015).
- Protsyuk, I., et al. 3D molecular cartography using LC-MS facilitated by Optimus and ‘ili software. Nature Protocols. 13 (1), 134-154 (2018).
