Name: Eine Feldeinführung für die Überwachung benthischer Ökosysteme mittels Structure-from-Motion-Photogrammetrie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-04-15T12:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 36 s
Description: Erfahren Sie Structure-from-Motion-Photogrammetrie zur Überwachung benthischer Ökosysteme. Diese Methode ermöglicht die Erstellung hochauflösender 3D-Modelle für ökologische Forschung und Naturschutz.

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Wir danken der Paul G. Allen Family Foundation für die Finanzierung dieser Forschung und sind Ruth Gates dankbar für die Inspiration, Technologie zum Schutz der Riffe einzusetzen. Wir danken auch der NOAA und anderen Mitarbeitern für die sorgfältige Diskussion über diese Methoden. Zu guter Letzt danken wir Catie Foley und Patrick Nichols für die Bereitstellung der Drohne und des Unterwasservideos dieser Methoden.
Wir erkennen die National Fish and Wildlife Foundation als Finanzierungspartner für diese Arbeit an.

1. Materialien
<ol><li>Kamera<ol><li>Stellen Sie Mindestanforderungen an Haltbarkeit und Wasserdichtigkeit (oder ein wasserdichtes Gehäuse) und eine Mindestbildrate von 2 Bildern/s (fps) sicher. HINWEIS: In diesem Beispiel wurde eine minimale Bildrate von ~4 fps verwendet.</li>
		<li>Digitale Spiegelreflexkamera (DSLR)<ol><li>Stellen Sie die Kamera so ein, dass sie kontinuierlich mit einer Fotoaufnahmerate zwischen 2 fps und 5 fps aufnimmt.</li>
			<li>Um das für dieses Beispiel beschriebene Protokoll zu reproduzieren, verwenden Sie eine Kamera in einem Unterwassergehäuse (siehe Materialtabelle) mit den folgenden Einstellungen: Manueller Modus (M); f10, 18 mm; Verschlusszeit = 1/320; Belichtungskorrektur = -1/3; Bildqualität = höchste, kein RAW; Fahrmodus = kontinuierlich; Autofokus = AI SERVO; ISO = Auto, max3200; Dateinummerierung = Automatisches Zurücksetzen; Bild automatisch drehen = Aus; Uhrzeit/Datum = UTC.</li>
		</ol></li>
		<li>Action-Kamera<ol><li>Stellen Sie den Videomodus oder den Serienbildmodus mit der höchstmöglichen Auflösung und Bildrate ein. HINWEIS: Die Action-Kamera kann auch im Serienmodus verwendet werden, solange die Bildrate 2 Bilder pro Sekunde oder mehr beträgt.</li>
			<li>Um das Protokoll in diesem Beispiel zu reproduzieren (siehe Materialtabelle), verwenden Sie eine wasserdichte Action-Kamera mit den folgenden Einstellungen: Videoauflösung = 4K (Seitenverhältnis 4:3); Bildrate = 30 fps. HINWEIS: Bei Action-Kameras kann es einfacher sein, die Leine von der Spule am Schwimmer als an der Kamera zu befestigen. In diesem Beispiel wurde die Leine über ein kleines Verbindungsmittel am Handgelenk des Schwimmers befestigt.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>Spulen-Rig (Abbildung 1A)<ol><li>Stellen Sie sicher, dass die Spule die richtige Größe hat, um die für den Radius des Vermessungsstandorts erforderliche Schnurlänge aufzunehmen. HINWEIS: Der Umfang der Spule steuert den Abstand der spiralförmigen Schwimmschnüre, und die Länge der Schnur bestimmt den Probenbereich. In diesem Beispiel wurde eine Spule mit einem Durchmesser von ~ 8 Zoll (~ 20 cm) für einen Abstand von ~ 50 Zoll (~ 1,3 m) von Schwimmschnüren verwendet. Siehe 9 für Details.</li>
		<li>Wählen Sie ein Spulengerät mit einer Flanschkante (zum reibungslosen Auf- und Abführen der Schnur) und Befestigungspunkten für einen Griff und eine Stange (zur Steuerung der Höhe vom Substrat). Stellen Sie sicher, dass das Spulengerät von Natur aus negativ schwimmfähig ist oder durch Zugabe von Gewichten so gemacht wird. HINWEIS: In diesem Beispiel wurden Rohre aus Polyvinylchlorid (PVC) für den Griff und die Stange verwendet, und die Spule wurde in Polymilchsäurekunststoff 3D-gedruckt. Die Spule kann jedoch so einfach sein wie ein großes PVC-Rohr oder ein anderes rundes Objekt mit dem gewünschten Durchmesser.<ol><li>Wählen Sie bei häufigem Gebrauch und/oder schwierigen Feldbedingungen eine Spule aus einem haltbareren Material wie Aluminium.</li>
			<li>Stellen Sie sicher, dass sich die Spule während des Gebrauchs nicht auf der Stange dreht oder dreht.</li>
		</ol></li>
		<li>Befestigen Sie die Schnur an der Spule an einem Ende und an einem abnehmbaren Clip am anderen Ende, um sie mit der Kamera zu verbinden. HINWEIS: Die Länge der Linie definiert den Radius des Standorts. Hier wurden 6 m Leitung für Standorte mit einem Durchmesser von 12 m verwendet.</li>
	</ol></li>
	<li>Kalibrier-Kacheln<ol><li>Obwohl keine speziellen Kalibrierungskacheln erforderlich sind, stellen Sie sicher, dass negativ schwimmfähige, erkennbare Objekte bekannter Größe in das Modell für den Maßstab aufgenommen werden. Berücksichtigen Sie die Überspannungs- und Strombedingungen, um sicherzustellen, dass geeignete Materialien verwendet werden, damit die Fliesen während der Fotoaufnahme stationär bleiben. HINWEIS: Hier wurden Maßstabsmarkierungsvorlagen, die als Teil bestimmter Softwareprogramme verfügbar waren, auf wasserfestem Papier gedruckt, das auf 1 Zoll dicken PVC-Fliesen befestigt war.</li>
		<li>Taucher benötigen ein Mittel, um die Tiefe der Fliese zu messen. In unserem Beispiel verwenden wir einen elektronischen Tiefenmesser (siehe Materialtabelle).</li>
	</ol></li>
	<li>Farbkorrektur<ol><li>Stellen Sie den Weißabgleich an der Kamera auf "Benutzerdefiniert" ein. Machen Sie vor Beginn jeder SfM-Umfrage ein Foto von einer 18% grauen Karte oder einer weißen Tauchtafel unter Wasser. Tun Sie dies jedes Mal, wenn eine neue Website gestartet wird. HINWEIS: Das Foto ermöglicht eine Farbkorrektur und hilft auch, die heruntergeladenen Bilder von verschiedenen Websites zu trennen, wenn mehrere Umfragen am selben Tag durchgeführt werden.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Detaillierte Methoden
<ol><li>Standort-Auswahl<ol><li>Wählen Sie eine Stelle aus, die genügend Platz bietet, um das gesamte Spiralmuster zu schwimmen (~113 m2 in diesem Beispiel). Integrieren Sie zusätzlich zu dem zu vermessenden Gebiet einen kleinen Pufferbereich, um sicherzustellen, dass das gesamte Vermessungsgebiet ausreichend fotografiert wird, um qualitativ hochwertige Daten zu liefern.</li>
		<li>Berücksichtigen Sie die Fähigkeiten und die Ausrüstung des Zwei-Personen-Teams. Flache Stellen (< ~ 2 m) können mit dem Schnorchel vermessen werden, während tiefere Stellen möglicherweise Tauchen erfordern.</li>
	</ol></li>
	<li>Wenn Sie planen, die Baustelle regelmäßig wiederholt zu vermessen, markieren Sie den Mittelpunkt, an dem das Spulengerät platziert werden soll, mit einem Etikett oder einer dauerhaften Struktur (z. B. Bewehrungsstahl oder Schlackenblock). Nehmen Sie zumindest eine globale Positionierungssystemkoordinate, damit der Standort mit Hilfe eines Ausdrucks des Orthomosaiks verschoben werden kann. HINWEIS: Permanente Unterwasserstrukturen erfordern in der Regel eine Genehmigung.</li>
	<li>Bereiten Sie die Site vor.<ol><li>Stellen Sie die Spule in die Mitte der Site.</li>
		<li>Legen Sie Kalibrierungskacheln aus und notieren Sie ihre Tiefen. Legen Sie die Kalibrierungskacheln mit der Vorderseite nach oben, ~2 m von der Mitte entfernt. HINWEIS: In diesem Beispiel wurden 3 Kalibrierungskacheln in einem Dreieck um die Mitte des Standorts platziert. Kalibrierungskacheln sollten entsprechend gewichtet und positioniert werden, um eine minimale Bewegung während der Aufnahme der Fotos zu gewährleisten.</li>
	</ol></li>
	<li>Weisen Sie den Schwimmer an, mit der Kamera zu schwimmen, während der Assistent die Spule pflegt.<ol><li>Der Assistent stellt die Stange und die angehängte Spule aufrecht in die Mitte der ausgewählten Stelle und hält das Spulengerät aufrecht und stationär.</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass der Schwimmer die Seite der Kamera, die der Spule am nächsten liegt, an der Leine befestigt und die Kamera mit dem Gesicht nach unten ~1 m vom Benthos entfernt hält. HINWEIS: Wenn der Schwimmer die Kamera neigen muss, achten Sie darauf, dass sie leicht nach vorne und nicht nach hinten geneigt ist, um zu vermeiden, dass Bilder im Schatten des Schwimmers aufgenommen werden. Wenn Sie die Kamera sowohl für die nach außen gerichtete Spirale als auch für die Rückwärtsspirale leicht nach vorne neigen, können Sie auch bessere Winkel des Benthos erfassen und bessere Modelle erzeugen, insbesondere wenn Überhänge und Löcher vorhanden sind.</li>
		<li>Sobald die Kamera richtig positioniert ist, beginnt der Schwimmer, kontinuierliche Bilder des Benthos aufzunehmen, während er vorwärts schwimmt und die Spannung auf der Leine aufrechterhält.</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass der Schwimmer beim Fotografieren mit konstanter Geschwindigkeit in einer Spirale schwimmt, bis die Schnur vollständig von der Spule abgewickelt ist. HINWEIS: Der Schwimmer sollte versuchen, einen konstanten Abstand von ~ 1 m über dem Benthos zu halten und die Spirale in einem moderaten Tempo zu schwimmen, um eine ausreichende Überlappung zwischen den Bildern zu gewährleisten. Im Zweifelsfall ist langsamer besser.</li>
		<li>In sehr rauen Umgebungen (z. B. Korallenriffen) sollten Sie einen dritten Arbeiter (zweiten Assistenten) einbeziehen, der das Verheddern der Leine verhindern kann, indem er über der Mitte der Leine schwebt und sie vorsichtig über Hindernisse hebt.</li>
		<li>Wenn die Schnur vollständig abgewickelt ist, kehrt der Schwimmer die Richtung um, bringt die Kamera bei Bedarf wieder an und schwimmt die Kamera in die entgegengesetzte Richtung, um die Schnur während der Aufnahme wieder auf die Spule zurückzuspulen. HINWEIS: Das Schwimmen in der umgekehrten Spirale ist nicht unbedingt erforderlich, führt aber in der Regel zu besseren Modellen.</li>
		<li>Wenn eine einzelne Spiralmethode wünschenswert ist, um Zeit zu sparen, würde der Schwimmer die Schnur von der Kamera lösen und zu Schritt 2.4.12 springen, während der Assistent die Schnur aufwickelt und das Spulengerät von der Stelle entfernt.</li>
		<li>Sobald der Schwimmer in die entgegengesetzte Richtung zu schwimmen beginnt, dreht der Assistent die Spule, um die Schnur in 1/2 Umdrehung (180°) gegen die neue Schwimmrichtung zu wickeln. Diese 1/2 Umdrehung stellt sicher, dass der Rückweg des Schwimmers vom ursprünglichen Weg versetzt ist, um eine bessere Fotoabdeckung des Geländes zu erzielen.</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass der Schwimmer weiterhin Fotos macht und schwimmen Sie die umgekehrte Spirale, bis die Schnur fast vollständig um die Spule aufgewickelt ist.</li>
		<li>Wenn der Abstand zwischen Schwimmer und Assistent ein weiteres Vorankommen verhindert, hört der Schwimmer auf, Bilder aufzunehmen, um die Kamera von der Leine zu lösen und dem Assistenten zu ermöglichen, das Spulengerät aus der Mitte der Stelle zu entfernen.</li>
		<li>Sobald die Spule von der Stelle entfernt ist, bildet der Schwimmer die Mitte der Stelle ab, indem er die Kamera gerade nach unten hält und die Kamera in einem kleinen Spiralmuster über die Mitte der Stelle bewegt.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Bereinigen Sie die Website.
<ol><li>Heben Sie Kalibrierkacheln und andere Geräte auf, bevor Sie den Standort verlassen. HINWEIS: Lassen Sie niemals Müll oder Ausrüstung an einem Standort zurück. Hinterlassen Sie eine Website immer sauberer, als Sie sie vorgefunden haben.</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder andere Interessenkonflikte.

Diese Studie zeigt, dass sowohl die DSLR-Kamera als auch die Action-Kamera Modelle mit einer Auflösung von mehr als 0,5 mm/Pixel in weniger als 10 Stunden Verarbeitungszeit auf einem Standard-Desktop-Computer produzieren. Der größte Kompromiss zwischen DSLR und Action-Kamera ist, abgesehen von den Kosten, eine feinere Auflösung im Vergleich zu einer schnelleren Verarbeitungszeit. Die gemeldeten Verarbeitungszeiten beinhalten jedoch nur die rechnerische Verarbeitung. Obwohl die Rechenzeit für die Action-Kamera geringer ist, wird also viel Zeit (10-20 min) in die Bildextraktion aus den Videos investiert, die bei der DSLR nicht benötigt wird. Eine Alternative besteht darin, die Action-Kamera im Serienbildmodus zu verwenden, um eine Bildextraktion zu vermeiden. Der Serienbildmodus wurde in diesem Beispiel nicht verwendet, da die Action-Kamera nur mit 2 Bildern pro Sekunde aufnehmen kann, was eine deutlich langsamere Schwimmrate erfordert, um genügend Bilder zu sammeln, um ein vollständiges Modell zu erstellen. In dieser Hinsicht gibt es einen Kompromiss zwischen einer längeren Zeit im Außendienst im Serienbildmodus und einer längeren Zeit am Computer beim Extrahieren von Bildern im Videomodus.
Zu den Vorteilen der Action-Kamera gehören die Erschwinglichkeit und der einfache Transport und Betrieb unter Wasser. Der Hauptvorteil der DSLR besteht darin, dass sie Bilder mit höherer Auflösung erzeugt. Daher werden DSLR-Kameras gegenüber Action-Kameras empfohlen, wenn erstere nicht unerschwinglich sind. Die Art der Fragen, die eine Studie zu beantworten versucht, ist auch wichtig für die Bestimmung der verwendeten Methode. Zum Beispiel könnte eine Action-Kamera in Umgebungen vorzuziehen sein, die relativ homogen sind (z. B. Seegraswiesen, tote Korallen-/Schuttlebensräume) oder in denen nur allgemeine Gemeinschaftsmetriken (wie Häufigkeit, Vielfalt) über große räumliche Skalen bewertet werden. Eine DSLR-Kamera kann jedoch in Fällen eingesetzt werden, in denen es von Interesse ist, feinskalige Veränderungen in einzelnen Organismen oder Substraten zu verfolgen.
Da es sich um eine Feldmethode handelt, hängen die Modellergebnisse von verschiedenen Umweltfaktoren ab, wie z. B. Beleuchtung, Wasserklarheit, Oberflächenbedingungen, Ausmaß des Anstiegs und Bewegung von Fischen oder nicht stationären benthischen Strukturen (z. B. Seegras). Obwohl es keine absoluten Schwellenwerte gibt, wann es angemessen ist, diese Methode anzuwenden, bringen leicht bewölkte Tage mit hoher Wasserklarheit, ruhigen Oberflächenbedingungen und wenig Wellengang in der Regel die besten Modelle hervor. Darüber hinaus gibt es eine Begrenzung der Mindesttiefe, die für diese Methoden erforderlich ist. Diese Methoden funktionieren nicht gut unter Bedingungen, bei denen weniger als 0,5 m Wasser vorhanden sind, da sich die Fotos nur geringfügig überlappen und weniger Unterscheidungsmerkmale pro Foto vorhanden sind. Dies unterstreicht jedoch einen weiteren Vorteil der Action-Kamera, d.h. sie sind kleiner und damit einfacher in geringeren Tiefen zu verwenden. Darüber hinaus können eine Spule mit kleinerem Durchmesser und eine höhere Bildrate (oder ein Weitwinkelobjektiv) die Bildüberlappung bei sehr flachen Bedingungen verbessern9.
Viele andere Datentypen können mit diesem Ansatz integriert werden. Zum Beispiel wurden Orthomosaike verwendet, um die räumliche Dichte molekularer Daten (z. B. Gene und Metaboliten) auf Korallen 24 und Menschen 25 mit der Open-Source-Software "ili'26" zu zeigen. Die gleiche Plattform könnte auch verwendet werden, um die räumlichen Dichten von Tieren, Mikroorganismen, Viren und/oder Chemikalien in der Umwelt zu kartieren. Andere Beispiele haben SfM verwendet, um benthische Arten unter Verwendung der Geoinformationssystemsoftware10 räumlich auf Orthomosaiken zu annotieren. Darüber hinaus können die von SfM generierten 3D-Modelle verwendet werden, um Habitateigenschaften wie Rauheit und fraktale Dimension abzuschätzen. In der Tat wurden die hier skizzierten Methoden kürzlich verwendet, um eine neue geometrische Theorie für Lebensraumoberflächen abzuleiten10. Schließlich werden Orthomosaike als Eingabeflächen für räumlich explizite Berechnungsmodelle verwendet, so dass dynamische Simulationen auf der 3D-Oberfläche des Modells überlagert werden können. Die Möglichkeit, auf einfache Weise große Bilder und 3D-Darstellungen von benthischen Lebensräumen zu erstellen, hat es Meereswissenschaftlern ermöglicht, bisher ungeahnte Fragen zu beantworten3.
Insgesamt finden Sie hier ein detailliertes Protokoll für die Durchführung der Unterwasser-SfM-Photogrammetrie mit DSLR-Kameras oder kostengünstigeren Action-Kameras. Diese Methoden können von Wissenschaftlern für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden, von der Extraktion von Daten über benthische Ökosysteme bis hin zur Entwicklung von 3D-Eingabeoberflächen für In-silico-Simulationen . Diese Protokolle können jedoch auch von Nicht-Wissenschaftlern im Rahmen von Citizen Science-Bemühungen verwendet werden, um wertvolle Informationen über Muster der biologischen Vielfalt, die Komplexität von Lebensräumen, die Gemeinschaftsstruktur und andere ökologische Metriken zu sammeln.

Ökosystemprozesse sind von Natur aus dynamisch und können schwer zu quantifizieren sein. In den letzten zehn Jahren haben neue Technologien zur Erfassung von Ökosystemen und ihrer Dynamik in einer Reihe von Skalen zugenommen, vom 3D-Laserscanning einzelner Ökosystemmerkmale bis hin zur Satellitenfernerkundung großer Gebiete 1,2,3. In benthischen Lebensräumen ist die Struktur eng mit der Ökosystemfunktion8 verbunden, was Werkzeuge, die gleichzeitig die Überwachung der Geometrie und der Gemeinschaftsstruktur ermöglichen, besonders wertvoll für das Verständnis der ökologischen Dynamik macht. Viele moderne Ansätze können jedoch aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Wasser (z. B. Brechung, Verzerrung, Trübung) nicht in aquatischen Systemen verwendet werden. Techniken wie LiDAR (Light Detection and Ranging) und einige Luftbildvermessungsmethoden können auf großen räumlichen Skalen geeignet sein, können jedoch nicht die Auflösung erreichen, die zur Beurteilung feinskaliger Veränderungen in benthischen Lebensräumen erforderlich ist. Structure-from-Motion (SfM)-Photogrammetriemethoden wurden kürzlich angepasst, um großflächige, hochauflösende Orthomosaike und 3D-Oberflächenmodelle von Unterwasserlebensräumenzu erstellen 4,5,6,7.
Die SfM-Photogrammetrie ist eine relativ kostengünstige, einfache, nicht-invasive und wiederholbare Methode, die es ermöglicht, großflächige, hochauflösende Aufzeichnungen der benthischen Umwelt in aquatischen Ökosystemen zu erstellen9. SfM verwendet eine Sequenz von 2D-Bildern, um 3D-Modellrekonstruktionen zu erstellen. Die aus SfM generierten Modelle können verwendet werden, um Daten über die strukturelle Komplexität (z.B. Robustheit, Dimensionalität)4,5,10,11,12 und die Gemeinschaftsstruktur (z.B. Artenzusammensetzung, Populationsdemographie)13,14,15 von benthischen Ökosystemen zu sammeln. Da diese Methode relativ kostengünstig, schnell und wiederholbar ist, kann sie sowohl von Wissenschaftlern als auch von Nicht-Wissenschaftlern verwendet werden, um wertvolle, objektive Informationen über diese Ökosysteme zu sammeln. Daher ist diese Methode eine praktikable Technik für den Einsatz in Citizen Science-Projekten, bei denen die Standardisierung des Stichprobenaufwands, die Minimierung von Verzerrungen, das Engagement der Teilnehmer und die einfache Schulung für die Qualität der Daten und den Gesamterfolg von entscheidender Bedeutung sind16,17.
Dieser Artikel enthält ein detailliertes Protokoll für die Durchführung von Unterwasser-SfM-Vermessungen. Gleichzeitig wurde die Verwendung einer DSLR-Kamera mit der einer kostengünstigeren "Action-Kamera" verglichen und die relativen Vor- und Nachteile jeder einzelnen Kamera skizziert. Das übergeordnete Ziel besteht darin, Wissenschaftler und Nicht-Wissenschaftler so schnell wie möglich mit benthischen SfM-Erhebungsmethoden vertraut zu machen, indem ein einfaches, häufig verwendetes Protokoll bereitgestellt wird, das wiederum die Verwendung dieser Methode in größerem Umfang fördert.  Beispiele für Studien, die Variationen dieser Methode zur Untersuchung ökologischer Unterwassergemeinschaften angewendet haben, finden Sie in Burns et al. (2015)4, Storlazzi et al. (2016)18, Ventura et al. (2016 und 2018)19,20, Edwards et al. (2017)14, George et al. (2018)21, Anelli et al. (2019)22 und Torres-Pulliza et al. (2020)10.
Die hier beschriebene Methode erfordert ein Zwei-Personen-Schnorchel- oder SCUBA-Team. Nachdem der Vermessungsort ausgewählt wurde, wird eine Schnurspule (Abbildung 1A) in der Mitte des Standorts platziert, und die Kalibrierungskacheln (Abbildung 1B) werden ~2 m von der Mitte entfernt verteilt. Eine Person (der Schwimmer) schwimmt mit der Kamera und nimmt Bilder von der Stelle auf, während die zweite Person (der Assistent) die Spule in der Mitte des Diagramms pflegt (Abbildung 1C). Zuerst verbindet der Schwimmer die Kamera über die Leine mit der Spule und beginnt dann, kontinuierliche Bilder des Benthos aufzunehmen, während er mit dem Gesicht nach unten und vorwärts schwimmt, um die Schnur von der Spule abzuwickeln. Der Schwimmer sollte jederzeit einen vertikalen Abstand von ~1 m über dem Untergrund einhalten und seine Position beim Schwimmen an die Topographie anpassen. Wichtig ist, dass die Linie, die die Spule und die Kamera verbindet, immer straff bleibt, um einen gleichmäßigen Abstand in der Spirale zu schaffen, während der Schwimmer die Parzelle überblickt. Der Assistent hält die Spule in einer stabilen, aufrechten Position und sorgt dafür, dass sich die Spule nicht dreht und sich die Schnur nicht verheddert.
Sobald die Schnur vollständig abgewickelt ist, stoppt der Schwimmer, dreht sich und schwimmt in die entgegengesetzte Richtung, um die Schnur um die Spule zurückzustoßen. Wenn der Schwimmer die Richtung wechselt, dreht der Assistent die Spule, um die Schnur genau um 180° einzuwickeln, um eine exakte Überlappung des abgehenden Weges zu verhindern. Sobald sich der Schwimmer so nah wie möglich an der Mitte befindet, wird die Kamera von der Leine gelöst, und der Assistent nimmt die Spule und die Schnur und schwimmt vom zentralen Teil der Stelle weg. Der Schwimmer beendet dann die Abbildung des Zentrums des Diagramms, indem er die Kamera in einer kleinen Spirale über das Zentrum bewegt. Es gibt zwar mehrere Möglichkeiten, ein Gebiet effektiv abzubilden, aber die hier beschriebene Spulen- und Leinenmethode ist auch unter nicht idealen Umgebungsbedingungen robust, bei denen unruhiges Oberflächenwasser, Wellengang oder schlechte Sicht die Datenerfassung behindern könnten. In diesen Szenarien hält diese Methode Schnorchler / Taucher in Verbindung und sorgt für eine hohe Überlappung der Bilder, indem der Schwimmer auf einem kontrollierten Pfad gehalten wird.

<table><tbody><tr><td>Action-Kamera (GoPro Hero7 Black)</td><td>GoPro</td><td></td><td>Könnte jede wasserdichte Action-Kamera sein</td></tr><tr><td>Adobe Lightroom</td><td>Adobe</td><td></td><td>Farbkorrektur</td></tr><tr><td>Kalibrierungskacheln (flache PVC-Platte, zugeschnitten auf Agisoft-Ziele. Befestigen Sie ein Tauchgewicht darunter, wenn Sie Wellen erwarten)</td><td></td><td></td><td>Jedes negativ schwimmfähige Objekt bekannter Größe und Farbe. Wir empfehlen die Verwendung der Skalenmarkierungsvorlagen, die in der Agisoft Metashape Software (v.1.6.0) verfügbar sind.</td></tr><tr><td>DSLR-Kamera (Canon EOS Rebel SL3 )</td><td>Canon</td><td>3453C002AA</td><td>Könnte jede DSLR-Kamera in einem Unterwassergehäuse</td></tr><tr><td>sein Linie (Wäscheleinen-Filament aus Kunststoff)</td><td></td><td></td><td>Jede negativ schwimmfähige Schnur, die stark genug ist, um dem Einsatz im Feld standzuhalten</td></tr><tr><td>Micro SDXC-Speicherkarte (für GoPro)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oceanic Veo 2.0</td><td>Oceanic</td><td></td><td>Digital Tiefenmesser</td></tr><tr><td>SDXC-Speicherkarte (für DSLR)</td><td></td><td></td><td>Jede SDXC-Speicherkarte sollte funktionieren, solange genügend Platz vorhanden ist, um alle Bilder aufzunehmen, die zum Erstellen des Modells erforderlich sind.</td></tr><tr><td>Spule (2 Zoll langer Abschnitt eines PVC-Rohrs mit einem Durchmesser von 8 Zoll, das an einem 3-Fuß-Abschnitt eines 1-Zoll-PVC-Rohrs befestigt wurde, um den Schaft</td><td></td><td></td> zu bilden <td>Jedes negativ schwimmfähige, runde Objekt mit dem gewünschten Durchmesser</td></tr><tr><td>Unterwasserkameragehäuse für DSLR (Ikelite 200DLM/C Unterwasser-TTL-Gehäuse)</td><td>Ikelite</td><td>6970.09</td><td>Sollte das spezifische Wassergehäuse für die DSLR-Marke und das Modell sein</td></tr><tr><td>Windows 10-Desktop-Computer mit einer Intel i9-9900K 8-Core-CPU, zwei Nvidia GeForceRTX 2070 SUPER-GPUs und 128 GB RAM.</td><td></td><td></td><td>Verarbeitung&nbsp;</td></tr></tbody></table>

eine feldeinführung für die Überwachung benthischer Ökosysteme mittels structure-from-motion-photogrammetrie

A Field Primer for Monitoring Benthic Ecosystems Using Structure-From-Motion Photogrammetry

Die Structure-from-Motion-Photogrammetrie (SfM) ist eine Technik, die verwendet wird, um dreidimensionale (3D) Rekonstruktionen aus einer Folge von zweidimensionalen (2D) Bildern zu erzeugen. SfM-Methoden werden als nicht-invasive Methode zur Überwachung vieler Systeme immer beliebter, einschließlich anthropogener und natürlicher Landschaften, geologischer Strukturen sowie terrestrischer und aquatischer Ökosysteme. Hier wird ein detailliertes Protokoll für das Sammeln von SfM-Bildern bereitgestellt, um 3D-Modelle von benthischen Lebensräumen zu erstellen. Darüber hinaus wurden die Kosten, die Zeiteffizienz und die Ausgabequalität der Verwendung einer digitalen Spiegelreflexkamera (DSLR) im Vergleich zu einer kostengünstigeren Action-Kamera verglichen. Es wurde ein Kompromiss zwischen Rechenzeit und Auflösung beobachtet, wobei die DSLR-Kamera Modelle mit mehr als der doppelten Auflösung produzierte, aber etwa 1,4-mal länger brauchte als die Action-Kamera. Diese Einführung zielt darauf ab, eine gründliche Beschreibung der Schritte zu liefern, die notwendig sind, um SfM-Daten in benthischen Lebensräumen zu sammeln, sowohl für diejenigen, die mit der Technik nicht vertraut sind, als auch für diejenigen, die bereits ähnliche Methoden anwenden.

In diesem Beispiel wurde der Riffstandort 2_7 am Patch Reef 13 in der Kāneʻohe Bay, Oʻahu, Hawaiʻi, abgebildet, und 3.125 JPEG-Fotos von der DSLR und 3.125 JPEG-Frames vom Action-Kamera-Video (Tabelle 1) wurden als Eingabe verwendet, um die Orthomosaiken und 3D-Modelle zu erstellen. Der allgemeine Arbeitsablauf bestand aus 5 Phasen: 1) Ausrichtung der Fotos zur Erzeugung der spärlichen Punktwolke, 2) Skalierung der spärlichen Punktwolke und Optimierung der Kameras, 3) Aufbau der dichten Punktwolke (Tiefenkarten wurden auch in dieser Phase erstellt), 4) Erstellung des digitalen Höhenmodells (DEM) und Orthomosaik und 5) Generierung des 3D-Modells und der Textur. Beachten Sie, dass die Phasen 4 und 5 nicht unbedingt in dieser Reihenfolge durchgeführt werden müssen, sondern nach der Verarbeitung der dichten Punktwolke und der Tiefenkarten durchgeführt werden müssen. Die Georeferenzierung der Modelle sollte vor dem Generieren des Orthosaiks und des DEM erfolgen. Die für diese Phasen verwendeten Einstellungen und Verarbeitungsdetails sind in Tabelle 2 bzw. Materialtabelle aufgeführt.
Detailliertere Methoden zur Erstellung von 3D-Modellen und Orthomosaiken finden Sie im Ergänzenden Material und in Suka et al.23. Die Verarbeitungszeit für das von der Action-Kamera abgeleitete Modell war für jeden Schritt kürzer, einschließlich der Erzeugung von Punktwolken mit geringer Dichte, der Erzeugung dichter Punktwolken, des Renderns von Netzmodellen und des Renderns von strukturierten Modellen. Dies führte zu einer deutlich schnelleren Gesamtverarbeitungszeit für das Action-Kamera-Modell (6 h 39 min) als für das DSLR-Modell (9 h 14 min). Die genaue Zeit für die Modellverarbeitung hängt von der Rechenleistung und den spezifischen Hardwarekonfigurationen ab.
Das Modell, das mit Bildern der DSLR-Kamera erstellt wurde, enthielt 2.848.358 spärliche Wolkenpunkte und 787.450.347 dichte Wolkenpunkte, während das aus den Bildern der Action-Kamera generierte Modell nur 2.630.543 spärliche Wolkenpunkte und 225.835.648 dichte Wolkenpunkte enthielt. Dies führte dazu, dass die DSLR-Modelle eine mehr als 2-fache Auflösung aufwiesen als die Action-Kamera-Modelle mit Orthomosaik-Auflösungen von 0,442 bzw. 0,208 mm/Pixel für die von DSLR- und Action-Kameras abgeleiteten Modelle (Tabelle 1). Trotz der besseren Auflösung des DSLR-Modells im Vergleich zum Action-Kameramodell waren beide Methoden in der Lage, qualitativ hochwertige Modelle mit geringen Unterschieden in der visuellen Darstellung zu erzeugen, wenn die Rifffläche von ~113m2 als digitales 20 cm 2-Höhenmodell (Abbildung 2 obere Tafeln) oder 2D-Orthomosaikprojektion (Abbildung 2 mittlere Tafeln) dargestellt wurde. 
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61815/61815fig01.jpg"> Abbildung 1: Structure-from-Motion-Photogrammetrie. (A) Beispiel für ein Spulengerät zur Steuerung der Schwimmerdistanz mit einem angebrachten Griff und einer Stange zur präzisen Positionierung und Handhabung. (B) Kalibrierkacheln. (C) Ein Schema des Schwimmweges mit relativen Positionen des Schwimmers (grün) und des Assistenten (orange). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61815/61815fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61815/61815fig02.jpg"> Abbildung 2: Visueller Vergleich von digitalen Höhenmodellen und Orthomosaiken. Digitale Höhenmodelle (oben) und Orthomosaike (Mitte) aus DSLR- (links) und Action-Kamera-Bildern (rechts). Das untere Feld ist ein Zoom der Bereiche in den weißen Kästchen in den Orthomosaiken. Die Heatmap-Skalen im oberen Bereich stellen die Entfernung von der Wasseroberfläche in Metern (m) dar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61815/61815fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>Canon EOS Rebel SL3</td>
			<td>GoPro Hero 7</td>
		</tr><tr><td>Kosten</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Kamera</td>
			<td>~$600.00</td>
			<td>~$220.00</td>
		</tr><tr><td>Unterwassergehäuse</td>
			<td>~1.700,00 $</td>
			<td>NA</td>
		</tr><tr><td>Gesamtkosten</td>
			<td>~2.300,00 $</td>
			<td>~$220.00</td>
		</tr><tr><td>Fotos</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Foto-Dateiformat</td>
			<td>.jpeg</td>
			<td>.jpeg</td>
		</tr><tr><td>Fotoauflösung</td>
			<td>24 Megapixel</td>
			<td>12 Megapixel (aus 4K-Video)</td>
		</tr><tr><td>Ausgerichtete Fotos / Fotos insgesamt</td>
			<td>3125 / 3125</td>
			<td>3125 / 3125</td>
		</tr><tr><td>Photogrammetrie-Metriken</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Spärliche Wolkenpunkte</td>
			<td>2,848,358</td>
			<td>2,630,543</td>
		</tr><tr><td>Dichte Wolkenpunkte</td>
			<td>787,450,347</td>
			<td>225,835,648</td>
		</tr><tr><td>Gesichter (3D-Modell)</td>
			<td>11,919,451</td>
			<td>3,834,651</td>
		</tr><tr><td>Auflösung des digitalen Höhenmodells (DEM)</td>
			<td>0.831 mm/Pixel</td>
			<td>1.77 mm/Pixel</td>
		</tr><tr><td>Orthomosaik-Auflösung</td>
			<td>0,208 mm/Pixel</td>
			<td>0,442 mm/Pixel</td>
		</tr><tr><td>Bearbeitungszeiten</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Spärliche Cloud-Generierung</td>
			<td>1 Std. 23 Min.</td>
			<td>1 Std. 27 Min.</td>
		</tr><tr><td>Dichte Cloud-Generierung</td>
			<td>4 h</td>
			<td>3 Std. 11 Min.</td>
		</tr><tr><td>Rendern von Netzmodellen</td>
			<td>3 Std. 32 Min.</td>
			<td>1 Std. 49 Min.</td>
		</tr><tr><td>Textur-Rendering</td>
			<td>19 Minuten</td>
			<td>12 Minuten</td>
		</tr><tr><td>Gesamte Computerverarbeitungszeit</td>
			<td>9 Std. 14 Min.</td>
			<td>6 Std. 39 Min.</td>
		</tr></tbody></table>Tabelle 1: Detaillierte Informationen zu den Einrichtungskosten, den zur Erstellung der Modelle verwendeten Fotos, den Photogrammetrie-Metriken und der Verarbeitungszeit. Die Verarbeitung erfolgte bei beiden Modellen mit den gleichen Einstellungen. Beachten Sie, dass die Verarbeitungszeit keine Zeit für verschiedene Schritte wie Fotobearbeitung, Extrahieren von Bildern aus Videos, Neuausrichten von Fotos sowie Bearbeiten und Skalieren der Modelle umfasst.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>Canon EOS Rebel SL3</td>
			<td>GoPro Hero 7</td>
		</tr><tr><td>Bilder</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Durchschnittliche Dateigröße</td>
			<td>~ 8.3 MB</td>
			<td>~ 4.7 MB</td>
		</tr><tr><td>Fotoaufnahme</td>
			<td>Kontinuierlicher Modus</td>
			<td>Aus 4K-Video extrahiert</td>
		</tr><tr><td>Farbkorrektur</td>
			<td>Manuell</td>
			<td>Manuell</td>
		</tr><tr><td>Objektivkorrektur</td>
			<td>Nein</td>
			<td>Ja</td>
		</tr><tr><td>Photogrammetrie-Prozesseinstellungen</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Spärliche Cloud-Generierung</td>
			<td>Genauigkeit: Hoch</td>
			<td>Genauigkeit: Hoch</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>Kernpunkt: 40.000</td>
			<td>Kernpunkt: 40.000</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>Tie-Point: 4.000</td>
			<td>Tie-Point: 4.000</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>Generische Vorauswahl: Ja</td>
			<td>Generische Vorauswahl: Ja</td>
		</tr><tr><td>Dichte Cloud-Generierung</td>
			<td>Mittlere Qualität</td>
			<td>Mittlere Qualität</td>
		</tr><tr><td>Erstellung von 3D-Netzmodellen</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Ursprungsdaten:</td>
			<td>Tiefenkarten</td>
			<td>Tiefenkarten</td>
		</tr><tr><td>Qualität:</td>
			<td>Mittel</td>
			<td>Mittel</td>
		</tr><tr><td>Anzahl der Gesichter:</td>
			<td>Niedrig</td>
			<td>Niedrig</td>
		</tr><tr><td>Interpolation:</td>
			<td>Ermöglichte</td>
			<td>Ermöglichte</td>
		</tr><tr><td>Berechnen Sie die Scheitelpunktfarben:</td>
			<td>Ja</td>
			<td>Ja</td>
		</tr><tr><td>3D-Textur-Generierung</td>
			<td rowspan="1"></td>
			<td rowspan="1"></td>
		</tr><tr><td>Textur-Typ:</td>
			<td>Diffuse Karte</td>
			<td>Diffuse Karte</td>
		</tr><tr><td>Ursprungsdaten:</td>
			<td>Bilder</td>
			<td>Bilder</td>
		</tr><tr><td>Mapping-Modus:</td>
			<td>Generisch</td>
			<td>Generisch</td>
		</tr><tr><td>Mischmodus:</td>
			<td>Mosaik</td>
			<td>Mosaik</td>
		</tr><tr><td>Texturgröße/-anzahl:</td>
			<td>4096 / 1</td>
			<td>4096 / 1</td>
		</tr><tr><td>Digitales Höhenmodell (DEM)</td>
			<td>Aus der dichten Wolke</td>
			<td>Aus der dichten Wolke</td>
		</tr><tr><td>Orthomosaik</td>
			<td>Von DEM</td>
			<td>Von DEM</td>
		</tr></tbody></table>Tabelle 2: Detaillierte Informationen zu den gesammelten Bildern und der photogrammetrischen Verarbeitung. Die Verarbeitung erfolgte bei beiden Modellen mit den gleichen Einstellungen.
Ergänzendes Material. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61815/JoVE_SI_Roach.docx" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>

Wir bieten ein detailliertes Protokoll für die Durchführung von Unterwasser-Structure-from-Motion-Photogrammetrie-Vermessungen zur Erstellung von 3D-Modellen und Orthomosaiken.

Eine Feldeinführung für die Überwachung benthischer Ökosysteme mittels Structure-from-Motion-Photogrammetrie

Structure-from-motion (SfM) photogrammetry is a technique used to generate three-dimensional (3D) reconstructions from a sequence of two-dimensional (2D) ...

Dieses Protokoll bietet einen einfachen Überblick darüber, wie Bilder im Feld gesammelt werden können, um dreidimensionale Modelle von Unterwasserökosystemen zu erstellen. Diese Technik ermöglicht die Sammlung von Daten, um großflächige, hochauflösende 3D-Modelle zu erstellen, die uns helfen, Fragen zur Zusammensetzung der Gemeinschaft, zu geometrischen Eigenschaften und zur Systemkomplexität zu beantworten. Diese Methode ist nützlich für die Untersuchung benthischer Ökosysteme, um wertvolle Informationen über Muster der Artenvielfalt, die Komplexität von Lebensräumen, die Struktur der Lebensgemeinschaften und andere ökologische Metriken zu sammeln. Wie bei den meisten Feldmethoden sollten Sie einen sicheren und zugänglichen Standort wählen und einen Tag wählen, an dem die Wetterbedingungen günstig sind. Probieren Sie die Methode zum ersten Mal aus: Richten Sie eine DSLR-Kamera in einem Unterwassergehäuse mit den im Textmanuskript beschriebenen Einstellungen ein. Wenn Sie eine wasserdichte Action-Kamera verwenden, stellen Sie sie auf den Video- oder Serienaufnahmemodus mit der höchstmöglichen Auflösung und Bildrate ein. Stellen Sie die Videoauflösung auf 4K und die Bildrate auf 30 Bilder pro Sekunde ein. Wählen Sie ein Spulenrigg mit einer Flanschkante und Befestigungspunkten für einen Griff und eine Stange. Stellen Sie sicher, dass das Spulenrigg von Natur aus negativ schwimmfähig ist oder durch Hinzufügen von Gewichten so gestaltet ist. Für den häufigen Gebrauch oder schwierige Feldbedingungen wählen Sie eine Spule aus einem robusteren Material wie Aluminium. Stellen Sie sicher, dass sich die Spule während des Gebrauchs nicht auf der Stange dreht oder dreht. Befestigen Sie die Schnur an einem Ende an der Spule und am anderen Ende an einem abnehmbaren Clip zum Anschließen an die Kamera. Obwohl spezielle Kalibrierungskacheln nicht erforderlich sind, stellen Sie sicher, dass negativ schwimmfähige, erkennbare Objekte bekannter Größe in das Modell für den Maßstab aufgenommen werden. Berücksichtigen Sie die Überspannungs- und Strömungsbedingungen, um sicherzustellen, dass geeignete Materialien verwendet werden, damit die Fliesen während der Fotosammlung stationär bleiben. Stellen Sie den Tauchern ein Mittel zur Verfügung, um die Tiefe der Fliese zu messen, z. B. einen elektronischen Tiefenmesser. Wählen Sie einen Ort mit genügend Platz, um das gesamte Spiralmuster zu schwimmen. Zusätzlich zu dem zu vermessenden Gebiet sollte ein kleiner Pufferbereich eingebaut werden, um sicherzustellen, dass das gesamte Erhebungsgebiet ausreichend fotografiert wird, um qualitativ hochwertige Daten zu liefern. Wenn möglich, stellen Sie ein zweiköpfiges Team zusammen, eines, um flache Stellen mit dem Schnorchel zu untersuchen, und ein anderes, um tiefere Stellen mit dem Tauchen zu untersuchen. Wenn Sie vorhaben, den Standort regelmäßig zu vermessen, markieren Sie den Mittelpunkt, an dem das Spulenrigg platziert werden soll, mit einem Etikett oder einer dauerhaften Struktur. Nehmen Sie zumindest eine Koordinate des globalen Positionierungssystems, damit der Standort mit Hilfe eines Ausdrucks des Orthomosaiks verschoben werden kann. Legen Sie die Spule in die Mitte der Stelle, legen Sie dann die Kalibrierungskacheln aus und notieren Sie deren Tode. Legen Sie die Kalibrierkacheln mit der bedruckten Seite nach oben, etwa zwei Meter von der Mitte entfernt. Stellen Sie sicher, dass der Schwimmer die Seite der Kamera, die der Spule am nächsten liegt, an der Schnur befestigt und die Kamera gerade nach unten hält, etwa einen Meter vom Benthos entfernt. Dann schwimmt der Schwimmer mit der Kamera, während der Assistent die Spule bedient. Der Assistent stellt die Stange und die daran befestigte Spule in der Mitte des ausgewählten Standorts aufrecht und hält das Spulenrigg aufrecht und stationär. Sobald die Kamera richtig positioniert ist, beginnt der Schwimmer mit der Aufnahme kontinuierlicher Bilder des Benthos, während er vorwärts schwimmt und die Spannung auf der Leine aufrechterhält, um sicherzustellen, dass der Schwimmer beim Fotografieren in einer Spirale mit gleichbleibender Geschwindigkeit weiterschwimmt, bis die Leine vollständig von der Spule abgewickelt ist. In stark rauen Umgebungen wie Korallenriffen sollten Sie einen dritten Arbeiter einbeziehen, der das Verfangen der Leine verhindern kann, indem er über der Mitte der Leine schwebt und sie sanft über Hindernisse hebt. Wenn die Leine vollständig abgewickelt ist, kehrt der Schwimmer die Richtung um, befestigt die Kamera bei Bedarf wieder und schwimmt die Kamera in die entgegengesetzte Richtung, um die Leine während der Aufnahme wieder auf die Spule zurückzuspulen. Wenn eine einzelne Spiralmethode wünschenswert ist, um Zeit zu sparen, sollte der Schwimmer die Leine von der Kamera lösen und zur Abbildung der Mitte der Stelle übergehen, während der Assistent die Leine aufwickelt und das Spulenrigg von der Stelle entfernt. Sobald der Schwimmer anfängt, in die entgegengesetzte Richtung zu schwimmen, dreht der Assistent die Spule, um die Leine in einer halben Umdrehung gegen die neue Schwimmrichtung aufzuwickeln. Dadurch wird sichergestellt, dass der Rückweg des Schwimmers vom ursprünglichen Weg versetzt ist, um eine bessere Fotoabdeckung der Stelle zu erzielen. Stellen Sie sicher, dass der Schwimmer weiterhin Fotos macht und die umgekehrte Spirale schwimmt, bis die Schnur fast vollständig um die Spule aufgewickelt ist. Wenn der Abstand der Schwimmer und Assistenten ein weiteres Vorankommen verhindert, kann der Schwimmer das Fotografieren stoppen, so dass die Kamera von der Leine gelöst werden kann, und der Assistent kann das Spulenrigg aus der Mitte der Stelle entfernen. Sobald die Spule von der Stelle entfernt wurde, bildet der Schwimmer die Mitte der Stelle ab, indem er die Kamera gerade nach unten hält und die Kamera in einem kleinen Spiralmuster über die Mitte der Stelle bewegt. Wenn Sie fertig sind, räumen Sie die Website auf. Lassen Sie niemals Müll oder Geräte an einem Standort zurück und hinterlassen Sie einen Standort immer sauberer, als Sie ihn vorgefunden haben. Dieses Protokoll wurde verwendet, um die Riffstelle 2_7 am Patch Reef 13 in K abzubilden.

a-field-primer-for-monitoring-benthic-ecosystems-using-structure-from

Research

Forschung

JoVE Journal

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