Methodenartikel

Een veldprimer voor het monitoren van benthische ecosystemen met behulp van structuur-uit-beweging fotogrammetrie

5.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/61815

⸱

15 april 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Hawai'i Institute of Marine Biology, University of Hawai'i Manoa, 2Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, University of Miami, 3Hawai'i Pacific University, 4Federal University of Rio de Janeiro

In dit artikel

Samenvatting

We bieden een gedetailleerd protocol voor het uitvoeren van fotogrammetrie-onderzoeken van de onderwaterstructuur uit beweging om 3D-modellen en orthomosaics te genereren.

Samenvatting

Structure-from-motion (SfM) fotogrammetrie is een techniek die wordt gebruikt om driedimensionale (3D) reconstructies te genereren uit een reeks tweedimensionale (2D) beelden. SfM-methoden worden steeds populairder als een niet-invasieve manier om veel systemen te monitoren, waaronder antropogene en natuurlijke landschappen, geologische structuren en zowel terrestrische als aquatische ecosystemen. Hier wordt een gedetailleerd protocol geboden voor het verzamelen van SfM-beelden om 3D-modellen van benthische habitats te genereren. Bovendien zijn de kosten, tijdsefficiëntie en uitvoerkwaliteit van het gebruik van een DSLR-camera (Digital Single Lens Reflex) vergeleken met een goedkopere actiecamera. Er werd een afweging waargenomen tussen rekentijd en resolutie, waarbij de DSLR-camera modellen produceerde met meer dan twee keer de resolutie, maar ongeveer 1,4 keer langer duurde om te produceren dan de actiecamera. Deze inleiding is bedoeld om een grondige beschrijving te geven van de stappen die nodig zijn om SfM-gegevens te verzamelen in benthische habitats voor degenen die niet bekend zijn met de techniek en voor degenen die al vergelijkbare methoden gebruiken.

Inleiding

Ecosysteemprocessen zijn van nature dynamisch en kunnen moeilijk te kwantificeren zijn. Het afgelopen decennium is er een golf van nieuwe technologieën geweest voor het vastleggen van ecosystemen en hun dynamiek op verschillende schalen, van 3D-laserscanning van individuele ecosysteemkenmerken tot satelliet-teledetectie van grote gebieden 1,2,3. In benthische habitats is structuur nauw verbonden met ecosysteemfunctie8, waardoor hulpmiddelen die tegelijkertijd geometrie en gemeenschapsstructuur mogelijk maken, bijzonder waardevol zijn voor het begrijpen van ecologische dynamiek. Veel moderne benaderingen kunnen echter niet worden gebruikt in aquatische systemen vanwege de fysieke eigenschappen van water (bijv. Breking, vervorming, troebelheid). Technieken, zoals LiDAR (Light Detection and Ranging) en sommige methoden voor luchtonderzoek, kunnen geschikt zijn op grote ruimtelijke schalen, maar kunnen niet de resolutie verkrijgen die nodig is om fijne schaalveranderingen in benthische habitats te beoordelen. Structure-from-Motion (SfM) fotogrammetriemethoden zijn onlangs aangepast om grootschalige orthomosaics met hoge resolutie en 3D-oppervlaktemodellen van onderwaterhabitats 4,5,6,7 te produceren.

SfM-fotogrammetrie is een relatief goedkope, eenvoudige, niet-invasieve en herhaalbare methode die het mogelijk maakt om grootschalige, hoge-resolutierecords van het benthische milieu in aquatische ecosystemen te genereren9. SfM gebruikt een reeks 2D-afbeeldingen om 3D-modelreconstructies te genereren. De modellen die uit SfM worden gegenereerd, kunnen worden gebruikt om gegevens te verzamelen over de structurele complexiteit (bijv. Rugosity, dimensionaliteit)4,5,10,11,12 en gemeenschapsstructuur (bijv. Soortensamenstelling, populatiedemografie)13,14,15 van benthische ecosystemen. Bovendien, omdat deze methode relatief goedkoop, snel en herhaalbaar is, kan deze door zowel wetenschappers als niet-wetenschappers worden gebruikt om waardevolle, objectieve informatie over deze ecosystemen te verzamelen. Daarom is deze methode een haalbare techniek voor gebruik in citizen science-projecten waar standaardisatie van steekproefinspanning, minimalisering van vooringenomenheid, betrokkenheid van deelnemers en trainingsgemak van vitaal belang zijn voor de kwaliteit van gegevens en het algehele succes16,17.

Dit artikel bevat een gedetailleerd protocol voor het uitvoeren van SfM-onderzoeken onder water. Tegelijkertijd is het gebruik van een DSLR-camera vergeleken met dat van een meer kosteneffectieve 'actiecamera', en de relatieve voor- en nadelen van elk worden geschetst. Het algemene doel is om wetenschappers en niet-wetenschappers zo snel mogelijk vertrouwd te maken met benthische SfM-onderzoeksmethoden door een eenvoudig, algemeen gebruikt protocol te bieden, waardoor het gebruik van deze methode op grotere schaal wordt bevorderd.  Voor voorbeelden van studies die variaties van deze methode hebben toegepast om ecologische gemeenschappen onder water te bestuderen, zie Burns et al. (2015)4, Storlazzi et al. (2016)18, Ventura et al (2016 en 2018)19,20, Edwards et al. (2017)14, George et al. (2018)21, Anelli et al. (2019)22 en Torres-Pulliza et al. (2020)10.

De hier beschreven methode vereist een snorkel- of SCUBA-team voor twee personen. Nadat de onderzoekslocatie is geselecteerd, wordt een spoel lijn (figuur 1A) in het midden van de site geplaatst en worden kalibratietegels (figuur 1B) op ~2 m van het midden verdeeld. Eén persoon (de zwemmer) zwemt met de camera en legt beelden van de site vast, terwijl de tweede persoon (de assistent) de spoel in het midden van het perceel verzorgt (figuur 1C). Eerst verbindt de zwemmer de camera via de lijn met de spoel en begint dan continu foto's te maken van de benthos terwijl hij met zijn gezicht naar beneden en naar voren zwemt om de lijn van de spoel af te wikkelen. De zwemmer moet te allen tijde een verticale afstand van ~ 1 m boven het substraat aanhouden en zijn positie aanpassen aan die van de topografie tijdens het zwemmen. Belangrijk is dat de lijn die de spoel en de camera verbindt te allen tijde strak moet blijven om een gelijkmatige afstand in de spiraal te creëren terwijl de zwemmer het perceel onderzoekt. De assistent houdt de spoel in een stabiele, rechtopstaande positie en zorgt ervoor dat de spoel niet roteert en dat de lijn niet in de knoop raakt.

Zodra de lijn volledig is afgewikkeld, stopt de zwemmer, draait en zwemt in de tegenovergestelde richting om de lijn rond de spoel terug te deinzen. Terwijl de zwemmer van richting verandert, draait de assistent de spoel om de lijn in te winden, precies 180 ° om exacte overlapping van het uitgaande pad te voorkomen. Zodra de zwemmer zo dicht mogelijk bij het midden is, wordt de camera losgemaakt van de lijn en neemt de assistent de spoel en lijn en zwemt weg van het centrale deel van de site. De zwemmer voltooit vervolgens het beeld van het midden van het plot door de camera in een kleine spiraal over het midden te bewegen. Hoewel er verschillende manieren zijn om een gebied effectief in beeld te brengen, is de hier beschreven spoel-en-lijnmethode robuust in zelfs niet-ideale omgevingsomstandigheden waar schokkerig oppervlaktewater, deining of slecht zicht anders de gegevensverzameling zou kunnen belemmeren. In deze scenario's houdt deze methode snorkelaars / duikers vast en zorgt voor een hoge overlap van beelden door de zwemmer op een gecontroleerd pad te houden.

Protocol

1. Materialen

  1. Fototoestel
    1. Zorg voor minimale specificaties van duurzaamheid en waterdichte aard (of een waterdichte behuizing) en een minimale framesnelheid van 2 frames / s (fps).
      OPMERKING: In dit voorbeeld is een minimale framesnelheid van ~4 fps gebruikt.
    2. Digitale Single Lens Reflex (DSLR) camera
      1. Stel de camera in om continu foto's te maken met een opnamesnelheid tussen 2 fps en 5 fps.
      2. Als u het protocol wilt reproduceren dat voor dit voorbeeld is beschreven, gebruikt u een camera in een onderwaterhuis (zie materiaaltabel) met de volgende instellingen: Handmatige modus (M); f10, 18 mm; sluitertijd = 1/320; belichtingscompensatie = -1/3; beeldkwaliteit = hoogste, geen RAW; rijmodus = continu; autofocus = AI SERVO; ISO = Auto, max3200; bestandsnummering = Automatisch resetten; afbeelding automatisch roteren = Uit; tijd/datum = UTC.
    3. Actie camera
      1. Stel in op videomodus of continue opnamemodus met de hoogst mogelijke resolutie en framesnelheid.
        OPMERKING: De actiecamera kan ook in de continue modus worden gebruikt, zolang de framesnelheid 2 beelden per seconde of hoger is.
      2. Als u het protocol in dit voorbeeld wilt reproduceren (zie Materiaaltabel), gebruikt u een waterdichte actiecamera met de volgende instellingen: Videoresolutie = 4K (4:3-beeldverhouding); framesnelheid = 30 fps.
        OPMERKING: Voor actiecamera's kan het gemakkelijker zijn om de lijn van de spoel aan de zwemmer te bevestigen in plaats van aan de camera. In dit voorbeeld werd de lijn via een klein koord aan de pols van de zwemmer bevestigd.
  2. Spoelinstallatie (figuur 1A)
    1. Zorg ervoor dat de spoel de juiste grootte heeft om de lijnlengte vast te houden die nodig is voor de straal van de onderzoekslocatie.
      OPMERKING: De omtrek van de spoel bepaalt de afstand tussen de spiraalvormige zwemlijnen en de lengte van de lijn bepaalt het monstergebied. In dit voorbeeld werd een spoel met een diameter van ~ 8 inch (~ 20 cm) gebruikt voor de afstand van zwemlijnen van ~ 50 inch (~ 1,3 m). Zie 9 voor details.
    2. Selecteer een spoelinstallatie met een flensrand (voor het soepel op en af geleiden van de lijn op en van de spoel) en bevestigingspunten voor een handvat en paal (om de hoogte van het substraat te regelen). Zorg ervoor dat de spoelinstallatie inherent negatief drijft of zo is gemaakt met de toevoeging van gewichten.
      OPMERKING: In dit voorbeeld werden polyvinylchloride (PVC) buizen voor het handvat en de paal gebruikt en werd de spoel 3D-geprint in polymelkzuurplastic. De spoel kan echter zo eenvoudig zijn als een grote PVC-buis of een ander rond object met de gewenste diameter.
      1. Voor veelvuldig gebruik en/of uitdagende veldomstandigheden kiest u een spoel gemaakt van een duurzamer materiaal zoals aluminium.
      2. Zorg ervoor dat de spoel niet op de paal draait of draait tijdens gebruik.
    3. Bevestig de lijn aan de spoel aan het ene uiteinde en aan een afneembare clip aan de andere kant om verbinding te maken met de camera.
      OPMERKING: De lengte van de lijn bepaalt de straal van de site. Hier werd 6 m lijn gebruikt voor locaties met een diameter van 12 m.
  3. Kalibratietegels
    1. Hoewel gespecialiseerde kalibratietegels niet nodig zijn, moet u ervoor zorgen dat negatief drijvende, herkenbare objecten van bekende grootte in het schaalmodel zijn opgenomen. Houd rekening met overspanning en stroomomstandigheden om ervoor te zorgen dat geschikte materialen worden gebruikt, zodat tegels stil blijven staan tijdens het verzamelen van foto's.
      OPMERKING: Hier werden schaalmarkeringssjablonen die beschikbaar waren als onderdeel van bepaalde softwareprogramma's afgedrukt op waterdicht papier, dat was bevestigd aan 1-inch dikke PVC-tegels.
    2. Duikers hebben een middel nodig om de diepte van de tegel te meten. In ons voorbeeld gebruiken we een elektronische dieptemeter (zie Materiaaltabel).
  4. Kleurcorrectie
    1. Stel de witbalans op de camera in op aangepast. Maak een foto van een 18% grijze kaart of witte duikleisteen onder water voor de start van elke SfM-enquête. Doe dit elke keer wanneer een nieuwe site wordt gestart.
      OPMERKING: De foto maakt kleurcorrectie mogelijk en helpt ook om de gedownloade afbeeldingen van verschillende sites te scheiden bij het uitvoeren van meerdere enquêtes op dezelfde dag.

2. Gedetailleerde methoden

  1. Site selectie
    1. Selecteer een site die voldoende ruimte heeft om het hele spiraalpatroon te zwemmen (~113 m2 in dit voorbeeld). Naast het gebied dat wordt onderzocht, moet u een klein buffergebied opnemen om ervoor te zorgen dat het hele onderzoeksgebied voldoende wordt gefotografeerd om gegevens van hoge kwaliteit op te leveren.
    2. Overweeg de bekwaamheid en uitrusting van het team van twee personen. Ondiepe locaties (< ~ 2 m) kunnen worden onderzocht op snorkelen, terwijl diepere locaties SCUBA kunnen vereisen.
  2. Als u van plan bent om de site regelmatig te onderzoeken, markeert u het middelpunt, waar de spoelinstallatie zal worden geplaatst, met een tag of een permanente structuur (bijv. Wapening of sintelblok). Neem op zijn minst een globale positioneringssysteemcoördinaat, zodat de site kan worden verplaatst met behulp van een afdruk van de orthomosaic.
    OPMERKING: Permanente onderwaterconstructies vereisen meestal een vergunning.
  3. Bereid de site voor.
    1. Plaats de spoel in het midden van de site.
    2. Leg kalibratietegels neer en noteer hun diepten. Plaats kalibratietegels met de voorkant naar boven, op ~ 2 m afstand van het midden.
      OPMERKING: In dit voorbeeld zijn 3 kalibratietegels in een driehoek rond het midden van de site geplaatst. Kalibratietegels moeten op de juiste manier worden gewogen en gepositioneerd om minimale beweging tijdens het verzamelen van de foto's te garanderen.
  4. Instrueer de zwemmer om met de camera te zwemmen terwijl de assistent de spoel verzorgt.
    1. De assistent zet de paal en de aangehechte spoel rechtop in het midden van de geselecteerde locatie en houdt de spoelinstallatie rechtop en stationair.
    2. Zorg ervoor dat de zwemmer de kant van de camera die zich het dichtst bij de spoel bevindt aan de lijn bevestigt en de camera recht naar beneden houdt ~ 1 m van de benthos.
      OPMERKING: Als de zwemmer de camera moet kantelen, probeer er dan voor te zorgen dat deze iets naar voren is gekanteld in plaats van naar achteren om te voorkomen dat er beelden in de schaduw van de zwemmer worden verzameld. Door de camera iets naar voren te kantelen voor zowel de buitenste spiraal als de retourspiraal, kunnen ook betere hoeken van de benthos worden vastgelegd en betere modellen worden geproduceerd, vooral wanneer er overhangen en gaten zijn.
    3. Zodra de camera goed is gepositioneerd, begint de zwemmer continu foto's te maken van de benthos terwijl hij naar voren zwemt en de spanning op de lijn behoudt.
    4. Zorg ervoor dat de zwemmer met een constante snelheid in een spiraal blijft zwemmen tijdens het maken van foto's totdat de lijn volledig van de spoel is afgewikkeld.
      OPMERKING: De zwemmer moet proberen een constante afstand van ~ 1 m boven de benthos te houden en de spiraal in een gematigd tempo te zwemmen om voldoende overlap tussen de beelden te garanderen. Bij twijfel is langzamer beter.
    5. Neem in zeer rugose-omgevingen (bijv. Koraalriffen) een derde werknemer (tweede assistent) op die lijnverstrengeling kan voorkomen door boven het midden van de lijn te zweven en deze voorzichtig over obstakels te tillen.
    6. Wanneer de lijn volledig is losgemaakt, keert de zwemmer de richting om, bevestigt de camera indien nodig opnieuw en zwemt de camera in de tegenovergestelde richting om de lijn opnieuw op de spoel te wikkelen tijdens het maken van foto's. OPMERKING: Het zwemmen in de omgekeerde spiraal is niet absoluut noodzakelijk, maar zal meestal betere modellen opleveren.
    7. Als een enkele spiraalmethode wenselijk is om tijd te besparen, zou de zwemmer de lijn van de camera losmaken en doorgaan naar stap 2.4.12 terwijl de assistent de lijn opwindt en de spoelinstallatie van de site verwijdert.
    8. Zodra de zwemmer in de tegenovergestelde richting begint te zwemmen, draait de assistent de spoel om de lijn in 1/2 van een bocht (180°) tegen de nieuwe zwemrichting in te winden. Deze 1/2 bocht zorgt ervoor dat het retourpad van de zwemmer wordt verschoven van het oorspronkelijke pad om een grotere fotodekking van de site te verkrijgen.
    9. Zorg ervoor dat de zwemmer foto's blijft maken en de omgekeerde spiraal zwemt totdat de lijn bijna volledig rond de spoel is teruggespoeld.
    10. Wanneer de afstand tussen de zwemmer en de assistent verdere vooruitgang verhindert, stopt de zwemmer met het maken van foto's om de camera los te maken van de lijn en de assistent in staat te stellen de spoelinstallatie uit het midden van de site te verwijderen.
    11. Zodra de spoel van de site is verwijderd, beeldt de zwemmer het midden van de site af door de camera recht naar beneden te houden en de camera in een klein spiraalvormig patroon over het midden van de site te bewegen.

3. Ruim de site op.

  1. Pak kalibratietegels en andere apparatuur op voordat u de site verlaat.
    OPMERKING: Laat nooit afval of apparatuur achter op een locatie. Laat een site altijd schoner achter dan je hem hebt gevonden.

Resultaten

In dit voorbeeld werd Reef Site 2_7 op Patch Reef 13 in Kāneʻohe Bay, Oʻahu, Hawaiʻi, afgebeeld en werden 3.125 JPEG-foto's van de DSLR en 3.125 JPEG-frame-opnamen van de actiecameravideo (tabel 1) gebruikt als invoer om de orthomosaics en 3D-modellen te maken. De algemene workflow bestond uit 5 fasen: 1) uitlijning van foto's om de schaarse puntenwolk te genereren, 2) het schalen van de schaarse puntenwolk en het optimaliseren van camera's, 3) het bouwen van de dichte puntenwolk (dieptekaarten werden ook gegenereerd tijdens deze fase), 4) het bouwen van het digitale hoogtemodel (DEM) en orthomosaic, en 5) het genereren van het 3D-model en de textuur. Merk op dat fase 4 en 5 niet noodzakelijkerwijs in die volgorde hoeven te worden uitgevoerd, maar ze moeten worden uitgevoerd na het verwerken van de dichte puntenwolk en dieptekaarten. Georeferencing van de modellen moet plaatsvinden voordat het orthomosaic en DEM worden gegenereerd. De instellingen die voor deze fasen worden gebruikt en de verwerkingsdetails worden beschreven in respectievelijk tabel 2 en materiaaltabel.

Voor meer gedetailleerde methoden voor het genereren van 3D-modellen en orthomosaics, zie het Aanvullend materiaal en Suka et al.23. De verwerkingstijd was korter voor het van de actiecamera afgeleide model voor elke stap, inclusief het genereren van schaarse puntenwolken, het genereren van dichte puntenwolken, het renderen van mesh-modellen en het renderen van gestructureerde modellen. Dit leidde tot een aanzienlijk snellere totale verwerkingstijd voor het actiecameramodel (6 uur 39 min) dan het DSLR-model (9 uur 14 min). De exacte tijd voor modelverwerking is afhankelijk van de rekenkracht en specifieke hardwareconfiguraties.

Het model dat werd gegenereerd met behulp van beelden van de DSLR-camera bevatte 2.848.358 schaarse wolkenpunten en 787.450.347 dichte wolkenpunten, terwijl het model dat werd gegenereerd uit de actiecamerabeelden slechts 2.630.543 schaarse wolkenpunten en 225.835.648 dichte wolkenpunten bevatte. Dit leidde ertoe dat de DSLR-modellen meer dan 2x de resolutie hadden dan de actiecameramodellen met orthomosaicsresoluties van respectievelijk 0,442 en 0,208 mm / pixel voor de DSLR- en actiecamera-afgeleide modellen (tabel 1). Ondanks de betere resolutie van het DSLR-model ten opzichte van het actiecameramodel, waren beide methoden in staat om modellen van hoge kwaliteit te produceren met weinig verschil in visuele weergave wanneer het rifgebied van ~ 113 m2 werd weergegeven als een digitaal hoogtemodel van 20 cm 2 (figuur 2 bovenpanelen) of 2D-orthomozaïsche projectie (figuur 2 middenpanelen).

figure-results-1
Figuur 1: Structure-from-Motion fotogrammetrie. (A) Voorbeeld van een spoelinstallatie voor het regelen van de zwemmerafstand met een bevestigd handvat en een paal voor nauwkeurige positionering en hantering. (B) Kalibratietegels. (C) Een schema van het zwempad met relatieve posities van de zwemmer (groen) en de assistent (oranje). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: Visuele vergelijking van digitale hoogtemodellen en orthomosaics. Digitale hoogtemodellen (boven) en orthomosaics (midden) opgebouwd uit DSLR (links) en actiecamera (rechts) beelden. Het onderste paneel is een zoom van de gebieden in de witte vakken in de orthomosaics. De heatmapschalen in het bovenste paneel geven de afstand tot het wateroppervlak in meters (m) weer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Canon EOS Rebel SL3GoPro Hero 7
Kosten
Fototoestel~600,00 dollar~$220.00
Onderwaterhuis~$1,700.00Nv
Totale kosten~$2,300.00~$220.00
Foto 's
Fotobestandsindeling.jpeg.jpeg
Foto resolutie24 megapixels12 Megapixels (van 4K video)
Uitgelijnde foto's / totaal aantal foto's3125 / 31253125 / 3125
Fotogrammetrie statistieken
Schaarse wolkenpunten2,848,3582,630,543
Dichte wolkenpunten787,450,347225,835,648
Gezichten (3D-model)11,919,4513,834,651
Dem-resolutie (Digital Elevation Model)0,831 mm/pixel1,77 mm/pixel
Orthomosaic resolutie0,208 mm/pixel0,442 mm/pixel
Verwerkingstijden
Schaarse cloudgeneratie1 u 23 min1 u 27 min
Dichte cloudgeneratie4 uur3 u 11 min
Mesh model rendering3 u 32 min1 u 49 min
Textuurweergave19 min12 min
Totale verwerkingstijd van de computer9 u 14 min6 u 39 min

Tabel 1: Gedetailleerde informatie over instelkosten, foto's die zijn gebruikt om de modellen samen te stellen, fotogrammetriestatistieken en verwerkingstijd. De verwerking gebeurde met dezelfde instellingen voor beide modellen. Houd er rekening mee dat de verwerkingstijd geen tijd omvat voor verschillende stappen, zoals fotobewerking, het extraheren van afbeeldingen uit video, het opnieuw uitlijnen van foto's en het bewerken en schalen van de modellen.

Canon EOS Rebel SL3GoPro Hero 7
Beelden
Gemiddelde bestandsgrootte~ 8,3 MB~ 4,7 MB
Foto-acquisitieContinue modusGeëxtraheerd uit 4K-video
KleurcorrectieHandmatigHandmatig
LenscorrectieNeeJa
Instellingen voor fotogrammetrieprocessen
Schaarse cloudgeneratieNauwkeurigheid: HoogNauwkeurigheid: Hoog
Kernpunt: 40.000Kernpunt: 40.000
Gelijkspelpunt: 4.000Gelijkspelpunt: 4.000
Generieke preselectie: JaGenerieke preselectie: Ja
Dichte cloudgeneratieGemiddelde kwaliteitGemiddelde kwaliteit
3D mesh model generatie
Brongegevens:DieptekaartenDieptekaarten
Kwaliteit:GemiddeldGemiddeld
Aantal gezichten:LaagLaag
Interpolatie:IngeschakeldIngeschakeld
Bereken vertexkleuren:JaJa
3D-textuur genereren
Type textuur:Diffuse KaartDiffuse Kaart
Brongegevens:BeeldenBeelden
Toewijzingsmodus:GeneriekGeneriek
Overvloeimodus:MozaïekMozaïek
Textuur grootte/aantal:4096 / 14096 / 1
Digitaal hoogtemodel (DEM)Uit dichte bewolkingKomt uit Dense Cloud
OrthomozaïekVan DEMVan DEM

Tabel 2: Gedetailleerde informatie over verzamelde beelden en fotogrammetrische verwerking. De verwerking gebeurde met dezelfde instellingen voor beide modellen.

Aanvullend materiaal. Klik hier om dit bestand te downloaden. 

Discussie

Deze studie toont aan dat zowel de DSLR-camera als de actiecamera modellen produceren met een resolutie van meer dan 0,5 mm / pixel in minder dan 10 uur verwerkingstijd op een standaard desktopcomputer. De belangrijkste afweging tussen de DSLR en de actiecamera, afgezien van de kosten, is respectievelijk een fijnere resolutie versus een snellere verwerkingstijd. De gerapporteerde verwerkingstijden omvatten echter alleen de computationele verwerking. Dus, hoewel de rekentijd minder is voor de actiecamera, is er een aanzienlijke hoeveelheid tijd (10-20 min) geïnvesteerd in beeldextractie uit de video's die niet vereist is met de DSLR. Een alternatief is om de actiecamera in de continu-opnamemodus te gebruiken om beeldextractie te voorkomen. De continue opnamemodus werd in dit voorbeeld niet gebruikt, omdat de actiecamera alleen met 2 fps kan fotograferen, wat een aanzienlijk langzamere zwemsnelheid vereist om voldoende beelden te verzamelen om een compleet model te bouwen. In dit opzicht is er een afweging tussen langere tijd in het veld met behulp van de continue opnamemodus versus langere tijd op de computer, het extraheren van afbeeldingen, bij gebruik van de videomodus.

Voordelen van de actiecamera zijn onder andere betaalbaarheid en gemak van transport en bediening onder water. Het grote voordeel van de DSLR is dat het beelden met een hogere resolutie produceert; daarom worden DSLR-camera's aanbevolen boven actiecamera's wanneer de eerste niet onbetaalbaar is. Het soort vragen dat een studie probeert te beantwoorden, zal ook belangrijk zijn bij het bepalen van de gebruikte methode. Een actiecamera kan bijvoorbeeld de voorkeur hebben in omgevingen die relatief homogeen zijn (bijvoorbeeld zeegrasvelden, dode koraal/ puinhabitats), of waar alleen brede gemeenschapsstatistieken (zoals overvloed, diversiteit) worden beoordeeld op grote ruimtelijke schalen. Een DSLR-camera kan echter worden ingezet in gevallen waarin het volgen van fijnmazige veranderingen in individuele organismen of substraten van belang is.

Omdat dit een veldmethode is, zijn de modeloutputs afhankelijk van verschillende omgevingsfactoren, zoals verlichting, waterhelderheid, oppervlakteomstandigheden, hoeveelheid piek en beweging van vissen of niet-stationaire benthische structuren (bijv. Zeegras). Hoewel er geen absolute drempels zijn van wanneer het gepast is om deze methode te gebruiken, produceren licht bewolkte dagen met een hoge waterhelderheid, kalme oppervlakteomstandigheden en weinig piek meestal de beste modellen. Bovendien is er een limiet aan de minimale diepte die vereist is voor deze methoden. Deze methoden werken niet goed onder omstandigheden waarin er minder dan 0,5 m water is vanwege de lage overlap tussen foto's en minder onderscheidende kenmerken per foto. Dit benadrukt echter een ander voordeel van de actiecamera, namelijk dat ze kleiner zijn en dus gemakkelijker te gebruiken zijn op ondiepere diepten. Bovendien kunnen een spoel met een kleinere diameter en een hogere framesnelheid (of een groothoeklens) de beeldoverlapping in zeer ondiepe omstandigheden verbeteren9.

Veel andere gegevenstypen kunnen met deze aanpak worden geïntegreerd. Orthomosaics zijn bijvoorbeeld gebruikt om de ruimtelijke dichtheid van moleculaire gegevens (bijv. Genen en metabolieten) op koralen 24 en mensen 25 te tonen met behulp van de open source-software 'ili'26. Hetzelfde platform kan ook worden gebruikt om de ruimtelijke dichtheden van dieren, micro-organismen, virussen en / of chemicaliën in het milieu in kaart te brengen. Andere voorbeelden hebben SfM gebruikt voor het ruimtelijk annoteren van benthische soorten op orthomosaics met behulp van geografische informatiesysteemsoftware10. Bovendien kunnen de door SfM gegenereerde 3D-modellen worden gebruikt om habitatkenmerken zoals rugositeit en fractaldimensie te schatten. Inderdaad, de hier beschreven methoden zijn onlangs gebruikt om een nieuwe meetkundige theorie voor habitatoppervlakken af te leiden10. Ten slotte worden orthomosaics gebruikt als invoeroppervlakken voor ruimtelijk expliciete computationele modellen, waardoor dynamische simulaties over het 3D-oppervlak van het model kunnen worden gelegd. Door gemakkelijk grote afbeeldingen en 3D-representaties van benthische habitats te genereren, konden mariene wetenschappers tot nu toe onvoorstelbare vragen beantwoorden3.

Over het algemeen is hier een gedetailleerd protocol voor het uitvoeren van onderwater SfM-fotogrammetrie met DSLR-camera's of meer kosteneffectieve actiecamera's. Deze methoden kunnen door wetenschappers worden gebruikt voor een breed scala aan doeleinden, van het extraheren van gegevens over benthische ecosystemen tot het ontwikkelen van 3D-invoeroppervlakken voor in silico-simulaties . Deze protocollen kunnen echter ook door niet-wetenschappers worden gebruikt als onderdeel van citizen science-inspanningen om waardevolle informatie te verzamelen over patronen van biodiversiteit, habitatcomplexiteit, gemeenschapsstructuur en andere ecologische statistieken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen of andere belangenconflicten.

Dankbetuigingen

We danken de Paul G. Allen Family Foundation voor het financieren van dit onderzoek en zijn Ruth Gates dankbaar voor de inspiratie om technologie te gebruiken om riffen te helpen behouden. We bedanken ook NOAA en andere medewerkers voor de doordachte discussie over deze methoden. Tot slot bedanken we Catie Foley en Patrick Nichols voor het leveren van de drone- en onderwatervideo van deze methoden.

We erkennen de National Fish and Wildlife Foundation als financieringspartner in dit werk.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Actiecamera (GoPro Hero7 Black)GoProKon een willekeurige waterdichte actiecamera zijn
Adobe LightroomAdobeKleurcorrectie
Calibratietegels (platte PVC-plaat op maat gesneden voor Agisoft-doelen. Bevestig een duikgewicht eronder als je golven verwacht)Elk negatief drijvend object van bekende grootte en kleur. We raden aan om de schaalmarkeringssjablonen te gebruiken die beschikbaar zijn vanuit Agisoft Metashape-software (v.1.6.0).
DSLR-camera (Canon EOS Rebel SL3 )Canon3453C002AAKon een willekedige DSLR-camera zijn in een onderwaterbehuizing
Lijn (kunststof waslijnfilament)Elke negatief drijvende lijn die sterk genoeg is om veldgebruik te weerstaan
Micro SDXC-geheugenkaart (voor GoPro)
Oceanic Veo 2.0OceanicDigitale dieptemeter
SDXC-geheugenkaart (voor DSLR)Elke SDXC-geheugenkaart zou moeten werken, zolang er genoeg ruimte is om alle foto's te bewaren die nodig zijn om het model te bouwen
Spoel (2 inch lange sectie van 8 inch diameter PVC-buis die was bevestigd aan een 3 voet sectie van 1 inch PVC-buis om de stengel te vormenElk negatief drijvend, rond object van de gewenste diameter
Onderwatercamerahuis voor DSLR (Ikelite 200DLM/C Underwater TTL Housing)Ikelite6970.09Moet de specifieke waterbehuizing zijn voor het DSLR-merk en -model
Windows 10 desktopcomputer met een Intel i9-9900K 8-core CPU, twee Nvidia GeForceRTX 2070 SUPER GPU's en 128 GB RAM.Verwerking

Referenties

  1. 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).
  2. Muller-Karger, F. E., et al. Satellite sensor requirements for monitoring essential biodiversity variables of coastal ecosystems. Ecological Applications. 28 (3), 749-760 (2018).
  3. 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).
  4. 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).
  5. House, J. E., et al. Moving to 3D: Relationships between coral planar area, surface area and volume. PeerJ. 2018 (6), 4280(2018).
  6. Carlot, J., et al. Community composition predicts photogrammetry-based structural complexity on coral reefs. Coral Reefs. , 1-9 (2020).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Torres-Pulliza, D., et al. A geometric basis for surface habitat complexity and biodiversity. Nature Ecology & Evolution. 4, 1495-1501 (2020).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Bonney, R., et al. Citizen science: A developing tool for expanding science knowledge and scientific literacy. BioScience. 59 (11), 977-984 (2009).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. George, E. E., et al. Relevance of coral geometry in the outcomes of the coral-algal benthic war. bioRxiv. , (2018).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Protsyuk, I., et al. 3D molecular cartography using LC-MS facilitated by Optimus and 'ili software. Nature Protocols. 13 (1), 134-154 (2018).

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Monitoring van benthische ecosystemenonderwater 3D modelleringvergelijking van DSLR camera sanalyse van actiecamera sspiraalvormig survey patroonplaatsing van kalibratietegelsinstallatie van spoelinstallatieprotocol voor beeldverzamelingbeoordeling van habitatcomplexiteit
Een veldprimer voor het monitoren van benthische ecosystemen met behulp van structuur-uit-beweging fotogrammetrie
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.