Artykuł metodologiczny

Podstawa terenowa do monitorowania ekosystemów bentosowych za pomocą fotogrametrii struktury z ruchu

5.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61815

⸱

15 kwietnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

Udostępniamy szczegółowy protokół do przeprowadzania podwodnych badań fotogrametrycznych struktury na podstawie ruchu w celu wygenerowania modeli 3D i ortomozaik.

Streszczenie

Fotogrametria struktury z ruchu (SfM) to technika używana do generowania trójwymiarowych (3D) rekonstrukcji z sekwencji dwuwymiarowych (2D) obrazów. Metody SfM stają się coraz bardziej popularne jako nieinwazyjny sposób monitorowania wielu systemów, w tym krajobrazów antropogenicznych i naturalnych, struktur geologicznych oraz ekosystemów lądowych i wodnych. W tym miejscu udostępniono szczegółowy protokół zbierania obrazów SfM w celu wygenerowania modeli 3D siedlisk bentosowych. Ponadto porównano koszt, oszczędność czasu i jakość wyjściową zastosowania lustrzanki cyfrowej z jednym obiektywem (DSLR) w porównaniu z tańszą kamerą sportową. Zaobserwowano kompromis między czasem obliczeniowym a rozdzielczością, przy czym lustrzanka cyfrowa produkowała modele o ponad dwukrotnie większej rozdzielczości, ale produkcja trwała około 1,4 raza dłużej niż kamera sportowa. Niniejszy elementarz ma na celu zapewnienie dokładnego opisu kroków niezbędnych do zebrania danych SfM w siedliskach bentosowych dla tych, którzy nie są zaznajomieni z tą techniką, a także dla tych, którzy już stosują podobne metody.

Wprowadzenie

Procesy ekosystemowe są naturalnie dynamiczne i mogą być trudne do oszacowania. W ciągu ostatniej dekady nastąpił gwałtowny wzrost nowych technologii uchwycenia ekosystemów i ich dynamiki w różnych skalach, od skanowania laserowego 3D poszczególnych cech ekosystemu po teledetekcję satelitarną dużych obszarów1,2,3. W siedliskach bentosowych struktura jest ściśle związana z funkcją ekosystemu8, co sprawia, że narzędzia, które jednocześnie pozwalają na monitorowanie geometrii i struktury zbiorowisk, są szczególnie cenne dla zrozumienia dynamiki ekologicznej. Jednak wielu nowoczesnych podejść nie można zastosować w systemach wodnych ze względu na właściwości fizyczne wody (np. załamanie, zniekształcenie, zmętnienie). Techniki, takie jak LiDAR (Light Detection and Ranging) i niektóre metody badań lotniczych, mogą być odpowiednie w dużych skalach przestrzennych, ale nie mogą uzyskać rozdzielczości potrzebnej do oceny drobnych zmian w siedliskach bentosowych. Metody fotogrametrii Structure-from-Motion (SfM) zostały ostatnio zaadaptowane do tworzenia wielkoskalowych, wysokorozdzielczych ortomozaik i modeli powierzchniowych 3D podwodnych siedlisk4,5,6,7.

Fotogrametria SfM to stosunkowo tania, prosta, nieinwazyjna i powtarzalna metoda, która pozwala na generowanie wielkoskalowych, wysokorozdzielczych zapisów środowiska bentosowego w ekosystemach wodnych9. SfM wykorzystuje sekwencję obrazów 2D do generowania rekonstrukcji modeli 3D. Modele wygenerowane z SfM mogą być używane do zbierania danych na temat złożoności strukturalnej (np. chropowatości, wymiarowości)4,5,10,11,12 i struktury społeczności (np. skład gatunkowy, demografia populacji)13,14,15 ekosystemów bentosowych. Co więcej, ponieważ metoda ta jest stosunkowo niedroga, szybka i powtarzalna, może być używana zarówno przez naukowców, jak i osoby niebędące naukowcami do zbierania cennych, obiektywnych informacji na temat tych ekosystemów. Dlatego metoda ta jest realną techniką do wykorzystania w projektach nauki obywatelskiej, w których standaryzacja wysiłku związanego z próbkowaniem, minimalizacja stronniczości, zaangażowanie uczestników i łatwość szkolenia mają kluczowe znaczenie dla jakości danych i ogólnego sukcesu16,17.

Ten artykuł zawiera szczegółowy protokół do przeprowadzania podwodnych badań SfM. Jednocześnie porównano użycie lustrzanki cyfrowej z bardziej opłacalną "kamerą sportową" i przedstawiono względne zalety i wady każdej z nich. Ogólnym celem jest jak najszybsze zapoznanie naukowców i osób niebędących naukowcami z metodami badania bentosu SfM poprzez zapewnienie prostego, powszechnie stosowanego protokołu, co z kolei promuje szersze stosowanie tej metody. Przykłady badań, w których zastosowano różne warianty tej metody do badania podwodnych zbiorowisk ekologicznych, można znaleźć w Burns et al. (2015)4, Storlazzi et al. (2016)18, Ventura et al (2016 i 2018)19,20, Edwards et al. (2017)14, George et al. (2018)21, Anelli et al. (2019)22 oraz Torres-Pulliza i in. (2020)10.

Opisana tutaj metoda wymaga dwuosobowego zespołu nurkującego lub nurkowego. Po wybraniu miejsca badania, szpula linii (Rysunek 1A) jest umieszczana w środku stanowiska, a płytki kalibracyjne (Rysunek 1B) są rozmieszczone ~2 m od środka. Jedna osoba (pływak) pływa z kamerą i robi zdjęcia miejsca, podczas gdy druga osoba (asystent) opiekuje się szpulą w środku wykresu (Rysunek 1C). Najpierw pływak łączy aparat ze szpulą za pomocą żyłki, a następnie zaczyna robić ciągłe zdjęcia bentosu podczas pływania twarzą w dół i do przodu, aby odwinąć żyłkę ze szpuli. Pływak powinien przez cały czas utrzymywać odległość pionową ~1 m nad podłożem, dostosowując swoją pozycję do topografii terenu podczas pływania. Co ważne, linka łącząca szpulę i kamerę powinna pozostać napięta przez cały czas, aby stworzyć równomierne odstępy w spirali, gdy pływak bada działkę. Asystent utrzymuje szpulę w stabilnej, pionowej pozycji i dba o to, aby szpula się nie obracała, a żyłka nie plątała się.

Gdy linka zostanie całkowicie rozwinięta, pływak zatrzymuje się, obraca i płynie w przeciwnym kierunku, aby odrzucić linkę wokół szpuli. Gdy pływak zmienia kierunek, asystent obraca szpulę, aby nawinąć żyłkę, dokładnie o 180°, aby zapobiec dokładnemu nakładaniu się ścieżki odpływowej. Gdy pływak znajdzie się jak najbliżej środka, kamera jest odłączana od linki, a asystent bierze szpulę i żyłkę i odpływa od środkowej części miejsca. Następnie pływak kończy obrazowanie środka wykresu, przesuwając kamerę w małej spirali nad środkiem. Chociaż istnieje kilka sposobów na skuteczne zobrazowanie obszaru, opisana tutaj metoda szpuli i żyłki jest skuteczna nawet w nieidealnych warunkach środowiskowych, w których wzburzone wody powierzchniowe, fale lub słaba widoczność mogą w przeciwnym razie utrudniać gromadzenie danych. W tych scenariuszach ta metoda utrzymuje snorkelerów/nurków w przyczepie i zapewnia duże nakładanie się obrazów, utrzymując pływaka na kontrolowanej ścieżce.

Protokół

1. Materiały

  1. kamera
    1. Zapewnij minimalne specyfikacje trwałości i wodoodporności (lub wodoodpornej obudowy) oraz minimalną liczbę klatek na sekundę wynoszącą 2 klatki/s (fps).
      UWAGA: W tym przykładzie użyto minimalnej liczby klatek na sekundę wynoszącej ~4 kl./s.
    2. Cyfrowa lustrzanka jednoobiektywowa (DSLR)
      1. Ustaw aparat tak, aby wykonywał zdjęcia seryjne z szybkością przechwytywania od 2 kl./s do 5 kl./s.
      2. Aby odtworzyć protokół opisany w tym przykładzie, należy użyć aparatu w obudowie podwodnej (patrz Tabela materiałów) z następującymi ustawieniami: Tryb ręczny (M); f10, 18 mm; czas otwarcia migawki = 1/320; kompensacja ekspozycji = -1/3; jakość obrazu = najwyższa, bez RAW; tryb wyzwalania migawki = ciągły; autofokus = AI SERVO; ISO = Auto, maks.3200; numeracja plików = Automatyczne resetowanie; automatyczne obracanie obrazu = wyłączone; godzina/data = UTC.
    3. Kamera sportowa
      1. Ustaw tryb wideo lub tryb zdjęć seryjnych z najwyższą możliwą rozdzielczością i liczbą klatek na sekundę.
        UWAGA: Kamera sportowa może być również używana w trybie ciągłym, o ile liczba klatek na sekundę wynosi 2 obrazy na sekundę lub więcej.
      2. Aby odtworzyć protokół w tym przykładzie (patrz tabela materiałów), użyj wodoodpornej kamery sportowej z następującymi ustawieniami: Rozdzielczość wideo = 4K (proporcje 4:3); liczba klatek na sekundę = 30 kl./s.
        UWAGA: W przypadku kamer sportowych może być łatwiej przymocować linkę od szpuli do pływaka, a nie do kamery. W tym przykładzie linka była przymocowana do nadgarstka pływaka za pomocą małej smyczy.
  2. Zestaw do szpulowania (Rysunek 1A)
    1. Upewnij się, że szpula ma odpowiedni rozmiar, aby pomieścić długość żyłki potrzebną do określenia promienia miejsca pomiaru.
      UWAGA: Obwód szpuli kontroluje odstępy między spiralnymi linkami pływackimi, a długość żyłki określa obszar próbki. W tym przykładzie szpula o średnicy ~8 cali (~20 cm) została użyta do rozstawu linek pływackich o średnicy ~50 cali (~1,3 m). Zobacz 9, aby uzyskać szczegółowe informacje.
    2. Wybierz zestaw do szpuli z krawędzią kołnierzową (do płynnego prowadzenia żyłki na szpuli i z niej) oraz punktami mocowania uchwytu i tyczki (do kontrolowania wysokości od podłoża). Upewnij się, że zestaw szpulowy jest z natury ujemnie wyporny lub wykonany z dodatkiem obciążników.
      UWAGA: W tym przykładzie użyto rur z polichlorku winylu (PVC) do uchwytu i drążka, a szpula została wydrukowana w 3D z tworzywa sztucznego z kwasu polimlekowego. Jednak szpula może być tak prosta, jak duża rura PVC lub dowolny inny okrągły przedmiot o pożądanej średnicy.
      1. Do częstego użytkowania i/lub trudnych warunków terenowych wybierz szpulę wykonaną z bardziej wytrzymałego materiału, takiego jak aluminium.
      2. Upewnij się, że szpula nie obraca się na tyczce ani nie obraca się podczas użytkowania.
    3. Przymocuj żyłkę do szpuli z jednej strony i do odłączanego klipsa z drugiej, aby podłączyć ją do aparatu.
      UWAGA: Długość linii określa promień terenu. W tym przypadku użyto 6 m linii dla stanowisk o średnicy 12 m.
  3. Płytki kalibracyjne
    1. Chociaż specjalistyczne płytki kalibracyjne nie są konieczne, upewnij się, że w modelu do skali znajdują się ujemnie pływające, rozpoznawalne obiekty o znanych rozmiarach. Weź pod uwagę warunki przepięciowe i prądowe, aby upewnić się, że używane są odpowiednie materiały, tak aby płytki pozostały nieruchome podczas zbierania zdjęć.
      UWAGA: W tym przypadku szablony znaczników skali dostępne jako część niektórych programów zostały wydrukowane na wodoodpornym papierze, który został przymocowany do płytek PCV o grubości 1 cala.
    2. Nurkowie będą potrzebować środków do zmierzenia głębokości płytki. W naszym przykładzie używamy elektronicznego ogranicznika głębokości (patrz tabela materiałów).
  4. Korekcja kolorów
    1. Ustaw balans bieli w aparacie na niestandardowy. Zrób zdjęcie 18% szarej karty lub białej karty nurkowej pod wodą przed rozpoczęciem każdego badania SfM. Zrób to za każdym razem, gdy uruchamiana jest nowa witryna.
      UWAGA: Zdjęcie pozwoli na korekcję kolorów, a także pomoże oddzielić pobrane obrazy z różnych witryn podczas przeprowadzania wielu ankiet tego samego dnia.

2. Szczegółowe metody

  1. Wybór miejsca
    1. Wybierz miejsce, w którym jest wystarczająco dużo miejsca, aby przepłynąć cały wzór spirali (~113 m2 w tym przykładzie). Oprócz obszaru, który jest badany, należy uwzględnić mały obszar buforowy, aby zapewnić, że cały obszar badania jest wystarczająco sfotografowany, aby uzyskać dane wysokiej jakości.
    2. Weź pod uwagę umiejętności i wyposażenie dwuosobowego zespołu. Płytkie miejsca (< ~2 m) można badać na fajce, podczas gdy głębsze miejsca mogą wymagać SCUBA.
  2. Jeśli planujesz wielokrotne regularne badanie terenu, zaznacz środkowy punkt, w którym zostanie umieszczony zestaw szpulowy, za pomocą znacznika lub stałej konstrukcji (np. pręta zbrojeniowego lub bloku żużlowego). Weź co najmniej współrzędne globalnego systemu pozycjonowania, aby można było przenieść miejsce z pomocą wydruku ortomozaiki.
    UWAGA: Stałe konstrukcje podwodne zazwyczaj wymagają pozwolenia.
  3. Przygotuj witrynę.
    1. Ustaw szpulę na środku witryny.
    2. Ustaw płytki kalibracyjne i zapisz ich głębokość. Umieść płytki kalibracyjne stroną zadrukowaną do góry, w odległości ~2 m od środka.
      UWAGA: W tym przykładzie 3 płytki kalibracyjne zostały umieszczone w trójkącie wokół środka witryny. Płytki kalibracyjne powinny być odpowiednio wyważone i ustawione, aby zapewnić minimalny ruch podczas zbierania zdjęć.
  4. Poinstruuj pływaka, aby pływał z aparatem, podczas gdy asystent będzie zajmował się szpulą.
    1. Asystent ustawia tyczkę i dołączoną szpulę pionowo na środku wybranego miejsca i utrzymuje zestaw szpulowy w pozycji pionowej i nieruchomej.
    2. Upewnij się, że pływak przymocuje stronę aparatu najbliżej szpuli do żyłki i trzyma kamerę skierowaną prosto w dół ~1 m od bentosu.
      UWAGA: Jeśli pływak musi przechylić aparat, postaraj się, aby był lekko przechylony do przodu, a nie do tyłu, aby uniknąć robienia zdjęć w cieniu pływaka. Przechylenie kamery lekko do przodu zarówno w przypadku spirali skierowanej na zewnątrz, jak i spirali powrotnej, może również uchwycić lepsze kąty bentosu i uzyskać lepsze modele, zwłaszcza gdy występują zwisy i otwory.
    3. Po prawidłowym ustawieniu kamery pływak zaczyna robić ciągłe zdjęcia bentosu podczas pływania do przodu i utrzymywania napięcia na linie.
    4. Upewnij się, że pływak kontynuuje pływanie po spirali ze stałą prędkością podczas robienia zdjęć, aż linka zostanie całkowicie odwinięta ze szpuli.
      UWAGA: Pływak powinien starać się zachować stałą odległość ~ 1 m nad bentosem i pływać spiralą w umiarkowanym tempie, aby zapewnić wystarczające zachodzenie na siebie obrazów. W razie wątpliwości wolniej znaczy lepiej.
    5. W środowiskach o dużej pofałdowaniu (np. rafy koralowe) należy zatrudnić trzeciego pracownika (drugiego asystenta), który może zapobiec splątaniu się liny, unosząc się nad środkiem liny i delikatnie unosząc ją nad przeszkodami.
    6. Gdy żyłka jest całkowicie rozwinięta, pływak zmienia kierunki, w razie potrzeby ponownie mocując aparat, a następnie pływa aparatem w przeciwnym kierunku, aby rozpocząć ponowne nawijanie żyłki z powrotem na szpulę podczas robienia zdjęć. UWAGA: Pływanie po odwróconej spirali nie jest absolutnie konieczne, ale zazwyczaj daje lepsze modele.
    7. Jeśli pożądana jest pojedyncza metoda spirali w celu zaoszczędzenia czasu, pływak odczepi żyłkę od kamery i przejdzie do kroku 2.4.12, podczas gdy asystent nawija żyłkę i usuwa zestaw szpulowy z miejsca.
    8. Gdy tylko pływak zacznie pływać w przeciwnym kierunku, asystent obraca szpulę, aby nawinąć żyłkę o 1/2 obrotu (180°) w kierunku przeciwnym do nowego kierunku pływania. Ten obrót o 1/2 zapewnia, że ścieżka powrotna pływaka jest przesunięta w stosunku do pierwotnej ścieżki, aby zapewnić większe pokrycie fotograficzne miejsca.
    9. Upewnij się, że pływak kontynuuje robienie zdjęć i pływaj odwróconą spiralą, aż żyłka zostanie prawie całkowicie nawinięta wokół szpuli.
    10. Gdy odstępy między pływakiem a asystentem uniemożliwiają dalszy postęp, pływak przestanie robić zdjęcia, aby odłączyć kamerę od żyłki i umożliwić asystentowi wyjęcie zestawu szpulowego ze środka miejsca.
    11. Po wyjęciu szpuli z miejsca pływak obrazuje środek miejsca, trzymając kamerę skierowaną prosto w dół i przesuwając kamerę w małym spiralnym wzorze nad środkiem miejsca.

3. Oczyść stronę.

  1. Odbierz płytki kalibracyjne i wszelki inny sprzęt przed opuszczeniem terenu.
    UWAGA: Nigdy nie zostawiaj śmieci ani sprzętu na miejscu. Zawsze zostawiaj witrynę czystszą niż ją zastałeś.

Wyniki

W tym przykładzie wykonano obrazowanie stanowiska rafy koralowej 2_7 położonego na rafie typu patch reef 13 w zatoce Kāneʻohe, Oʻahu, Hawaje, uzyskując 3125 zdjęć JPEG z aparatu lustrzankowego oraz 3125 zrzutów ramek JPEG z nagrania wideo kamery akcji (Tabela 1zostały wykorzystane jako dane wejściowe do tworzenia ortomozajek i modeli 3D. Ogólny przepływ pracy składał się z 5 etapów: 1) wyrównanie zdjęć w celu wygenerowania rzadkiej chmury punktów, 2) skalowanie rzadkiej chmury punktów i optymalizacja położeń kamer, 3) budowa gęstej chmury punktów (na tym etapie generowane były również mapy głębi), 4) tworzenie numerycznego modelu powierzchni (DEM) i ortomozaike, oraz 5) generowanie modelu 3D i tekstury. Należy zauważyć, że etapy 4 i 5 nie muszą być wykonywane koniecznie w tej kolejności, lecz muszą zostać przeprowadzone po przetworzeniu gęstej chmury punktów i map głębi. Georeferencjonowanie modeli powinno zostać wykonane przed wygenerowaniem ortomozaike i modelu DEM. Ustawienia używane dla tych etapów oraz szczegóły przetwarzania przedstawiono w Tabela 2 i Spis materiałówodpowiednio.

Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat tworzenia modeli 3D i ortomozaikek, zobacz Materiały dodatkowe oraz Suka et al.23. Czas przetwarzania był krótszy dla modelu uzyskanego z kamery akcji na każdym etapie, w tym generowaniu chmury punktów rzadkiej i gęstej, renderowaniu modelu siatki oraz renderowaniu modelu teksturalnego. Skutkowało to znacznie krótszym całkowitym czasem przetwarzania modelu z kamery akcji (6 h 39 min) w porównaniu z modelem z kamery lustrzanki (9 h 14 min). Dokładny czas przetwarzania modelu zależy od mocy obliczeniowej i konkretnych ustawień sprzętu.

Model wygenerowany przy użyciu obrazów z kamery lustrzankowej zawierał 2 848 358 punktów chmury rzadkiej i 787 450 347 punktów chmury gęstej, podczas gdy model wygenerowany z obrazów kamery akcji zawierał jedynie 2 630 543 punkty chmury rzadkiej i 225 835 648 punktów chmury gęstej. Skutkowało to tym, że modele z kamery lustrzankowej miały ponad dwukrotnie wyższą rozdzielczość niż modele z kamery akcji, z rozdzielczościami ortomozaiek wynoszącymi odpowiednio 0,442 i 0,208 mm/piksel dla modeli pochodzących z kamery lustrzankowej i kamery akcji (Tabela 1). Mimo lepszej rozdzielczości modelu z kamery lustrzankowej w porównaniu z modelem z kamery akcji, obie metody pozwoliły na wytworzenie modeli wysokiej jakości, z niewielkimi różnicami w prezentacji wizualnej, gdy obszar rafy o powierzchni ~113 m2 został przedstawiony jako dwuwymiarowy model numeryczny wysokości terenu o powierzchni 20 cm2 (Rycina 2 górne panele) lub jako dwuwymiarowa projekcja ortomozaiek (Rycina 2 środkowe panele).

Układ fotogrametrii podwodnej; A) zestaw aparatu, B) tarcze kalibracji kolorów, C) diagram pozycjonowania nurka.
Rysunek 1: Fotogrametria typu „struktura z ruchu” (Structure-from-Motion). (A) Przykład wózka z szpulą do kontrolowania odległości pływaka, wyposażonego w uchwyt i drążek umożliwiające precyzyjne pozycjonowanie i wygodne trzymanie. (B) Płytki kalibracyjne. (C) Schemat trasy pływania z zaznaczeniem względnych pozycji pływaka (zielony) i asystenta (pomarańczowy). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Mapy wysokości raf koralowych i szczegóły makroskopowe porównujące techniki fotograficzne DSLR i GoPro w badaniach morskich.
Rycina 2: Wizualne porównanie modeli numerycznych powierzchni i ortomozajek. Modele numeryczne powierzchni (u góry) i ortomozajki (w środku) utworzone na podstawie obrazów z aparatu DSLR (po lewej) i kamery akcji (po prawej). Dolny panel przedstawia powiększenie obszarów w białych ramkach na ortomozajkach. Skale map cieplnych na górnym panelu reprezentują odległość od powierzchni wody w metrach (m). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Canon EOS Rebel SL3GoPro Hero 7
Koszt
Aparat~$600.00~$220.00
Obudowa podwodna~$1 700,00NA
Całkowity koszt~$2 300,00~$220,00
Zdjęcia
Format pliku zdjęciajpegjpeg
Rozdzielczość zdjęcia24 megapiksele12 megapikseli (z wideo 4K)
Wyrównane zdjęcia / wszystkie zdjęcia3125 / 31253125 / 3125
Metryki fotogrametrii
Punkty chmury rzadkiej2 848 3582 630 543
Punkty chmury gęstej787 450 347225 835 648
Ściany (model 3D)11 919 4513 834 651
Rozdzielczość modelu cyfrowej powierzchni terenu (DEM)0,831 mm/piksel1,77 mm/piksel
Rozdzielczość ortomozaiki0,208 mm/piksel0,442 mm/piksel
Czasy przetwarzania
Generowanie chmury rzadkiej1 godz. 23 min1 godz. 27 min
Generowanie chmury gęstej4 godz.3 godz. 11 min
Renderowanie modelu siatki3 godz. 32 min1 godz. 49 min
Renderowanie tekstury19 min12 min
Całkowity czas przetwarzania komputerowego9 godz. 14 min6 godz. 39 min

Tabela 1: Szczegółowe informacje o kosztach przygotowania, zdjęciach użytych do budowy modeli, metrykach fotogrametrycznych oraz czasie przetwarzania. Przetwarzanie wykonano przy użyciu tych samych ustawień dla obu modeli. Należy pamiętać, że czas przetwarzania nie obejmuje czasu potrzebnego na różne etapy, takie jak edycja zdjęć, wyodrębnianie obrazów z filmu, ponowne wyrównywanie zdjęć oraz edycję i skalowanie modeli.

Canon EOS Rebel SL3GoPro Hero 7
Obrazy
Średni rozmiar pliku~ 8,3 MB~ 4,7 MB
Pozyskiwanie zdjęćTryb ciągłyWyodrębnione z wideo 4K
Korekcja kolorówRęcznaRęczna
Korekcja obiektywuNieTak
Ustawienia procesu fotogrametrii
Generowanie chmury rzadkiejDokładność: WysokaDokładność: Wysoka
Punkt kluczowy: 40 000Punkt kluczowy: 40 000
Punkt wiążący: 4 000Punkt wiążący: 4 000
Selekcja ogólna: TakSelekcja ogólna: Tak
Generowanie chmury gęstejJakość średniaJakość średnia
Generowanie modelu siatki 3D
Dane źródłowe:Mapy głębiMapy głębi
Jakość:ŚredniaŚrednia
Liczba ścian:NiskaNiska
Interpolacja:WłączonaWłączona
Oblicz kolory wierzchołków:TakTak
Generowanie tekstury 3D
Typ tekstury:Mapa dyfuzyjnaMapa dyfuzyjna
Dane źródłowe: ObrazyObrazy
Tryb mapowania:OgólnyOgólny
Tryb mieszania:MozajkaMozajka
Rozmiar/ilość tekstury:4096 / 14096 / 1
Model cyfrowej powierzchni terenu (DEM)Z gęstej chmuryZ gęstej chmury
OrtomozajkaZ DEMZ DEM

Tabela 2: Szczegółowe informacje na temat zebranych obrazów i przetwarzania fotogrametrycznego. Przetwarzanie wykonano przy użyciu tych samych ustawień dla obu modeli.

Materiał dodatkowy. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Badanie to pokazuje, że zarówno lustrzanka cyfrowa, jak i kamera sportowa wytwarzają modele o rozdzielczości lepszej niż 0,5 mm/piksel w czasie krótszym niż 10 godzin przetwarzania na standardowym komputerze stacjonarnym. Głównym kompromisem między lustrzanką cyfrową a kamerą akcji, oprócz kosztów, jest odpowiednio lepsza rozdzielczość i szybszy czas przetwarzania. Jednak raportowane czasy przetwarzania obejmują tylko przetwarzanie obliczeniowe. Tak więc, chociaż czas obliczeniowy jest krótszy w przypadku kamery sportowej, znaczna ilość czasu (10-20 minut) jest zainwestowana w ekstrakcję obrazu z filmów, która nie jest wymagana w przypadku lustrzanki cyfrowej. Alternatywą jest użycie kamery sportowej w trybie zdjęć seryjnych, aby uniknąć wyodrębniania obrazu. Tryb zdjęć seryjnych nie został użyty w tym przykładzie, ponieważ kamera sportowa może fotografować tylko z prędkością 2 kl./s, co wymaga znacznie wolniejszego tempa pływania, aby zebrać wystarczającą liczbę obrazów do zbudowania kompletnego modelu. W związku z tym istnieje kompromis między dłuższym czasem w terenie w trybie zdjęć seryjnych a dłuższym czasem spędzonym na komputerze, wyodrębnianiu obrazów, podczas korzystania z trybu wideo.

Zalety kamery sportowej to przystępna cena oraz łatwość transportu i obsługi pod wodą. Główną zaletą lustrzanki cyfrowej jest to, że tworzy obrazy o wyższej rozdzielczości; dlatego lustrzanki cyfrowe są zalecane zamiast kamer sportowych, gdy te pierwsze nie są zbyt drogie. Rodzaje pytań, na które stara się odpowiedzieć badanie, będą również ważne przy określaniu zastosowanej metody. Na przykład kamera sportowa może być preferowana w środowiskach, które są stosunkowo jednorodne (np. Trawa morska, martwe siedliska koralowców/gruzów) lub w których oceniane są tylko szerokie wskaźniki społeczności (takie jak obfitość, różnorodność) w dużych skalach przestrzennych. Jednak lustrzanka cyfrowa może być stosowana w przypadkach, gdy interesujące jest śledzenie zmian na dużą skalę w poszczególnych organizmach lub substratach.

Ponieważ jest to metoda terenowa, wyniki modelu będą zależeć od różnych czynników środowiskowych, takich jak oświetlenie, przejrzystość wody, warunki powierzchniowe, wielkość przypływu i ruch ryb lub niestacjonarnych struktur bentosowych (np. trawy morskiej). Chociaż nie ma bezwzględnych progów, kiedy należy stosować tę metodę, lekko pochmurne dni z wysoką przejrzystością wody, spokojnymi warunkami powierzchniowymi i niewielkim przypływem zazwyczaj dają najlepsze modele. Ponadto istnieje ograniczenie minimalnej głębokości wymaganej dla tych metod. Metody te nie sprawdzają się dobrze w warunkach, w których woda znajduje się mniej niż 0,5 m ze względu na niewielkie nakładanie się zdjęć i mniejszą liczbę cech wyróżniających na zdjęciu. Podkreśla to jednak inną zaletę kamer sportowych, tj. są one mniejsze, a co za tym idzie, łatwiejsze w użyciu na płytszych głębokościach. Co więcej, mniejsza średnica szpuli i większa liczba klatek na sekundę (lub obiektyw szerokokątny) mogą poprawić nakładanie się obrazów w bardzo płytkich warunkach9.

Z tym podejściem można zintegrować wiele innych typów danych. Na przykład ortomozaiki zostały wykorzystane do pokazania gęstości przestrzennej danych molekularnych (np. genów i metabolitów) na koralowcach24 i ludziach25 za pomocą oprogramowania open source "ili"26. Ta sama platforma może być również wykorzystana do mapowania zagęszczenia przestrzennego zwierząt, mikroorganizmów, wirusów i/lub substancji chemicznych w środowisku. W innych przykładach wykorzystano SfM do przestrzennego opisywania gatunków bentosowych na ortomozaikach za pomocą oprogramowania systemu informacji geograficznej10. Co więcej, modele 3D wygenerowane przez SfM można wykorzystać do oszacowania cech siedliska, takich jak chropowatość i wymiar fraktalny. Rzeczywiście, przedstawione tu metody zostały niedawno wykorzystane do wyprowadzenia nowej teorii geometrycznej powierzchni siedlisk10. Wreszcie, ortomozaiki są używane jako powierzchnie wejściowe dla przestrzennie jawnych modeli obliczeniowych, co pozwala na nakładanie dynamicznych symulacji na powierzchnię 3D modelu. Możliwość łatwego generowania dużych obrazów i reprezentacji 3D siedlisk bentosowych pozwoliła naukowcom zajmującym się morzem odpowiedzieć na niewyobrażalne dotąd pytania3.

Ogólnie rzecz biorąc, oto szczegółowy protokół do przeprowadzania podwodnej fotogrametrii SfM za pomocą lustrzanek cyfrowych lub bardziej opłacalnych kamer sportowych. Metody te mogą być wykorzystywane przez naukowców do szerokiego zakresu celów, od pozyskiwania danych o ekosystemach bentosowych po opracowywanie powierzchni wejściowych 3D do symulacji in silico . Jednak protokoły te mogą być również wykorzystywane przez osoby niebędące naukowcami w ramach wysiłków nauki obywatelskiej w celu gromadzenia cennych informacji na temat wzorców różnorodności biologicznej, złożoności siedlisk, struktury społeczności i innych wskaźników ekologicznych.

Oświadczenia

Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych ani innych konfliktów interesów.

Podziękowania

Dziękujemy Fundacji Rodziny Paula G. Allena za sfinansowanie tych badań i jesteśmy wdzięczni Ruth Gates za inspirację do wykorzystania technologii do ochrony raf. Dziękujemy również NOAA i innym współpracownikom za wnikliwą dyskusję na temat tych metod. Na koniec dziękujemy Catie Foley i Patrickowi Nicholsowi za udostępnienie filmu z drona i podwodnego filmu przedstawiającego te metody.

Uznajemy National Fish and Wildlife Foundation za partnera finansowego w tej pracy.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Kamera sportowa (GoPro Hero7 Black)GoProMoże być dowolną wodoodporną kamerą sportową
Adobe LightroomAdobeKorekcja kolorów
Płytki kalibracyjne (płaska płyta PCV przycięta na wymiar dla celów Agisoft. Przymocuj ciężarek nurkowy pod spodem, jeśli spodziewasz się fal)Każdy obiekt o ujemnej pływalności o znanym rozmiarze i kolorze. Zalecamy korzystanie z szablonów znaczników skali dostępnych w oprogramowaniu Agisoft Metashape (v.1.6.0).
Lustrzanka cyfrowa (Canon EOS Rebel SL3Canon3453C002AAMoże to być dowolna lustrzanka cyfrowa w podwodnej obudowie
Linia (plastikowy filament do sznurka do ubrań)Dowolna ujemnie wyporna linia, która jest wystarczająco mocna, aby wytrzymać użytkowanie w terenie
Karta pamięci Micro SDXC (dla GoPro)
Oceanic Veo 2.0OceanicCyfrowy głębokościomierz
Karta pamięci SDXC (dla DSLR)Każda karta pamięci SDXC powinna działać, o ile jest wystarczająco dużo miejsca, aby pomieścić wszystkie zdjęcia niezbędne do zbudowania modelu 
Szpula (2-calowy odcinek rury PVC o średnicy 8 cali, która została przymocowana do 3-metrowego odcinka 1-calowej rury PVC w celu utworzenia trzpieniaDowolny ujemnie wyporny, okrągły przedmiot o pożądanej średnicy
Obudowa kamery podwodnej do lustrzanki cyfrowej (Ikelite 200DLM/C Podwodna obudowa TTL)Ikelite6970.09Powinna być specjalną obudową wodną dla marki i modelu
DSLRKomputer stacjonarny z systemem Windows 10 z 8-rdzeniowym procesorem Intel i9-9900K, dwoma procesorami graficznymi Nvidia GeForceRTX 2070 SUPER i 128 GB pamięci RAM.Przetwarzanie 
)

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Monitorowanie ekosystem w bentycznychpodwodne modelowanie 3Dpor wnanie aparat w DSLRanaliza kamer sportowychspiralny wz r badaniarozmieszczenie p ytek kalibracyjnychkonfiguracja szpuliprotok gromadzenia obraz wocena z o ono ci siedliska
Podstawa terenowa do monitorowania ekosystemów bentosowych za pomocą fotogrametrii struktury z ruchu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.