Summary
نحن نقدم بروتوكولا مفصلا لإجراء مسوحات المسح التصويري للهيكل من الحركة تحت الماء لإنشاء نماذج 3D و orthomosaics.
Abstract
المسح التصويري للبنية من الحركة (SfM) هو تقنية تستخدم لتوليد عمليات إعادة بناء ثلاثية الأبعاد (3D) من سلسلة من الصور ثنائية الأبعاد (2D). أصبحت طرق SfM شائعة بشكل متزايد كطريقة غير جراحية لمراقبة العديد من الأنظمة ، بما في ذلك المناظر الطبيعية البشرية والطبيعية ، والهياكل الجيولوجية ، والنظم الإيكولوجية الأرضية والمائية. هنا ، يتم توفير بروتوكول مفصل لجمع صور SfM لإنشاء نماذج 3D للموائل القاعية. بالإضافة إلى ذلك ، تمت مقارنة التكلفة وكفاءة الوقت وجودة الإخراج لاستخدام كاميرا رقمية أحادية العدسة (DSLR) مقابل كاميرا حركة أقل تكلفة. لوحظت مفاضلة بين الوقت الحسابي والدقة ، حيث تنتج كاميرا DSLR نماذج بأكثر من ضعف الدقة ، ولكنها تستغرق حوالي 1.4 مرة أطول من كاميرا الحركة. يهدف هذا الدليل التمهيدي إلى تقديم وصف شامل للخطوات اللازمة لجمع بيانات SfM في الموائل القاعية لأولئك الذين ليسوا على دراية بهذه التقنية وكذلك لأولئك الذين يستخدمون بالفعل طرقا مماثلة.
Introduction
عمليات النظام الإيكولوجي ديناميكية بشكل طبيعي ويمكن أن يكون من الصعب تحديدها كميا. شهد العقد الماضي طفرة في التقنيات الجديدة لالتقاط النظم الإيكولوجية وديناميكياتها في مجموعة من المقاييس من المسح بالليزر ثلاثي الأبعاد لميزات النظام البيئي الفردية إلى الاستشعار عن بعد عبر الأقمار الصناعية لمناطق واسعة1،2،3. وفي الموائل القاعية، يرتبط الهيكل ارتباطا وثيقا بوظيفة النظام الإيكولوجي8، مما يجعل الأدوات التي تسمح في الوقت نفسه برصد الهندسة وهيكل المجتمع ذات قيمة خاصة لفهم الديناميات الإيكولوجية. ومع ذلك ، لا يمكن استخدام العديد من الأساليب الحديثة في النظم المائية بسبب الخصائص الفيزيائية للمياه (على سبيل المثال ، الانكسار والتشويه والتعكر). وقد تكون التقنيات، مثل LiDAR (الكشف عن الضوء وتحديد المدى) وبعض طرق المسح الجوي، مناسبة على النطاقات المكانية الكبيرة، ولكنها لا تستطيع الحصول على الاستبانة اللازمة لتقييم التغيرات الدقيقة في الموائل القاعية. تم مؤخرا تكييف طرق المسح التصويري للهيكل من الحركة (SfM) لإنتاج فسيفساء تقويمية واسعة النطاق وعالية الدقة ونماذج سطحية ثلاثية الأبعاد للموائل تحت الماء4،5،6،7.
المسح التصويري SfM هو طريقة منخفضة التكلفة نسبيا وبسيطة وغير جراحية وقابلة للتكرار تسمح بتوليد سجلات واسعة النطاق وعالية الدقة للبيئة القاعية في النظم الإيكولوجية المائية9. يستخدم SfM سلسلة من الصور 2D لتوليد إعادة بناء نموذج 3D. ويمكن استخدام النماذج المستمدة من الإدارة المستدامة لجمع البيانات عن التعقيد الهيكلي (مثل الصلابة والأبعاد)4،5،10،11،12 وهيكل المجتمع (مثل تكوين الأنواع، وديموغرافيا السكان)13،14،15 للنظم الإيكولوجية القاعية. علاوة على ذلك ، نظرا لأن هذه الطريقة غير مكلفة نسبيا وسريعة وقابلة للتكرار ، يمكن استخدامها من قبل كل من العلماء وغير العلماء لجمع معلومات قيمة وموضوعية عن هذه النظم البيئية. لذلك ، تعد هذه الطريقة تقنية قابلة للتطبيق للاستخدام في مشاريع علوم المواطن حيث يعد توحيد جهود أخذ العينات وتقليل التحيز ومشاركة المشاركين وسهولة التدريب أمرا حيويا لجودة البيانات والنجاح العام16,17.
توفر هذه المقالة بروتوكولا مفصلا لإجراء مسوحات SfM تحت الماء. في الوقت نفسه ، تمت مقارنة استخدام كاميرا DSLR باستخدام "كاميرا الحركة" الأكثر فعالية من حيث التكلفة ، وتم تحديد المزايا والعيوب النسبية لكل منها. ويتمثل الهدف العام في تعريف العلماء وغير العلماء بأساليب المسح القاعية SfM بأسرع ما يمكن عن طريق توفير بروتوكول بسيط شائع الاستخدام، مما يؤدي بدوره إلى تعزيز استخدام هذه الطريقة على نطاق أوسع. للحصول على أمثلة للدراسات التي طبقت اختلافات في هذه الطريقة لدراسة المجتمعات البيئية تحت الماء ، انظر Burns et al. (2015) 4 ، Storlazzi et al. (2016) 18 ، Ventura et al (2016 and 2018) 19,20 ، Edwards et al. (2017) 14 ، George et al. (2018) 21 ، Anelli et al. (2019) 22 ، و Torres-Pulliza et al. (2020) 10.
تتطلب الطريقة الموضحة هنا فريق غطس أو فريق سكوبا لشخصين. بعد تحديد موقع المسح ، يتم وضع بكرة من الخط (الشكل 1 أ) في وسط الموقع ، ويتم توزيع بلاط المعايرة (الشكل 1 ب) ~ 2 متر من المركز. يسبح شخص واحد (السباح) بالكاميرا ويلتقط صورا للموقع ، بينما يميل الشخص الثاني (المساعد) إلى التخزين المؤقت في وسط المؤامرة (الشكل 1C). أولا ، يقوم السباح بتوصيل الكاميرا بالبكرة عبر الخط ثم يبدأ في التقاط صور مستمرة للقاع أثناء السباحة ووجهه لأسفل وللأمام لفك الخط من التخزين المؤقت. يجب على السباح الحفاظ على مسافة عمودية تبلغ ~ 1 متر فوق الركيزة في جميع الأوقات ، وتعديل موقعه ليتناسب مع التضاريس أثناء السباحة. الأهم من ذلك ، يجب أن يظل الخط الذي يربط البكرة والكاميرا مشدودا في جميع الأوقات لإنشاء تباعد متساو في اللولب أثناء قيام السباح بمسح المؤامرة. يحافظ المساعد على التخزين المؤقت في وضع مستقر ومستقيم ويضمن عدم تدوير التخزين المؤقت وعدم تشابك الخط.
بمجرد فك الخط تماما ، يتوقف السباح ويستدير ويسبح في الاتجاه المعاكس لارتداد الخط حول البكرة. عندما يغير السباح الاتجاهات ، يقوم المساعد بتدوير البكرة للف الخط ، بالضبط 180 درجة لمنع التداخل الدقيق للمسار الصادر. بمجرد أن يكون السباح قريبا من المركز قدر الإمكان ، يتم فصل الكاميرا عن الخط ، ويأخذ المساعد البكرة والخط ويسبح بعيدا عن الجزء المركزي من الموقع. ثم ينتهي السباح من تصوير مركز الحبكة عن طريق تحريك الكاميرا في دوامة صغيرة فوق المركز. في حين أن هناك عدة طرق لتصوير منطقة ما بشكل فعال ، فإن طريقة التخزين المؤقت والخيط الموصوفة هنا قوية حتى في الظروف البيئية غير المثالية حيث قد تعيق المياه السطحية المتقلبة أو الانتفاخ أو الرؤية المنخفضة جمع البيانات. في هذه السيناريوهات ، تحافظ هذه الطريقة على السباحين / الغواصين متصلين وتضمن تداخلا عاليا للصور عن طريق إبقاء السباح على مسار متحكم فيه.
Protocol
1. المواد
- كاميرا
- تأكد من الحد الأدنى من مواصفات المتانة والطبيعة المقاومة للماء (أو غلاف مقاوم للماء) ومعدل إطارات لا يقل عن 2 إطار / ثانية (fps).
ملاحظة: تم استخدام الحد الأدنى لمعدل الإطارات ~ 4 إطارات في الثانية في هذا المثال. - كاميرا رقمية أحادية العدسة عاكسة (DSLR)
- اضبط الكاميرا للتصوير باستمرار بمعدل التقاط صور يتراوح بين 2 إطار في الثانية و 5 إطارات في الثانية.
- لإعادة إنتاج البروتوكول الموضح في هذا المثال ، استخدم كاميرا في مبيت تحت الماء (انظر جدول المواد) مع الإعدادات التالية: الوضع اليدوي (M) ؛ f10 ، 18 مم ؛ سرعة الغالق = 1/320 ؛ تعويض التعرض = -1/3 ؛ جودة الصورة = الأعلى ، لا يوجد RAW ؛ وضع القيادة = مستمر ؛ ضبط تلقائي للصورة = الذكاء الاصطناعي مؤازرة ؛ ISO = تلقائي ، max3200 ؛ ترقيم الملفات = إعادة تعيين تلقائي ؛ تدوير تلقائي للصورة = إيقاف ؛ الوقت / التاريخ = UTC.
- كاميرا الحركة
- اضبط على وضع الفيديو أو وضع التصوير المستمر بأعلى دقة ومعدل إطارات ممكن.
ملاحظة: يمكن أيضا استخدام كاميرا الحركة في الوضع المستمر طالما أن معدل الإطارات هو 2 صورة في الثانية أو أكثر. - لإعادة إنتاج البروتوكول في هذا المثال (انظر جدول المواد)، استخدم كاميرا حركة مقاومة للماء مع الإعدادات التالية: دقة الفيديو = 4K (نسبة العرض إلى الارتفاع 4: 3) ؛ معدل الإطارات = 30 إطارا في الثانية.
ملاحظة: بالنسبة لكاميرات الحركة، قد يكون من الأسهل توصيل الخط من البكرة إلى السباح بدلا من الكاميرا. في هذا المثال ، تم ربط الخط بمعصم السباح عبر حبل صغير.
- اضبط على وضع الفيديو أو وضع التصوير المستمر بأعلى دقة ومعدل إطارات ممكن.
- تأكد من الحد الأدنى من مواصفات المتانة والطبيعة المقاومة للماء (أو غلاف مقاوم للماء) ومعدل إطارات لا يقل عن 2 إطار / ثانية (fps).
- تلاعب التخزين المؤقت (الشكل 1 أ)
- تأكد من أن التخزين المؤقت بالحجم المناسب للاحتفاظ بطول الخط المطلوب لنصف قطر موقع المسح.
ملاحظة: يتحكم محيط البكرة في تباعد خطوط السباحة الحلزونية ، ويحدد طول الخط منطقة العينة. في هذا المثال ، تم استخدام بكرة قطرها ~ 8 بوصات (~ 20 سم) لتباعد ~ 50 بوصة (~ 1.3 م) لخطوط السباحة. انظر 9 للحصول على التفاصيل. - حدد جهاز التخزين المؤقت بحافة ذات حواف (لتوجيه الخط بسلاسة داخل وخارج التخزين المؤقت) ونقاط التثبيت للمقبض والعمود (للتحكم في الارتفاع من الركيزة). تأكد من أن جهاز التخزين المؤقت يطفو بشكل سلبي بطبيعته أو مصنوع من ذلك مع إضافة الأوزان.
ملاحظة: في هذا المثال ، تم استخدام أنابيب البولي فينيل كلوريد (PVC) للمقبض والعمود ، وتم طباعة البكرة 3D في بلاستيك حمض اللبنيك. ومع ذلك ، يمكن أن تكون البكرة بسيطة مثل أنبوب PVC كبير أو أي جسم دائري آخر بالقطر المطلوب.- للاستخدام المتكرر و / أو الظروف الميدانية الصعبة ، حدد بكرة مصنوعة من مادة أكثر متانة مثل الألومنيوم.
- تأكد من أن البكرة لا تدور على العمود أو تدور عند الاستخدام.
- ثبت الخط على التخزين المؤقت في أحد طرفيه وعلى مشبك قابل للفصل في الطرف الآخر للاتصال بالكاميرا.
ملاحظة: يحدد طول الخط نصف قطر الموقع. هنا ، تم استخدام 6 أمتار من الخط لمواقع قطرها 12 مترا.
- تأكد من أن التخزين المؤقت بالحجم المناسب للاحتفاظ بطول الخط المطلوب لنصف قطر موقع المسح.
- بلاط المعايرة
- على الرغم من أن بلاط المعايرة المتخصصة ليس ضروريا ، تأكد من تضمين الكائنات ذات الطفو السلبي والتي يمكن التعرف عليها ذات الحجم المعروف في نموذج المقياس. ضع في اعتبارك زيادة التيار والظروف الحالية لضمان استخدام المواد المناسبة ، بحيث يظل البلاط ثابتا أثناء جمع الصور.
ملاحظة: هنا ، تمت طباعة قوالب علامات المقياس المتوفرة كجزء من برامج معينة على ورق مقاوم للماء ، والذي تم إرفاقه ببلاط PVC بسمك 1 بوصة. - سيحتاج الغواصون إلى وسيلة لقياس عمق البلاط. في مثالنا ، نستخدم مقياس عمق إلكتروني (انظر جدول المواد).
- على الرغم من أن بلاط المعايرة المتخصصة ليس ضروريا ، تأكد من تضمين الكائنات ذات الطفو السلبي والتي يمكن التعرف عليها ذات الحجم المعروف في نموذج المقياس. ضع في اعتبارك زيادة التيار والظروف الحالية لضمان استخدام المواد المناسبة ، بحيث يظل البلاط ثابتا أثناء جمع الصور.
- تصحيح الألوان
- اضبط توازن اللون الأبيض على الكاميرا على مخصص. التقط صورة لبطاقة رمادية بنسبة 18٪ أو لائحة غطس بيضاء تحت الماء قبل بدء كل استطلاع SfM. افعل ذلك في كل مرة يتم فيها بدء تشغيل موقع جديد.
ملاحظة: ستسمح الصورة بتصحيح الألوان وستساعد أيضا في فصل الصور التي تم تنزيلها من مواقع مختلفة عند إجراء استطلاعات متعددة في نفس اليوم.
- اضبط توازن اللون الأبيض على الكاميرا على مخصص. التقط صورة لبطاقة رمادية بنسبة 18٪ أو لائحة غطس بيضاء تحت الماء قبل بدء كل استطلاع SfM. افعل ذلك في كل مرة يتم فيها بدء تشغيل موقع جديد.
2. طرق مفصلة
- اختيار الموقع
- حدد موقعا يحتوي على مساحة كافية للسباحة بكامل النمط الحلزوني (~ 113 م2 في هذا المثال). بالإضافة إلى المنطقة التي يتم مسحها ، قم بدمج منطقة عازلة صغيرة لضمان تصوير منطقة المسح بأكملها بشكل كاف لإنتاج بيانات عالية الجودة.
- ضع في اعتبارك قدرة ومعدات الفريق المكون من شخصين. يمكن مسح المواقع الضحلة (< ~ 2 م) على الغطس ، في حين أن المواقع الأعمق قد تتطلب الغوص.
- إذا كنت تخطط لمسح الموقع بشكل متكرر بانتظام ، فقم بتمييز النقطة المركزية ، حيث سيتم وضع جهاز التخزين المؤقت ، بعلامة أو هيكل دائم (على سبيل المثال ، حديد التسليح أو كتلة الرماد). على الأقل ، خذ إحداثيات نظام تحديد المواقع العالمي بحيث يمكن نقل الموقع بمساعدة نسخة مطبوعة من الفسيفساء التقويمية.
ملاحظة: تتطلب الهياكل الدائمة تحت الماء عادة تصريحا. - جهز الموقع.
- تعيين التخزين المؤقت في منتصف الموقع.
- ضع بلاط المعايرة وسجل أعماقها. ضع بلاط المعايرة ووجهه لأعلى ، ~ 2 متر بعيدا عن المركز.
ملاحظة: في هذا المثال، تم وضع 3 مربعات معايرة في مثلث حول مركز الموقع. يجب وزن بلاط المعايرة ووضعه بشكل مناسب لضمان الحد الأدنى من الحركة أثناء جمع الصور.
- اطلب من السباح السباحة بالكاميرا بينما يميل المساعد إلى التخزين المؤقت.
- يقوم المساعد بتعيين العمود والبكرة المرفقة في وضع مستقيم في وسط الموقع المحدد ويحمل جهاز التخزين المؤقت في وضع مستقيم وثابت.
- تأكد من أن السباح يعلق جانب الكاميرا الأقرب إلى البكرة بالخط ويحمل الكاميرا متجهة لأسفل بشكل مستقيم ~ 1 متر من القاع.
ملاحظة: إذا كان يجب على السباح إمالة الكاميرا، فحاول التأكد من إمالتها قليلا للأمام بدلا من الخلف لتجنب تجميع الصور في ظل السباح. قد يؤدي إمالة الكاميرا للأمام قليلا لكل من اللولب الخارجي ودوامة العودة أيضا إلى التقاط زوايا أفضل للقاع وإنتاج نماذج أفضل ، خاصة عند وجود نتوءات وثقوب. - بمجرد وضع الكاميرا بشكل صحيح ، يبدأ السباح في التقاط صور مستمرة للقاع أثناء السباحة للأمام والحفاظ على التوتر على الخط.
- تأكد من استمرار السباح في السباحة في دوامة بسرعة ثابتة أثناء التقاط الصور حتى يتم فك الخط تماما من التخزين المؤقت.
ملاحظة: يجب أن يحاول السباح البقاء على مسافة ثابتة ~ 1 متر فوق القاع والسباحة اللولبية بوتيرة معتدلة لضمان التداخل الكافي بين الصور. عندما تكون في شك ، يكون الأبطأ أفضل. - في البيئات شديدة الوعكة (على سبيل المثال ، الشعاب المرجانية) ، قم بتضمين عامل ثالث (مساعد ثان) يمكنه منع تشابك الخط عن طريق التحليق فوق مركز الخط ورفعه برفق فوق العوائق.
- عندما يكون الخط غير مخزني تماما، يقوم السباح بعكس الاتجاهات، وإعادة توصيل الكاميرا إذا لزم الأمر، والسباحة بالكاميرا في الاتجاه المعاكس لبدء إعادة لف الخط مرة أخرى على التخزين المؤقت أثناء التقاط الصور. ملاحظة: السباحة في اللولب العكسي ليست ضرورية تماما ، ولكنها ستنتج عادة نماذج أفضل.
- إذا كانت طريقة حلزونية واحدة مرغوبة لتوفير الوقت ، فسيقوم السباح بفصل الخط عن الكاميرا والتخطي إلى الخطوة 2.4.12 بينما يقوم المساعد بلف الخط وإزالة جهاز التخزين المؤقت من الموقع.
- بمجرد أن يبدأ السباح في السباحة في الاتجاه المعاكس ، يقوم المساعد بتدوير البكرة للف الخط في 1/2 دورة (180 درجة) مقابل اتجاه السباحة الجديد. يضمن هذا المنعطف 1/2 إزاحة مسار عودة السباح عن المسار الأصلي للحصول على تغطية صور أكبر للموقع.
- تأكد من استمرار السباح في التقاط الصور والسباحة في اللولب العكسي حتى يتم إعادة لف الخط بالكامل تقريبا حول التخزين المؤقت.
- عندما يمنع تباعد السباح والمساعد المزيد من التقدم ، سيتوقف السباح بعد ذلك عن التقاط الصور لفصل الكاميرا عن الخط والسماح للمساعد بإزالة جهاز التخزين المؤقت من وسط الموقع.
- بمجرد إزالة البكرة من الموقع ، يقوم السباح بتصوير مركز الموقع عن طريق إمساك الكاميرا متجهة لأسفل بشكل مستقيم وتحريك الكاميرا في نمط حلزوني صغير فوق مركز الموقع.
3. تنظيف الموقع.
- التقط بلاط المعايرة وأي معدات أخرى قبل مغادرة الموقع.
ملاحظة: لا تترك أبدا القمامة أو المعدات في الموقع. اترك دائما موقعا أنظف مما وجدته.
Representative Results
في هذا المثال ، تم تصوير موقع Reef 2_7 الموجود على Patch Reef 13 في خليج Kāneʻohe ، Oʻahu ، هاواي ، وتم استخدام 3125 صورة JPEG من DSLR و 3125 لقطة إطار JPEG من فيديو كاميرا الحركة (الجدول 1) كمدخلات لإنشاء نماذج orthomosaics و 3D. يتكون سير العمل العام من 5 مراحل: 1) محاذاة الصور لإنشاء سحابة النقاط المتناثرة ، 2) توسيع نطاق سحابة النقاط المتناثرة وتحسين الكاميرات ، 3) بناء سحابة النقاط الكثيفة (تم إنشاء خرائط العمق أيضا خلال هذه المرحلة) ، 4) بناء نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) والفسيفساء المتعامدة ، و 5) توليد نموذج 3D والملمس. لاحظ أن المرحلتين 4 و 5 لا يلزم بالضرورة القيام بهما بهذا الترتيب ، ولكن يجب تنفيذهما بعد معالجة خرائط السحب النقطية الكثيفة والعمق. يجب أن يحدث الإسناد الجغرافي للنماذج قبل إنشاء الفسيفساء التقويمية و DEM. الإعدادات المستخدمة لهذه المراحل وتفاصيل المعالجة موضحة في الجدول 2 وجدول المواد، على التوالي.
للحصول على طرق أكثر تفصيلا حول كيفية إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد والفسيفساء التقويمية ، انظر المواد التكميلية و Suka et al.23. كان وقت المعالجة أقصر للنموذج المشتق من كاميرا الحركة لكل خطوة بما في ذلك توليد سحابة النقطة المتناثرة ، وتوليد سحابة النقطة الكثيفة ، وعرض نموذج الشبكة ، وعرض النموذج المحكم. أدى ذلك إلى وقت معالجة إجمالي أسرع بكثير لطراز كاميرا الحركة (6 ساعات و 39 دقيقة) من طراز DSLR (9 ساعات و 14 دقيقة). سيختلف الوقت المحدد لمعالجة النموذج باختلاف الطاقة الحسابية وتكوينات الأجهزة المحددة.
احتوى النموذج الذي تم إنشاؤه باستخدام صور من كاميرا DSLR على 2,848,358 نقطة سحب متفرقة و 787,450,347 نقطة سحابة كثيفة بينما احتوى النموذج الذي تم إنشاؤه من صور كاميرا الحركة على 2,630,543 نقطة سحب متفرقة و 225,835,648 نقطة سحابة كثيفة فقط. أدى ذلك إلى أن نماذج DSLR لديها دقة تزيد عن 2x من طرازات كاميرات الحركة ذات دقة الفسيفساء التقويمية البالغة 0.442 و 0.208 مم / بكسل للنماذج المشتقة من DSLR وكاميرا الحركة ، على التوالي (الجدول 1). على الرغم من الدقة الأفضل لنموذج DSLR بالنسبة لنموذج كاميرا الحركة ، تمكنت كلتا الطريقتين من إنتاج نماذج عالية الجودة مع اختلاف بسيط في التمثيل المرئي عندما تم تمثيل منطقة الشعاب المرجانية ~ 113 م 2 كنموذج ارتفاع رقمي 20 سم2 (الشكل 2 اللوحات العلوية) أو إسقاط الفسيفساء 2D (الشكل 2 الألواح الوسطى).
الشكل 1: المسح التصويري للبنية من الحركة. (أ) مثال على منصة التخزين المؤقت للتحكم في مسافة السباحين بمقبض وعمود متصلين لتحديد المواقع والمناولة بدقة. ب: بلاط المعايرة. (ج) رسم تخطيطي لمسار السباحة مع المواضع النسبية للسباح (أخضر) والمساعد (برتقالي). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: مقارنة بصرية لنماذج الارتفاع الرقمية والفسيفساء العظمية. نماذج الارتفاع الرقمية (أعلى) والفسيفساء التقويمية (وسط) مبنية من صور DSLR (يسار) وكاميرا الحركة (يمين). اللوحة السفلية عبارة عن تكبير للمناطق الموجودة في المربعات البيضاء في الفسيفساء التقويمية. تمثل مقاييس خريطة الحرارة في اللوحة العلوية المسافة من سطح الماء بالأمتار (م). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| كانون EOS المتمردين SL3 | جو برو هيرو 7 | |
| كلف | ||
| كاميرا | ~$600.00 | ~$220.00 |
| السكن تحت الماء | ~$1,700.00 | غير متوفر |
| التكلفة الإجمالية | ~$2,300.00 | ~$220.00 |
| الصور | ||
| تنسيق ملف الصورة | .jpeg | .jpeg |
| دقة الصورة | 24 ميجابكسل | 12 ميجابكسل (من فيديو 4K) |
| محاذاة الصور / إجمالي الصور | 3125 / 3125 | 3125 / 3125 |
| مقاييس المسح التصويري | ||
| نقاط سحابة متفرقة | 2,848,358 | 2,630,543 |
| نقاط السحب الكثيفة | 787,450,347 | 225,835,648 |
| وجوه (نموذج 3D) | 11,919,451 | 3,834,651 |
| دقة نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) | 0.831 مم / بكسل | 1.77 مم / بكسل |
| قرار الفسيفساء التقويمية | 0.208 مم / بكسل | 0.442 مم / بكسل |
| أوقات المعالجة | ||
| توليد سحابة متفرقة | 1 ساعة 23 دقيقة | 1 ساعة 27 دقيقة |
| توليد سحابة كثيفة | 4 ساعات | 3 ساعات و 11 دقيقة |
| تجسيد نموذج الشبكة | 3 ساعات و 32 دقيقة | 1 ساعة 49 دقيقة |
| تجسيد الملمس | 19 دقيقة | 12 دقيقة |
| إجمالي وقت معالجة الكمبيوتر | 9 ساعات و 14 دقيقة | 6 ساعات و 39 دقيقة |
الجدول 1: معلومات مفصلة حول تكلفة الإعداد والصور المستخدمة لإنشاء النماذج ومقاييس المسح التصويري ووقت المعالجة. تمت المعالجة باستخدام نفس الإعدادات لكلا الطرازين. لاحظ أن وقت المعالجة لا يتضمن وقتا لخطوات مختلفة مثل تحرير الصور واستخراج الصور من الفيديو وإعادة محاذاة الصور وتحرير النماذج وتوسيع نطاقها.
| كانون EOS المتمردين SL3 | جو برو هيرو 7 | |
| الصور | ||
| متوسط حجم الملف | ~ 8.3 ميغابايت | ~ 4.7 ميغابايت |
| الحصول على الصور | الوضع المستمر | مستخرج من فيديو بدقة 4K |
| تصحيح الألوان | يدوي | يدوي |
| تصحيح العدسة | لا | نعم |
| إعدادات عملية المسح التصويري | ||
| توليد سحابة متفرقة | صحة: عالية | صحة: عالية |
| النقطة الرئيسية: 40,000 | النقطة الرئيسية: 40,000 | |
| نقطة التعادل: 4,000 | نقطة التعادل: 4,000 | |
| الاختيار المسبق العام: نعم | الاختيار المسبق العام: نعم | |
| توليد سحابة كثيفة | جودة متوسطة | جودة متوسطة |
| 3D شبكة نموذج الجيل | ||
| بيانات المصدر: | خرائط العمق | خرائط العمق |
| جودة: | متوسط | متوسط |
| عدد الوجه: | منخفض | منخفض |
| الاستيفاء: | تمكين | تمكين |
| حساب ألوان الرأس: | نعم | نعم |
| 3D توليد الملمس | ||
| نوع الملمس: | خريطة منتشرة | خريطة منتشرة |
| بيانات المصدر: | الصور | الصور |
| وضع الخرائط: | العامه | العامه |
| وضع المزج: | فسيفساء | فسيفساء |
| حجم / عدد الملمس: | 4096 / 1 | 4096 / 1 |
| نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) | من سحابة كثيفة | من السحابة الكثيفة |
| أورثوموزاييك | من ديم | من ديم |
الجدول 2: معلومات مفصلة عن الصور المجمعة ومعالجة المسح التصويري. تمت المعالجة باستخدام نفس الإعدادات لكلا الطرازين.
المواد التكميلية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
Discussion
توضح هذه الدراسة أن كلا من كاميرا DSLR وكاميرا الحركة تنتجان نماذج بدقة أفضل من 0.5 مم / بكسل في أقل من 10 ساعات من وقت المعالجة على كمبيوتر سطح المكتب القياسي. المقايضة الرئيسية بين DSLR وكاميرا الحركة ، بصرف النظر عن التكلفة ، هي دقة أدق مقابل وقت معالجة أسرع ، على التوالي. ومع ذلك ، فإن أوقات المعالجة المبلغ عنها تتضمن فقط المعالجة الحسابية. وبالتالي ، على الرغم من أن الوقت الحسابي أقل لكاميرا الحركة ، إلا أن هناك قدرا كبيرا من الوقت (10-20 دقيقة) مستثمرا في استخراج الصور من مقاطع الفيديو غير المطلوبة مع DSLR. البديل هو استخدام كاميرا الحركة في وضع التصوير المستمر لتجنب استخراج الصور. لم يتم استخدام وضع التصوير المستمر في هذا المثال ، حيث يمكن لكاميرا الحركة التصوير بمعدل 2 إطار في الثانية فقط ، الأمر الذي يتطلب معدل سباحة أبطأ بكثير لجمع صور كافية لبناء نموذج كامل. في هذا الصدد ، هناك مقايضة بين الوقت الأطول في الميدان باستخدام وضع التصوير المستمر مقابل الوقت الأطول على الكمبيوتر ، واستخراج الصور ، عند استخدام وضع الفيديو.
تشمل مزايا كاميرا الحركة القدرة على تحمل التكاليف وسهولة النقل والتشغيل تحت الماء. الميزة الرئيسية ل DSLR هي أنها تنتج صورا عالية الدقة. وبالتالي ، يوصى باستخدام كاميرات DSLR على كاميرات الحركة عندما لا تكون الأولى باهظة التكلفة. ستكون أنواع الأسئلة التي تسعى الدراسة إلى معالجتها مهمة أيضا في تحديد الطريقة المستخدمة. على سبيل المثال ، قد تكون كاميرا الحركة مفضلة في البيئات المتجانسة نسبيا (على سبيل المثال ، أحواض الأعشاب البحرية ، وموائل المرجان / الأنقاض الميتة) ، أو حيث يتم تقييم مقاييس المجتمع الواسعة فقط (مثل الوفرة والتنوع) على نطاقات مكانية كبيرة. ومع ذلك ، قد يتم نشر كاميرا DSLR في الحالات التي يكون فيها تتبع التغيرات الدقيقة في الكائنات الحية الفردية أو الركائز أمرا مهما.
وبما أن هذه طريقة ميدانية، فإن مخرجات النموذج ستعتمد على عوامل بيئية مختلفة مثل الإضاءة، ووضوح المياه، وظروف السطح، وكمية الطفرة، وحركة الأسماك أو الهياكل القاعية غير الثابتة (مثل الأعشاب البحرية). على الرغم من عدم وجود عتبات مطلقة للوقت المناسب لاستخدام هذه الطريقة ، إلا أن الأيام الملبدة بالغيوم قليلا مع وضوح المياه العالي ، وظروف السطح الهادئة ، والارتفاع القليل تنتج عادة أفضل النماذج. علاوة على ذلك ، هناك حد للحد الأدنى من العمق المطلوب لهذه الطرق. لا تعمل هذه الطرق بشكل جيد في ظل الظروف التي يوجد فيها أقل من 0.5 متر من الماء بسبب التداخل المنخفض بين الصور وعدد أقل من الميزات المميزة لكل صورة. ومع ذلك ، فإن هذا يسلط الضوء على ميزة أخرى لكاميرا الحركة ، أي أنها أصغر وبالتالي فهي أسهل للاستخدام في أعماق ضحلة. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤدي التخزين المؤقت ذو القطر الأصغر ومعدل الإطارات الأعلى (أو العدسة ذات الزاوية الأوسع) إلى تحسين تداخل الصورة في الظروف الضحلة جدا9.
يمكن دمج العديد من أنواع البيانات الأخرى مع هذا النهج. على سبيل المثال ، تم استخدام الفسيفساء العظمية لإظهار الكثافة المكانية للبيانات الجزيئية (مثل الجينات والمستقلبات) على الشعاب المرجانية 24 والبشر 25 باستخدام البرنامج مفتوح المصدر "ili'26. يمكن أيضا استخدام نفس المنصة لرسم خريطة للكثافة المكانية للحيوانات والكائنات الحية الدقيقة والفيروسات و / أو المواد الكيميائية في البيئة. واستخدمت أمثلة أخرى SfM لشرح الأنواع القاعية مكانيا على الفسيفساء التقويمية باستخدام برامجيات نظام المعلومات الجغرافية10. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام نماذج 3D التي تم إنشاؤها بواسطة SfM لتقدير خصائص الموائل مثل الصخب والبعد الكسوري. في الواقع ، تم استخدام الأساليب الموضحة هنا مؤخرا لاشتقاق نظرية هندسية جديدة لأسطح الموائل10. أخيرا ، يتم استخدام الفسيفساء التقويمية كأسطح إدخال للنماذج الحسابية الصريحة مكانيا ، مما يسمح بتراكب المحاكاة الديناميكية على سطح 3D للنموذج. إن القدرة على توليد صور كبيرة بسهولة وتمثيلات ثلاثية الأبعاد للموائل القاعية قد سمحت لعلماء البحار بمعالجة الأسئلة التي لم يتم تصورها حتى الآن3.
بشكل عام ، إليك بروتوكول مفصل لإجراء المسح التصويري تحت الماء باستخدام كاميرات DSLR أو كاميرات الحركة الأكثر فعالية من حيث التكلفة. يمكن استخدام هذه الأساليب من قبل العلماء لمجموعة واسعة من الأغراض ، من استخراج البيانات حول النظم الإيكولوجية القاعية إلى تطوير أسطح الإدخال 3D في محاكاة السيليكو . ومع ذلك ، يمكن أيضا استخدام هذه البروتوكولات من قبل غير العلماء كجزء من جهود علم المواطن لجمع معلومات قيمة عن أنماط التنوع البيولوجي ، وتعقيد الموائل ، وهيكل المجتمع ، والمقاييس البيئية الأخرى.
Disclosures
ليس للمؤلفين مصالح مالية متنافسة أو تضارب مصالح آخر.
Acknowledgments
نشكر مؤسسة Paul G. Allen Family Foundation على تمويل هذا البحث ونحن ممتنون لروث جيتس على الإلهام لاستخدام التكنولوجيا للمساعدة في الحفاظ على الشعاب المرجانية. كما نشكر الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي والمتعاونين الآخرين على المناقشة المدروسة بشأن هذه الأساليب. أخيرا ، نشكر كاتي فولي وباتريك نيكولز على توفير الطائرة بدون طيار والفيديو تحت الماء لهذه الأساليب.
نحن نعترف بالمؤسسة الوطنية للأسماك والحياة البرية كشريك تمويل في هذا العمل.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Action camera (GoPro Hero7 Black) | GoPro | Could be any waterproof action camera | |
| Adobe Lightroom | Adobe | Color correction | |
| Calibration tiles ( flat PVC board cut to size for Agisoft targets. Attach a dive weight underneath if expecting waves) | Any negatively buoyant object of known size and color. We recommend using the scale marker templates available from Agisoft Metashape software (v.1.6.0). | ||
| DSLR camera (Canon EOS Rebel SL3 ) | Canon | 3453C002AA | Could be any DSLR camera in a underwater housing |
| Line (plastic clothes line filament) | Any negatively buoyant line that is strong enough to withstand field use | ||
| Micro SDXC memory card (for GoPro) | |||
| Oceanic Veo 2.0 | Oceanic | Digital depth gauge | |
| SDXC memory card (for DSLR) | Any SDXC memory card should work, so long as there is enough space to hold all the pictures necessary to build the model | ||
| Spool (2 inch-long section of 8 inch diameter PVC pipe which was attached to a 3 feet section of 1 inch PVC pipe to form the stem | Any negatively buoyant, round object of the desired diameter | ||
| Underwater camera housing for DSLR (Ikelite 200DLM/C Underwater TTL Housing) | Ikelite | 6970.09 | Should be the specific water housing for the DSLR make and model |
| Windows 10 desktop computer with an Intel i9-9900K 8-core CPU, two Nvidia GeForceRTX 2070 SUPER GPUs, and 128 GB of RAM. | Processing |
References
- Levy, J., Hunter, C., Lukacazyk, T., Franklin, E. C. Assessing the spatial distribution of coral bleaching using small unmanned aerial systems. Coral Reefs. 37 (2), 373-387 (2018).
- Muller-Karger, F. E., et al. Satellite sensor requirements for monitoring essential biodiversity variables of coastal ecosystems. Ecological Applications. 28 (3), 749-760 (2018).
- Dornelas, M., et al. Towards a macroscope: Leveraging technology to transform the breadth, scale and resolution of macroecological data. Global Ecology and Biogeography. 28, 1937-1948 (2019).
- Burns, J. H. R., Delparte, D., Gates, R. D., Takabayashi, M. Integrating structure-from-motion photogrammetry with geospatial software as a novel technique for quantifying 3D ecological characteristics of coral reefs. PeerJ. 2015 (3), 1077 (2015).
- House, J. E., et al. Moving to 3D: Relationships between coral planar area, surface area and volume. PeerJ. 2018 (6), 4280 (2018).
- Carlot, J., et al. Community composition predicts photogrammetry-based structural complexity on coral reefs. Coral Reefs. , 1-9 (2020).
- Young, G. C., Dey, S., Rogers, A. D., Exton, D. Cost and time-effective method for multi-scale measures of rugosity, fractal dimension, and vector dispersion from coral reef 3D models. PloS ONE. 12 (4), 0175341 (2017).
- Wilson, S. K., Robinson, J. P. W., Chong-Seng, K., Robinson, J., Graham, N. A. J. Boom and bust of keystone structure on coral reefs. Coral Reefs. 38 (4), 625-635 (2019).
- Pizarro, O., Friedman, A., Bryson, M., Williams, S. B., Madin, J. A simple, fast, and repeatable survey method for underwater visual 3D benthic mapping and monitoring. Ecology and Evolution. 7 (6), 1770-1782 (2017).
- Torres-Pulliza, D., et al. A geometric basis for surface habitat complexity and biodiversity. Nature Ecology & Evolution. 4, 1495-1501 (2020).
- Bayley, D., Mogg, A., Koldewey, H., Purvis, A. Capturing complexity: field-testing the use of 'structure from motion'derived virtual models to replicate standard measures of reef physical structure. PeerJ. 2019 (7), 6540 (2019).
- Leon, J. X., Roelfsema, C. M., Saunders, M. I., Phinn, S. R. Measuring coral reef terrain roughness using 'Structure-from-Motion' close-range photogrammetry. Geomorphology. 242, 21-28 (2015).
- Burns, J. H. R., et al. Assessing the impact of acute disturbances on the structure and composition of a coral community using innovative 3D reconstruction techniques. Methods in Oceanography. 15-16, 49-59 (2016).
- Edwards, C. B., et al. Large-area imaging reveals biologically driven non-random spatial patterns of corals at a remote reef. Coral Reefs. 36, 1291-1305 (2017).
- Piazza, P., et al. Underwater photogrammetry in Antarctica: long-term observations in benthic ecosystems and legacy data rescue. Polar Biology. 42 (6), 1061-1079 (2019).
- Bonney, R., et al. Citizen science: A developing tool for expanding science knowledge and scientific literacy. BioScience. 59 (11), 977-984 (2009).
- Dickinson, J. L., Zuckerberg, B., Bonter, D. N. Citizen science as an ecological research tool: Challenges and benefits. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 41 (1), 149-172 (2010).
- Storlazzi, C. D., Dartnell, P., Hatcher, G., Gibbs, A. E. End of the chain? Rugosity and fine-scale bathymetry from existing underwater digital imagery using structure-from-motion (SfM) technology. Coral Reefs. 35 (3), 889-894 (2016).
- Ventura, D., Lasinio, G. J., Belluscio, A., Ardizzone, G. A low-cost drone based application for identifying and mapping of coastal fish nursery grounds Feeding ecology View project Habitat use of juvenile Diplodus species View project. Estuarine Coastal and Shelf Science. 171, 85-98 (2016).
- Ventura, D., Bonifazi, A., Gravina, M. F., Belluscio, A., Ardizzone, G. Mapping and classification of ecologically sensitive marine habitats using unmanned aerial vehicle (UAV) imagery and object-based image analysis (OBIA). Remote Sensing. 10 (9), 1331 (2018).
- George, E. E., et al. Relevance of coral geometry in the outcomes of the coral-algal benthic war. bioRxiv. , (2018).
- Anelli, M., et al. Towards new applications of underwater photogrammetry for investigating coral reef morphology and habitat complexity in the Myeik Archipelago, Myanmar. Geocarto International. 34 (5), 459-472 (2017).
- Suka, R., et al. Processing photomosaic imagery of coral reefs using structure-from-motion standard operating procedures. U.S. Dept. of Commerce, NOAA Technical Memorandum NOAA-TM-NMFS-PIFSC-93. , (2019).
- Galtier d'Auriac, I., et al. Before platelets: the production of platelet-activating factor during growth and stress in a basal marine organism. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 285 (1884), 20181307 (2018).
- Bouslimani, A., et al. Molecular cartography of the human skin surface in 3D. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (17), 2120-2129 (2015).
- Protsyuk, I., et al. 3D molecular cartography using LC-MS facilitated by Optimus and 'ili software. Nature Protocols. 13 (1), 134-154 (2018).
