この研究に資金を提供してくれたポールG.アレンファミリー財団に感謝し、サンゴ礁の保全を支援するためにテクノロジーを使用するためのインスピレーションを与えてくれたルースゲイツに感謝します。また、これらの方法に関する思慮深い議論をしてくれたNOAAと他の協力者に感謝します。最後に、これらの方法のドローンと水中ビデオを提供してくれたケイティ・フォーリーとパトリック・ニコルズに感謝します。
私たちは、国立魚類野生生物財団をこの作業の資金提供パートナーとして認めています。

1. 素材
<ol><li>カメラ<ol><li>耐久性と防水性(または防水ハウジング)の最小仕様と、2フレーム/秒(fps)の最小フレームレートを確認してください。 注: この例では、~4 fps の最小フレーム レートが使用されました。</li>
		<li>デジタル一眼レフ(デジタル一眼レフ)カメラ<ol><li>2 fps から 5 fps の間の写真キャプチャ レートで連続して撮影するようにカメラを設定します。</li>
			<li>この例で説明したプロトコルを再現するには、水中ハウジング内のカメラ( 材料表を参照)を次の設定で使用します: 手動モード(M); f10、18 mm; シャッタースピード = 1/320; 露出補正 = -1/3; 画質 = 最高、RAWなし。 ドライブモード = 連続; オートフォーカス = AI サーボ;ISO = 自動、最大3200;ファイル番号 = 自動リセット。画像の自動回転=オフ;時刻/日付 = UTC。</li>
		</ol></li>
		<li>アクションカメラ<ol><li>可能な限り最高の解像度とフレームレートでビデオモードまたは連続撮影モードに設定します。 注意: アクションカメラは、フレームレートが毎秒2画像以上である限り、連続モードでも使用できます。</li>
			<li>この例のプロトコルを再現するには( 材料表を参照)、次の設定で防水アクションカメラを使用します:ビデオ解像度= 4K(アスペクト比4:3)。フレームレート = 30 fps。 注意: アクションカメラの場合、スプールからのラインをカメラではなくスイマーに取り付ける方が簡単な場合があります。この例では、ラインは小さなストラップを介してスイマーの手首に取り付けられていました。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>スプールリグ(図1A)<ol><li>スプールが、測量サイトの半径に必要な線の長さを保持するのに適したサイズであることを確認します。 注: スプールの円周はらせん状のスイムラインの間隔を制御し、ラインの長さによってサンプル領域が決まります。この例では、~50インチ(~1.3 m)のスイムラインの間隔に直径~8インチ(~20 cm)のスプールが使用されました。詳細については、 9 を参照してください。</li>
		<li>フランジ付きエッジ(スプールのオンとオフのラインをスムーズにガイドするため)とハンドルとポールのアタッチメントポイント(基板からの高さを制御するため)を備えたスプールリグを選択します。スプールリグが本質的に負の浮力を持っているか、ウェイトを追加してそうなっていることを確認してください。 注:この例では、ハンドルとポールにポリ塩化ビニル(PVC)パイプを使用し、スプールはポリ乳酸プラスチックで3D印刷されました。ただし、スプールは、大きなPVCパイプや、目的の直径を持つその他の丸い物体と同じくらい単純です。<ol><li>頻繁な使用や困難なフィールド条件の場合は、アルミニウムなどのより耐久性のある材料で作られたスプールを選択してください。</li>
			<li>使用中にスプールがポール上で回転したり回転したりしないようにしてください。</li>
		</ol></li>
		<li>ラインを一方の端のスプールに固定し、もう一方の端を取り外し可能なクリップに固定して、カメラに接続します。 注: 線の長さは、サイトの半径を定義します。ここでは、直径12mの敷地に6mのラインを使用しました。</li>
	</ol></li>
	<li>キャリブレーションタイル<ol><li>特別なキャリブレーション タイルは必要ありませんが、既知のサイズの負の浮力のある認識可能なオブジェクトがスケールのモデルに含まれていることを確認してください。サージと現在の条件を考慮して、写真の収集中にタイルが静止したままになるように、適切な材料が使用されていることを確認してください。 注:ここでは、特定のソフトウェアプログラムの一部として利用可能なスケールマーカーテンプレートが、厚さ1インチのPVCタイルに取り付けられた防水紙に印刷されていました。</li>
		<li>ダイバーはタイルの深さを測定する手段が必要になります。この例では、電子深度ゲージを使用します(材料表を参照)。</li>
	</ol></li>
	<li>色補正<ol><li>カメラのホワイトバランスをカスタムに設定します。すべてのSfM調査の開始前に、水中で18%の灰色のカードまたは白いダイビングスレートの写真を撮ります。これは、新しいサイトが開始されるたびに行います。 注:写真は色補正を可能にし、同じ日に複数の調査を実施するときにダウンロードした画像を異なるサイトから分離するのにも役立ちます。</li>
	</ol></li>
</ol>2.詳細な方法
<ol><li>サイト選択<ol><li>らせん状パターン全体 (この例では ~113 m2 ) を泳ぐのに十分なスペースがあるサイトを選択します。調査対象エリアに加えて、小さなバッファーエリアを組み込んで、調査エリア全体が十分に撮影され、高品質のデータが得られるようにします。</li>
		<li>2人のチームの能力と装備を検討してください。浅い場所(<~2 m)はシュノーケルで調査できますが、より深い場所ではスキューバダイビングが必要になる場合があります。</li>
	</ol></li>
	<li>定期的に現場を繰り返し調査する場合は、スプールリグを配置する中心点にタグまたは恒久的な構造(鉄筋や燃えがらブロックなど)を付けます。少なくとも、全地球測位システムの座標を取得して、オルソモザイクのプリントアウトの助けを借りてサイトを再配置できるようにします。 注:恒久的な水中構造物には通常、許可が必要です。</li>
	<li>サイトを準備します。<ol><li>サイトの中央にスプールを設定します。</li>
		<li>キャリブレーションタイルを設定し、その深さを記録します。キャリブレーションタイルを裏向きにして、中心から~2 m離して配置します。 注:この例では、3つのキャリブレーションタイルがサイトの中心を囲む三角形に配置されています。キャリブレーションタイルは、写真の収集中の動きを最小限に抑えるために、適切に重み付けおよび配置する必要があります。</li>
	</ol></li>
	<li>アシスタントがスプールの世話をしている間、スイマーにカメラで泳ぐように指示します。<ol><li>アシスタントは、ポールと取り付けられたスプールを選択したサイトの中央に直立させ、スプールリグを直立させて固定します。</li>
		<li>スイマーがスプールに最も近いカメラの側面をラインに取り付け、底生生物から~1mのところにカメラを真下に向けていることを確認します。 注意: スイマーがカメラを傾ける必要がある場合は、スイマーの影で画像が収集されないように、カメラが後方ではなくわずかに前方に傾いていることを確認してください。外向きのスパイラルと戻りのスパイラルの両方でカメラを少し前方に傾けると、特にオーバーハングと穴がある場合に、底生生物のより良い角度をキャプチャし、より良いモデルを生成することもできます。</li>
		<li>カメラが適切に配置されると、スイマーは前方に泳ぎ、ラインの緊張を維持しながら、底生生物の連続画像を撮り始めます。</li>
		<li>スイマーが、ラインがスプールから完全にほどけるまで写真を撮りながら、一定の速度でらせん状に泳ぎ続けるようにします。 注:スイマーは、底生生物の上~1 mの一定の距離を保ち、画像間の十分なオーバーラップを確保するために適度なペースでスパイラルを泳ぐようにしてください。疑わしい場合は、遅い方が良いです。</li>
		<li>非常にラグースな環境(サンゴ礁など)では、ラインの中心の上にホバリングし、障害物の上にそっと持ち上げることでラインの絡み合いを防ぐことができる3人目の労働者(2番目のアシスタント)を含めます。</li>
		<li>ラインが完全にスプール解除されると、スイマーは方向を逆にし、必要に応じてカメラを再度取り付け、カメラを反対方向に泳いで、写真を撮りながらラインをスプールに巻き戻し始めます。注:逆スパイラルを泳ぐことは絶対に必要ではありませんが、通常はより良いモデルを生成します。</li>
		<li>時間を節約するために単一のスパイラル法が望ましい場合、スイマーはカメラからラインを切り離してステップ2.4.12にスキップし、アシスタントはラインを巻き上げてスプールリグをサイトから取り外します。</li>
		<li>スイマーが反対方向に泳ぎ始めるとすぐに、アシスタントはスプールを回転させて、新しい水泳方向に対して1/2回転(180°)でラインを巻きます。この1/2ターンにより、スイマーのリターンパスが元のパスからオフセットされ、サイトの写真カバレッジが向上します。</li>
		<li>スイマーが写真を撮り続け、ラインがスプールの周りにほぼ完全に巻き戻されるまで逆スパイラルを泳ぎ続けることを確認します。</li>
		<li>スイマーとアシスタントの間隔がそれ以上の進行を妨げる場合、スイマーは写真の撮影を停止してカメラをラインから切り離し、アシスタントがサイトの中心からスプールリグを取り外すことができるようにします。</li>
		<li>スプールがサイトから取り外されると、スイマーはカメラを真下に向けて保持し、サイトの中心上でカメラを小さならせん状に動かすことで、サイトの中心を撮影します。</li>
	</ol></li>
</ol>3. サイトをクリーンアップします。
<ol><li>サイトを離れる前に、キャリブレーションタイルやその他の機器を拾ってください。 注意: ゴミや機器を現場に放置しないでください。サイトは常に見つけたよりもきれいなままにしてください。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Levy, J., Hunter, C., Lukacazyk, T., Franklin, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+the+spatial+distribution+of+coral+bleaching+using+small+unmanned+aerial+systems.">Assessing the spatial distribution of coral bleaching using small unmanned aerial systems.</a> Coral Reefs. 37 (2), 373-387 (2018).</li><li>Muller-Karger, F. 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著者には、競合する金銭的利益やその他の利益相反はありません。

この調査では、デジタル一眼レフカメラとアクションカメラの両方が、標準のデスクトップコンピューターで0.5時間未満の処理時間で10 mm /ピクセル解像度を超えるモデルを生成することを示しています。デジタル一眼レフカメラとアクションカメラの主なトレードオフは、コストは別として、それぞれ解像度が細かいことと処理時間が速いことです。ただし、報告される処理時間には計算処理のみが含まれます。したがって、アクションカメラの計算時間は短くなりますが、デジタル一眼レフでは必要のないビデオからの画像抽出にかなりの時間(10〜20分)が費やされます。別の方法は、画像の抽出を避けるために、アクションカメラを連続撮影モードで使用することです。この例では、アクションカメラは2fpsでしか撮影できず、完全なモデルを構築するのに十分な画像を収集するにはスイムレートを大幅に遅くする必要があるため、連続撮影モードは使用されていません。この点で、ビデオモードを使用する場合、連続撮影モードを使用してフィールドで長時間撮影することと、コンピューターで画像を抽出する時間が長くなることの間にはトレードオフがあります。
アクションカメラの利点には、手頃な価格と水中での輸送と操作の容易さが含まれます。デジタル一眼レフの主な利点は、高解像度の画像を生成することです。したがって、前者が法外なコストをかけていない場合は、アクションカメラよりもデジタル一眼レフカメラをお勧めします。研究が対処しようとしている質問の種類も、使用される方法を決定する上で重要です。たとえば、アクションカメラは、比較的均質な環境(海草藻場、死んだサンゴ/瓦礫の生息地など)や、広範なコミュニティ指標(豊富さ、多様性など)のみが大きな空間スケールで評価されている場合に適しています。ただし、デジタル一眼レフカメラは、個々の生物または基質の微細な変化を追跡することが興味深い場合に展開される可能性があります。
これはフィールド手法であるため、モデルの出力は、照明、水の透明度、表面の状態、サージの量、魚や非定常底生構造物(海草など)の動きなど、さまざまな環境要因に依存します。この方法を使用するのが適切な場合の絶対的なしきい値はありませんが、水の透明度が高く、表面の状態が穏やかで、サージが少ないわずかに曇りの日が通常、最良のモデルを生成します。さらに、これらの方法に必要な最小深度には制限があります。これらの方法は、写真間の重なりが少なく、写真ごとの識別機能が少ないため、水が0.5 m未満の条件下ではうまく機能しません。ただし、これはアクションカメラの別の利点、つまり、アクションカメラが小さく、浅い深さでの使用が容易であることを浮き彫りにします。さらに、より小さな直径のスプールおよびより高いフレームレート(またはより広角レンズ)は、非常に浅い条件での画像の重なりを改善することができる9。
他の多くのデータ型をこのアプローチと統合できます。例えば、オルソモザイクは、オープンソースソフトウェア「ili」26を用いて、サンゴ24とヒト25の分子データ(遺伝子や代謝物など)の空間密度を示すために使用されています。同じプラットフォームを使用して、環境中の動物、微生物、ウイルス、および/または化学物質の空間密度をマッピングすることもできます。他の例は、地理情報システムソフトウェア10を使用して、オルソモザイク上に底生種に空間的に注釈を付けるためにSfMを使用している。さらに、SfMによって生成された3Dモデルを使用して、ラグオシティやフラクタル次元などの生息地の特性を推定できます。実際、ここで概説した方法は、最近、生息地表面の新しい幾何学的理論を導き出すために使用されました10。最後に、オルソモザイクは空間的に明示的な計算モデルの入力サーフェスとして使用され、動的シミュレーションをモデルの 3D サーフェスにオーバーレイできます。底生生物の生息地の大きな画像と3D表現を簡単に生成できることで、海洋科学者はこれまで想像もできなかった質問に取り組むことができました3。
全体として、DSLRカメラまたはより費用効果の高いアクションカメラのいずれかを使用して水中SfM写真測量を実施するための詳細なプロトコルを次に示します。これらの方法は、底生生態系に関するデータの抽出から、 インシリコ シミュレーション用の3D入力面の開発まで、幅広い目的で科学者が使用できます。ただし、これらのプロトコルは、生物多様性のパターン、生息地の複雑さ、コミュニティ構造、およびその他の生態学的指標に関する貴重な情報を収集するための市民科学の取り組みの一環として、非科学者が使用することもできます。

生態系のプロセスは自然に動的であり、定量化するのが難しい場合があります。過去10年間で、個々の生態系の特徴の3Dレーザースキャンから広い領域の衛星リモートセンシングまで、さまざまなスケールで生態系とそのダイナミクスをキャプチャするための新しいテクノロジーが急増しています1,2,3。底生生物の生息地では、構造は生態系機能と密接に関連しており8、幾何学と群集構造を同時に監視できるツールは、生態学的ダイナミクスを理解するために特に価値があります。しかし、多くの現代的なアプローチは、水の物理的性質(例えば、屈折、歪み、濁度)のために水系では使用できません。LiDAR(光検出および測距)や一部の航空測量方法などの手法は、大規模な空間スケールでは適切かもしれませんが、底生生物の生息地の細かいスケールの変化を評価するために必要な解像度を取得できません。最近、構造運動(SfM)写真測量法は、水中生息地の大規模で高解像度のオルソモザイクと3D表面モデルを生成するために適応されています4,5,6,7。
SfM写真測量は、比較的低コストで、シンプルで、非侵襲的で、再現性のある方法であり、水生生態系の底生環境の大規模で高解像度の記録の生成を可能にします9。SfMは、一連の2D画像を使用して3Dモデルの再構成を生成します。SfMから生成されたモデルは、底生生態系の構造的複雑さ(例えば、ラゴシティ、次元)4,5,10,11,12および群集構造(例えば、種構成、個体群人口統計)13,14,15に関するデータを収集するために使用することができる。さらに、この方法は比較的安価で、迅速で、再現性があるため、科学者と非科学者の両方がこれらの生態系に関する貴重で客観的な情報を収集するために使用できます。したがって、この方法は、サンプリング作業の標準化、バイアスの最小化、参加者の関与、およびトレーニングの容易さがデータの品質と全体的な成功に不可欠である市民科学プロジェクトで使用するための実行可能な手法です16,17。
この記事では、水中SfM調査を実施するための詳細なプロトコルを提供します。同時に、デジタル一眼レフカメラの使用は、より費用効果の高い「アクションカメラ」の使用と比較され、それぞれの相対的な長所と短所が概説されています。全体的な目的は、シンプルで一般的に使用されるプロトコルを提供することにより、科学者と非科学者に底生SfM調査方法をできるだけ早く慣れさせ、この方法の使用をより広く促進することです。 この方法のバリエーションを水中生態学的コミュニティの研究に適用した研究の例については、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、およびTorres-Pulliza et al. (2020)10を参照してください。
ここで説明する方法では、2人のシュノーケルまたはスキューバチームが必要です。調査サイトが選択された後、ラインのスプール(図1A)がサイトの中心に配置され、キャリブレーションタイル(図1B)が中心から~2 mの場所に配布されます。1人(スイマー)はカメラで泳いでサイトの画像をキャプチャし、2人目(アシスタント)はプロットの中央でスプールを傾けます(図1C)。まず、スイマーはラインを介してカメラをスプールに接続し、次に底生生物の連続写真を撮り始め、うつ伏せと前方に泳ぎ、スプールからラインをほどきます。スイマーは、常に基板から1~1mの垂直距離を維持し、泳ぐときに地形の位置と一致するように位置を調整する必要があります。重要なのは、スプールとカメラを結ぶ線は、スイマーがプロットを調査するときにスパイラルに均等な間隔を作成するために、常にぴんと張ったままにしておく必要があることです。アシスタントは、スプールを安定した直立位置に維持し、スプールが回転しないようにし、ラインが絡まないようにします。
ラインが完全にほどけたら、スイマーは停止し、向きを変え、反対方向に泳いで、スプールの周りのラインを反動させます。スイマーが方向を変えると、アシスタントはスプールを回してラインを正確に180°巻き込み、発信パスの正確なオーバーラップを防ぎます。スイマーができるだけ中心に近づくと、カメラはラインから切り離され、アシスタントはスプールとラインを取り、サイトの中央部分から離れて泳ぎます。次に、スイマーは、カメラを中心の上で小さならせん状に動かすことによって、プロットの中心のイメージングを終了します。エリアを効果的に画像化する方法はいくつかありますが、ここで説明するスプールアンドライン法は、地表水が途切れ途切れ、うねり、または視界の悪さによってデータ収集が妨げられる可能性がある理想的でない環境条件でも堅牢です。これらのシナリオでは、この方法はシュノーケラー/ダイバーを取り付けたままにし、スイマーを制御されたパスに保つことで画像の高いオーバーラップを保証します。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Action camera (GoPro Hero7 Black)</td>
			<td>GoPro</td>
			<td></td>
			<td>Could be any waterproof action camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adobe Lightroom</td>
			<td>Adobe</td>
			<td></td>
			<td>Color correction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration tiles ( flat PVC board cut to size for Agisoft targets. Attach a dive weight underneath if expecting waves)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>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).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DSLR camera (Canon EOS Rebel SL3 )</td>
			<td>Canon</td>
			<td>3453C002AA</td>
			<td>Could be any DSLR camera in a underwater housing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Line (plastic clothes line filament)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Any negatively buoyant line that is strong enough to withstand field use</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro SDXC memory card (for GoPro)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oceanic Veo 2.0</td>
			<td>Oceanic</td>
			<td></td>
			<td>Digital depth gauge</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SDXC memory card (for DSLR)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Any SDXC memory card should work, so long as there is enough space to hold all the pictures necessary to build the model&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>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</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Any negatively buoyant, round object of the desired diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Underwater camera housing for DSLR (Ikelite 200DLM/C Underwater TTL Housing)</td>
			<td>Ikelite</td>
			<td>6970.09</td>
			<td>Should be the specific water housing for the DSLR make and model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Windows 10 desktop computer with an Intel i9-9900K 8-core CPU, two Nvidia GeForceRTX 2070 SUPER GPUs, and 128 GB of RAM.&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Processing&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

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

動きからの構造(SfM)写真測量は、一連の2次元(2D)画像から3次元(3D)再構成を生成するために使用される技術です。SfM法は、人為的および自然の景観、地質構造、陸上および水生生態系の両方を含む多くのシステムを監視するための非侵襲的な方法としてますます人気が高まっています。ここでは、底生生物の生息地の3Dモデルを生成するためにSfM画像を収集するための詳細なプロトコルが提供されています。さらに、デジタル一眼レフ(DSLR)カメラと安価なアクションカメラを採用することのコスト、時間効率、および出力品質が比較されました。計算時間と解像度の間にトレードオフが観察され、デジタル一眼レフカメラは2倍以上の解像度のモデルを生成しますが、アクションカメラよりも約1.4倍の時間がかかります。この入門書は、底生生物の生息地でSfMデータを収集するために必要な手順を、この手法に慣れていない人やすでに同様の方法を使用している人のために徹底的に説明することを目的としています。

この例では、ハワイ州オアフ島カネオヘ湾のパッチリーフ13にあるリーフサイト2_7を画像化し、デジタル一眼レフからの3,125枚のJPEG写真とアクションカメラビデオからの3,125枚のJPEGフレームキャプチャ(表1)を入力として使用して、オルソモザイクと3Dモデルを作成しました。 一般的なワークフローは、1)スパース点群を生成するための写真のアライメント、2)スパース点群のスケーリングとカメラの最適化、3)高密度点群の構築(この段階で深度マップも生成)、4)デジタル標高モデル(DEM)とオルソモザイクの構築、5)3Dモデルとテクスチャの生成の5つの段階で構成されていました。ステージ4と5は必ずしもこの順序で実行する必要はありませんが、密集した点群と深度マップを処理した後に実行する必要があることに注意してください。モデルのジオリファレンスは、オルソモザイクと DEM を生成する前に行う必要があります。これらのステージに使用される設定と処理の詳細は、それぞれ表 2 と 材料表に概説されています。
3Dモデルとオルソモザイクを生成する方法のより詳細な方法については、補足資料とSuka et al.23を参照してください。アクションカメラから派生したモデルの処理時間は、スパース点群生成、高密度点群生成、メッシュモデルレンダリング、テクスチャモデルレンダリングなど、すべてのステップで短縮されました。これにより、アクションカメラモデルの全体的な処理時間(6時間39分)は、デジタル一眼レフモデル(9時間14分)よりも大幅に速くなりました。モデル処理の正確な時間は、計算能力と特定のハードウェア構成によって異なります。
デジタル一眼レフカメラの画像を使用して生成されたモデルには、2,848,358のまばらな雲のポイントと787,450,347の密な雲のポイントが含まれていましたが、アクションカメラの画像から生成されたモデルには、2,630,543のまばらな雲のポイントと225,835,648の密な雲のポイントしか含まれていませんでした。これにより、デジタル一眼レフモデルは、デジタル一眼レフおよびアクションカメラ派生モデルのオルソモザイク解像度がそれぞれ0.442および0.208 mm /ピクセルのアクションカメラモデルよりも2倍以上の解像度を持つようになりました(表1)。アクションカメラモデルと比較してデジタル一眼レフモデルの解像度は向上していますが、~113 m 2のサンゴ礁領域を20 cm 2のデジタル標高モデル(図2の上部パネル)または2Dオルソモザイク投影(図2の中央パネル)として表した場合、どちらの方法でも視覚表現にほとんど違いのない高品質のモデルを生成することができました。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61815/61815fig01.jpg"> 図1:構造からの動きの写真測量。 (A)正確な位置決めと取り扱いのためのハンドルとポールが取り付けられたスイマーの距離を制御するためのスプールリグの例。(B)キャリブレーションタイル。(C)スイマー(緑)とアシスタント(オレンジ)の相対位置を持つスイムパスの概略図。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61815/61815fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61815/61815fig02.jpg"> 図 2: 数値標高モデルとオルソモザイクの視覚的比較。 デジタル一眼レフ(左)とアクションカメラ(右)の画像から構築されたデジタル標高モデル(上)とオルソモザイク(中央)。下部のパネルは、オルソモザイクの白いボックス内のエリアを拡大したものです。トップパネルのヒートマップスケールは、水面からの距離をメートル(m)で表します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61815/61815fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>キヤノンEOS反乱軍SL3</td>
			<td>ゴープロヒーロー7</td>
		</tr><tr><td>費用</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>カメラ</td>
			<td>~$600.00</td>
			<td>~$220.00</td>
		</tr><tr><td>水中ハウジング</td>
			<td>~$1,700.00</td>
			<td>該当なし</td>
		</tr><tr><td>総費用</td>
			<td>~$2,300.00</td>
			<td>~$220.00</td>
		</tr><tr><td>写真</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>写真ファイル形式</td>
			<td>.jpeg</td>
			<td>.jpeg</td>
		</tr><tr><td>写真の解像度</td>
			<td>24メガピクセル</td>
			<td>12メガピクセル(4Kビデオから)</td>
		</tr><tr><td>整列した写真/合計写真</td>
			<td>3125 / 3125</td>
			<td>3125 / 3125</td>
		</tr><tr><td>写真測量メトリクス</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>まばらな曇り点</td>
			<td>2,848,358</td>
			<td>2,630,543</td>
		</tr><tr><td>密集した曇りのポイント</td>
			<td>787,450,347</td>
			<td>225,835,648</td>
		</tr><tr><td>顔(3Dモデル)</td>
			<td>11,919,451</td>
			<td>3,834,651</td>
		</tr><tr><td>デジタル標高モデル (DEM) の解像度</td>
			<td>0.831 mm/ピクセル</td>
			<td>1.77 mm/ピクセル</td>
		</tr><tr><td>オルソモザイク解像度</td>
			<td>0.208 mm/ピクセル</td>
			<td>0.442 mm/ピクセル</td>
		</tr><tr><td>処理時間</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>スパースクラウド生成</td>
			<td>1時間23分</td>
			<td>1時間27分</td>
		</tr><tr><td>高密度の雲の生成</td>
			<td>4時間</td>
			<td>3時間11分</td>
		</tr><tr><td>メッシュモデルのレンダリング</td>
			<td>3時間32分</td>
			<td>1時間49分</td>
		</tr><tr><td>テクスチャレンダリング</td>
			<td>19分</td>
			<td>12 ミン</td>
		</tr><tr><td>コンピュータの合計処理時間</td>
			<td>9時間14分</td>
			<td>6時間39分</td>
		</tr></tbody></table>表 1: セットアップ コスト、モデルの構築に使用した写真、写真測量メトリック、および処理時間に関する詳細情報。処理は、両方のモデルで同じ設定を使用して行われました。処理時間には、写真編集、ビデオからの画像の抽出、写真の再配置、モデルの編集とスケーリングなどのさまざまな手順の時間は含まれないことに注意してください。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>キヤノンEOS反乱軍SL3</td>
			<td>ゴープロヒーロー7</td>
		</tr><tr><td>画像</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>平均ファイルサイズ</td>
			<td>~ 8.3 MB</td>
			<td>~ 4.7 MB</td>
		</tr><tr><td>写真取得</td>
			<td>連続モード</td>
			<td>4Kビデオから抽出</td>
		</tr><tr><td>色補正</td>
			<td>手動</td>
			<td>手動</td>
		</tr><tr><td>レンズ補正</td>
			<td>いいえ</td>
			<td>はい</td>
		</tr><tr><td>写真測量プロセス設定</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>スパースクラウド生成</td>
			<td>精度:高</td>
			<td>精度:高</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>キーポイント:40,000</td>
			<td>キーポイント:40,000</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>タイポイント: 4,000</td>
			<td>タイポイント: 4,000</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>一般的な事前選択: はい</td>
			<td>一般的な事前選択: はい</td>
		</tr><tr><td>高密度の雲の生成</td>
			<td>ミディアムクオリティ</td>
			<td>ミディアムクオリティ</td>
		</tr><tr><td>3Dメッシュモデル生成</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>ソースデータ:</td>
			<td>深度マップ</td>
			<td>深度マップ</td>
		</tr><tr><td>品質：</td>
			<td>中程度</td>
			<td>中程度</td>
		</tr><tr><td>顔数:</td>
			<td>低い</td>
			<td>低い</td>
		</tr><tr><td>補間：</td>
			<td>有効</td>
			<td>有効</td>
		</tr><tr><td>頂点の色を計算します。</td>
			<td>はい</td>
			<td>はい</td>
		</tr><tr><td>3Dテクスチャ生成</td>
			<td rowspan="1"></td>
			<td rowspan="1"></td>
		</tr><tr><td>テクスチャタイプ:</td>
			<td>拡散マップ</td>
			<td>拡散マップ</td>
		</tr><tr><td>ソースデータ:</td>
			<td>画像</td>
			<td>画像</td>
		</tr><tr><td>マッピングモード:</td>
			<td>ジェネリック</td>
			<td>ジェネリック</td>
		</tr><tr><td>描画モード:</td>
			<td>モザイク</td>
			<td>モザイク</td>
		</tr><tr><td>テクスチャサイズ/数:</td>
			<td>4096 / 1</td>
			<td>4096 / 1</td>
		</tr><tr><td>デジタル標高モデル (DEM)</td>
			<td>密集した雲から</td>
			<td>密な雲から</td>
		</tr><tr><td>オルソモザイク</td>
			<td>DEM から</td>
			<td>DEM から</td>
		</tr></tbody></table>表2:収集された画像と写真測量処理に関する詳細情報。 処理は、両方のモデルで同じ設定を使用して行われました。
補足資料。  <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61815/JoVE_SI_Roach.docx" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

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

3Dモデルとオルソモザイクを生成するために、水中構造物からモーション写真測量調査を実施するための詳細なプロトコルを提供します。

構造物移動写真測量を用いた底生生態系モニタリングのためのフィールド入門書

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

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Environment

Unit 1

Introduction to Surveying

SCIENTISTS IN ACTION

3.5K ビュー.  University of Hawai'i Manoa. 3Dモデルとオルソモザイクを生成するために、水中構造物からモーション写真測量調査を実施するための詳細なプロトコルを提供します。

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

The Benthic Exchange of O2, N2 and Dissolved Nutrients Using Small Core Incubations

The measurement of sediment-water exchange of gases and solutes in aquatic sediments provides data valuable for understanding the role of sediments in nutrient and gas cycles. After cores with intact sediment-water interfaces are collected, they are submerged in incubation tanks and kept under aerobic conditions at in situ temperatures. To initiate a time course of overlying water chemistry, cores are sealed without bubbles using a top cap with a suspended stirrer. Time courses of 4-7 sample points are used to determine the rate of sediment water exchange. Artificial illumination simulates day-time conditions for shallow photosynthetic sediments, and in conjunction with dark incubations can provide net exchanges on a daily basis. The net measurement of N2 is made possible by sampling a time course of dissolved gas concentrations, with high precision mass spectrometric analysis of N2:Ar ratios providing a means to measure N2 concentrations. We have successfully applied this approach to lakes, reservoirs, estuaries, wetlands and storm water ponds, and with care, this approach provides valuable information on biogeochemical balances in aquatic ecosystems.

The Benthic Exchange of O2, N2 and Dissolved Nutrients Using Small Core Incubations

Here, we present small core incubations for the measurement of sediment-water gas and solute exchange. These will provide reliable measurements of sediment-water exchange that assess the role of sediment in influencing biological and biogeochemical processes in aquatic ecosystems.

Oの底生交流<sub&gt; 2</sub&gt;、N<sub&gt; 2</sub小さなコアインキュベーションを使用&gt;と溶存栄養素

The measurement of sediment-water exchange of gases and solutes in aquatic sediments provides data valuable for understanding the role of sediments in ...

環境学

Modification and Application of a Leaf Blower-vac for Field Sampling of Arthropods

Rice fields host a large diversity of arthropods, but investigating their population dynamics and interactions is challenging. Here we describe the modification and application of a leaf blower-vac for suction sampling of arthropod populations in rice. When used in combination with an enclosure, application of this sampling device provides absolute estimates of the populations of arthropods as numbers per standardized sampling area. The sampling efficiency depends critically on the sampling duration. In a mature rice crop, a two-minute sampling in an enclosure of 0.13 m2 yields more than 90% of the arthropod population. The device also allows sampling of arthropods dwelling on the water surface or the soil in rice paddies, but it is not suitable for sampling fast flying insects, such as predatory Odonata or larger hymenopterous parasitoids. The modified blower-vac is simple to construct, and cheaper and easier to handle than traditional suction sampling devices, such as D-vac. The low cost makes the modified blower-vac also accessible to researchers in developing countries.

Assessment of arthropod abundance in crops is critical for investigating population dynamics and species interactions. Here we describe the modification and application of a leaf blower-vac for suction sampling of arthropods in rice.

節足動物のフィールドサンプリングのためのリーフブロワー-VACの変更と応用

Rice fields host a large diversity of arthropods, but investigating their population dynamics and interactions is challenging. Here we describe the ...

Reliable Method for Assessing Seed Germination, Dormancy, and Mortality under Field Conditions

We describe techniques for approximating seed bank dynamics over time using Helianthus annuus as an example study species. Strips of permeable polyester fabric and glue can be folded and glued to construct a strip of compartments that house seeds and identifying information, while allowing contact with soil leachate, water, microorganisms, and ambient temperature. Strips may be constructed with a wide range of compartment numbers and sizes and allow the researcher to house a variety of genotypes within a single species, different species, or seeds that have experienced different treatments. As opposed to individual seed packets, strips are more easily retrieved as a unit. While replicate packets can be included within a strip, different strips can act as blocks or can be retrieved at different times for observation of seed behavior over time. We used a high temperature glue gun to delineate compartments and sealed the strips once the seed and tags identifying block and removal times were inserted. The seed strips were then buried in the field at the desired depth, with the location marked for later removal. Burrowing animal predators were effectively excluded by use of a covering of metal mesh hardware cloth on the soil surface. After the selected time interval for burial, strips were dug up and seeds were assessed for germination, dormancy and mortality. While clearly dead seeds can often be distinguished from ungerminated living ones by eye, dormant seeds were conclusively identified using a standard Tetrazolium chloride colorimetric test for seed viability.

Here we present a protocol for assessing seed survivorship, germination and dormancy under field conditions using buried, labeled seed strips and tetrazolium chloride (TZ) viability testing.

フィールド条件の下で種子発芽、休眠、および死亡率を評価するための信頼性の高い方法

We describe techniques for approximating seed bank dynamics over time using Helianthus annuus as an example study species. Strips of permeable polyester ...

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

Plant-pollinator interactions have been studied for approximately one hundred years. During that time, many field methods have been developed to clarify the pollination effectiveness of each pollinator for visited flowers. Pollinator observations have been one of the most common methods to identify pollinators, and bagging and cage experiments have been conducted to show the effectiveness of specific pollinators. In a previous study of Lycoris sanguinea var. sanguinea, its effective pollinators, the visitation frequencies of each floral visitor, and its reproductive strategies were not identified. This study reports the observation that small bees visited flowers that were partially opened (breaking buds). To the best of our knowledge, this phenomenon has not been reported previously. Further, this study investigates the hypothesis that small bees can pollinate at that flowering stage. This study demonstrates the basic methods of field experiments in pollination ecology using L. sanguinea var. sanguinea. Pollinator observations and digital video showed the visitation frequencies of each floral visitor. Bagging and cage experiments revealed that these flowers could be pollinated fully and that breaking-bud pollination could be important for the pollination of this plant species. The advantages and disadvantages of each method are discussed, and recent developments, including laboratory experiments, are described.

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

To reveal the pollinator effectiveness of a given plant species, multiple methods of field experiments have been developed. This study demonstrates the basic methods of field experiments for pollination ecology using the case study of Lycoris sanguinea var. sanguinea and the novel pollination mechanism, breaking-bud pollination.

受粉エコロジーのフィールド実験：の事例<em&gt;ヒガンバナ属sanguinea</em&gt; VAR。<em&gt; sanguinea</em

Plant-pollinator interactions have been studied for approximately one hundred years. During that time, many field methods have been developed to clarify ...

Methodology for Developing Life Tables for Sessile Insects in the Field Using the Whitefly, Bemisia tabaci, in Cotton As a Model System

Life tables provide a means of measuring the schedules of birth and death from populations over time. They also can be used to quantify the sources and rates of mortality in populations, which has a variety of applications in ecology, including agricultural ecosystems. Horizontal, or cohort-based, life tables provide for the most direct and accurate method of quantifying vital population rates because they follow a group of individuals in a population from birth to death. Here, protocols are presented for conducting and analyzing cohort-based life tables in the field that takes advantage of the sessile nature of the immature life stages of a global insect pest, Bemisia tabaci. Individual insects are located on the underside of cotton leaves and are marked by drawing a small circle around the insect with a non-toxic pen. This insect can then be observed repeatedly over time with the aid of hand lenses to measure development from one stage to the next and to identify stage-specific causes of death associated with natural and introduced mortality forces. Analyses explain how to correctly measure multiple mortality forces that act contemporaneously within each stage and how to use such data to provide meaningful population dynamic metrics. The method does not directly account for adult survival and reproduction, which limits inference to dynamics of immature stages. An example is presented that focused on measuring the impact of bottom-up (plant quality) and top-down (natural enemies) effects on the mortality dynamics of B. tabaci in the cotton system.

Methodology for Developing Life Tables for Sessile Insects in the Field Using the Whitefly, Bemisia tabaci, in Cotton As a Model System

Life tables allow quantification of the sources and rates of mortality in insect populations and contribute to understanding, predicting and manipulating population dynamics in agroecosystems. Methods for conducting and analyzing cohort-based life tables in the field for an insect with sessile immature life stages are presented.

フィールドを使用してでコナジラミ、タバココナジラミ、モデル システムとして綿の付着の昆虫のための生命表の開発のための方法論

Life tables provide a means of measuring the schedules of birth and death from populations over time. They also can be used to quantify the sources and ...

Ecosystem Fabrication (EcoFAB) Protocols for The Construction of Laboratory Ecosystems Designed to Study Plant-microbe Interactions

Beneficial plant-microbe interactions offer a sustainable biological solution with the potential to boost low-input food and bioenergy production. A better mechanistic understanding of these complex plant-microbe interactions will be crucial to improving plant production as well as performing basic ecological studies investigating plant-soil-microbe interactions. Here, a detailed description for ecosystem fabrication is presented, using widely available 3D printing technologies, to create controlled laboratory habitats (EcoFABs) for mechanistic studies of plant-microbe interactions within specific environmental conditions. Two sizes of EcoFABs are described that are suited for the investigation of microbial interactions with various plant species, including Arabidopsis thaliana, Brachypodium distachyon, and Panicum virgatum. These flow-through devices allow for controlled manipulation and sampling of root microbiomes, root chemistry as well as imaging of root morphology and microbial localization. This protocol includes the details for maintaining sterile conditions inside EcoFABs and mounting independent LED light systems onto EcoFABs. Detailed methods for addition of different forms of media, including soils, sand, and liquid growth media coupled to the characterization of these systems using imaging and metabolomics are described. Together, these systems enable dynamic and detailed investigation of plant and plant-microbial consortia including the manipulation of microbiome composition (including mutants), the monitoring of plant growth, root morphology, exudate composition, and microbial localization under controlled environmental conditions. We anticipate that these detailed protocols will serve as an important starting point for other researchers, ideally helping create standardized experimental systems for investigating plant-microbe interactions.

Ecosystem Fabrication EcoFAB Protocols for The Construction of Laboratory Ecosystems Designed to Study Plant-microbe Interactions

This article describes detailed protocols for ecosystem fabrication of devices (EcoFABs) that enable the studies of plants and plant-microbe interactions in highly controlled laboratory conditions.

植物と微生物の相互作用を調査するように設計研究所生態系の建設のため生態系製造 (EcoFAB) のプロトコル

Beneficial plant-microbe interactions offer a sustainable biological solution with the potential to boost low-input food and bioenergy production. A ...

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the approach more practical than in the past. Image-based surveys allow for initial samples to be revisited and are non-invasive compared to traditional survey methods that typically involve nets or dredges. Protocols for image-based surveys can vary greatly but should be driven by target species behavior and survey objectives. To demonstrate this, we describe our most recent methods for an Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus) drop camera survey to provide a procedural example and representative results. The procedure is divided into three critical steps that include survey design, data collection, and data products. The influence of scallop behavior and the survey goal of providing an independent assessment of the U.S. sea scallop resource on the survey procedure are then discussed in the context of generalizing the method. Overall, the broad applicability and flexibility of the University of Massachusetts Dartmouth School for Marine Science and Technology (SMAST) drop camera survey demonstrates the method could be generalized and applied to a variety of sessile invertebrates or habitat focused research.

Image based surveying is an increasingly practical, non-invasive method to sample the marine environment. We present the protocol of a drop camera survey that estimates the abundance and distribution of the Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus). We discuss how this protocol can be generalized for application to other benthic macroinvertebrates.

底生動物とその生息地大西洋帆立て貝のドロップ カメラ調査による例示のイメージ調査法

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

Construction of a Low-cost Mobile Incubator for Field and Laboratory Use

Incubators are essential for a range of culture-based microbial methods, such as membrane filtration followed by cultivation for assessing drinking water quality. However, commercially available incubators are often costly, difficult to transport, not flexible in terms of volume, and/or poorly adapted to local field conditions where access to electricity is unreliable. The purpose of this study was to develop an adaptable, low-cost and transportable incubator that can be constructed using readily available components. The electronic core of the incubator was first developed. These components were then tested under a range of ambient temperature conditions (3.5 &#176;C - 39 &#176;C) using three types of incubator shells (polystyrene foam box, hard cooler box, and cardboard box covered with a survival blanket). The electronic core showed comparable performance to a standard laboratory incubator in terms of the time required to reach the set temperature, inner temperature stability and spatial dispersion, power consumption, and microbial growth. The incubator set-ups were also effective at moderate and low ambient temperatures (between 3.5 &#176;C and 27 &#176;C), and at high temperatures (39 &#176;C) when the incubator set temperature was higher. This incubator prototype is low-cost (&lt; 300 USD) and adaptable to a variety of materials and volumes. Its demountable structure makes it easy to transport. It can be used in both established laboratories with grid power or in remote settings powered by solar energy or a car battery. It is particularly useful as an equipment option for field laboratories in areas with limited access to resources for water quality monitoring.

This paper describes a method for building an adaptable, low-cost and transportable incubator for microbial testing of drinking water. Our design is based on widely available materials and can operate under a range of field conditions, while still offering the advantages of higher-end laboratory-based models.

フィールドと実験室の使用のための低コスト モバイル インキュベーターの建設

Incubators are essential for a range of culture-based microbial methods, such as membrane filtration followed by cultivation for assessing drinking water ...

Cereal Crop Ear Counting in Field Conditions Using Zenithal RGB Images

Ear density, or the number of ears per square meter (ears/m2), is a central focus in many cereal crop breeding programs, such as wheat and barley, representing an important agronomic yield component for estimating grain yield. Therefore, a quick, efficient, and standardized technique for assessing ear density would aid in improving agricultural management, providing improvements in preharvest yield predictions, or could even be used as a tool for crop breeding when it has been defined as a trait of importance. Not only are the current techniques for manual ear density assessments laborious and time-consuming, but they are also without any official standardized protocol, whether by linear meter, area quadrant, or an extrapolation based on plant ear density and plant counts postharvest. An automatic ear counting algorithm is presented in detail for estimating ear density with only sunlight illumination in field conditions based on zenithal (nadir) natural color (red, green, and blue [RGB]) digital images, allowing for high-throughput standardized measurements. Different field trials of durum wheat and barley distributed geographically across Spain during the 2014/2015 and 2015/2016 crop seasons in irrigated and rainfed trials were used to provide representative results. The three-phase protocol includes crop growth stage and field condition planning, image capture guidelines, and a computer algorithm of three steps: (i) a Laplacian frequency filter to remove low- and high-frequency artifacts, (ii) a median filter to reduce high noise, and (iii) segmentation and counting using local maxima peaks for the final count. Minor adjustments to the algorithm code must be made corresponding to the camera resolution, focal length, and distance between the camera and the crop canopy. The results demonstrate a high success rate (higher than 90%) and R2 values (of 0.62-0.75) between the algorithm counts and the manual image-based ear counts for both durum wheat and barley.

We present a protocol for counting durum wheat and barley ears, using natural color (RGB) digital photographs taken in natural sunlight under field conditions. With minimal adjustments for camera parameters and some environmental condition limitations, the technique provides precise and consistent results across a range of growth stages.

穀物作物耳フィールドのカウント条件天頂の RGB 画像を用いた

Ear density, or the number of ears per square meter (ears/m2), is a central focus in many cereal crop breeding programs, such as wheat and barley, ...

Fluorescently Labeled Bacteria as a Tracer to Reveal Novel Pathways of Organic Carbon Flow in Aquatic Ecosystems

Elucidating trophic interactions, such as predation and its effects, is a frequent task for many researchers in ecology. The study of microbial communities has many limitations, and determining a predator, prey, and predatory rates is often difficult. Presented here is an optimized method based on the addition of fluorescently labelled prey as a tracer, which allows for reliable quantitation of the grazing rates in aquatic predatory eukaryotes and estimation of nutrient transfer to higher trophic levels.

Presented here is a protocol for a single-cell, epifluorescence microscopy-based technique to quantify grazing rates in aquatic predatory eukaryotes with high precision and taxonomic resolution.