Obrazy profilu osadu
Sediment Profile Imagery (SPI) to podwodna technika fotografowania granicy między dnem morskim a powierzchnią wody. Technika ta służy do pomiaru lub oszacowania procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych zachodzących w pierwszych kilku centymetrach osadu , wodzie porowej i ważnej bentosowej granicznej warstwie wody. Obrazowanie poklatkowe (tSPI) służy do badania aktywności biologicznej w naturalnych cyklach, takich jak pływy i światło dzienne, lub zmiennych antropogenicznych , takich jak akwakultura . Systemy SPI kosztują od dziesiątek do setek tysięcy dolarów i ważą od 20 do 400 kilogramów. Tradycyjne jednostki SPI mogą być skutecznie wykorzystywane do eksploracji szelfu kontynentalnego i głębin otchłani . Niedawno opracowane SPI-Scan lub rSPI (obrotowy SPI) mogą teraz być również wykorzystywane do niedrogiego badania płytkich (<50 m) systemów słodkowodnych, ujść rzek i systemów morskich .
Zalety
Ludzie są silnie zorientowani wzrokowo. Lubimy informacje w formie obrazów i potrafimy integrować wiele różnych rodzajów danych, gdy są one prezentowane na jednym lub kilku obrazach. Naturalne wydaje się poszukiwanie sposobu bezpośredniego obrazowania granicy faz osad-woda w celu zbadania interakcji zwierzę-osad w bentosie morskim. Rhoads i Cande (1971) wykonali zdjęcia granicy faz osad-woda w wysokiej rozdzielczości (submilimetrowej) w małych skalach przestrzennych (centymetry) w celu szybkiego zbadania wzorów bentosu w czasie lub w dużych skalach przestrzennych (kilometrach). Przecinając dno morskie i robiąc zdjęcia zamiast fizycznych rdzeni, przeanalizowali obrazy pionowego profilu osadów w technice, która stała się znana jako SPI. Technika ta rozwinęła się w kolejnych dziesięcioleciach dzięki wielu ulepszeniom mechanicznym oraz cyfrowej technologii obrazowania i analizy. SPI jest obecnie ugruntowanym podejściem, akceptowanym jako standardowa praktyka w kilku częściach świata, chociaż jego szersze przyjęcie zostało częściowo utrudnione z powodu kosztów sprzętu, trudności we wdrażaniu i interpretacji. Poniósł również pewne niepowodzenia paradygmatu. Ogólnie rzecz biorąc, ilość informacji, które dana osoba może wydobyć z obrazów, nie jest łatwa i wielokrotnie redukowana do wartości wymiernych i możliwych do zinterpretowania (ale zobacz Pech i in. 2004; Tkachenko 2005). Sulston i Ferry (2002) pisali o tej trudności w odniesieniu do badania ludzkiego genomu. Obrazy z mikroskopu elektronowego ich organizmu modelowego ( Caenorhabditis elegans ) zawierały wiele informacji, ale zostały zignorowane przez wielu naukowców, ponieważ nie można ich było łatwo określić ilościowo, jednak te obrazowe informacje ostatecznie doprowadziły do głębokiego i wymiernego zrozumienia podstawowych zasad i mechanizmów. W ten sam sposób SPI został z powodzeniem wykorzystany, koncentrując się na integracji danych wizualnych i kilku obiektywnie policzalnych parametrów w rekonesansie i monitorowaniu terenu.
Historia i zastosowanie
Konwencjonalne nurkowanie jest ograniczone do płytkich wód. Zdalne pobieranie próbek z głębszych osadów o dużej zawartości wody jest często niewiarygodne ze względu na fale dziobowe próbnika, zagęszczanie po uderzeniu lub różnie zaburzone cechy osadów powierzchniowych (Somerfield i Clarke 1997). W 1971 roku Rhoads i Cande opisali instrument mający na celu rozwiązanie problemów związanych z odpowiednią obserwacją i zbieraniem mulistych osadów. Ich sprzęt do zdalnego pobierania próbek wprowadził dziedzinę in situ pionowe zdjęcia profili osadów i to, co obecnie powszechnie nazywa się kamerami SPI. Urządzenie składa się głównie ze skrzynki w kształcie klina zamontowanej w ramie. Pudełko ma ukośną ściankę wykonaną z przezroczystego akrylu i kamerę skierowaną w dół (Rysunek 1). Ciężarki wciskają klin i jego wewnętrzne lustro w osady. Lustro ustawione pod kątem 45° do przezroczystej sekcji odbija obraz przebitej granicy osad-woda do podwodnej kamery, podobnie jak peryskop. Aby zachować sztywność na głębokości, klin jest wypełniony wodą destylowaną.
Rysunek 1. Schematyczny rysunek kamery profilowej w częściowym przekroju poprzecznym przedstawiający kołyskę w pozycji dolnej przecinającą dno. A- luźna linka wciągarki; B- cylinder wypełniony olejem; C- tłoczysko; D- tłok zawierający otwór o małej średnicy; E- obudowa baterii z kontaktronem magnetycznym, F- ciężarki ołowiane, G- kamera (ustawiona pionowo); H- światło; I- Gilotyna z pleksiglasu wypełniona wodą destylowaną; J- interfejs osad-woda; K- Lustro kątowe 45° odzwierciedlające profil granicy faz osad-woda pod kątem 90° do obiektywu kamery. Zaczerpnięte z Rhoads i Cande (1971).
Ich urządzenie zwróciło obrazy, takie jak te pokazane na rycinie 2. Na pierwszy rzut oka obrazy SP mogą wydawać się niepozorne, ale analiza dziesiątek obrazów pozwala uwidocznić zakres zawartych w nich informacji. Na rycinie 2 od razu widać ogólną teksturę i zawartość wody w osadzie. Ponieważ rozdzielczość umożliwia obrazowanie pojedynczych ziaren piasku, można ocenić klasyczne parametry tekstury (procent żwiru, piasku i błota) oraz oszacować średni rozmiar ziarna. Granica faz osad-woda jest wyraźna. Jeśli zdjęcie zostało zrobione natychmiast po włożeniu, ta obserwacja wskazuje, że urządzenie weszło na dno morskie z niewielkimi zakłóceniami. Ponadto interfejs jest odrębny. Choć pozornie proste, niektóre dna morskie mają zamiast tego graniczną warstwę zawieszonych osadów o szerokim gradiencie gęstości zamiast dyskretnego punktu przejściowego. Warunek ten ma fundamentalne znaczenie dla wielu organizmów bentosowych. Aktywność biologiczna jest również łatwo widoczna. Po skalibrowaniu przy użyciu tradycyjnych próbek pobranych lub rdzeni w połączeniu z kilkoma obrazami SP rozdzielczość umożliwia identyfikację niektórych infauny, w tym wieloszczetów rurkowatych sabellidów, przepołowionej nereidy i kopca utworzonego przez ogórka morskiego widocznego na rycinie 2.
Ryc. 2. Fotografia profilowa osadów dna błotnego o głębokości 35 m w zatoce Cape Cod w stanie Massachusetts. Miejsce fotografii przechodzi przez kopiec odchodów wytworzony przez Molpadia oolitica (holothurian). Wierzchołek stożka jest zasiedlony przez sabellid polychaete Euchone incolor (A). Zbłąkany wieloszczet został przecięty przez gilotynę (B). Puste przestrzenie na głębokości są wytwarzane przez żerowanie M. oolitica (C). Jasno zabarwiony utleniony (ubogi w siarczki) osad rozciąga się około 3 cm poniżej powierzchni osadu. Zaczerpnięte z Rhoads i Cande (1971).
Inną istotną cechą ryciny 2 jest wyraźna zmiana koloru między osadami powierzchniowymi i głębszymi. Ten gradient zmiany koloru, chociaż ciągły, jest znany jako pozorna głębokość nieciągłości potencjału redoks (ARPD), gdy zostanie zredukowany do średniego punktu przejścia. Przy odpowiednim rozważeniu w połączeniu z lokalną geologią i poziomami bioturbacji, głębokość i charakter ARPD może zapewnić głęboki wgląd w interakcje między geochemią osadów a aktywnością biologiczną. Przegląd Grafa (1992) potwierdza wczesne obserwacje Jorgensena i Fenchela (1970), że osady można podzielić na tlenowe , suboksyczne i beztlenowe z fundamentalnymi konsekwencjami dla fauny i flory. Zdefiniowali te granice jako występujące na poziomie >300 mV (potencjał utleniania-redukcji) dla chemoklin tlenowych i mniejszych niż 100 mV dla chemoklin beztlenowych (z suboksycznymi pomiędzy), jak pokazano na rycinie 3. Pionowe położenie tych granic może zmieniać się sezonowo i lokalnie w odpowiedzi na dostarczanie i mieszanie zanieczyszczeń (z powodu bioturbacji lub mieszania za pośrednictwem czynników fizycznych) tak szybko, jak 1 cm d-1. Osady beztlenowe są zwykle toksyczne dla większości zwierząt z powodu wolnego H 2 S i niskie pH. W tym redukującym środowisku mogą również wytrącać się metale ciężkie. Niektóre metale ciężkie, takie jak kadm i miedź, są stabilizowane w postaci siarczków i nie rozpuszczają się łatwo, ale mogą zostać szybko ponownie zmobilizowane i zanieczyścić wody warstwy granicznej, jeśli zostaną przywrócone warunki tlenowe (Graf 1992). Penetracja osadów związków chemicznych z wód leżących nad powierzchnią wody do tych warstw będzie w dużym stopniu zależała od wielkości i kształtu ziaren osadu. Dicke (w Graf 1992) stosując płynny znacznik bromkowy odkrył, że sama dyfuzja molekularna penetruje miękkie osady na głębokość 4 cm w ciągu jednego dnia i 8 cm po 4 dniach. Bioturbacja może przyspieszyć ten proces nawet dziesięciokrotnie. W ten sposób chemokliny wpływają na organizmy bentosowe i są z kolei pod ich wpływem. Oprócz skutków wykluczenia i bioturbacji organizmów tlenowych, Fenchel i Riedl (1970) byli pionierami w badaniach niezwykłej fauny zamieszkującej suboksyczne obszary osadów. Oczywiście narzędzia SPI mają wiele do zaoferowania w tego rodzaju dochodzeniach.
Rysunek 3. Nieciągłość potencjału redoks (RPD) – koncepcja warstwowa Fenchela i Reidela (1970). Osad dzieli się na warstwy beztlenowe, suboksyczne i tlenowe. Wzdłuż ścian rur i nor zwierząt izolinie redoks są obniżone (por. Jorgensen i Revsbech, 1985). Według pomiarów mikroelektrodowych tlenu tak zwana warstwa tlenowa tak naprawdę nie zawiera wolnego tlenu na całej głębokości. Rysunek zaczerpnięty z Graf (1992).
Rhoads i Germano (1982) opracowali listę parametrów zaczerpniętych z SPI, starając się zredukować i określić ilościowo określone atrybuty środowiskowe oraz uczynić je podatnymi na tradycyjną analizę statystyczną. Ich lista była modyfikowana i kwalifikowana w całej literaturze, ale podsumowano ją w Tabeli 1. Kilka z tych parametrów można skalibrować i można je odtworzyć w różnych siedliskach. Całkowita tekstura osadów jest prawdopodobnie najmniej kontrowersyjnym i dostarczającym najwięcej informacji parametrem do tworzenia map siedlisk bentosowych i identyfikowania wpływów modyfikujących osady. Pozorna nieciągłość potencjału redoks (ARPD) może być również potężnym parametrem oceny. Na przykład jednym ze zgłoszonych skutków trwałej działalności akwakultury w środowiskach przybrzeżnych jest osadzanie się i gromadzenie osadów bogatych w substancje organiczne w pobliżu miejsca produkcji, czy to z odchodów i pseudoodchodów skorupiaków, czy też niezjedzonego pokarmu i wydalanych ryb. Może to spowodować wzrost zużycia tlenu przez osad, tworzenie osadów beztlenowych oraz wytwarzanie i uwalnianie szkodliwych gazów, takich jak metan, H 2S i CO2 które mogą wpływać na słup wody, makrofaunę bentosową (Pocklington i in. 1994) oraz meiofaunę (Mazzola i in. 1999). Zależności między infauną, suboksycznymi osadami i wzbogaceniem organicznym są dobrze udokumentowane (Weston 1990; Rees i in. 1992; Hargrave i in. 1997). Ten system jest bardzo podobny do tego opisanego przez Pearsona i Rosenberga (1978), jak przedstawiono na rycinie 4. Rhoads i Germano (1982) posunęli tę koncepcję o krok dalej, przypisując kategorie do różnych kolejnych etapów, próbując zintegrować reakcje biotyczne i geochemiczne do organicznego wzbogacenia. Aby można było je wiarygodnie wykorzystać, oznaczenia etapów sukcesji muszą być dokonywane w kontekście biologicznym i fizycznym każdego badania, są z konieczności subiektywne i jest mało prawdopodobne, aby były bardziej niż szeroko informacyjne między analitykami. Podobnie większość parametrów przedstawionych w tabeli 1 jest specyficzna dla miejsca i badania. Działając podobnie do penetrometru stożkowego, głębokość penetracji klina SPI w miękkie osady może być ogólnie użyteczna jako wskaźnik zastępczy dla struktury osadów, jeśli zostanie skalibrowana, ale wyniki będą wrażliwe na różnice w sprzęcie i rozmieszczeniu.
Tabela 1
| PARAMETRY FIZYKOCHEMICZNE SPI | Obserwacja |
|---|---|
| Wielkość ziarna | zwykle oceniane wizualnie; grubsze osady można określić ilościowo za pomocą automatycznej analizy cząstek |
| Głębokość penetracji pryzmatu | jako zastępca dla tkaniny osadowej |
| Klastry błotne | numer, rozmiar, utlenione lub zredukowane |
| Relief powierzchni osadów | musi umożliwiać orientację/skalę obrazu |
| Powierzchnia/głębokość redoks | ARPD |
| Kontrast redoks | Reliktowe granice redoks |
| Pęcherzyki gazu metanowego | liczba, rozmiar, głębokość |
| Węglowodory | Punkty H (Diaz et al. 1993) lub spektroskopowo (Rhoads et al. 1997) |
| Obserwacje specyficzne dla miejsca | |
| Biologiczne parametry SPI | |
| Epifauna | liczba, taksony |
| Gęstość rury | liczba na centymetr liniowy |
| Karmienie pustych przestrzeni | epifaunalny, infaunalny, mieszany, obszar |
| Pozorne bogactwo gatunkowe | .... |
| Etap sukcesyjny | I, II lub III zdefiniowane w odniesieniu do modelu Pearsona-Rosenberga oraz modelu Rhoadsa i Germano (1982) |
| Obserwacje specyficzne dla miejsca | szczególna fauna, maty bakteryjne itp. |
Rycina 4. Diagram zmian struktury fauny i osadów wzdłuż gradientu wzbogacenia organicznego (Pearson i Rosenberg 1978).
Nawet przy tych ograniczeniach SPI może być niezwykle potężnym narzędziem analitycznym, rozpoznawczym i monitorującym. Mapy typu osadów były często konstruowane poprzez pobieranie próbek pobranych lub rdzeniowych, po których następowało dni lub tygodnie przetwarzania laboratoryjnego. Po opuszczeniu urządzenia SPI do osadu i zarejestrowaniu obrazu można je wielokrotnie podnosić i opuszczać bez pełnego odzyskiwania urządzenia. Taki statek „zszyty” urządzenie SPI wzdłuż wyznaczonej trasy może badać obszar z niespotykaną oszczędnością w porównaniu z fizycznym pozyskiwaniem próbek. Istnieje oczywiście kompromis między jakością a ilością danych z próbkowania. SPI pozwala na znacznie większy zasięg przestrzenny dla danej ilości czasu w terenie kosztem szczegółowych deskryptorów osadów, zwykle wytwarzanych z fizycznych rdzeni (analiza tekstury interwału pół phi, zawartość węgla itp.). Zarządzanie tą równowagą jest istotą dobrego wykorzystania SPI i podkreśla jego mocne strony. Na przykład Hewitt i in. (2002), pleśniawki i in. (1999) i Zając (1999) zwracają uwagę na wartość integrowania obserwacji zbiorowisk makrofauny zebranych w różnych skalach i ich zastosowania w opisie procesów zachodzących w różnych skalach w heterogenicznym krajobrazie bentosowym. Podczas oceny pytań w skali krajobrazu rzadko jest możliwe proste i kompleksowe próbkowanie całkowitego zasięgu przestrzennego z gęstymi, równoważnie szczegółowymi punktami próbkowania. Badacz musi znaleźć kompromis między ziarnem zbierania danych a wymiarami rzeczywistej jednostki próbkowania (zwykle 0,1 m 2 grab lub podobny) oraz opóźnienie - odległość między jednostkami próbek, dla których wyniki będą interpolowane (często dziesiątki do setek metrów w przypadku próbek typu grab). Obrazy profili osadów mogą być skutecznym narzędziem monitorowania w połączeniu z bardziej szczegółowymi technikami pobierania próbek, takimi jak pobieranie próbek rdzeni makrofauny lub transekty ciągłego badania osadów (Gowing i in. 1997). Oferuje dane punktowe, które można ekonomicznie gromadzić z wystarczającą częstotliwością, aby połączyć bardziej zasobochłonne próbki w ekologicznie znaczący sposób. Badanie może zatem działać w zagnieżdżonych skalach czasoprzestrzennych, przy czym SPI zapewnia ogólne mapy i łączność, podczas gdy inne techniki pobierania próbek są wykorzystywane do charakteryzowania zespołów i zmienności w obrębie typów siedlisk. Ten rodzaj integracji jest niezbędny do lepszego zrozumienia i przewidywalności procesów zachodzących w miękkich osadach (Thrush et al. 1999; Noda 2004).
Mapowanie zaburzeń bentosowych
SPI został wykorzystany do modelowania integralności i wydajności zakorkowanych miejsc wydobywania urobku (NOAA 2003) i miejsc przechowawczych (np. komisarz parlamentarny 1995; Gowing i in. 1997). Szczegółowe badania akustyczne miejsc składowania urobku są z natury ograniczone do rozdzielczości pionowej ok. 10 cm (Ramsay 2005). Istnieją liczne dowody na to, że nadkład urobku mniejszy niż 10 cm wpływa na gatunki makrofauny (Chang i Levings 1976; Maurer i in. 1982; Maurer i in. 1986; Chandrasekara i Frid 1998; Schratzberger i in. 2000; Cruz-Motta i Collins 2004 ). Techniki rozpraszania wstecznego i sonaru bocznego o wysokiej częstotliwości mogą zapewnić szybszą charakterystykę zasięgu urobku, ale tylko wtedy, gdy współczynnik odbicia akustycznego lub topologia urobku jest wystarczająco różna od osadów rodzimych. Urządzenia SPI wytwarzają obrazy interfejsu osad/woda z rozdzielczością poniżej milimetra. SPI oferuje zatem możliwość zbadania morfologii hałdy urobku, zagęszczenia, odwiewania, integracji z rodzimymi osadami i potencjalnie aktywności biologicznej w skali odpowiedniej dla badanych zespołów makrofauny.
SPI można również zastosować do innych, być może bardziej powszechnych badań zaburzeń bentosu (). Aby to zilustrować, rozważmy bentosowe badanie wpływu na środowisko dla hipotetycznego obiektu marikultury skorupiaków. Istnieje ogromna różnorodność podejść do nauki. Istniejące informacje i dostępne zasoby nieuchronnie ograniczają każdy projekt. Przy niewielkiej ilości informacji na temat rodzaju dna proste, jednorazowe badanie wpływu przestrzennego, takie jak to pokazane na rycinie 5, z ośmioma stanowiskami wzdłuż izobaty, z trzema powtórzeniami chwytów z każdego, jest dość powszechne i ma umiarkowaną siłę. Wcześniejsze gromadzenie danych, w tym obserwacje batymetryczne, nurkowania, holowanej kamery, ROV lub sonaru bocznego, prawdopodobnie zmieniłoby położenie miejsca i znacznie zwiększyłoby ogólne informacje i wartość. Zbieranie takich danych nawet na tak małym stanowisku, jak ten, wymaga znacznych zasobów i prawdopodobnie spowoduje kilkudniową przerwę w przetwarzaniu danych między pierwszymi dniami polowymi a pobraniem próbek (to właśnie to opóźnienie wyklucza lub zmniejsza wartość badania zdarzeń przejściowych w obszarach hydrodynamicznie energetycznych). Zbieranie dużej liczby danych punktowych z urządzenia SPI jest łatwe, a otrzymane migawki charakteru bentosu są automatycznie umieszczane na mapie badanego obszaru w czasie rzeczywistym. Takie podejście umożliwia szybką kategoryzację według jednej lub więcej zmiennych będących przedmiotem zainteresowania. W wodach o głębokości poniżej 30 m nie jest nierozsądne oczekiwanie, że zebrane zostaną obrazy 170 SP wskazane na rycinie 6 i powstanie przybliżona mapa klasyfikacji bentosu w ciągu jednego dnia polowego. Kategorie mogą opierać się na teksturze osadów, nadkładzie, specyficznych szczątkach, faunie i florze itp. Nakład pracy w zakresie pobierania próbek można następnie przydzielić, aby skupić się na zmienności zbiorowisk wśród ogólnych różnic w siedliskach, wykorzystując chwytanie, gdy siedlisko replikuje się z różnym opóźnieniem. Ten typ podejścia zapewnia szersze zrozumienie systemu i pozwala na podejmowanie bardziej świadomych decyzji poprzez zwiększenie ogólności danych z pobranej próbki. Dowody SPI mogą skutecznie zwiększyć zakres z jednego wymiaru do co najmniej dwóch. Korelacja między danymi fizycznymi i biologicznymi zebranymi z chwytaków pozwala również na wydobycie większej ilości danych ze zdjęć SP poprzez identyfikację określonych cech (gatunki infauny, rurki, kopce itp.). Ponadto szczegółową analizę głębokości ARPD można następnie przedstawić jako kontury środowiska geochemicznego.
Rhoads i Germano (1982) porównują techniki SPI z trzema innymi badaniami u wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych. Ich praca umieściła SPI w akceptowanych ramach ekologicznych, a następnie poszerzyła jego atrakcyjność i wartość jako standardowego narzędzia monitorowania. Solan i in. (2003) dokonują przeglądu szerszego odejścia od tradycyjnych metodologii „zabij ich i policz” w badaniach bentosu i pokazują, w jaki sposób integracja SPI oraz innych technologii optycznych i akustycznych z tradycyjnym pobieraniem próbek zasadniczo wzbogaciła nasze zrozumienie kilku procesów bentosowych. Chociaż większość badań SPI pozostaje w „szarej literaturze” (Keegan i in. 2001), pojawia się coraz większa liczba i różnorodność zastosowań. Dane wygenerowane przez SPI były równie pouczające jak próbki makrofauny wzdłuż gradientu wzbogacenia organicznego w systemie umiarkowanym (Grizzle i Penniman 1991). Inne badania obejmują te przeprowadzone przez Germano (1992), który badał usuwanie urobku z pogłębiarki w zatoce Hauraki w Auckland, oraz Heipa (1992), który podsumował wartość SPI wraz z pobieraniem próbek meio- i makrofauny w pobliżu oceanicznej platformy wiertniczej w pobliżu Zatoki Niemieckiej. Rumohr i Schomann (1992) stwierdzili, że zdjęcia SP dostarczyły ważnych wskazówek i kontekstu dla interpretacji skądinąd enigmatycznych danych bentosowych. Wczesne prace wykorzystujące SPI do identyfikacji zanieczyszczenia węglowodorami (Diaz i in. 1993) zostały później udoskonalone w celu uwzględnienia dokładniejszych i precyzyjnych pomiarów za pomocą spektroskopii (Rhoads i in. 1997). Smitha i in. (2003) badali wpływ włoków rybackich za pomocą SPI, podczas gdy Solan i Kennedy (2002) zademonstrowali wykorzystanie SPI poklatkowego do ilościowego określania bioturbacji wężowników. Diaz i Cutter (2001) zastosowali tę samą metodę do ilościowego określenia bioturbacji wieloszczetów poprzez przejściowe tworzenie się nor i jego związek z przenikaniem tlenu do osadów. NOAA (2003 i odniesienia tam zawarte) donoszą o powszechnym stosowaniu SPI do mapowania siedlisk, monitorowania pokrywy materiału pogłębiarskiego i stresu tlenowego (Nilsson i Rosenberg 1997) w środowiskach przyujściowych, przybrzeżnych i głębinowych. Poza czystymi badaniami, SPI jest techniką dobrze dostosowaną do wielopoziomowego monitorowania i zgodności. Obecnie jest powszechnie akceptowana jako standardowa technika (Rhoads i in. 2001). Oczywiście zastosowania SPI są różnorodne i naukowo solidne, jeśli są właściwie stosowane, ale niektóre problemy praktyczne ograniczają jego szersze zastosowanie. Keegana i in. (2001) podsumowują, że SPI „… nie został opracowany jako zamiennik konwencjonalnych narzędzi do monitorowania bentosu, ale jako technika badania i rozpoznania w celu optymalizacji wydajności programów monitorowania bentosu”. Dalej stwierdzają:
„...SPI dopiero teraz zyskuje szerokie uznanie, na jakie zasługuje. Chociaż ma to coś wspólnego z uznanymi ograniczeniami w interpretacji obrazu, nadal istnieją pewne przeszkody związane z rozmiarem i wagą urządzenia, a także z ograniczeniem jego używania w błocie i mulistym piasku. Stosunkowo wysoki koszt najbardziej podstawowego zestawu SPI jest prawdopodobnie najbardziej wymowny… SPI jest zwykle wykorzystywany w działaniach promowanych bardziej przez rząd i bogatsze komercyjne firmy konsultingowe ds. środowiska niż przez bardziej tradycyjny sektor badawczy”.
Opracowanie systemu SPI-Scan [1] , znanego również jako rSPI (rotacyjny SPI), autorstwa Briana Paavo i Benthic Science Limited, rozwiązuje problemy związane z masą i kosztami, aby umożliwić użytkownikom jezior i wybrzeży ekonomiczne wdrażanie systemów SPI z małych statków.
SPI-skanuj nowy rodzaj SPI
Aby sformułować i przetestować podstawowe hipotezy dotyczące ekologii społeczności lub zająć się zastosowaniami, takimi jak ocena wpływu, ochrona i eksploatacja środowiska morskiego, należy zbadać złożone interakcje między osadami, organizmami i wodą. Wiele rozwijających się technologii powoli zyskuje akceptację do pomiaru i badania tego dynamicznego interfejsu za pomocą metod biologicznych, chemicznych i fizycznych. Violliera i in. (2003) oraz Rhoads i in. (2001) przedstawiają przegląd tego tematu, chociaż stosowane technologie i stosowane standardy szybko się zmieniają. Kilka technik umożliwiło bentologom zajęcie się całościowymi zagadnieniami dotyczącymi interakcji geochemiczno-biologicznych i funkcjonowania ekosystemów. Betteridge i in. (2003) wykorzystali technologię akustyczną do pomiaru dynamiki osadów in situ w skali odpowiedniej dla makrofauny. Ich lądowniki bentosowe rejestrowały prędkości wody w pobliżu dna morskiego, jednocześnie oceniając ilościowo wzorce zaburzeń osadów w wysokiej rozdzielczości. Komory bentosowe zostały wykorzystane do zbadania produktywności realistycznych zespołów makrofauny w różnych reżimach przepływu (Biles i in. 2003). Metody analizy izotopowej pozwalają na obecność sieci pokarmowej i badania wpływu na środowisko (np. Rogers 2003; Schleyer et al. 2006) niemożliwe do przeprowadzenia poza laboratorium jeszcze kilka lat temu. Metody krótkich sekwencji DNA (np. Biodiversity Institute of Ontario 2006) szybko zmierzają w kierunku zautomatyzowanej identyfikacji i technik oceny różnorodności, które mogą zrewolucjonizować ekologię bentosu.
Keegana i in. (2001) opisali relacje między pracownikami a władzami, oceniając ugruntowane, choć często drogie i powolne metodologie z nowszymi osiągnięciami technologicznymi, jako czasami niezgodne. Szary i in. (1999b) ubolewali nad silną instytucjonalną tendencją ekologów osadów do polegania na metodach pobierania próbek opracowanych na początku XX wieku! Trzeba zachować dobrą równowagę. Pewien stopień bezwładności paradygmatu jest konieczny do zachowania ciągłości intelektualnej, ale może to posunąć się za daleko. Fizyka jako nauka zmierzyła się z tym problemem dawno temu i szeroko przyjęła nowe technologie po ustanowieniu kultury naukowej polegającej na ciągłym łączeniu nowych technik z ustalonymi odkryciami w okresie kalibracji i oceny. Tempo tego procesu w biologii jako całości przyspieszyło w ciągu ostatnich kilku dekad, a ekologia dopiero niedawno pojawiła się na tym horyzoncie. W tym artykule przedstawiono jedną z takich technologii, obrazowanie profilu osadów (SPI), które powoli zyskuje akceptację i obecnie przechodzi okres oceny i kalibracji, mimo że istnieje od lat 70. XX wieku. Podobnie jak w przypadku wielu technologii wymienionych powyżej, każda nowa funkcja wymaga starannego rozważenia jej przydatności w konkretnym zastosowaniu. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy przekraczają ważne, choć często subtelne granice ograniczeń gromadzenia danych. Na przykład, znaczna część naszej wiedzy o bentosach została opracowana na podstawie metod punktowych, takich jak rdzenie lub chwytaki, podczas gdy ciągłe gromadzenie danych, jak niektóre metody analizy transektów wideo (np. Tkachenko 2005), może wymagać różnych interpretacji przestrzennych, które wyraźniej uwzględniają niejednolitość. Chociaż techniki zdalnego pobierania próbek często poprawiają naszą rozdzielczość punktową, bentolodzy muszą brać pod uwagę rzeczywistą heterogeniczność w małych skalach przestrzennych i porównywać je z szumem nieodłącznym dla większości metod zbierania danych o dużej objętości (np. Rabouille i in. 2003 w przypadku badań mikroelektrodowych wody porowej). Nowe osiągnięcia w dziedzinie SPI zapewnią narzędzia do badania dynamicznych procesów sedymentacyjnych, ale także podważą naszą zdolność do dokładnej interpolacji danych punktowych zebranych przy gęstościach przestrzennych zbliżonych do ciągłych zbiorów danych.
Obrazy SP zawarte w komercyjnym systemie REMOTS (Rhoads i in. 1997) są drogie (>60 000 NZ $ w czasie pisania tego tekstu), wymagają ciężkiego sprzętu do podnoszenia (ok. 66–400 kg z pełnym zestawem obciążników, aby skutecznie penetrować osady) i ogranicza się do osadów mułowych. REMOTS nie nadaje się dobrze do małych programów badawczych ani do operacji na płytkich wodach z małych statków, co jest prawdopodobnie obszarem, w którym mógłby być najbardziej przydatny. Badanie płytkich środowisk podpływowych może być trudnym zadaniem, zwłaszcza wśród ruchomych piasków. Pobieranie próbek makrofauny zwykle odbywa się w skali submetrowej, podczas gdy dominujące czynniki fizyczne, takie jak ekspozycja na fale i tekstura osadów, mogą zmieniać się w skali zaledwie kilku metrów, mimo że często są one rozdzielone tylko w skali setek metrów. W tak dynamicznym środowisku monitorowanie potencjalnie przejściowych zakłóceń, takich jak hałda urobku, wymaga mapowania bentosu w precyzyjnych skalach przestrzennych i czasowych, aplikacji idealnie dopasowanej do SPI.
Zarys projektu
Cechą charakterystyczną poprzedzających urządzeń SPI jest pryzmat zawierający przezroczystą powierzchnię, lustro i wodę destylowaną, niezależnie od tego, czy urządzenie schodzi do osadów jak peryskop, czy też jest holowane przez dno morskie jak pług (Cutter i Diaz 1998). Wepchnięcie czegokolwiek do osadu wymaga przemieszczenia ziaren piasku i zastąpienia ich urządzeniem do obrazowania bez naruszania sąsiednich warstw osadu, które należy zobrazować. Używanie klina do przemieszczania osadów wymaga znacznej integralności strukturalnej i siły, co zwiększa rozmiar, wagę i koszt budowy i rozmieszczenia. Mniejszy klin zredukowałby oczywiście te wymagania, ale za nieakceptowalną cenę ekstremalnie małego obszaru próbkowania (typowy obraz urządzeń SPI około 300 cm 2 ). Lustro dodatkowo ogranicza kształt klina. O ile radykalna i droga optyka nie jest używana do zmiany geometrii ścieżki światła, należy zachować kąt 45° między powierzchnią osadu a płaszczyzną kamery. Te ograniczenia narzucają pryzmat SPI jako płaszczyznę nachyloną (czyli trójkątny pryzmat zawierający jeden kąt prosty). Wpychanie pryzmatu SPI w osady to wykonywanie pracy fizycznej, określonej klasycznym równaniem:
W = Fd
gdzie W = praca, F = siła, a d = odległość. Przemieszczenie dowolnego ziarna osadu wymaga pewnej ilości pracy, aby pokonać zarówno bezwładność, jak i tarcie generowane przez wszystkie sąsiednie ziarna (zarówno statyczne, jak i dynamiczne). Klin wykonuje pracę przemieszczania przy użyciu mniejszej siły kosztem zwiększenia odległości, jaką musi pokonać ziarno. Aby zmniejszyć rozmiar urządzenia SPI, sensowne jest zmniejszenie ilości pracy wymaganej do wyparcia osadu dla danego obszaru obrazowania. Przebywanie w środowisku wodnym daje pierwszą korzyść w postaci ograniczenia pracy. Zwiększenie zawartości wody w osadach znacznie zmniejsza zarówno statyczne, jak i dynamiczne współczynniki tarcia wynikające z interakcji ziarna o ziarno. W tak dużych skalach fizycznych interakcje lepkości są bardzo małe w porównaniu z tarciem. Dlatego osady fluidyzacyjne umożliwiłyby urządzeniu SPI wypieranie większej ilości grubszych osadów przy mniejszej sile skierowanej w dół. (Oczywiście cała energia masowa jest zachowana – wpompowanie wody do osadów wymaga więcej pracy – ale przynajmniej można to zrobić z dala od klina). które muszą być sfotografowane w stanie nienaruszonym.
Smarowanie wodne może być stosowane w celu zmniejszenia wymaganej siły i wymaganego nakładu pracy, ale czy możemy również zmniejszyć odległość, na jaką ziarna muszą zostać przemieszczone? Zwierciadło obrazujące jest największym ograniczeniem w ograniczaniu przemieszczania się ziarna, więc sensowne jest z niego zrezygnować. Istnieje wiele komercyjnych i konsumenckich skanerów liniowych, które digitalizują obraz, poruszając się w płaszczyźnie, rejestrując kolor i intensywność napotkanego światła. Przykładami tej techniki są skanery płaskie i kserokopiarki cyfrowe. Światło świecące z urządzenia odbija się od sceny, która ma być zobrazowana, do czujnika znajdującego się w pobliżu źródła światła. Ścieżka światła może być zagięta i manipulowana przez szereg pośrednich luster i soczewek do małej liniowej matrycy czujników lub bezpośrednio do dużej matrycy maleńkich czujników. Wepchnięcie cienkiego płaskiego skanera do osadów wymaga znacznie mniej pracy niż wepchnięcie dużego pryzmatu, jak stwierdzili Keegan i in. (2001):
„Jeśli chodzi o obecny projekt, rozmiar pryzmatu w układzie SPI utrudnia penetrację wszystkich osadów oprócz bardziej miękkich i mniej zwartych. Kiedy ze względu na zwiększoną penetrację konieczne staje się użycie pełnego zestawu ciężarków ołowianych (66 kg), system staje się trudny w obsłudze na mniejszych jednostkach z ograniczonym sprzętem do podnoszenia. Rozmiar i odpowiednio wagę można by zmniejszyć, gdyby pryzmat można było zastąpić, aby działał bardziej jak smukłe „ostrze do kopania”, którego cała odsłonięta powierzchnia mogłaby zostać cyfrowo zeskanowana na miejscu. Takie ostrze nie tylko ułatwiłoby łatwiejszą i głębszą penetrację, ale także rozszerzyłoby zastosowanie SPI na bardziej zwarte, drobne i średnie piaski. Autorzy eksperymentowali już z odpowiednią obudową, która penetrowała te bardziej odporne osady na głębokość przekraczającą 55 cm, jednak fizycznie wytrzymały skaner, który wytrzyma uderzenie i będzie miał rozdzielczość adekwatną do celu, pozostaje do zidentyfikowania.
Problemy inżynieryjne związane z rozdzielczością, wagą, ciśnieniem i odpornością na wstrząsy są potęgowane przez utrzymywanie skanera w konfiguracji prostokątnej (Patterson i in. 2006). Większość sprzętu podwodnego mieści się w cylindrach, ponieważ cylindry mają mniejszą powierzchnię do zamknięcia danej objętości niż prostokątna obudowa. Dla danego obszaru powierzchni (obrazowania) mniej ziaren osadu będzie musiało zostać przesuniętych na krótszą odległość, gdy obrazuje się z obwodu cylindra niż ukośna powierzchnia klina. Modyfikowanie konsumenckiego skanera płaskiego w taki sposób, aby jego głowica skanująca (zawierająca źródło światła i układ czujników) była koncepcyjnie prostą sprawą, poruszała się po ścieżce kołowej zamiast po płaszczyźnie, jak pokazano na rysunku 7. Ta zmiana konfiguracji pozwala na bardziej wydajną geometrię klina lub, jak zobaczymy później, pozwala na jego eliminację.
Rysunek 7. Zmiana ścieżki głowicy skanującej z typowej płaszczyzny spotykanej w skanerach konsumenckich na ścieżkę kołową umożliwia obrazowanie tego samego obszaru przy znacznie mniejszym prostopadłym obszarze planu (czyli twarzy, która musi penetrować osady). Ta konfiguracja pozwala również na zastosowanie bardziej mechanicznego (pod ciśnieniem zewnętrznym) cylindra zamiast skrzynki.
Pierwszy prototyp
Celem było uzyskanie największego obszaru obrazowania w najmniejszej cylindrycznej objętości przy użyciu konsumenckiego skanera płaskiego. Typowe skanery płaskie skanują obszar o wielkości około 220 x 300 mm (660 cm 2 ), więc trzeba było znaleźć system, który można było tak skonfigurować, aby mieścił się w zamkniętej przezroczystej kapsułce. Istnieją dwie podstawowe metody obrazowania w nowoczesnych skanerach płaskich. Od lat 80. do końca lat 90. rynek był zdominowany przez systemy, które potrafiły uchwycić obraz z dowolnej głębi ostrości. Większość takich cyfrowych urządzeń do obrazowania wykorzystywała urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). W matrycy CCD dyskretne kropki materiału światłoczułego wytwarzają określony ładunek w oparciu o intensywność padającego na nie światła. CCD nie wykrywa koloru. W tej technologii scena jest oświetlana, wąskie pasmo światła odbitego od sceny przechodzi przez szczelinę (w celu wyeliminowania światła padającego z innych kierunków), a następnie jest skupiane przez układ luster (zwykle złożonych w pudełku) w pryzmat zazwyczaj kilka centymetrów długości. Pryzmat rozszczepia światło na składowe kolory. Małe matryce CCD są ostrożnie umieszczane w miejscach, w których kolory podstawowe są bardzo ostre. Oddzielne intensywności kolorów są łączone w wartości złożone i rejestrowane przez komputer (lub zespoły elektroniczne skanera) jako linia pikseli. Ruchoma głowica skanująca przesuwa się następnie na niewielką odległość, aby zebrać następną linię sceny. W związku z tym rozdzielczość w jednej osi jest określana przez rozmiar matrycy CCD i skupioną optykę, podczas gdy rozdzielczość w drugiej osi jest określana przez najmniejszy niezawodny krok, jaki może wykonać silnik przesuwający głowicę skanującą. Zespoły optyczne tego typu skanerów są dość odporne na wibracje, ale tradycyjne źródło światła (lampa z zimną katodą o zrównoważonej temperaturze barwowej) już nie. Dlatego został zastąpiony szeregiem półprzewodnikowych diod elektroluminescencyjnych (LED). Kolejną zaletą tego zastąpienia jest to, że źródła mogą być przełączane między światłem białym a ultrafioletem (UV) o długości fali około 370 nm. To źródło światła UV umożliwiło wykrycie przez prototyp wyraźnie fluoryzujących materiałów (zazwyczaj minerałów śladowych lub węglowodorów).
Zlokalizowany został odpowiedni model głowicy skanującej, który można było przekonfigurować tak, aby mieścił się w cylindrze o średnicy 80 mm, a standardowy silnik krokowy skanera zmodyfikowano tak, aby mieścił się w tej samej przestrzeni. Cała jednostka została następnie zamontowana na sworzniu ze stali nierdzewnej i obracana przez sprężynowe koło cierne dociskające do wewnętrznej ściany cylindra. Ponieważ obwód cylindra (250 mm) był mniejszy niż typowa ścieżka skanowania (300 mm), przekładnia silnika została zmniejszona, aby poprawić rozdzielczość skanowania wzdłuż ścieżki, wynikająca z tego zmiana geometrii obrazu była stosunkowo łatwa do skorygowania w oprogramowaniu do przechwytywania obrazu . Powstały zespół pokazano na rysunku 8.
Ciasne dopasowanie elektroniki wymagało dość wąskich tolerancji wewnętrznych, a przezroczysty cylinder musiał zmieścić się w zewnętrznym cylindrze pancerza o węższych tolerancjach. To ostatnie było konieczne, aby uniknąć przerw między obrazowaną powierzchnią osadu a płaszczyzną obrazowania. Luki powodują opadanie lub rozmazywanie się osadów i obniżają wartość naukową profilu osadów. Ostatecznie zastosowano samochodowe rury wydechowe ze stali nierdzewnej kształtowane za pomocą siłownika hydraulicznego przy użyciu niestandardowego stożka ze stali nierdzewnej (316). W środkowej części wycięto portale, aby umożliwić zobrazowanie obszaru o wymiarach 210 x 150 mm podzielonego na cztery okna.
Aby wstrzykiwać wodę do osadów tak, aby niektóre wypierały, ale nie przeszkadzały innym, odlano i zamontowano głowicę penetrującą. Szereg geometrii głowic penetrujących zbadano za pomocą serii modeli w skali ¼ przymocowanych do penetrometru i wtłoczonych w piaszczyste osady pod wodą. Jako najbardziej wydajną wybrano płaszczyznę o ostrym kącie z usuniętą przesuniętą sekcją stożkową. W tej konfiguracji głowica najpierw oddzielała (przy użyciu siły) osady, które mają zostać przemieszczone, jednocześnie podtrzymując osady ściany otworu. Wir wodny został utworzony przez ustawione pod kątem strumienie wody w przestrzeni stożkowej. Ten projekt znacznie zakłócił osady w jednym sektorze „wydechu” obrazu SPI, ale zminimalizował zakłócenia w pozostałej części. Głowicę penetratora wykonano poprzez wyrzeźbienie 1,5 kg masła w żądany kształt, następnie odlanie negatywu z gipsu paryskiego, w formie zamontowano dysze wodne (rurki miedziane), całość wysuszono w piecu w temperaturze 70° C przez trzy dni, a następnie odlać dodatnio, używając około 7 kg stopionego ołowiu. Ostateczna głowica penetratora jest pokazana na rysunku 10. Przed rozmieszczeniem urządzenie wymagało uwiązania zapewniającego połączenia elektryczne i mechaniczne ze statkiem nawodnym oraz ramy zapewniającej prostopadłe wejście na dno morskie.
Pierwszy prototyp został skonstruowany jako ćwiczenie sprawdzające słuszność koncepcji. Jest mało prawdopodobne, aby szklany cylinder przetrwał wielokrotne użycie w terenie. Urządzenie zostało poddane symulowanej aplikacji SPI: monitorowanie pokrywy kopca urobku. Bęben o pojemności 450 litrów został wypełniony drobnym piaskiem z lokalnej plaży. Kleisty muł i materiał wielkości gliny zostały następnie ułożone w oddzielnych warstwach wraz z piaskiem. Następnie na wierzch położono „czapkę” z gruboziarnistego piasku i cały bęben napełniono wodą morską. Penetracja była zadowalająca (13 cm obrazu, kolejne 15 cm dla głowicy penetratora), ale zgodnie z oczekiwaniami rozdzielczość była słaba.
Drugi prototyp
Doświadczenie w budowaniu i testowaniu pierwszego prototypu pozwoliło zidentyfikować kilka kluczowych problemów. Wybrana technologia skanera zapewniała dużą głębię ostrości (przydatną do identyfikacji cech powierzchni), ale wymagała dużej objętości dla zespołu lustra (które musiało zostać wzmocnione, aby wytrzymać wibracje). Ponadto pancerz, kołnierze wsporcze i rury wodociągowe ograniczały dalszą penetrację osadów i powodowały zaburzenia osadów. Pożądane było przeniesienie całego chodnika wodnego do środka modułu skanera, tak aby możliwa była szybka wymiana głowic penetrujących w terenie. Było prawdopodobne, że różne kształty byłyby bardziej skuteczne w przypadku różnych tekstur i tkanin osadów. Decyzje te doprowadziły do alternatywnej technologii skanera, która została opracowana i wprowadzona na rynek głównie na początku XXI wieku. Jest znany pod różnymi nazwami, takimi jak obrazowanie kontaktowe, obrazowanie bezpośrednie lub pośrednia ekspozycja na diody LED (patent USA 5499112). W tej technologii ciąg diod LED strobuje kolory podstawowe na płaszczyźnie obrazowania. Oświetlenie jest kluczowe, więc płaszczyzna obrazowania musi być blisko. Światło odbite od płaszczyzny obrazowania jest kierowane do szeregu światłowodów, które prowadzą do elementów CCD. Fizyczne rozmieszczenie światłowodów i płaszczyzny obrazowania ogranicza głębię ostrości przy użyciu tej technologii. Testy z użyciem skanerów konsumenckich wykazały, że płaszczyzna obrazowania może znajdować się w odległości 1–3 mm od głowicy skanującej w przypadku obrazów w pełnej rozdzielczości, ale szybko spada. Elementy sceny oddalone o 5 mm lub więcej od głowicy skanującej były prawie niemożliwe do zidentyfikowania. Ponieważ podstawową wartością obrazów SP jest dwuwymiarowość, to ograniczenie było niewielkim kompromisem w stosunku do wielkich oszczędności w przestrzeni. Technologia półprzewodnikowa jest odporna na wibracje i nie wymaga stosowania luster. Niestety oświetlenie UV było trudne do zapewnienia bez specjalnie zaprojektowanej głowicy skanującej i dlatego nie zostało uwzględnione w drugim prototypie.
Jedną z głównych zalet SPI jest to, że niezawodnie dostarcza informacji o osadach niezależnie od przejrzystości wody. Jednak wiele zastosowań SPI, takich jak mapowanie siedlisk i wykrywanie prawdy naziemnej sonaru bocznego, skorzystałoby na obrazowaniu powierzchni dna morskiego, gdy pozwala na to widoczność. Ponieważ uwięź zapewniała źródło zasilania i łączność komputerową ze statkiem nawodnym, dodanie aparatu cyfrowego w celu zobrazowania powierzchni dna morskiego bezpośrednio przylegającej do profilu osadów było kolejnym koncepcyjnie prostym dodatkiem. Układ laserowy otaczający kamerę umożliwił skorygowanie geometrii obrazu powierzchni dna morskiego (ponieważ jest on rejestrowany pod zmiennym kątem) i jego skali. Takie obrazy zapewniają szerszą ramę odniesienia, w której można interpretować sąsiedni profil osadów i pozwalają na bardziej świadome oszacowanie łączności wielu profili z siedliskiem. Przekrój podłużny drugiego prototypu z kamerą powierzchniową na dnie morskim przedstawiono na rysunku 11. Typową konfigurację rozmieszczenia pokazano na rysunku 12.
Rysunek 11. Przekrój podłużny przez drugi prototyp skanera SPI-Scan wyprodukowany przez firmę Benthic Science Limited . A) przestrzeń elektroniki, B) zespół silnik/przekładnia połączony z pionowym wałem napędowym, C) jeden z pięciu laserów, D) CCD powierzchni dna morskiego, E) gondol kamery, F) głowica skanująca, G) zmienny w terenie penetrator z galeriami wodnymi oraz dysze, H) wymienialne w terenie ostrze tnące, I) uchwyt głowicy skanującej, J) centralna galeria wodna pod ciśnieniem, K) cylinder z przezroczystego poliwęglanu, L) pompa wodna.
Rysunek 12. Schemat drugiego prototypu (jedna noga ramy usunięta dla przejrzystości), jak przewidziano na miejscu , z aktywnymi laserami skali/geometrii emanującymi z powierzchniowego uchwytu kamery.
Wyniki próby terenowej
Kilka decyzji podjętych na etapie projektowania wpłynęło na ostateczną użyteczność tego urządzenia. System REMOTS doskonale nadaje się do dostarczania zobrazowań punktowych SP na głębokich wodach z dużych jednostek pływających. Prototypy SPI-Scan były specjalnie przeznaczone do pracy na płytkich wodach z małych statków. Chociaż projekt można zmodyfikować, aby działał głębiej, zastosowano 50-metrowy uwięź, aby umożliwić skuteczne działanie na 30 m wody. Testy terenowe zostały najpierw przeprowadzone na głębokości 29 m z R/V Munida na Wydziale Nauk o Morzu Uniwersytetu Otago.
Rysunek 13. Drugi prototyp w próbach terenowych. Widziany tutaj rozmieszczający się z 6-metrowego R/V Nauplius (u góry po lewej), na dnie morskim, choć zablokowany w pozycji górnej (u góry po prawej i u dołu po lewej – lasery tutaj nie są widoczne) i zaczynający kopać w piasku (u dołu po prawej).
Kolejny zestaw prób morskich przeprowadzono w pobliżu obiektu akwakultury z 5-metrowego statku badawczego. Zebrano siedemdziesiąt osiem obrazów z około 20 wdrożeń. Rycina 14 przedstawia dwa reprezentatywne obrazy. Cyfrowe obrazy zawierają znacznie więcej szczegółów niż reprodukowane tutaj, jak pokazano na rysunku 15.
Rysunek 14. Oto dwie części profili osadów pobranych 1 km od zakładu akwakultury wzdłuż prądu pływowego (po lewej) i w poprzek (po prawej). Podziałki skali po prawej stronie są oddalone od siebie o 1 mm.
Ryc. 15. Fragmenty obrazów z ryc. 14 pokazano na panelach 6, 7 i 8. Tekstura osadu jest szczegółowo opisana na panelu 6, wieloszczet jest widoczny na panelu 7, a panel 8 przedstawia fragmenty muszli jeżowca sercowego w mule matryca. Panel 9 przedstawia nurka, który pokazuje skanerowi kciuk w górę, aby zilustrować ograniczoną głębię ostrości drugiego prototypu. O słabej widoczności wody świadczy również mocne oświetlenie w tle. Wszystkie podziałki skali podane są w milimetrach.
Komputer powierzchniowy stemplował datę i godzinę pobrania bezpośrednio na obrazie SP. Niestandardowe oprogramowanie integrowało strumień danych NMEA z GPS podłączonego do portu szeregowego komputera, aby również stemplować położenie geograficzne statku nawodnego (lub urządzenia, jeśli jest korygowane przez wyjście NMEA z akustycznego układu radiolatarni pozycjonujących). Oprogramowanie wykorzystuje ponadto modyfikację standardu graficznego GEOTiff w celu osadzenia informacji o położeniu geograficznym i układzie odniesienia w znacznikach obrazu. Pozwala to na automatyczne umieszczanie obrazów SPI i powierzchni dna morskiego w odpowiednich przestrzennie pozycjach podczas otwierania w pakiecie GIS. Ta funkcja umożliwia ocenę danych dennych w terenie w czasie rzeczywistym w celu podjęcia decyzji o pobieraniu próbek.
Przyszłe kierunki
Próby terenowe dowiodły, że urządzenie generuje użyteczne obrazy (analiza obrazu to osobny temat poruszany w szerszej literaturze). Technologia jest znacznie tańsza niż inne istniejące urządzenia SPI i może być wdrażana z małych statków (ok. 5 m) przez dwie osoby obsługujące lekką ramę lub żurawik. Rozwój urządzenia jest kontynuowany dzięki lepszym geometriom i technologiom penetracji, większej liczbie hydrodynamicznych obudów i dodatkowym opcjom czujników. Koeniga i in. (2001) dokonali przeglądu niektórych ekscytujących odkryć w czujnikach optycznych (znanych również jako optody lub folie reaktywne) zdolnych do rozdzielenia subcentymetrowego rozkładu tlenu (przy użyciu metody fluorescencji rutenu bez zużycia energii) i pH. Od dłuższego czasu dostępne są również bardzo małe sondy redoks (Eh). Vopel i in. (2003) wykazali użyteczność łączenia takich instrumentów w badaniu interakcji między zwierzętami a osadami. Instrumenty te można stosunkowo łatwo zintegrować z aparatem do obrazowania osadów i umożliwiłyby bezwzględną kwantyfikację profili geochemicznych osadów w niewielkiej liczbie miejsc w celu poinformowania o analizie otaczających obrazów SP. Dodanie oświetlenia UV jest tylko kwestią produkcyjną. Możliwości UV mogłyby rozszerzyć rolę SPI w bezpośrednim monitorowaniu zanieczyszczeń w portach lub ocenie skutków wycieków petrochemicznych. Rozdzielczość obrazu SP jest wystarczająco wysoka, aby umożliwić badanie znacznika osadu bez kosztownego barwienia, jeśli minerał znacznika ma unikalny kolor lub charakterystykę fluorescencji.
Keegana i in. (2001) zwrócili uwagę, że same chemiczne i fizyczne pomiary środowiskowe są łatwe do określenia ilościowego i łatwe do odtworzenia, ale ogólnie są słabymi monitorami zdrowia środowiskowego. Teoria biologiczna i ekologiczna jest wystarczająco zaawansowana, aby być pełnoprawnym partnerem w prawodawstwie środowiskowym, monitorowaniu i egzekwowaniu (Karr 1991) i może zapewnić odpowiedni kontekst lokalny do interpretacji wyników fizykochemicznych. W typowej ocenie wpływu marikultury na bentos Weston (1990) stwierdził, że skład chemiczny osadu (CHN, siarczki rozpuszczalne w wodzie i pomiary redoks) miary wpływu wzbogacenia organicznego rozciągały się tylko na 45 m od gospodarstwa, ale efekty społeczności bentosu były widoczne dla 150 m. SPI może wyjaśnić wiele z tych ważnych parametrów biologicznych. Benthic Science Limited kontynuuje rozwój technologii SPI-Scan.
Betteridge, KFE, JJ Williams i in. (2003). „Oprzyrządowanie akustyczne do pomiaru procesów i hydrodynamiki osadów przydennych”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 285: 105–118.
Biles, CL, M. Solan i in. (2003). „Przepływ modyfikuje wpływ różnorodności biologicznej na funkcjonowanie ekosystemu: badanie osadów ujść rzek in situ”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 285: 167–177.
Chandrasekara, WU i CLJ Frid (1998). „Ocena laboratoryjna przeżycia i ruchu pionowego dwóch gatunków ślimaków epibentosowych, Hydrobia ulvae (Pennant) i Littorina littorea (Linnaeus), po zakopaniu w osadzie”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 221 (2): 191–207.
Chang, BD i CD Levings (1976). „Eksperymenty laboratoryjne dotyczące wpływu zrzucania oceanów na bezkręgowce bentosowe. 2. Wpływ pochówku na kąkol serca (Clinocardium nuttallii) i kraba Dungeness (Cancer magister).” Raporty techniczne: badania i rozwój rybołówstwa i usług morskich (662).
Cruz-Motta, JJ i J. Collins (2004). „Wpływ usuwania urobku z pogłębiania na tropikalny zespół denny z miękkim dnem”. Biuletyn dotyczący zanieczyszczeń morskich 48 (3-4): 270–280.
Cutter, GR i RJ Diaz (1998). „Nowatorska teledetekcja optyczna i prawda naziemna siedlisk bentosowych przy użyciu systemu kamer profilujących osady Burrow-Cutter-Diaz (sanie BCD)”. Journal of Shellfish Research 17 (5): 1443–1444.
Diaz, RJ i GRJ Cutter (2001). Pomiar in situ interakcji organizm-osad: tempo tworzenia się nor, porzucanie i utlenianie osadów, redukcja. Sympozjum Organizm-Osad. Columbia, University of South Carolina Press: 19–32.
Diaz, RJ, LJ Hansson i in. (1993). „Szybka sedymentologiczna i biologiczna ocena osadów zanieczyszczonych węglowodorami”. Zanieczyszczenie wody, powietrza i gleby 66: 251–266.
Fenchel, TM i RJ Riedl (1970). „System siarczkowy: nowa społeczność biotyczna pod utlenioną warstwą dna piasku morskiego”. Biologia morska 7: 255–268.
Germano, JD (1992). Morskie usuwanie urobku: wnioski wyciągnięte z dwóch dekad monitorowania za granicą. Auckland, porty Auckland: 4.
Gowing, L., S. Priestley i in. (1997). „Monitorowanie miejsca utylizacji pogłębiarek w zatoce Hauraki przy użyciu zarejestrowanych REMOTS i innych ustalonych technik pobierania próbek”. Wybrzeża Pacyfiku i porty ' 2 (532). Graf, G. (1992). „Sprzężenie bentosowo-pelagiczne: przegląd bentosu”. Oceanografia i biologia morska: roczny przegląd 30: 149–190.
Gray, JS, WGJ Ambrose i in. (1999). Wnioski i Rekomendacje. Cykl biogeochemiczny i ekologia osadów. JS Gray, WGJ Ambrose i A. Szaniawska. Dordrecht, Wydawcy akademiccy Kluwer: 229–232.
Grizzle, RE i CA Penniman (1991). „Wpływ wzbogacania organicznego na bentos makrofauny ujść rzek: porównanie obrazowania profilu osadów i metod tradycyjnych”. Postęp ekologii morskiej, seria 74: 249–262.
Hargrave, BT, GA Phillips i in. (1997). „Ocena bentosowych skutków wzbogacania organicznego z akwakultury morskiej”. Zanieczyszczenie wody, powietrza i gleby 99: 641–650. Heip, C. (1992). „Badania bentosowe: podsumowanie i wnioski”. Seria Postępów Ekologii Morskiej 91: 265–268.
Hewitt, JE, SF Drozd i in. (2002). „Integracja heterogeniczności w skalach przestrzennych: interakcje między Atrina zelandica a makrofauną bentosową”. Seria postępów w ekologii morskiej 239: 115–128.
Johnson, BH i PR Schroeder (1995). STFATE -Krótkoterminowy los utylizacji urobku w modelach na wodach otwartych., Stacja Eksperymentalna US Army Engineer Waterways. Karr, JR (1991). „Integralność biologiczna: długo zaniedbywany aspekt zarządzania zasobami wodnymi”. Zastosowania ekologiczne 1 (1): 66–84.
Keegan, BF, DC Rhoads i in. (2001). Obrazowanie profilu osadów jako narzędzie monitorowania bentosu: wprowadzenie do „długoterminowej” oceny historii przypadku (Zatoka Galway, zachodnie wybrzeże Irlandii). Sympozjum Organizm-Osad. Columbia, University of South Carolina Press: 43–62.
Koenig, B., G. Holst i in. (2001). Obrazowanie dystrybucji tlenu na bentosowych interfejsach: krótki przegląd. Sympozjum Organizm-Osad. Columbia, University of South Carolina Press: 63.
Maurer D., RT Keck i in. (1986). „Pionowa migracja i śmiertelność bentosu morskiego w urobku: synteza”. Internationale Revue Der Gesamten Hydrobiologie 71 (1): 49–63.
Maurer D., RT Keck i in. (1982). "Migracja pionowa i śmiertelność bentosu w urobku: część III - Wieloszczety." Badania środowiska morskiego 6 (1): 49–68.
Mazzola, A., S. Mirto i in. (1999). „Początkowy wpływ hodowli ryb na zespoły meiofauny w osadach przybrzeżnych zachodniej części Morza Śródziemnego”. Biuletyn zanieczyszczenia morza 38 (12): 1126–1133.
Nilsson, HC i R. Rosenberg (1997). „Ocena jakości siedlisk bentosowych fiordu ze stresem tlenowym na podstawie obrazów profilu powierzchni i osadów”. J. Mar. Syst 11: 249–264.
NOAA (2003). Program charakteryzacji i odbudowy krajobrazu (LCR), NOAA Coastal Services Center. 2003.
Noda, T. (2004). „Przestrzenne podejście hierarchiczne w ekologii społeczności: sposób poza dużą zależność od kontekstu i niską przewidywalność zjawisk lokalnych”. Ekologia populacji 46 (2): 105–117.
Ontario, BI o. (2006). Kody kreskowe systemów danych dotyczących życia, Biodiversity Institute of Ontario. 2006. Komisarz parlamentarny (1995). Unieszkodliwianie pogłębiarek w Zatoce Hauraki: Raport końcowy Panelu Przeglądu Technicznego. Wellington, Nowa Zelandia, parlamentarny komisarz ds. środowiska: 71.
Patterson, A., R. Kennedy i in. (2006). „Test terenowy nowatorskiej, niedrogiej, opartej na skanerze kamery do obrazowania profilu osadu”. Limnologia i oceanografia: metody 4: 30–37.
Pearson, TH i R. Rosenberg (1978). „Sukcesja makrobentosowa a wzbogacenie organiczne i zanieczyszczenie środowiska morskiego”. Oceanografia i biologia morska: roczny przegląd 16: 229–311.
Pech, D., AR Condal i in. (2004). „Oszacowanie liczebności bezkręgowców skalistych brzegów w małej skali przestrzennej za pomocą fotografii cyfrowej o wysokiej rozdzielczości i cyfrowej analizy obrazu”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 299 (2): 185–199.
Pocklington, P., DB Scott i in. (1994). Reakcja wieloszczetów na różne działania w akwakulturze. Actes de la ème Conférence internationale des Polychètes, Paryż, Francja, Mém. Mus. natn. Hist. Nat. Rabouille, C., L. Denis i in. (2003). „Zapotrzebowanie na tlen w przybrzeżnych osadach morskich: porównanie mikroelektrod in situ i inkubacji rdzeni laboratoryjnych”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 285: 49–69.
Rainer, SF (1981). Zbiorowiska bentosowe o miękkim dnie w porcie Otago i zatoce Blueskin w Nowej Zelandii. Dunedin, Nowa Zelandia, Pamiętnik Instytutu Oceanograficznego Nowej Zelandii: 38.
Ramsay, S. (2005). Zastosowanie RTK GPS do profilowania plaży o dużej gęstości i precyzyjnej batymetrii do oceny odnawiania osadów w Shelly Beach, Otago Harbour, Nowa Zelandia. Pomiary hydrograficzne. Dunedin, Nowa Zelandia, Uniwersytet Otago: 131.
Rees, HL, SM Rowlatt i in. (1992). Badania bentosowe w miejscach składowania urobku z urobku w Zatoce Liverpoolskiej, Dyrekcja ds. Badań Rybołówstwa Ministerstwa Rolnictwa, Rybołówstwa i Żywności: 21.
Rhoads, DC i S. Cande (1971). „Kamera profilowa osadu do badania in situ relacji między organizmem a osadem”. Limnologia i oceanografia 16: 110–114.
Rhoads, DC, C. Coyle i in. (1997). Metody i aparatura do wykonywania pomiarów spektroskopowych warstw osadów pod zbiornikiem wodnym. Patent Stanów Zjednoczonych 5,604,582. Stany Zjednoczone Ameryki, Science Application International Corporation (San Diego, Kalifornia).
Rhoads, DC i JD Germano (1982). „Charakterystyka relacji między organizmami a osadami za pomocą obrazowania profilu osadów: wydajna metoda zdalnego monitoringu ekologicznego dna morskiego (System Remots (tm)).” Postęp ekologii morskiej, seria 8: 115–128.
Rhoads, DC, R. Ward i in. (2001). Znaczenie technologii w badaniach i monitorowaniu bentosu: spojrzenie wstecz, aby zobaczyć przyszłość. Sympozjum Organizm-Osad. Columbia, University of South Carolina Press: 1-15.
Rogers, KM (2003). „Stabilne sygnatury izotopów węgla i azotu wskazują na regenerację fauny i flory morskiej po zanieczyszczeniu ściekami w Moa Point w Nowej Zelandii”. Biuletyn dotyczący zanieczyszczenia morza 46 (7): 821–827.
Rumohr, H. i H. Schomann (1992). „Profile osadów REMOTS wokół eksploracyjnej platformy wiertniczej na południowym Morzu Północnym”. Seria postępów w ekologii morskiej 91: 303–311.
Schleyer, MH, JM Heilkoop i in. (2006). „Badania denne Aliwal Shoal i ocena wpływu ścieków z miazgi drzewnej na rafę”. Biuletyn zanieczyszczenia morza 52: 503–514.
Schratzberger, M., HL Rees i in. (2000). "Wpływ symulowanej depozycji urobku na strukturę zgrupowań nicieni - rola zanieczyszczeń." Biologia morska 137 (4): 613–622.
Smith, CJ, H. Rumohr i in. (2003). „Analiza wpływu włoków dennych na osadowe dna morskie za pomocą zdjęć profilu osadów”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 285: 479–496.
Solan, M., JD Germano i in. (2003). „W kierunku lepszego zrozumienia wzoru, skali i procesu w morskich systemach bentosowych: obraz jest wart tysiąca robaków”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 285: 313–338.
Solan, M. i R. Kennedy (2002). „Obserwacja i ocena ilościowa relacji między zwierzęciem a osadem in situ przy użyciu poklatkowego obrazu profilu osadu (t-SPI)”. Seria postępów w ekologii morskiej 228: 179–191.
Somerfield, PJ i KR Clarke (1997). „Porównanie niektórych metod powszechnie stosowanych do zbierania osadów sublitoralnych i związanej z nimi fauny”. Badania środowiska morskiego 43 (3): 145–156.
Sulston, J. i G. Ferry (2002). Wspólny wątek. Waszyngton, DC, USA, Joseph Henry Press. Drozd, SF, SM Lawrie i in. (1999). Problem skali: niepewność i implikacje dla społeczności morskich z miękkim dnem oraz ocena wpływu człowieka. Cykl biogeochemiczny i ekologia osadów. JS Gray, WGJ Ambrose i A. Szaniawska. Dordrecht, Wydawcy akademiccy Kluwer: 195–210.
Tkaczenko, KS (2005). „Ocena systemu analizy transektów wideo wykorzystywanych do pobierania próbek epibioty subpływowej”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 318 (1): 1–9.
Viollier, E., C. Rabouille i in. (2003). „Biogeochemia bentosu: najnowocześniejsze technologie i wytyczne dotyczące przyszłości badań in situ”. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 285: 5-31.
Vopel, K., D. Thistle i in. (2003). „Wpływ kruchej gwiazdy Amphiura filiformis (Amphiuridae, Echinodermata) na przepływ tlenu do osadu”. Limnologia i oceanografia 48 (5): 2034–2045.
Weston, DP (1990). „Ilościowe badanie zmian zbiorowisk makrobentosowych wzdłuż gradientu wzbogacenia organicznego”. Postęp ekologii morskiej, seria 61: 233–244.
Zajac, RN (1999). Zrozumienie krajobrazu dna morskiego w odniesieniu do oceny oddziaływania i zarządzania środowiskiem w przybrzeżnych osadach morskich. Cykl biogeochemiczny i ekologia osadów. JS Gray, WGJ Ambrose i A. Szaniawska. Dordrecht, Wydawcy akademiccy Kluwer: 211–228.