Изображения профиля осадка - Sediment Profile Imagery - Wikipedia

Изображение профиля осадка (SPI) подводная техника для фотографирование интерфейс между морское дно и вышележащая вода. Этот метод используется для измерения или оценки биологических, химических и физических процессов, происходящих в первых нескольких сантиметрах осадок, грунтовая вода, и важные бентосный пограничный слой воды. Промежуток времени визуализация (tSPI) используется для изучения биологической активности в течение естественных циклов, таких как приливы и дневной свет или антропогенный переменные, такие как подача грузов в аквакультура. Системы SPI стоят от десятков до сотен тысяч долларов и весят от 20 до 400 килограммов. Традиционные блоки SPI можно эффективно использовать для исследования континентальный шельф и бездонные глубины. Недавно разработанный SPI-сканирование или системы rSPI (ротационный SPI) теперь также можно использовать для недорогих исследований мелководных (<50 м) пресных вод, эстуарий, и морской системы.

Преимущества

Люди сильно ориентированы на зрение. Нам нравится информация в виде изображений, и мы можем интегрировать множество различных типов данных, когда они представлены в одном или нескольких изображениях. Кажется естественным искать способ напрямую визуализировать граница раздела отложений и воды с целью изучения взаимодействия животных и отложений в морском бентосе. Роадс и Канде (1971) сделали снимки границы раздела отложений и воды с высоким разрешением (субмиллиметр) в небольших пространственных масштабах (сантиметры), чтобы быстро изучить структуру бентоса во времени или в больших пространственных масштабах (километры). Разрезав морское дно и сделав снимки вместо физических кернов, они проанализировали изображения вертикального профиля отложений с помощью метода, известного как SPI. В последующие десятилетия этот метод был усовершенствован за счет ряда механических усовершенствований, а также технологий цифровой обработки изображений и анализа. В настоящее время SPI - это хорошо зарекомендовавший себя подход, принятый в качестве стандартной практики в нескольких частях мира, хотя его более широкое внедрение было затруднено частично из-за стоимости оборудования, его развертывания и трудностей с интерпретацией. Он также потерпел неудачу в некоторых парадигмах. Объем информации, которую человек может извлечь из изображений, в целом, нелегко и многократно сводить к количественным и интерпретируемым значениям (но см. Печ и др., 2004; Ткаченко, 2005). Сулстон и Ферри (2002) писали об этой трудности в связи с изучением генома человека. Электронно-микроскопические изображения их модельного организма (Caenorhabditis elegans) содержали много информации, но многие ученые игнорировали их, потому что их было трудно измерить количественно, но эта графическая информация в конечном итоге привела к глубокому и поддающемуся количественной оценке пониманию основных принципов и механизмов. Таким же образом успешно использовался SPI, поскольку он фокусировался на интеграции визуальных данных и нескольких объективно измеримых параметров при разведке и мониторинге объекта.

История и применение

Обычные погружения ограничиваются мелководьем. Дистанционный отбор проб более глубоких отложений с высоким содержанием воды часто бывает ненадежным из-за волн из-за изгиба пробоотборника, уплотнения при ударе или неоднородности поверхностных отложений (Somerfield and Clarke 1997). В 1971 году Роадс и Канде описали прибор для решения проблем адекватного наблюдения и сбора илистых отложений. Их оборудование для дистанционного отбора проб представило область на месте вертикальные изображения профиля отложений и то, что сейчас принято называть камерами SPI. Устройство в основном представляет собой коробку клиновидной формы, установленную в раме. Коробка имеет наклонную грань из прозрачного акрила и камеру, направленную вниз (рис. 1). Груз вдавливает клин и его внутреннее зеркало в отложения. Зеркало, расположенное под углом 45 ° к прозрачному участку, отражает изображение пронизанной границы раздела наносов и воды на подводную камеру, как в перископ. Чтобы он оставался жестким на глубине, клин заполняется дистиллированной водой.

Рисунок 1. Схематический чертеж профильной камеры в частичном разрезе, показывающий люльку в нижнем положении, пересекающую дно. А - провисание троса лебедки; Б- маслонаполненный цилиндр; С - шток поршня; D - поршень с отверстием малого диаметра; Электронный аккумуляторный отсек с герконом, F-грузила, G-камера (ориентирована вертикально); H- светлый; I- Гильотина из оргстекла, заполненная дистиллированной водой; J- граница раздела осадок-вода; K- Зеркало под углом 45 °, отражающее профиль раздела отложения и воды под углом 90 ° к объективу камеры. Взято из Роадса и Канде (1971).

Их устройство возвращало изображения, такие как показанные на рисунке 2. На первый взгляд изображения SP могут показаться непримечательными, но анализ десятков изображений позволяет раскрыть широту содержащейся в них информации. На Рисунке 2 сразу видны грубая текстура и содержание воды в осадке. Поскольку разрешение позволяет отображать отдельные песчинки, можно оценить классические текстурные параметры (процентное содержание гравия, песка и грязи) и оценить средний размер зерна. Граница раздела осадок-вода четкая. Если изображение было получено сразу после вставки, это наблюдение указывает на то, что устройство вошло на морское дно с небольшим возмущением. Кроме того, интерфейс отличается. Хотя это и кажется очевидным, на некоторых морском дне вместо дискретной точки перехода имеется пограничный слой взвешенных наносов с широким градиентом плотности. Это состояние имеет фундаментальное значение для многих донных организмов. Также очевидна биологическая активность. При калибровке с использованием традиционных отборных проб или кернов в сочетании с несколькими SP-изображениями разрешение позволяет идентифицировать некоторую инфауну, включая трубчатые полихеты сабеллид, разделенную пополам нереиду и насыпь, образованную морским огурцом, как показано на рисунке 2.

Фигура 2. Фотография профиля донных отложений на иловом дне глубиной 35 м в заливе Кейп-Код, штат Массачусетс. Место фотографии проходит через фекальную насыпь, произведенную Molpadia oolitica (голотурий). На вершине конуса обитает полихета сабеллид Euchone incolor (A). Заблудшая полихета была разрезана гильотиной (B). Пустоты на глубине образуются в результате кормления M. oolitica (C). Окисленный (бедный сульфидами) осадок светлого цвета простирается примерно на 3 см ниже поверхности осадка. Взято из Роадса и Канде (1971).

Другой важной особенностью рисунка 2 является отчетливое изменение цвета поверхностных отложений и более глубоких отложений. Этот градиент изменения цвета, хотя и непрерывный, известен как кажущаяся глубина неоднородности окислительно-восстановительного потенциала (ARPD) при уменьшении до средней точки перехода. При правильном рассмотрении в сочетании с местной геологией и уровнями биотурбации глубина и характер ARPD могут дать глубокое понимание взаимосвязей между геохимией отложений и биологической активностью. Обзор Graf (1992) поддерживает ранние наблюдения Jorgensen & Fenchel (1970) о том, что отложения можно разделить на ядовитый, субоксический и бескислородный уровни с фундаментальными последствиями для биоты. Они определили эти границы как встречающиеся на уровне> 300 мВ (окислительно-восстановительный потенциал) для кислородных хемоклинов и менее 100 мВ для бескислородных хемоклинов (с субкислотными промежуточными), как показано на рисунке 3. Вертикальное положение этих границ может варьироваться в зависимости от сезона и локально в ответ на поступление и перемешивание детрита (из-за биотурбации или физически опосредованного перемешивания) со скоростью 1 см / сут. Аноксические отложения, как правило, токсичны для большинства животных из-за свободного H₂S и низкий pH. В этой восстановительной среде также могут выпадать в осадок тяжелые металлы. Некоторые тяжелые металлы, такие как кадмий и медь, стабилизированы в виде сульфидов и не растворяются легко, но могут быстро восстанавливаться и загрязнять воду пограничного слоя, если восстанавливаются кислородные условия (Graf 1992). Проникновение химических веществ из вышележащих вод в эти слои в значительной степени зависит от размера и формы зерен отложений. Используя жидкий бромидный индикатор, Дике (в Graf 1992) обнаружил, что только молекулярная диффузия проникает в мягкие отложения на 4 см за один день и на 8 см через 4 дня. Биотурбация может ускорить этот процесс до десяти раз. Таким образом, хемоклины влияют на бентосные организмы и, в свою очередь, на них воздействуют. Помимо эффекта исключения и биотурбации аэробных организмов, Фенчел и Ридл (1970) первыми начали исследования необычной фауны, населяющей субкислые области отложений. Ясно, что инструменты SPI могут многое предложить в подобных исследованиях.

The redox potential discontinuity (RPD). Figure taken from Graf (1992).

Рисунок 3. Разрыв окислительно-восстановительного потенциала (RPD) - послойная концепция Fenchel & Reidel (1970). Осадок делится на бескислородный, субкислородный и кислородный слои. Вдоль стенок трубок и нор животных редокс-изолинии вдавлены (см. Jorgensen & Revsbech, 1985). Согласно измерениям кислорода с помощью микроэлектрода, так называемый кислородный слой действительно не содержит свободного кислорода по всей глубине. Рисунок взят из Graf (1992).

Роадс и Джермано (1982) разработали список параметров, взятых из SPI, в попытке уменьшить и количественно оценить конкретные экологические атрибуты и сделать их доступными для традиционного статистического анализа. Их список был изменен и уточнен по всей литературе, но суммирован в таблице 1. Некоторые из этих параметров могут быть откалиброваны и воспроизводимы в различных средах обитания. Структура валовых отложений, вероятно, является наименее спорным и наиболее информативным параметром для составления карт бентических местообитаний и определения воздействий, изменяющих отложения. Очевидный разрыв окислительно-восстановительного потенциала (ARPD) также может быть важным параметром оценки. Например, одним из сообщенных эффектов устойчивой деятельности аквакультуры для прибрежной среды является осаждение и накопление богатых органическими веществами отложений рядом с производственной площадкой, будь то фекалии и псевдофекалии моллюсков или несъеденная пища и выделения плавниковых рыб. Это может привести к увеличению потребления кислорода отложениями, образованию бескислородных отложений, а также образованию и выбросу вредных газов, таких как метан, H₂S и CO₂ которые могут повлиять на толщу воды, бентическую макрофауну (Pocklington et al. 1994) и мейофауну (Mazzola et al. 1999). Взаимосвязь между инфауной, субкисленными отложениями и обогащением органическими веществами хорошо задокументирована (Weston 1990; Rees et al. 1992; Hargrave et al. 1997). Эта система очень похожа на систему, описанную Пирсоном и Розенбергом (1978), как показано на рисунке 4. Роадс и Джермано (1982) продвинули эту концепцию на один шаг дальше, присвоив категории различным сукцессионным стадиям в попытке интегрировать биотические и геохимические реакции. до органического обогащения. Для надежного использования определения последовательных стадий должны быть сделаны в биологическом и физическом контексте каждого исследования, обязательно должны быть субъективными и вряд ли будут более чем информативными для аналитиков. Точно так же большинство параметров, представленных в Таблице 1, зависят от места и исследования. Действуя аналогично конусному пенетрометру, глубина проникновения клина SPI в мягкие отложения может быть обычно полезна в качестве заместителя для осадочной ткани, если она откалибрована, но результаты будут чувствительны к различиям в оборудовании и использовании.

Таблица 1

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ SPI	Наблюдение
Размером с зернышко	обычно оценивается визуально; более крупные отложения могут быть определены количественно с помощью автоматического анализа частиц
Глубина проникновения призмы	в качестве прокси для отстойной ткани
Грязевые обломки	количество, размер, окисленные или уменьшенные
Рельеф поверхности осадка	должен учитывать ориентацию / масштаб изображения
Площадь / глубина окислительно-восстановительного потенциала	ARPD
Редокс-контраст	Реликвии редокс-границ
Пузырьки метанового газа	количество, размер, глубина
Углеводороды	H-пятна (Diaz et al. 1993) или спектроскопически (Rhoads et al. 1997)
Наблюдения за сайтом
Биологические параметры SPI
Эпифауна	количество, таксоны
Плотность трубки	число на погонный сантиметр
Кормление пустот	эпифаунал, инфаунал, смешанная, площадь
Видимое видовое богатство	....
Сукцессионный этап	I, II или III, определенные в отношении модели Пирсона-Розенберга и модели Роадса и Джермано (1982)
Наблюдения за сайтом	особая фауна, бактериальные маты и т. д.

Рисунок 4. Диаграмма изменений фауны и структуры донных отложений по градиенту органического обогащения (Pearson and Rosenberg 1978).

Даже с этими ограничениями SPI может быть чрезвычайно мощным инструментом анализа, разведки и мониторинга. Карты типа отложений часто строятся путем отбора проб или керна с последующими днями или неделями лабораторной обработки. После того, как устройство SPI опускается в отложения и записывается изображение, его можно поднимать и опускать повторно без полного извлечения устройства. Такое судно, «прикрепляющее» устройство SPI по заданному маршруту, может обследовать территорию с беспрецедентной экономией по сравнению с физическим сбором образцов. Конечно, существует компромисс между качеством и количеством данных выборки. SPI обеспечивает гораздо больший пространственный охват в течение заданного периода времени за счет детальных дескрипторов отложений, обычно получаемых из физических кернов (анализ текстуры половинного фи, содержание углерода и т. Д.). Управление этим балансом является сутью правильного использования SPI и подчеркивает его сильные стороны. Например, Hewitt et al. (2002), Thrush et al. (1999) и Zajac (1999) обращают внимание на ценность интеграции наблюдений за сообществами макрофауны, собранных в разных масштабах, и их применения для описания процессов, происходящих в разных масштабах в пределах неоднородного бентического ландшафта. При оценке вопросов ландшафтного масштаба редко бывает возможно просто и всесторонне произвести выборку всего пространственного экстента с плотными, равнозначно детализированными точками выборки. Исследователь должен найти компромисс между зерном сбора данных и размерами фактической единицы выборки (обычно 0,1 м² захват или аналогичный), а также лаг - расстояние между единицами выборки, по которому будут интерполироваться результаты (часто от десятков до сотен метров для выборочных выборок). Снимки профиля наносов могут быть эффективным инструментом мониторинга в сочетании с более детальными методами отбора проб, такими как отбор керна макрофауны или непрерывное обследование разрезов отложений (Gowing et al. 1997). Он предлагает точечные данные, которые можно экономично собирать с достаточной периодичностью, чтобы подключать более ресурсоемкие образцы экологически значимым способом. Таким образом, исследование может проводиться во вложенных пространственно-временных масштабах с SPI, обеспечивающим общие карты и взаимосвязь, в то время как другие методы выборки используются для характеристики сообществ и изменчивости в пределах типов местообитаний. Этот тип интеграции необходим для развития нашего понимания и предсказуемости процессов мягких отложений (Thrush et al. 1999; Noda 2004).

Картирование бентических нарушений

SPI использовался для моделирования целостности и работоспособности закрытых участков дноуглубительных работ (NOAA 2003) и участков сдерживания (например, Parliamentary-Commissioner 1995; Gowing et al. 1997). Детальные акустические исследования полигонов отвалов по своей природе ограничены вертикальным разрешением ок. 10 см (Рамзи 2005). Имеются убедительные доказательства того, что покрывающая порода отвалов менее 10 см влияет на виды макрофауны (Чанг и Левингс, 1976; Маурер и др., 1982; Маурер и др., 1986; Чандрасекара, Фрид, 1998; Шратцбергер и др., 2000; Круз-Мотта и Коллинз, 2004 г.). ). Методы обратного рассеяния и высокочастотного гидролокатора бокового обзора могут обеспечить более быструю характеристику протяженности грунта, но только в том случае, если его акустическая отражательная способность или топология достаточно отличается от естественных отложений. Устройства SPI создают изображения границы раздела отложений и воды с субмиллиметровым разрешением. Таким образом, SPI предлагает возможность исследовать морфологию отвалов грунта дноуглубительных работ, уплотнение, веяние, интеграцию с естественными отложениями и, возможно, биологическую активность в масштабе, соответствующем изучаемым ассоциациям макрофауны.
SPI может быть применен и к другим, возможно, более распространенным исследованиям нарушений бентоса (^[1]). Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим исследование воздействия на бентосную окружающую среду гипотетического объекта марикультуры моллюсков. Существует огромное множество подходов к обучению. Существующая информация и доступные ресурсы неизбежно ограничивают любой дизайн. При небольшом количестве информации о типе дна простое разовое исследование пространственного воздействия, подобное тому, которое показано на рисунке 5, с восемью участками вдоль изобаты, с использованием трех повторных захватов от каждого, является довольно распространенным и умеренно эффективным. Предварительный сбор данных, включая батиметрические, водолазные, буксируемые камеры, ROV или гидролокаторы бокового обзора, вероятно, изменит размещение участка и значительно повысит общую информацию и ценность. Сбор таких данных даже на небольшом участке, таком как этот, требует значительных ресурсов и, вероятно, вызовет перерыв в несколько дней, чтобы позволить обработку данных между первыми полевыми днями и событиями отбора проб (именно эта задержка исключает или снижает значение изучения переходных явлений в гидродинамически энергетических областях). Сбор большого количества точечных данных с устройства SPI легко выполняется, когда результирующие снимки бентического характера автоматически помещаются на карту изучаемой области в реальном времени. Этот подход позволяет быстро классифицировать по одной или нескольким интересующим переменным. В водах глубиной <30 м вполне разумно рассчитывать на получение 170 изображений SP, показанных на Рисунке 6, и составление приблизительной карты классификации бентоса за один полевой день. Категории могут быть основаны на структуре наносов, покрывающих породах, конкретном детрите, биоте и т. Д. Затем можно распределить усилия по отбору проб, чтобы сосредоточить внимание на изменчивости сообществ среди основных различий местообитаний, используя захваты, поскольку местообитания повторяются с различным запаздыванием. Такой подход обеспечивает более широкое понимание системы и позволяет принимать более обоснованные решения за счет повышения универсальности данных выборочной пробы. Доказательства SPI могут эффективно увеличить степень с одного измерения до как минимум двух. Корреляция между физическими и биологическими данными, собранными в результате захвата, также позволяет извлечь больше данных из изображений SP путем определения конкретных характеристик (инфаунальные виды, трубы, холмы и т. Д.). Более того, подробный анализ глубин ARPD может быть представлен в виде контуров геохимической среды.

Роадс и Джермано (1982) сравнивают методы SPI с тремя другими исследованиями у восточного побережья США. Их работа поместила SPI в общепринятые экологические рамки и впоследствии расширила его привлекательность и ценность как стандартного инструмента мониторинга. Solan et al. (2003) рассматривают более широкий концептуальный сдвиг от традиционных методологий «убить их и посчитать» в исследованиях бентоса и показать, как интеграция SPI и других оптических и акустических технологий с традиционным отбором проб существенно улучшила наше понимание некоторых бентических процессов. Хотя большинство исследований SPI остаются в «серой литературе» (Keegan et al. 2001), появляется все больше и больше разнообразных приложений. Данные, полученные SPI, были столь же информативными, как и образцы макрофауны по градиенту органического обогащения в системе с умеренным климатом (Grizzle and Penniman 1991). Другие исследования включают исследования Джермано (1992), который исследовал удаление грунта земснарядами в заливе Хаураки в Окленде, и Хейп (1992), который суммировал значение SPI наряду с отбором проб мейо- и макрофауны вблизи морской буровой платформы у Немецкой бухты. Румор и Шоманн (1992) обнаружили, что изображения SP дают важные подсказки и контекст для интерпретации загадочных данных о бентосе. Ранняя работа с использованием SPI для выявления углеводородного загрязнения (Diaz et al. 1993) была позже уточнена, чтобы включить более точные и точные измерения с помощью спектроскопии (Rhoads et al. 1997). Smith et al. (2003) исследовали воздействие промыслового трала с использованием SPI, в то время как Солан и Кеннеди (2002) продемонстрировали использование покадрового SPI для количественной оценки биотурбации офиуроидов. Диаз и Каттер (2001) использовали тот же метод для количественной оценки биотурбации полихет посредством временного образования нор и ее взаимосвязи с проникновением кислорода в отложения. NOAA (2003 и ссылки в нем) сообщает о широкомасштабном использовании SPI для картирования среды обитания, мониторинга материала дноуглубительных работ и кислородного стресса (Nilsson and Rosenberg 1997) в устьевых, прибрежных и глубоководных средах. Помимо чистого исследования, SPI - это метод, хорошо подходящий для многоуровневого мониторинга и соблюдения. Сейчас это широко признано в качестве стандартной техники (Rhoads et al. 2001). Очевидно, что приложения SPI разнообразны и научно обоснованы при правильном применении, но некоторые практические проблемы ограничивают его более широкое использование. Киган и др. (2001) резюмируют, что SPI «... разработан не как замена традиционным инструментам мониторинга бентоса, а как метод исследования и разведки для оптимизации эффективности программ мониторинга бентоса». Далее они заявляют:

«... SPI только сейчас получает заслуженное широкое признание. Хотя это как-то связано с общепризнанными ограничениями в интерпретации изображений, остаются определенные препятствия, связанные с размером и весом устройства, а также с ограничением его использования в грязи и илистом песке. Относительно высокая стоимость самой базовой сборки SPI, пожалуй, наиболее показательна ... SPI, как правило, использовался в деятельности, продвигаемой больше правительством и более состоятельными коммерческими консалтинговыми агентствами по окружающей среде, чем более традиционным исследовательским сектором ».

Разработка системы SPI-Scan [1], также известный как rSPI (ротационный SPI) Брайаном Пааво и Benthic Science Limited, решает проблемы массы и затрат, позволяя пользователям озер и прибрежных районов экономично развертывать системы SPI с небольших судов.

SPI-сканирование нового типа SPI

Для того чтобы сформировать и проверить фундаментальные гипотезы экологии сообщества или обратиться к таким приложениям, как оценка воздействия, сохранение и эксплуатация морской среды, необходимо исследовать сложные взаимодействия между отложениями, организмами и водой. Множество развивающихся технологий постепенно получают признание для измерения и изучения этого динамического взаимодействия с помощью биологических, химических и физических подходов. Viollier et al. (2003) и Rhoads et al. (2001) дают обзор этой темы, хотя используемые технологии и используемые стандарты быстро меняются. Некоторые методы позволили бентологам обратиться к вопросам «общей картины» геохимико-биологических взаимодействий и функционирования экосистем. Betteridge et al. (2003) использовали акустические технологии для измерения динамики отложений. на месте в масштабе, соответствующем макрофауне. Их бентические спускаемые аппараты регистрировали скорость воды вблизи морского дна, одновременно оценивая характер нарушения наносов с высоким разрешением. Бентические камеры использовались для изучения продуктивности реальных сообществ макрофауны при различных режимах течения (Biles et al. 2003). Методы изотопного анализа позволяют пищевой сети и исследования воздействия на окружающую среду (например, Rogers 2003; Schleyer et al. 2006) невозможно было проводить вне лаборатории всего несколько лет назад. Методы короткой последовательности ДНК (например, Институт биоразнообразия Онтарио, 2006 г.) стремительно движутся к автоматизированным методам идентификации и оценки разнообразия, которые обещают революционизировать бентическую экологию.
Киган и др. (2001) описали отношения между работниками и властями, оценивая давно устоявшиеся, хотя зачастую дорогостоящие и медленные, методологии и новейшие технологические разработки как иногда противоречащие друг другу. Gray et al. (1999b) сетовали на сильную институциональную тенденцию экологов наносов полагаться на методы отбора проб, разработанные в начале 1900-х годов! Необходимо найти точный баланс. Некоторая степень инерции парадигмы необходима для сохранения интеллектуальной преемственности, но ее можно зайти слишком далеко. Физика как наука давно столкнулась с этой проблемой и широко охватила новые технологии после создания научной культуры, которая всегда связывает новые методы с установленными открытиями в период калибровки и оценки. Темпы этого процесса в биологии в целом за последние несколько десятилетий ускорились, а экология лишь недавно подошла к этому горизонту. В этой статье представлена одна из таких технологий - получение изображений профиля отложений (SPI), которая постепенно получает признание и в настоящее время проходит период оценки и калибровки, несмотря на то, что существует с 1970-х годов. Как и многие технологии, упомянутые выше, каждая новая возможность требует тщательного рассмотрения ее применимости для любого конкретного приложения. Это особенно верно, когда они пересекают важные, хотя часто тонкие, границы ограничений сбора данных. Например, большая часть наших знаний о бентосе была получена с помощью методов точечной выборки, таких как керны или захваты, тогда как непрерывный сбор данных, как и некоторые методы анализа видеотрансекты (например, Ткаченко 2005), может потребовать различных пространственных интерпретаций, которые более четко интегрируют неоднородность. В то время как методы дистанционного отбора проб часто улучшают нашу разрешающую способность точечного отбора проб, бентологам необходимо учитывать реальную неоднородность в небольших пространственных масштабах и сравнивать их с шумом, присущим большинству методов сбора больших объемов данных (например, Rabouille et al. 2003 для исследований на микроэлектродах. поровой воды). Новые разработки в области SPI предоставят инструменты для исследования динамических процессов отложений, но также поставят под вопрос нашу способность точно интерполировать точечные данные, собранные с пространственной плотностью, приближающейся к непрерывным наборам данных.
Изображения SP, воплощенные в коммерческой системе REMOTS (Rhoads et al. 1997), дороги (> 60 000 новозеландских долларов на момент написания), требуют тяжелого подъемного оборудования (примерно 66–400 кг с полным набором грузов для эффективного проникновения в отложения) , и ограничивается илистыми отложениями. REMOTS не подходит ни для небольших исследовательских программ, ни для работы на мелководье с малых судов, что, вполне возможно, является той областью, где он может быть наиболее полезен. Изучение мелководной суб-приливной среды может быть сложной задачей, особенно среди зыбучих песков. Отбор проб макрофауны обычно происходит в субметровом масштабе, в то время как доминирующие физические факторы, такие как воздействие волн и текстура наносов, могут изменяться в масштабе всего лишь в несколько метров, даже если они часто разрешаются только в масштабе сотен метров. В такой динамичной среде для мониторинга потенциально кратковременных возмущений, таких как насыпь отвалов, требуется картографирование бентоса в точных пространственных и временных масштабах, что идеально подходит для SPI.

Концепт дизайна

Определяющей характеристикой предшествующих устройств SPI является призма, содержащая прозрачную поверхность, зеркало и дистиллированную воду, независимо от того, спускается ли устройство в отложения, как перископ, или буксируется по морскому дну, как плуг (Cutter and Diaz, 1998). Чтобы протолкнуть что-либо в отложения, необходимо сместить песчинки и заменить их устройством формирования изображения, не нарушая соседние слои отложений, которые необходимо отобразить. Использование клина для перемещения отложений требует значительной структурной целостности и силы, что увеличивает размер, вес и стоимость строительства и развертывания. Меньший клин, конечно, снизил бы эти требования, но за неприемлемую стоимость чрезвычайно малой области выборки (изображение типичных устройств SPI составляет около 300 см²). Зеркало еще больше ограничивает форму клина. Если для изменения геометрии светового пути не используется радикальная и дорогая оптика, необходимо поддерживать угол 45 ° между поверхностью осадка и плоскостью камеры. Эти ограничения определяют призму SPI как наклонную плоскость (то есть треугольную призму, содержащую один прямой угол). При погружении призмы SPI в отложения выполняется физическая работа, определяемая классическим уравнением:

W = Fd

где W = работа, F = сила и d = расстояние. Вытеснение любого зерна осадка требует определенного объема работы для преодоления как инерции, так и трения, создаваемого всеми соседними зернами (как статического, так и динамического). Клин выполняет работу по перемещению, используя меньшее усилие за счет увеличения расстояния, которое должно пройти зерно. Чтобы уменьшить размер устройства SPI, имеет смысл уменьшить объем работы, необходимой для вытеснения отложений для данной области изображения. Пребывание в водной среде дает первое преимущество сокращению объема работы. При увеличении содержания воды в отложениях значительно снижаются как статические, так и динамические коэффициенты трения при взаимодействии зерна с зерном. В этих больших физических масштабах взаимодействия вязкости очень малы по сравнению с трением. Следовательно, псевдоожижение отложений позволит устройству SPI вытеснять больше и более крупные осадки с меньшей направленной вниз силой. (Конечно, вся масса-энергия сохраняется - требуется больше работы, чтобы закачать воду в отложения - но, по крайней мере, это можно сделать вдали от клина.) Важно четко отделить отложения, которые нужно псевдоожижать и удалять из осадочной ткани. это должно быть неповрежденным.

Смазку водой можно использовать для уменьшения количества требуемого усилия и уменьшения требуемой рабочей нагрузки, но можем ли мы также уменьшить расстояние, на которое необходимо перемещать зерна? Зеркало формирования изображения является самым большим препятствием для уменьшения смещения зерен, поэтому имеет смысл отказаться от него. Существует ряд коммерческих и потребительских линейных сканеров, которые оцифровывают изображение, перемещаясь в плоскости, фиксируя цвет и интенсивность встречающегося света. Планшетные сканеры и цифровые копировальные аппараты являются примерами этой техники. Свет, исходящий от устройства, отражается от сцены и попадает на датчик, расположенный рядом с источником света. Путь света можно сворачивать и управлять с помощью ряда промежуточных зеркал и линз к небольшой линейной матрице датчиков или напрямую к большому набору крошечных датчиков. Киган и др. Пришли к выводу, что установка тонкого планшетного сканера в отложения требует гораздо меньше работы, чем толкание большой призмы. (2001):

«Что касается нынешней конструкции, размер призмы в массиве SPI препятствует проникновению во все, кроме более мягких и менее плотных отложений. Когда для лучшего проникновения становится необходимым использовать полный комплект свинцовых грузов (66 кг), с системой становится трудно работать на небольших судах с ограниченным подъемным оборудованием. Размер и, соответственно, вес можно было бы уменьшить, если бы призму можно было заменить так, чтобы она действовала в большей степени как тонкое «копающее лезвие», вся открытая поверхность которого могла бы сканироваться цифровым способом на месте. Такой отвал не только упростил бы более глубокое проникновение, но также расширил бы использование SPI для более плотных, мелких и средних песков. Авторы уже экспериментировали с подходящей обсадной колонной, которая проникает в эти более стойкие отложения на глубину, превышающую 55 см, однако физически прочный сканер, который выдержит ударную нагрузку и будет иметь уровень разрешения, соответствующий поставленной цели, еще предстоит определить ».

Инженерные проблемы разрешения, веса, давления и ударопрочности усугубляются тем, что сканер имеет прямоугольную конфигурацию (Patterson et al. 2006). Большая часть подводного оборудования размещается в цилиндрах, потому что цилиндры имеют меньшую площадь поверхности для помещения данного объема, чем прямоугольный корпус. For a given surface (imaging) area, fewer sediment grains will need to be displaced a shorter distance when imaged from the perimeter of a cylinder than the oblique face of a wedge. It is a conceptually simple matter to modify a consumer flatbed scanner so that its scan head (containing light source and sensor array) moves in a circular path instead of a plane as illustrated in Figure 7. This configuration change allows for a more efficient wedge geometry or, as we'll see later, permits its elimination.

Рисунок 7. Changing the scan head path from the typical plane found in consumer scanners to a circular path allows imaging of the same area with a much smaller perpendicular plan area (which is the face that must penetrate sediments). This configuration also allows use of the mechanically superior (under external pressure) cylinder rather than a box.

First prototype

The goal was to obtain the greatest imaging area in the smallest cylindrical volume using a consumer flatbed scanner. Typical flatbed scanners image an area of about 220 x 300 mm (660 cm²), so a system had to be found which could be reconfigured to fit inside a sealed transparent capsule. There are two basic imaging methods in modern flatbed scanners. From the 1980s to the late-1990s the market was dominated by systems that could capture an image from any depth of field. Most such digital imaging devices used a устройство с зарядовой связью (CCD) array. In a CCD, discrete dots of photosensitive material produce a specific charge based on the intensity of light hitting it. A CCD does not detect colour. In this technology, a scene is illuminated, a narrow band of reflected light from the scene passes through a slit (to eliminate light coming from other directions), is then concentrated by an array of mirrors (typically folded into a box) into a prism typically a few centimetres in length. The prism splits the light into its constituent colours. Small CCD arrays are carefully placed at the point where the primary colours are sharply focused. The separate colour intensities are combined to composite values and recorded by the computer (or scanner electronic assemblies) as a line of pixels. The moving scan head then advances a short distance to gather the next line of the scene. Thus resolution in one axis is determined by CCD array size and focused optics, while the other axis’ resolution is determined by the smallest reliable step the scan head advancing motor can make. The optical assemblies of this type of scanner are fairly robust to vibration, but the traditional light source (a cold cathode tube of balanced colour temperature) is not. It was therefore replaced with an array of solid-state white light emitting diodes (LEDs). Another advantage of this replacement is that the sources could be alternated between white light and ultraviolet (UV) of about 370 nm wavelength. This UV light source allowed detection of visibly fluorescing materials (typically tracer minerals or hydrocarbons) by the prototype.
A suitable scan head model that could be reconfigured to fit within an 80 mm diameter cylinder was located, and the scanner's standard stepper motor was modified to fit within the same space. The entire unit was then mounted on a stainless steel pivot and rotated by a spring-loaded friction wheel pressing against the inner wall of the cylinder. Since the perimeter of the cylinder (250 mm) was smaller than the typical scan path (300 mm) the motor gearing was reduced to improve along-path scan resolution, the resulting change in image geometry was relatively easy to correct in the image capture software. The resulting assembly is shown in Figure 8.

The tight fit of the electronics required fairly close internal tolerances and the transparent cylinder needed to fit within an external armour cylinder with closer tolerances. The latter was necessary to avoid gaps between the sediment face to be imaged and the imaging plane. Gaps allow sediments to fall or smear and degrade the scientific value of the sediment profile. Stainless steel automobile exhaust tubing swaged by a hydraulic ram using a custom turned stainless steel (316) cone was ultimately used. Portals were cut into the centre section to allow imaging of a 210 x 150 mm area divided among four windows.
In order to inject water into sediments so as to displace some but not disturb others a penetrating head was cast and plumbed. A number of penetrating head geometries were explored using a series of ¼ scale models attached to a penetrometer and forced into sandy sediments under water. A sharply angled plane with an offset conic section removed was chosen as the most efficient. With this configuration, the head first separated (by force) the sediments to be displaced while supporting the sediments of the bore wall. A vortex of water was created by angled water jets in the conic space. This design massively disturbed sediments in one ‘exhaust’ sector of the SPI image, but minimised disturbance in the remainder. The penetrator head was made by first carving 1.5 kg of butter into the desired shape, then casting a negative in plaster-of-Paris, water jets (copper tubing) were mounted within the mold, the assembly was dried in an oven at 70 °C for three days, and then positively cast using about 7 kg of molten lead. The final penetrator head is shown in Figure 10. Prior to deployment the device required a tether providing electrical and mechanical connections to the surface vessel and a frame to ensure that it entered the seabed perpendicularly.

The first prototype was constructed as a proof-of-concept exercise. The glass cylinder was unlikely to survive repeated use in the field. The device was subjected to a simulated SPI application: spoil mound cap monitoring. A 450 l drum was filled with fine sand from a local beach. Glutinous silt and clay-sized material was then laid down in discrete layers with the sand. A coarse-sand ‘cap’ was then laid on top and the whole drum filled with seawater. Penetration was satisfactory (13 cm of image, another 15 cm for the penetrator head), but resolution was poor as expected.

Second prototype

Experience building and testing the first prototype identified a number of key issues. The scanner technology chosen provided great depth of field (useful for identifying surface features), but required a large volume for the mirror assembly (which had to be strengthened to withstand vibrations). Furthermore, the armour, support flanges, and water pipes limited further sediment penetration and caused sediment disturbance. It was desirable to move the entire water gallery into the centre of the scanner module so that penetrator heads could be rapidly changed in the field. It was likely that different shapes would be more effective in different sediment textures and fabrics. These decisions led to an alternate scanner technology that had been developed and marketed mostly in the early 2000s. It is known by various names such as contact imaging, direct imaging, or LED indirect exposure (US Patent 5499112). In this technology, a string of LEDs strobe the primary colours onto an imaging plane. Illumination is crucial so the imaging plane must be close. Reflected light from the imaging plane is directed into an array of light guides which lead to CCD elements. The physical arrangement between the light guides and the imaging plane is what limits the depth of field using this technology. Tests using consumer scanners indicated that the imaging plane could be 1–3 mm away from the scan head for full resolution images, but dropped off quickly beyond that. Scene features 5 mm or more away from the scan head were almost unidentifiable. Since the primary value of SP imagery is two-dimensional, this limitation was a small trade off for the great savings in space. The solid-state technology is robust to vibration and no mirrors are necessary. Unfortunately, UV illumination was difficult to provide without a custom-designed scan head and was therefore not included in the second prototype.
One major advantage of SPI is that it reliably provides sediment information regardless of water clarity. However, many SPI applications such as habitat mapping and side-scan sonar ground-truthing, would benefit from imagery of the seabed's surface when visibility permits. Since the tether provided a source of power and computer connectivity with the surface vessel, adding a digital camera to image the seabed surface immediately adjacent to the sediment profile was another conceptually simple addition. A laser array surrounding the camera provided a means to correct the geometry of the seabed surface image (since it is captured at a variable angle) and its scale. Such imagery provides a larger reference frame in which to interpret the adjacent sediment profile and permits a more informed estimation of the habitat connectivity of multiple profiles. A longitudinal section of the second prototype with the seabed surface camera is presented in Figure 11. The typical deployment configuration is shown in Figure 12.

A longitudinal section through the second prototype sediment imager.

Рисунок 11. A longitudinal section through the second prototype SPI-Scan imager produced by Benthic Science Limited. A) electronics space, B) motor/gearing assembly connected to vertical drive shaft, C) one of five lasers, D) seabed surface CCD, E) camera pod, F) scan head, G) field-changeable penetrator with water galleries and jets, H) field-changeable cutting blade, I) scan head holder, J) central pressurised water gallery, K) transparent polycarbonate cylinder, L) water pump.

Diagram of second prototype (one leg of frame removed for clarity) as envisioned in situ with scale/geometry lasers active emanating from surface camera pod.

Рисунок 12. Diagram of second prototype (one leg of frame removed for clarity) as envisioned на месте with scale/geometry lasers active emanating from surface camera pod.

Field trial results

Several decisions during the design phase affected the ultimate utility of this device. The REMOTS system is well suited to providing point SP imagery in deep water from large vessels. SPI-Scan prototypes were specifically intended for shallow water work from small vessels. Although the design can be modified to work deeper, a 50 m tether was used to allow effective operations in 30 m of water. Field tests were first conducted in 29 m water depths from the R/V Munida of the University of Otago Department of Marine Science.

The second SPI-Scan prototype in field trials. Seen here deploying from the 6 m R/V Nauplius (upper left), on the seabed though locked in the up position (upper right and lower left – lasers not visible here), and starting to dig into the sand (lower right).

Figure 13. The second prototype in field trials. Seen here deploying from the 6 m R/V Nauplius (upper left), on the seabed though locked in the up position (upper right and lower left – lasers not visible here), and starting to dig into the sand (lower right).

The next set of sea trials were conducted near an aquaculture facility from a 5 m research vessel. Seventy-eight images from about 20 deployments were collected. Figure 14 presents two representative images. The digital images carry much more detail than reproduced here as Figure 15 demonstrates.

Here are two portions of sediment profiles taken 1 km from an aquaculture facility along the tidal current (left) and across (right). The right hand scale divisions are 1 mm apart.

Figure 14. Here are two portions of sediment profiles taken 1 km from an aquaculture facility along the tidal current (left) and across (right). The right hand scale divisions are 1 mm apart.

Figure 15. Portions of images in figure 14 are shown in panels 6, 7, and 8. Sediment texture is detailed in panel 6, a polychaete worm is evident in panel 7, and panel 8 shows Эхинокард (heart urchin) shell fragments in silt matrix. Panel 9 shows a diver giving the ‘thumbs up’ sign to the scanner to illustrate the limited depth of field of the second prototype. Poor water visibility is also in evidence by the heavy background lighting. All scale divisions are in millimetres.

The surface computer stamped the date and time of collection directly onto the SP image. Custom software integrated an NMEA data stream from a GPS connected to the computer's serial port to also stamp the geographic position of the surface vessel (or of the device if corrected by NMEA output from an acoustic positioning beacon array). The software further uses a modification of the GEOTiff graphic standard to embed geographic position and datum information into the image tags. This permits automatic placement of SPI and seabed surface images into spatially appropriate positions when opening within a GIS package. This functionality allows real time assessment of benthic data in the field to inform further sampling decisions.

Future directions

Field trials have proven that the device produces usable images (image analysis is a separate topic covered in the broader literature). The technology is substantially more cost-effective than other existing SPI devices and able to be deployed from small vessels (ca. 5 m) by two persons operating a light frame or davit. Development of the device continues with better penetration geometries and technologies, more hydrodynamic housings, and extra sensor options. Koenig et al. (2001) reviewed some exciting developments in optical sensors (also known as optodes or reactive foils) capable of resolving sub-centimetre oxygen distribution (using the non-consumptive ruthenium fluorescence method) and pH. Very small redox (Eh) probes have also been available for quite some time. Vopel et al. (2003) demonstrated the utility of combining such instruments in studying animal-sediment interactions. These instruments can be integrated into the sediment imager relatively easily and would allow absolute quantification of sediment geochemical profiles at a small number of sites to inform the analysis of the surrounding SP images. Adding UV illumination is only a manufacturing issue. UV capabilities could extend the role of SPI in direct pollution monitoring of harbours or assessing the effects of petrochemical spills. SP image resolution is high enough to permit sediment tracer studies without expensive dyeing if the tracer mineral presents unique colour or fluorescence characteristics.
Keegan et al. (2001) pointed out that chemical and physical environmental measurements alone are easily quantified and readily reproducible, but are overall poor monitors of environmental health. Biological and ecological theory is well enough advanced to be a full partner in environmental legislation, monitoring, and enforcement (Karr 1991) and can provide the appropriate local context for interpretation of physico-chemical results. In a typical assessment of mariculture impacts on the benthos Weston (1990) found that sediment chemistry (CHN, water-soluble sulfides, and redox measures) measures of organic enrichment effects extended only 45 m from the farm, but benthic community effects were apparent to 150 m. SPI can elucidate many of these important biological parameters. Benthic Science Limited continues development of SPI-Scan technology.