大面积成像技术（LAI）引领海洋保护创新：怎样从小众到普及？

新兴技术具有极大的潜力提高海洋保护的规模和效率。其中一种技术是大面积成像（LAI），它依赖于结构光摄影测量学，用于创建包括三维环境模型在内的复合产品，其空间范围大于用于创建它们的个体图像。LAI技术在某些海洋科学领域中已广泛应用，主要用于测量底栖生态系统的三维结构并追踪随时间的变化。然而，在海洋保护领域，LAI的应用似乎相对有限。近期，一篇发表在《保护生物学》期刊上的《弥合现有大面积成像研究与海洋保护需求之鸿沟》的文章，颇为值得一读。

上图：大面积成像技术（LAI）数据产品及其应用。 (a) 收集了对象或环境的数百到数千个组成图像，通常使用由潜水员、自主水下车辆（AUV）或空中飞行器操作的数字相机。 (b) 利用这些组成图像创建了一个称为点云的三维重建，其覆盖面积大于任何单个图像可见的范围。点云是通过一种称为运动结构（SfM）的过程计算出来的，使用现代摄影测量和计算机视觉软件实现。这个过程依赖于在多个重叠的组成图像中显示的固定特征的位置（这里由黄色圆圈表示）。可以从点云中产生多种数据产品，如数字高程模型、3D纹理网格表面和2D复合图像产品。 (c) 从LAI中可以得出的数据和视觉产品的非详尽表示。图片来源：McCarthy, Orion S., et al.

这篇文章是由Orion S. McCarthy、Kanisha Contractor、Will F. Figueira等人合作完成的。主要内容是关于大面积成像技术（LAI）在海洋保护领域的应用以及目前存在的一些差距。开门见山地，文章首先介绍了什么是LAI技术，这是一种利用结构光摄影测量学创建各种产品的技术，其中包括三维环境模型，用于测量海洋生态系统的三维结构并追踪随时间的变化。但，尽管在某些领域LAI技术得到广泛应用，在海洋保护领域的运用似乎还是比较有限的。所以，为了弥合这一差距，研究人员回顾了相关的珊瑚礁文献，并对135名珊瑚礁科学家和保护从业者进行了调查，以了解他们对LAI技术的认知程度、在使用LAI时面临的障碍以及他们认为与珊瑚保护最相关或最令人兴奋的LAI应用。

研究发现，目前大面积成像技术（LAI）主要被发达经济体的研究机构的科研人员采用，但，在实际保护工作中运用较为有限。而与此同时，新兴经济体的保护从业者则表示，他们期待未来能够利用LAI。结果显示，当前LAI研究的主题与实际保护需求之间存在不匹配，强调了需要进行更多多样性、与保护直接相关的LAI研究。为了促进该技术在全球范围内更广泛地应用于保护工作，该研究团队提出了一些建议。这些建议包括开发培训资源、建立与数据存储和分析相关的合作伙伴关系、发布LAI工作流程的标准操作程序、标准化方法、开发从LAI产品中高效提取数据的工具，以及进行与保护直接相关的研究。

该文进一步介绍了LAI作为保护技术的潜力，特别是在跟踪和可视化海底生态系统随时间变化方面。LAI的三维重建基于视差原理，通过从不同角度观察对象来创建几何精确的三维重建。这些重建可以用于虚拟田野工作，从中提取的生态数据包括物种密度和丰度、栖息地结构复杂度度量以及静态生物的大小和位置。文章还讨论了LAI技术的发展历史，以及在海洋科学中的应用增加的同时，海洋保护领域对LAI的访问受到的限制，包括设备成本、数据处理费用和培训需求。

这个研究团队选用珊瑚礁作为案例，查阅了2010~2021年间发表的151篇有关珊瑚礁LAI研究。同时，他们还做了一项在线调查，有135位科学家和保护从业者参与，另外还进行了45次半结构化的访谈。目的是回答一系列问题，包括关于LAI的使用情况、使用者是谁、在哪些方面有用，以及LAI目前在保护领域受到的限制。这个研究的发现对珊瑚礁科学和保护领域的人们直接有用。不过，他们提出的一些建议可能对整个海洋科学和保护领域都有帮助。

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编读这篇文章的感觉是，这篇文章的作者们致力于消除大面积成像技术（LAI）在海洋保护领域的应用障碍，以促使其由一种“小众方法”变为一种广泛、可接触、且具有影响力的保护科技。

研究指出，大面积成像技术（LAI）在海洋保护领域的应用存在一些阻碍。为了让LAI从一种较为冷门的技术发展成为一项广泛应用且具有实际影响的保护工具，必须识别并克服采用LAI所面临的各种障碍。调查结果显示，资金、设备、培训和人员能力被普遍认为是LAI推广的主要障碍。与此相反，来自资助方或社区组织的反对、潜在应用的不足，以及对LAI兴趣的不足，被认为相对较少成为问题。尽管所有受访者中，足够的资金被认为是LAI推广最大的障碍，但自认为属于保护社区的受访者则更强烈地持有这一观点。

在半结构化访谈中，研究人员发现，计划不久开始使用大面积成像技术（LAI）的个人和组织在采用LAI的各个阶段都遇到了不同的障碍。那些尚未开始使用LAI但计划在近期采用该技术的受访者普遍提到了一系列挑战，包括确保有足够的资金和明确其LAI研究计划的具体目标。他们通常缺乏关于技术工作原理或如何在现场收集图像的信息，因此希望有培训资源来弥补这些知识差距。在这个初步调研阶段，受访者通常将相机设备的成本作为一个障碍，但相对较少提及其他即将发生的成本，例如计算机、软件或用于构建3D模型和从LAI数据产品中提取生态数据的专职人员的工资。相反，这些成本更常被已经开始实施LAI的受访者提及。

上图：使用大面积成像技术（LAI）进行的珊瑚礁研究，分别按研究的（a）出版年份和（b）研究地点进行了分类。研究根据作者在发表时所属的研究机构的地理位置进行分类。跨足多个地点的研究在地图上有多个点。图片来源：McCarthy, Orion S., et al.

初级LAI用户（刚刚开始使用LAI并且是其机构中唯一使用LAI的研究人员）认为软件许可的成本是一个主要障碍，尤其是那些无法获得学术机构提供的折扣许可选项的小型非营利组织。进行LAI现场工作的人员能力也被视为一项主要障碍，同样是软件和数据提取方法的培训。特别是，缺乏建立起高效数据收集流程的经验被视为数据提取的障碍，尤其是对于那些无法获得培训资源的人。由于模型构建、数据处理的时间滞后，尤其是对于缺乏高速计算或互联网带宽以与合作伙伴分享大型数据集的受访者，这一时间滞后可能持续几个月到几年。因此，与水肺潜水员离开水域时准备好进行分析的原位调查数据相比，受访者表示在使用LAI进行快速调查或应对干扰事件响应方面存在困难。

相比之下，那些有经验的LAI用户（来自拥有成熟LAI研究计划的组织）则提到了与扩大数据收集相关的一系列挑战。这些障碍包括备份图像和3D模型数据集的足够存储空间、从LAI产品中收集生态数据的人员能力，以及保持长期或大规模监测工作的资金。模型构建和数据处理的时间滞后往往会随着组织扩大LAI工作而增加，这表明这一采用障碍可能会随着组织继续使用LAI而增加，而不是减少。

这篇研究还指出，LAI采用的障碍与其他保护技术面临的障碍类似。研究人员认为，在LAI采用初期全面了解潜在障碍将有助于新用户更好地应对资源和人员需求，以更好地应对这些障碍。不过他们坦诚道，可能一些组织将永远无法承担采用LAI的成本，其他组织可能只能负担得起依赖于低成本设备（例如，GoPro相机，而不是数码单反相机）或不符合数据质量标准的免费软件的简化版本。这种资源和能力的不平衡引发了公平和社会正义的关切，需要由海洋科学界在LAI成为行业标准时予以解决。资源充足的机构的科学家应考虑如何在这一障碍序列中发挥作用，以帮助减轻障碍并促进这项技术在保护领域的使用。

为了提高LAI的可访问性，研究提出了一些建议。尽管目前存在一些物流、货币和技术上的挑战，但这些挑战并非不可克服。研究建议当前LAI用户（或其机构）可以采取的行动主要分为两类，即培训和能力建设以及研究和发展。其中一些建议是通过半结构化访谈征求意见制定的，并且可以广泛归类为对培训和能力建设或对研究和发展的投资。

在培训和能力建设方面，建议制定并资助有关LAI的研讨会和培训，创建照片存储、处理和分析的合作伙伴关系，建立LAI用户社区并创建LAI知识中心，同时认识到用户目标的多样性。在研究和发展方面，建议发布LAI研究流程，制定标准的LAI方法，开发机器学习工具以高效地从LAI产品中收集数据，并提高软件的可访问性、速度和易用性。此外，建议进行与保护相关的LAI研究，以填补学术界与保护从业者之间的差距，并在LAI技术的可视化、恢复进展和保护需求方面利用LAI的视觉效果。

一言以蔽之，若能使用得当，LAI有望成为一种有影响力的保护技术。在海洋生态系统迅速变化的今天，档案化视觉生态基线、跟踪时间变化、开发新颖的度量标准以及扩大生态系统监测的能力对资源管理者来说将是无价之宝。那些在资源充足的机构的研究人员已经成为LAI方法开发和应用的先驱者。这些研究人员现在有“道德责任”，通过促使技术从象牙塔转移到保护从业者手中，使LAI更加可访问。特别是作为教育者的学术研究人员有机会培训他们学术以外的同行。这包括制定培训材料、举办研讨会、促进数据处理和分析的合作伙伴关系、与合作伙伴建立清晰的沟通、发布清晰的流程和标准化的方法、与开发人员合作改进与LAI流程各个阶段相关的软件，以及进行与LAI相关且与保护从业者相关的研究。这些步骤等等将有助于最大化LAI对保护的积极影响。更广泛而言，可以采取类似的行动来提高其他与保护相关的技术的可访问性。

思考题 | 举一反三

Q1. 你认为在采用大面积成像技术（LAI）方面，资金、设备、培训和人员能力等方面的障碍对于推动该技术的广泛应用来说有多大影响？

Q2. 对于计划开始使用LAI的人或组织来说，你认为在技术了解、资金筹措和确立明确目标方面有哪些具体挑战？

Q3. 在LAI的实施过程中，你觉得相机设备的成本是一个主要的障碍，还是其他方面的成本，比如计算机、软件和专职人员工资更为关键？

Q4. 对于已经开始使用LAI的人或组织来说，你认为在扩大数据收集、保持长期或大规模监测努力方面存在哪些挑战？在这个过程中，你觉得时间延迟对于LAI的应用会产生什么影响？这项研究对我们国家的研究人员来说（尤其是在“联合国海洋十年”的全球背景下），有什么启示？

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编译 | 王芊佳

审核 | Sara

排版 | 绿叶

【全文参见】：

McCarthy, O. S., Contractor, K., Figueira, W. F., Gleason, A. C. R., Viehman, T. S., Edwards, C. B., & Sandin, S. A. (2024). Closing the gap between existing large-area imaging research and marine conservation needs. Conservation Biology, 38, e14145. https://doi.org/10.1111/cobi.14145

【参考资料】

https://conbio.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/cobi.14145