堆積物プロファイル画像

堆積物プロファイル画像（SPI）は、海底とその上にある水との境界面を撮影する水中技術です。この技術は、堆積物、間隙水、および重要な水底境界層の最初の数センチメートルで発生する生物学的、化学的、および物理的プロセスを測定または推定するために使用されます。タイムラプス画像（tSPI）は、潮汐や日光などの自然サイクルにおける生物学的活動、または養殖における給餌量などの人為的変数を調べるために使用されます。SPI システムの価格は数万ドルから数十万ドルで、重量は 20 キログラムから 400 キログラムです。従来の SPI ユニットは、大陸棚や深海の調査に効果的に使用できます。最近開発された SPI-Scan または rSPI（回転 SPI）システムを使用して、浅い（<50 メートル）淡水、河口、および海洋システムを 安価に調査することもできます。

人間は視覚に非常に敏感です。私たちは画像形式の情報を好み、1 つまたは複数の画像で提示されると、さまざまな種類のデータを統合することができます。海洋底生動物と堆積物の相互作用を調査するために、堆積物と水の界面を直接画像化する方法を探すのは自然なことのようです。Rhoads と Cande (1971) は、堆積物と水の界面の写真を高解像度 (サブミリメートル) で小さな空間スケール (センチメートル) で撮影し、時間の経過に伴う底生パターンや大きな空間スケール (キロメートル) での急速な底生パターンを調べました。彼らは海底をスライスして物理的なコアの代わりに写真を撮影し、SPI として知られるようになった手法で垂直堆積プロファイルの画像を分析しました。この手法は、その後の数十年間で、多くの機械的改良とデジタル画像および分析テクノロジーによって進歩しました。 SPI は現在、世界のいくつかの地域で標準的な方法として受け入れられている確立したアプローチですが、機器のコスト、展開、解釈の難しさなどの理由で、より広範な採用が妨げられてきました。また、いくつかのパラダイムの挫折も経験しました。一般に、人が画像から抽出できる情報量は、定量化および解釈可能な値に簡単に繰り返し還元できるものではありません (ただし、Pech ら 2004 年、Tkachenko 2005 年を参照)。Sulston と Ferry (2002) は、ヒトゲノムの研究に関連してこの困難について書いています。彼らのモデル生物 ( Caenorhabditis elegans ) の電子顕微鏡画像には多くの情報が含まれていましたが、容易に定量化できないという理由で多くの科学者に無視されていましたが、その画像情報は最終的に、基礎となる原理とメカニズムの深い、かつ定量化可能な理解につながりました。同様に、SPI は、現場の偵察と監視において視覚データといくつかの客観的に定量化可能なパラメータの統合に重点を置くことで、効果的に使用されてきました。

従来のダイビングは浅瀬に限られています。水分含有量の多い深層の堆積物を遠隔でサンプリングすることは、サンプラーの船首波、衝突時の圧縮、またはさまざまな程度に乱された表層堆積物の特徴のために、信頼性が低いことがよくあります (Somerfield および Clarke 1997)。1971 年、Rhoads と Cande は、シルト質堆積物を適切に観察および収集する問題に対処するための機器について説明しました。彼らの遠隔サンプリング機器により、現場での垂直堆積物プロファイル画像の分野と、現在一般に SPI カメラと呼ばれているものが導入されました。この装置は主に、フレームに取り付けられたくさび形のボックスで構成されています。ボックスには、透明アクリル製の斜面と下向きのカメラがあります (図 1)。重りによって、くさびと内部のミラーが堆積物の中に押し込まれます。透明部分に対して 45° のミラーは、潜望鏡のように、貫通した堆積物と水の界面の画像を水中カメラに反射します。深海でも硬さを保つために、くさびには蒸留水が充填されています。

図 1. プロファイル カメラの部分断面模式図。クレードルが下向きの位置で底部と交差している様子を示しています。A- たるんだウインチ ワイヤー、B- オイルが入ったシリンダー、C- ピストン ロッド、D- 小径の穴が開いたピストン、E- 磁気リード スイッチ付きバッテリー ハウジング、F- 鉛の重り、G- カメラ (垂直方向)、H- ライト、I- 蒸留水が入ったプレキシガラス ギロチン、J- 堆積物と水の界面、K- 堆積物と水の界面プロファイルをカメラ レンズに対して 90° 反射する 45° 角度のミラー。Rhoads および Cande (1971) より引用。

彼らの装置は、図 2 に示すような画像を返しました。一見すると SP 画像は目立たないように見えるかもしれませんが、数十枚の画像を分析することで、そこに含まれる情報の幅広さが明らかになります。図 2 では、堆積物の全体的な質感と水分含有量がすぐにわかります。解像度が高いため個々の砂粒を画像化できるため、一般的な質感パラメータ (砂利、砂、泥の割合) を評価し、平均粒径を推定できます。堆積物と水の界面は明瞭です。画像が挿入直後に撮影された場合、この観察結果は、装置がほとんど乱れずに海底に入ったことを示しています。さらに、界面は明瞭です。一見単純に見えますが、一部の海底では、明確な遷移点ではなく、広い密度勾配を持つ浮遊堆積物の境界層があります。この状態は、多くの底生生物にとって基本的な重要性を持っています。生物活動もすぐにわかります。従来の採取サンプルやコアをいくつかの SP 画像と組み合わせて較正すると、解像度によって、管状のサベリッド多毛類、二等分されたナマコ類、および図 2 に示すナマコによって形成された塚を含むいくつかの底生動物を識別できるようになります。

図 2.マサチューセッツ州ケープコッド湾の深さ 35 m の泥底の堆積物の断面写真。写真の場所は、Molpadia oolitica (ナマコ類) が作った糞塚を通過しています。円錐の頂点には、サベリ科の多毛類 Euchone incolor が生息しています (A)。迷い込んだ多毛類はギロチンで切断されています (B)。深部の空隙は、M. oolitica の摂食活動によって生成されています (C)。淡色の酸化された (硫化物に乏しい) 堆積物は、堆積物表面から約 3 cm 下まで広がっています。Rhoads および Cande (1971) より引用。

図 2 のもう 1 つの重要な特徴は、表層の堆積物とより深い層の堆積物との間の色の変化がはっきりしていることです。この色の変化の勾配は連続的ではありますが、平均遷移点に還元されると見かけの酸化還元電位不連続深度 (ARPD) として知られています。地元の地質や生物擾乱レベルと併せて適切に考慮すると、ARPD の深度と特徴から、堆積物の地球化学と生物活動の相互作用について深い洞察を得ることができます。Graf のレビュー (1992) は、堆積物を好気性、亜酸素性、無酸素性レベルに分けることができ、それが生物相に根本的な影響を及ぼすという Jorgensen と Fenchel (1970) の初期の観察を裏付けています。彼らは、図 3 に示すように、これらの境界を、好気性化学躍層では 300 mV (酸化還元電位) 超、無酸素性化学躍層では 100 mV 未満 (その間に亜酸素性) で発生すると定義しました。これらの境界の垂直位置は、1 cm d-1 もの速さで、堆積物の供給と混合 (生物撹乱または物理的媒介混合による) に応じて季節的および地域的に変化する可能性があります。無酸素性の堆積物は、遊離 H ₂ S と低 pH のため、ほとんどの動物に有毒になる傾向があります。この還元環境では、重金属も沈殿する可能性があります。カドミウムや銅などの一部の重金属は硫化物として安定化され、容易に溶解しませんが、好気性条件が回復するとすぐに再移動して境界層の水を汚染する可能性があります (Graf 1992)。上層水からこれらの層への化学種の堆積物浸透は、堆積物の粒子のサイズと形状に大きく依存します。ディッケ (Graf 1992) は、液体臭化物トレーサーを使用して、分子拡散だけで 1 日で 4 cm、4 日後には 8 cm まで軟質堆積物を浸透することを発見しました。生物撹乱により、このプロセスは最大 10 倍まで加速されます。つまり、化学躍層は底生生物に影響を与え、また逆に底生生物から影響を受けます。好気性生物の排除と生物撹乱の影響に加えて、フェンチェルとリードル (1970) は、堆積物の亜酸素領域に生息する珍しい動物相の調査を開拓しました。明らかに、SPI ツールはこの種の調査に大いに役立ちます。

図 3. 酸化還元電位不連続 (RPD) - Fenchel & Reidel (1970) の層概念。堆積物は無酸素層、亜酸素層、および好気層に分かれています。動物の管や巣穴の壁に沿って、酸化還元等値線は低下しています (Jorgensen & Revsbech、1985 を参照)。酸素の微小電極測定によると、いわゆる好気層には実際には全深度にわたって自由酸素は含まれていません。図は Graf (1992) から引用。

Rhoads と Germano (1982) は、特定の環境属性を削減して定量化し、従来の統計分析に適したものにするために、SPI から取得したパラメータのリストを作成しました。このリストは文献全体で変更および修正されていますが、表 1 にまとめられています。これらのパラメータのいくつかは較正可能で、さまざまな生息地で再現可能です。底質テクスチャは、底生生息地マップを作成し、底質改変の影響を特定するための、おそらく最も異論が少なく、最も直接的な情報を提供するパラメータです。見かけの酸化還元電位不連続 (ARPD) も、強力な評価パラメータになり得ます。たとえば、持続的な水産養殖活動が沿岸環境に及ぼす影響として報告されているものの 1 つは、貝類の排泄物や疑似排泄物、あるいは魚類の食べ残しや排泄物に由来する有機物を多く含む底質が生産現場の近くに堆積および蓄積することです。その結果、堆積物による酸素消費量の増加、無酸素堆積物の形成、メタン、H ₂ S、CO ₂などの有害ガスの生成と放出が起こり、水柱、底生大型動物 (Pocklington 他 1994)、および微小動物 (Mazzola 他 1999) に影響を及ぼす可能性があります。底生動物、亜酸素堆積物、および有機物濃縮の関係は十分に文書化されています (Weston 1990、Rees 他 1992、Hargrave 他 1997)。このシステムは、図 4 に示すように、Pearson と Rosenberg (1978) によって説明されたシステムと非常によく似ています。Rhoads と Germano (1982) はこの概念をさらに一歩進め、さまざまな遷移段階にカテゴリを割り当て、有機物濃縮に対する生物的および地球化学的応答を統合しようとしました。信頼性のある使用のためには、遷移段階の決定は各研究の生物学的および物理的状況内で行う必要があり、必然的に主観的であり、分析者間で大まかな情報以上のものにはならない可能性があります。同様に、表 1 に示されているパラメータの大部分は、サイトおよび研究に固有のものです。コーン貫入計と同様に機能する SPI ウェッジ貫入深度は、校正されていれば、軟質堆積物への浸透深さの代理として一般的に役立ちますが、結果は機器や配置の違いによって左右されます。

表1

図4. 有機物濃度の勾配に沿った動物相と堆積物構造の変化の図（Pearson and Rosenberg 1978）。

こうした制限があっても、SPI は極めて強力な分析、偵察、監視ツールになり得ます。堆積物の地図は、多くの場合、グラブ サンプルまたはコア サンプルを回収し、その後数日または数週間にわたって実験室で処理することによって作成されてきました。SPI デバイスを堆積物に降ろして画像を記録した後、デバイスを完全に回収することなく、繰り返し引き上げたり降ろしたりすることができます。指定されたルートに沿って SPI デバイスを「縫い合わせる」このような船舶は、物理的なサンプル回収に比べて前例のない経済性でエリアを調査できます。もちろん、サンプリング データの品質と量の間にはトレードオフがあります。SPI を使用すると、通常物理的なコアから生成される詳細な堆積物記述子 (ハーフ ファイ間隔テクスチャ分析、炭素含有量など) を犠牲にして、一定のフィールド時間ではるかに広い空間をカバーできます。このバランスを管理することが、SPI を適切に使用する上での本質であり、その長所を強調しています。たとえば、Hewitt ら (2002)、Thrush ら (2003) (1999)、および Zajac (1999) は、異なるスケールで収集された大型動物群集の観察結果を統合することの価値と、不均質な底生景観内の異なるスケールで発生するプロセスを説明する際のその応用について注意を喚起しています。景観規模の問題を評価する場合、密度が高く、同等に詳細なサンプリング ポイントを使用して、空間範囲全体を単純かつ包括的にサンプリングすることはほとんど実現可能ではありません。研究者は、データ収集の粒度、実際のサンプリング ユニットの寸法 (通常は 0.1 m ^{2 の}グラブまたは同等)、およびラグ (結果を補間するサンプル ユニット間の距離) (グラブ サンプルの場合は数十から数百メートルであることが多い) の間で妥協する必要があります。堆積物のプロファイル画像は、大型動物のコア サンプリングや連続堆積物調査トランセクト (Gowing ら、1997) などのより詳細なサンプリング手法と組み合わせると、効率的なモニタリング ツールになります。これにより、よりリソース集約的なサンプルを生態学的に意味のある方法で接続するのに十分な頻度で経済的に収集できるポイント データが得られます。したがって、SPI によって全体的なマップと接続性を提供し、他のサンプリング技術を使用して生息地タイプ内の集合体と変動性を特徴付けることにより、研究はネストされた時空間スケールで実行できます。このタイプの統合は、軟質堆積物のプロセスに対する理解と予測可能性を高めるために必要です (Thrush 他 1999 年、Noda 2004 年)。

SPI は、浚渫土砂の覆土場 (NOAA 2003) および封じ込め場所 (例: Parliamentary-Commissioner 1995、Gowing 他 1997) の健全性と性能をモデル化するために使用されています。土砂処分場の詳細な音響調査は、本質的に約 10 cm の垂直解像度に制限されます (Ramsay 2005)。10 cm 未満の土砂の表土が大型動物種に影響を及ぼすというかなりの証拠があります (Chang および Levings 1976、Maurer 他 1982、Maurer 他 1986、Chandrasekara および Frid 1998、Schratzberger 他 2000、Cruz-Motta および Collins 2004)。バックスキャッターと高周波サイドスキャンソナー技術は、土砂の音響反射率または地形が天然堆積物と十分に異なる場合にのみ、土砂の範囲をより迅速に特徴付けることができます。SPIデバイスは、サブミリメートルの解像度で堆積物/水界面の画像を生成します。したがって、SPIは、浚渫土砂のマウンドの形態、圧縮、ふるい分け、天然堆積物との統合、および潜在的には、研究対象のマクロ動物群集に関連する規模での生物活動を調査する機能を提供します。SPI
は、おそらくより一般的な他の底生撹乱調査にも適用できます（^[1]）。例として、架空の貝類養殖施設の底生生態学的影響調査を考えてみましょう。調査手法には多種多様なものがあります。既存の情報と利用可能なリソースによって、すべての設計が必然的に制約されます。海底の種類に関する情報がほとんどない場合、図 5 に示すように、等深線に沿って 8 か所の地点を設定し、各地点から 3 回の繰り返し採取を行う、単純で 1 回限りの空間影響調査が一般的で、適度に強力です。水深測定、ダイバー、曳航カメラ、ROV、またはサイドスキャンソナーによる観測を含む事前のデータ収集により、サイトの配置が変わり、全体的な情報と価値が大幅に向上する可能性があります。このような小さなサイトでも、このようなデータを収集するにはかなりのリソースが必要であり、最初のフィールド デーと採取イベントの間にデータ処理のために数日間のギャップが生じる可能性があります (この遅延により、流体力学的に活発な領域での一時的なイベントを調査する価値がなくなるか、低下します)。 SPI デバイスから大量のポイント データを収集するのは簡単です。収集された底生生物の特徴のスナップショットは、研究対象地域の地図上にリアルタイムで自動的に配置されます。このアプローチにより、1 つ以上の関心変数に従って迅速に分類できます。水深 30 m 未満の水域では、図 6 に示す 170 枚の SP 画像を収集し、1 回のフィールド デーで大まかな底生生物分類マップを作成することは無理ではありません。カテゴリは、堆積物のテクスチャ、表土、特定のデトリタス、生物相などに基づくことができます。その後、さまざまなラグを持つ生息地の複製としてグラブを使用することで、サンプリング作業を割り当てて、全体的な生息地の違いの中でのコミュニティの変動性に焦点を当てることができます。このタイプのアプローチにより、システムに対する理解が広がり、グラブ サンプル データの一般性が向上するため、より情報に基づいた決定が可能になります。SPI の証拠により、範囲を 1 つの次元から少なくとも 2 つの次元に効果的に増やすことができます。グラブから収集された物理的データと生物学的データの相関関係により、特定の特徴（内在動物種、チューブ、マウンドなど）を識別することで、SP 画像からより多くのデータを抽出することもできます。さらに、ARPD 深度の詳細な分析を地球化学的環境の等高線として提示することもできます。

Rhoads と Germano (1982) は、SPI 技術を米国東海岸沖で行われた他の 3 つの研究と比較しています。彼らの研究により、SPI は認められた生態学的枠組みに位置付けられ、その後、標準的なモニタリング ツールとしての魅力と価値が広がりました。Solan ら (2003) は、底生生物研究における従来の「殺して数える」方法論からのより広範な概念的転換をレビューし、SPI やその他の光学および音響技術を従来のサンプリングと統合することで、いくつかの底生生物プロセスに対する理解が根本的に深まったことを示しています。ほとんどの SPI 研究は「灰色文献」のままですが (Keegan ら 2001)、ますます多くのさまざまな応用例が登場しています。SPI によって生成されたデータは、温帯システムの有機物濃縮勾配に沿った大型動物サンプルと同じくらい有益でした (Grizzle と Penniman 1991)。その他の研究には、オークランドのハウラキ湾の浚渫土砂処分を調査した Germano (1992) や、German Bight 沖の海洋掘削プラットフォーム付近の小型動物および大型動物のサンプリングと併せて SPI の価値をまとめた Heip (1992) による研究があります。Rumohr と Schomann (1992) は、SP 画像が、そうでなければ謎に包まれていた底生生物のデータを解釈するための重要な手がかりと文脈を提供することを発見しました。SPI を使用して炭化水素汚染を特定する初期の研究 (Diaz 他、1993) は、後に分光法によるより正確で精密な測定を含めるように改良されました (Rhoads 他、1997)。Smith 他 (2003) は、SPI を使用して漁業トロールの影響を調査し、Solan と Kennedy (2002) は、タイムラプス SPI を使用してクモヒトデ類の生物撹乱を定量化する方法を実証しました。 Diaz と Cutter (2001) は、同じ方法を使用して、一時的な巣穴形成による多毛類の生物撹乱と、堆積物への酸素浸透との関係を定量化しました。NOAA (2003 およびその中の参考文献) は、SPI が、河口、沿岸、深海環境での生息地マッピング、浚渫土砂のキャップ監視、酸素ストレス (Nilsson と Rosenberg 1997) に広く使用されていることを報告しています。純粋な研究を超えて、SPI は段階的な監視とコンプライアンスに適した手法です。現在では、標準手法として広く受け入れられています (Rhoads ら 2001)。明らかに、SPI の用途は多様で、適切に適用すれば科学的に堅牢ですが、いくつかの実際的な問題により、より広範な使用が制限されています。Keegan ら (2001) は、SPI は「従来の底生生物監視ツールの代替として開発されたのではなく、底生生物監視プログラムの効率を最適化するための調査および偵察手法として開発された」と要約しています。さらに、次のように述べています。

「...SPI は、ようやく今になってようやく、その価値に見合った幅広い認知を得ています。これは、画像解釈における既知の限界と関係がありますが、装置のサイズと重量、および泥や泥砂での使用制限に関連する一定の障害が残っています。最も基本的な SPI アセンブリの比較的高いコストが、何よりも大きな問題です...SPI は、従来の研究部門よりも、政府や裕福な商業環境コンサルタントによって推進される活動で使用される傾向があります。」

Brian PaavoとBenthic Sc​​ience LimitedによるSPI-Scanシステム[1]（rSPI（回転SPI）とも呼ばれる）の開発は、質量と費用の問題を解決し、湖や沿岸のユーザーが小型船舶からSPIシステムを経済的に配備できるようにしました。

基本的な群集生態学の仮説を立てて検証したり、海洋環境への影響評価、保全、開発などの用途に取り組むためには、堆積物、生物、水の間の複雑な相互作用を調べる必要があります。この動的なインターフェースを生物学的、化学的、物理的なアプローチで測定および調査するための、多くの新興技術が徐々に受け入れられつつあります。Viollier ら (2003) および Rhoads ら (2001) は、このトピックの概要を示していますが、関連する技術と使用される基準は急速に変化しています。いくつかの技術により、底生生物学者は地球化学的 - 生物学的相互作用と生態系の機能に関する「全体像」の問題に取り組むことができます。Betteridge ら (2003) は音響技術を使用して、大型動物に関連する規模でその場で堆積物のダイナミクスを測定しました。彼らの底生着陸船は、海底近くの水流速度を記録すると同時に、高解像度で堆積物の撹乱パターンを定量化しました。底生チャンバーは、さまざまな流れの条件下での現実的な大型動物群集の生産性を調べるために使用されています (Biles 他 2003)。同位体分析法によって、食物網と環境への影響の調査 (例: Rogers 2003、Schleyer 他 2006) が、ほんの数年前までは研究室の外で実施することは不可能でした。短配列 DNA 法 (例: Biodiversity Institute of Ontario 2006) は、底生生態学に革命をもたらす可能性を秘めた自動識別および多様性評価技術へと急速に移行しています。
Keegan ら (2001) は、長年確立されているが、しばしば高価で時間のかかる方法論と最近の技術開発を評価する研究者と当局との関係は、時には不一致であると述べています。Gray ら (1999b) は、堆積物生態学者が 1900 年代初期に開発されたサンプリング方法に依存する傾向が強いことを嘆きました。微妙なバランスをとる必要があります。ある程度のパラダイム慣性は知的継続性を維持するために必要ですが、行き過ぎてしまう可能性があります。科学としての物理学は、この問題にずっと以前から取り組んでおり、較正と評価の期間に新しい技術を確立した発見に常に関連付ける科学的文化を確立した後、新しい技術を広く受け入れてきました。生物学全体でこのプロセスのペースは、過去数十年で加速しており、生態学がこの点に到達したのはごく最近のことです。この記事では、そうした技術の 1 つである堆積物プロファイル画像 (SPI) を紹介します。SPI は 1970 年代から存在しているにもかかわらず、徐々に受け入れられつつあり、現在は評価と較正の期間にあります。前述の多くの技術と同様に、新しい機能はそれぞれ、特定のアプリケーションでの適切性を慎重に検討する必要があります。これは、データ収集の制限という重要だが微妙な境界を越える場合に特に当てはまります。たとえば、底生生物に関する知識の多くは、コアやグラブなどのポイント サンプル法から開発されてきましたが、一部のビデオ トランセクト分析法 (例: Tkachenko 2005) などの連続データ収集では、パッチ性をより明示的に統合する異なる空間的解釈が必要になる場合があります。リモート サンプリング技術によりポイント サンプリングの解像度が向上することが多い一方で、底生生物学者は小さな空間スケールでの現実世界の不均一性を考慮し、それをほとんどの大量データ収集方法 (例: 間隙水のマイクロ電極調査に関する Rabouille ら 2003) に固有のノイズと比較する必要があります。 SPI 分野における新たな開発により、動的な堆積プロセスを調査するためのツールが提供される一方で、連続データセットに近い空間密度で収集されたポイントデータを正確に補間する能力にも課題が生じます。
市販の REMOTS システム (Rhoads ら、1997 年) に組み込まれている SP 画像は高価 (執筆時点で NZ$60,000 以上) で、重い持ち上げ装置 (堆積物を効果的に貫通するための完全な重りを付けると約 66 ～ 400 kg) が必要であり、泥質の堆積物に限定されます。REMOTS は小規模な研究プログラムには適しておらず、また、おそらく REMOTS が最も役立つ可能性がある浅瀬での小型船舶による操作にも適していません。浅い潮下帯環境の研究は、特に移動する砂の中では困難な作業になる可能性があります。大型動物のサンプリングは通常、1 メートル未満の規模で行われますが、波への曝露や堆積物のテクスチャなどの主要な物理的要因は、多くの場合数百メートルの規模でしか解決されないにもかかわらず、数メートルの規模で変化する可能性があります。このような動的な環境では、残土山のような潜在的に一時的な撹乱を監視するには、細かい空間的および時間的スケールでの底生生物のマッピングが必要であり、SPI に最適なアプリケーションです。

従来の SPI デバイスの特徴は、デバイスが潜望鏡のように堆積物の中に沈めるか、鋤のように海底を曳航されるかに関係なく、透明な面、ミラー、蒸留水を含むプリズムです (Cutter and Diaz 1998)。何かを堆積物の中に押し込むには、画像化する必要のある隣接する堆積層を乱すことなく、砂粒を押しのけて画像化デバイスに置き換える必要があります。堆積物を押しのけるためにくさびを使用すると、かなりの構造的完全性と力が必要になり、サイズ、重量、および構築と展開のコストが増加します。もちろん、くさびを小さくすればこれらの要件は軽減されますが、サンプリング領域が極端に小さくなるという受け入れがたいコストがかかります (一般的な SPI デバイスは約 300 cm ^{2 を}画像化します)。ミラーにより、くさびの形状がさらに制限されます。光路の形状を変更するために根本的で高価な光学系を使用しない限り、堆積物の表面とカメラの平面の間に 45° の角度を維持する必要があります。これらの制限により、SPI プリズムは傾斜面 (つまり、1 つの直角を含む三角柱) になります。SPI プリズムを堆積物に押し込むと、次の古典的な方程式で定義される物理的な作業が行われます。

W = FD

ここで、W = 仕事、F = 力、d = 距離です。堆積物の粒子を移動させるには、慣性と、隣接するすべての粒子によって生成される摩擦 (静的および動的) の両方を克服するために、ある程度の仕事が必要です。くさびは、粒子が移動しなければならない距離を増やすことを犠牲にして、より少ない力で移動作業を行います。SPI デバイスのサイズを縮小するには、特定のイメージング領域で堆積物を移動させるために必要な仕事量を減らすことが理にかなっています。水中環境にあると、仕事を減らすことにまず利点があります。堆積物の水分含有量を増やすことで、粒子同士の相互作用による静的および動的摩擦係数の両方が大幅に減少します。このような大きな物理的スケールでは、粘性相互作用は摩擦に比べて非常に小さいです。したがって、堆積物を流動化することで、SPI デバイスはより少ない下向きの力で、より多くの粗い堆積物を移動させることができます。 (もちろん、すべての質量エネルギーは保存されます。つまり、水を堆積物に送り込むにはより多くの作業が必要ですが、少なくともそれはウェッジから離れた場所で行うことができます。) 堆積物を流動化して、そのままの画像化する必要がある堆積物構造から取り除くために、堆積物をきれいに分離することが重要です。

水潤滑は、必要な力の量を減らし、必要な作業負荷を軽減するために使用できますが、粒子の移動距離も短縮できるでしょうか? 粒子の移動を減らす上で最大の制約となるのはイメージングミラーなので、これを省くのは理にかなっています。平面内を移動して遭遇した光の色と強度を記録することで画像をデジタル化する、商用および消費者向けのラインスキャナが多数存在します。フラットベッドスキャナとデジタルコピー機はこの技術の例です。デバイスから発せられる光は、光源の近くにあるセンサーにイメージ化されるシーンで反射します。光の経路は、一連の中間ミラーとレンズによって折り曲げられ、小さな線形センサーアレイに、または直接、小さなセンサーの大きなアレイに操作されます。Keegan ら (2001) が結論付けているように、薄いフラットベッドスキャナを堆積物に押し込むには、大きなプリズムを押し込むよりもはるかに少ない作業で済みます。

「現在の設計では、SPI アレイのプリズムのサイズが、より柔らかく、あまり密でない堆積物以外への浸透を妨げています。浸透を強化するために、鉛の重りをすべて使用する必要がある場合 (66 kg)、持ち上げ装置が制限されている小型船舶ではシステムの取り扱いが困難になります。プリズムをスリムな「掘削ブレード」として機能させることができれば、サイズとそれに伴う重量を減らすことができます。露出面全体を現場でデジタルスキャンできます。このようなブレードは、浸透を容易にし、より深く浸透できるようにするだけでなく、SPI の使用範囲をより密で細砂から中砂にまで広げます。著者らは、これらのより抵抗力のある堆積物を 55 cm を超える深さまで浸透する適切なケーシングをすでに実験していますが、衝撃に耐え、目的に見合った解像度を持つ物理的に堅牢なスキャナーはまだ特定されていません。」

解像度、重量、圧力および衝撃耐性といった工学上の問題は、スキャナを長方形の構成にしておくことでさらに複雑になります (Patterson 他、2006 年)。水中機器のほとんどは円筒形に収納されています。これは、円筒形は長方形の筐体よりも、所定の体積を囲む表面積が小さいためです。所定の表面積 (撮像面積) の場合、円筒形の周囲から撮像する方が、くさび形の斜面から撮像するよりも堆積物の粒子の移動距離が少なくて済みます。図 7 に示すように、一般向けフラットベッド スキャナのスキャン ヘッド (光源とセンサー アレイを含む) が平面ではなく円形の経路で動くように変更するのは概念的に簡単です。この構成変更により、くさび形のより効率的な形状が可能になり、後で説明するようにくさび形をなくすことも可能です。

図 7. スキャン ヘッド パスを、一般消費者向けスキャナに見られる一般的な平面から円形パスに変更すると、同じ領域をはるかに小さい垂直平面領域 (堆積物を貫通する必要がある面) でイメージングできます。この構成により、ボックスではなく機械的に優れた (外部圧力下で) シリンダーを使用することもできます。

目標は、消費者向けフラットベッド スキャナを使用して、最小の円筒形容積で最大のイメージング領域を取得することでした。一般的なフラットベッド スキャナは約 220 x 300 mm (660 cm ² ) の領域をイメージングするため、密閉された透明カプセル内に収まるように再構成できるシステムを見つける必要がありました。最新のフラットベッド スキャナには、2 つの基本的なイメージング方法があります。1980 年代から 1990 年代後半にかけて、市場はあらゆる被写界深度からイメージをキャプチャできるシステムが主流でした。このようなデジタル イメージング デバイスのほとんどは、電荷結合素子(CCD) アレイを使用していました。CCD では、感光材料の個別のドットが、それに当たる光の強度に基づいて特定の電荷を生成します。CCD は色を検出しません。この技術では、シーンが照らされ、シーンからの狭い帯状の反射光がスリットを通過し (他の方向から来る光を排除するため)、次にミラー アレイ (通常は箱型に折り畳まれている) によって、通常は数センチの長さのプリズムに集光されます。プリズムは光を構成色に分割します。小さな CCD アレイは、原色が鮮明に焦点を合わせるポイントに慎重に配置されます。個別の色の強度は合成値に結合され、コンピューター (またはスキャナーの電子アセンブリ) によってピクセルのラインとして記録されます。次に、移動するスキャン ヘッドが少し前進して、シーンの次のラインを収集します。したがって、1 つの軸の解像度は CCD アレイのサイズと焦点を合わせた光学系によって決まり、もう 1 つの軸の解像度は、スキャン ヘッド前進モーターが実行できる最小の信頼性の高いステップによって決まります。このタイプのスキャナーの光学アセンブリは振動に対してかなり堅牢ですが、従来の光源 (バランスの取れた色温度の冷陰極管) はそうではありません。そのため、固体白色発光ダイオード (LED) のアレイに置き換えられました。この置き換えのもう 1 つの利点は、光源を白色光と約 370 nm 波長の紫外線 (UV) の間で切り替えることができることです。この UV 光源により、プロトタイプで目に見える蛍光を発する物質 (通常はトレーサー鉱物または炭化水素) を検出できるようになりました。
直径 80 mm のシリンダー内に収まるように再構成できる適切なスキャン ヘッド モデルが見つかり、スキャナーの標準ステッピング モーターが同じスペース内に収まるように変更されました。次に、ユニット全体をステンレス スチールのピボットに取り付け、シリンダーの内壁に押し付けられたスプリング式の摩擦ホイールによって回転させました。シリンダーの周囲 (250 mm) は、一般的なスキャン パス (300 mm) よりも小さいため、モーターのギアを減らしてパスに沿ったスキャン解像度を向上させました。その結果、画像ジオメトリに生じた変化は、画像キャプチャ ソフトウェアで比較的簡単に修正できました。結果として得られたアセンブリを図 8 に示します。

電子機器をしっかりと取り付けるには、かなり厳密な内部公差が必要であり、透明シリンダーは、より厳密な公差を持つ外部の外装シリンダー内に収まる必要がありました。後者は、画像化する堆積物面と画像化平面との間に隙間が生じないようにするために必要でした。隙間があると、堆積物が落ちたり、汚れたりして、堆積物プロファイルの科学的価値が低下します。最終的には、カスタム旋削されたステンレス鋼 (316) コーンを使用して油圧ラムでスエージ加工されたステンレス鋼の自動車排気管が使用されました。ポータルは中央セクションに切り込まれ、4 つのウィンドウに分割された 210 x 150 mm の領域を画像化できるようにしました。
堆積物に水を注入して、一部の堆積物を押しのけ、他の堆積物を乱さないようにするために、貫入ヘッドが鋳造され、配管されました。貫入計に取り付けられ、水中の砂質堆積物に押し込まれた一連の 1/4 スケールのモデルを使用して、いくつかの貫入ヘッド形状が調査されました。オフセット円錐セクションが削除された鋭角の平面が最も効率的であるとして選択されました。この構成では、ヘッドは最初に、掘削孔の壁の堆積物を支えながら、押しのけるべき堆積物を（力で）分離します。円錐状の空間に角度のついたウォータージェットによって水の渦が生成されました。この設計により、SPI 画像の 1 つの「排気」セクターの堆積物が大きくかき乱されましたが、残りのセクターのかき乱しは最小限に抑えられました。ペネトレーターヘッドは、最初に 1.5 kg のバターを目的の形に彫り、次に焼石膏でネガを鋳造して作られました。ウォータージェット（銅管）が鋳型内に取り付けられ、アセンブリは 70 °C のオーブンで 3 日間乾燥され、次に約 7 kg の溶融鉛を使用してポジティブ鋳造されました。最終的なペネトレーターヘッドを図 10 に示します。展開前に、デバイスには、水上船との電気的および機械的接続を提供するテザーと、垂直に海底に入るようにするためのフレームが必要でした。

最初のプロトタイプは概念実証の練習として構築されました。ガラス製のシリンダーは、現場で繰り返し使用しても耐えられない可能性が高いです。このデバイスは、模擬 SPI アプリケーション (土砂山のキャップ監視) にかけられました。450 L のドラム缶に地元の海岸の細かい砂が詰められました。次に、粘着性のシルトと粘土サイズの材料を砂とともに個別の層に敷きました。次に、粗い砂の「キャップ」を上に置いて、ドラム缶全体を海水で満たしました。貫通は満足のいくものでした (画像 13 cm、貫通ヘッド用にさらに 15 cm) が、解像度は予想どおり低かったです。

最初のプロトタイプの構築とテストの経験から、いくつかの重要な問題が明らかになりました。選択されたスキャナー技術は、被写界深度が非常に深く (表面の特徴を識別するのに便利)、ミラー アセンブリに大きな容積が必要でした (振動に耐えられるように強化する必要があった)。さらに、装甲、サポート フランジ、および給水管により、堆積物のさらなる貫通が制限され、堆積物の撹乱を引き起こしました。現場でペネトレーター ヘッドを迅速に交換できるように、給水ギャラリー全体をスキャナー モジュールの中央に移動することが望まれました。堆積物の質感や構造が異なると、異なる形状の方が効果的である可能性が高いと考えられます。これらの決定により、2000 年代初頭に主に開発され販売された代替スキャナー技術が生まれました。これは、コンタクト イメージング、直接イメージング、LED 間接露光 (米国特許 5499112) など、さまざまな名前で知られています。この技術では、一連の LED がイメージング プレーン上で原色をストロボで照射します。照明が重要であるため、イメージング プレーンは近くになければなりません。撮像面からの反射光は、CCD 要素につながるライト ガイドのアレイに向けられます。ライト ガイドと撮像面の物理的な配置により、このテクノロジを使用した場合の被写界深度が制限されます。消費者向けスキャナを使用したテストでは、フル解像度の画像の場合、撮像面はスキャン ヘッドから 1 ～ 3 mm 離れていてもかまいませんが、それを超えるとすぐに距離が短くなります。スキャン ヘッドから 5 mm 以上離れたシーンの特徴はほとんど識別できませんでした。SP 画像の主な価値は 2 次元であるため、この制限は、スペースを大幅に節約するための小さなトレードオフでした。ソリッド ステート テクノロジは振動に強く、ミラーは必要ありません。残念ながら、カスタム設計されたスキャン ヘッドなしでは UV 照明を提供することは困難であったため、2 番目のプロトタイプには組み込まれませんでした。SPI
の大きな利点の 1 つは、水の透明度に関係なく、堆積物情報を確実に提供できることです。ただし、生息地マッピングやサイドスキャン ソナーの地上検証など、多くの SPI アプリケーションでは、視界が許せば海底表面の画像が役立ちます。テザーは電力源と水上船とのコンピュータ接続を提供するため、堆積物プロファイルに隣接する海底表面を撮影するデジタル カメラを追加することも概念的に簡単な追加でした。カメラの周囲にレーザー アレイを配置することで、海底表面画像の形状 (さまざまな角度で撮影されるため) とそのスケールを修正する手段ができました。このような画像により、隣接する堆積物プロファイルを解釈するための参照フレームが大きくなり、複数のプロファイルの生息地の接続性についてより情報に基づいた推定が可能になります。海底表面カメラを備えた 2 番目のプロトタイプの縦断面を図 11 に示します。一般的な展開構成を図 12 に示します。

図 11. Benthic Sc​​ience Limited 社が製造した 2 番目のプロトタイプ SPI-Scan イメージャーの縦断面。A) 電子機器スペース、B) 垂直駆動シャフトに接続されたモーター/ギアリング アセンブリ、C) 5 つのレーザーのうちの 1 つ、D) 海底表面 CCD、E) カメラ ポッド、F) スキャン ヘッド、G) 水ギャラリーとジェットを備えた現場で交換可能なペネトレーター、H) 現場で交換可能な切断ブレード、I) スキャン ヘッド ホルダー、J) 中央加圧水ギャラリー、K) 透明ポリカーボネート シリンダー、L) 水ポンプ。

図 12.スケール/ジオメトリ レーザーが表面カメラ ポッドから放射されるアクティブ状態で 現場を 想定した 2 番目のプロトタイプの図 (わかりやすくするためにフレームの 1 つの脚を省略) 。

設計段階でのいくつかの決定が、このデバイスの最終的な有用性に影響を与えました。REMOTS システムは、大型船舶から深海でポイント SP 画像を提供するのに適しています。SPI-Scan プロトタイプは、特に小型船舶から浅海での作業を目的としていました。設計を変更してより深い場所で作業することもできますが、50 m のテザーを使用して 30 m の水深で効果的に操作できるようにしました。フィールド テストは、まずオタゴ大学海洋科学部の R/V Munida から 29 m の水深で実施されました。

図 13. 実地試験中の 2 番目のプロトタイプ。ここでは、6 m R/V Naupliusから展開中(左上)、海底で上向きの位置でロックされている状態 (右上と左下 - ここではレーザーは見えません)、砂に掘り始めている状態 (右下) が示されています。

次の一連の海上試験は、5 メートルの研究船から水産養殖施設の近くで実施されました。約 20 回の展開から 78 枚の画像が収集されました。図 14 は、代表的な 2 枚の画像を示しています。図 15 に示すように、デジタル画像には、ここで再現したものよりもはるかに詳細な情報が含まれています。

図 14. これは養殖施設から 1 km 離れた場所で潮流に沿って (左) および横切って (右) 採取した堆積物の断面の 2 つの部分です。右側のスケールの間隔は 1 mm です。

図 15。 図 14 の画像の一部がパネル 6、7、8 に示されています。パネル 6 では堆積物のテクスチャが詳細に示され、パネル 7 では多毛類の虫がはっきりと示され、パネル 8 ではシルト マトリックス内のEchinocardium (ハート ウニ) の殻の破片が示されています。パネル 9 では、ダイバーがスキャナーに「親指を立てて」サインをしており、2 番目のプロトタイプの被写界深度が限られていることを示しています。背景の照明が強いため、水中の視認性が悪いことも明らかです。すべてのスケールの目盛りはミリメートル単位です。

表面コンピューターは、SP 画像に収集日時を直接刻印しました。カスタム ソフトウェアは、コンピューターのシリアル ポートに接続された GPS からの NMEA データ ストリームを統合し、表面船舶の地理的位置 (または、音響測位ビーコン アレイからの NMEA 出力によって修正された場合はデバイスの位置) も刻印しました。ソフトウェアはさらに、GEOTiff グラフィック標準の修正を使用して、地理的位置とデータム情報を画像タグに埋め込みます。これにより、GIS パッケージ内で開いたときに、SPI と海底表面画像を空間的に適切な位置に自動的に配置できます。この機能により、現場で底生生物データをリアルタイムで評価し、さらにサンプリングを決定する際に役立てることができます。

現地試験により、このデバイスが使用可能な画像を生成することが実証されています (画像分析は、より広範な文献で取り上げられている別のトピックです)。この技術は、他の既存の SPI デバイスよりも大幅にコスト効率が高く、2 人が軽量フレームまたはダビットを操作することで小型船舶 (約 5 m) から展開できます。デバイスの開発は、より優れた貫通形状と技術、より流体力学的なハウジング、および追加のセンサー オプションとともに継続されています。Koenig ら (2001) は、サブセンチメートルの酸素分布 (非消費型ルテニウム蛍光法を使用) と pH を解析できる光学センサー (オプトードまたは反応性フォイルとも呼ばれる) のいくつかの興味深い開発についてレビューしました。非常に小さな酸化還元 (Eh) プローブもかなり前から利用可能でした。Vopel ら (2003) は、動物と堆積物の相互作用の研究において、このような機器を組み合わせることの有用性を実証しました。これらの機器は、堆積物撮像装置に比較的簡単に統合でき、少数のサイトで堆積物の地球化学プロファイルを絶対的に定量化して、周囲の SP 画像の分析に役立てることができます。UV 照明の追加は、製造上の問題にすぎません。UV 機能により、SPI の役割が拡張され、港の汚染を直接監視したり、石油化学製品の流出の影響を評価したりできるようになります。SP 画像の解像度は十分に高いため、トレーサー鉱物が独特の色や蛍光特性を示す場合、高価な染色を行わずに堆積物のトレーサー研究を行うことができます。Keegan
ら (2001) は、化学的および物理的な環境測定のみでは定量化が容易で再現性も高いものの、環境の健全性の監視には全体的に不十分であると指摘しました。生物学および生態学の理論は、環境法の制定、監視、施行の完全なパートナーとなるほど十分に進歩しており (Karr 1991)、物理化学的結果の解釈に適切なローカルコンテキストを提供できます。海洋養殖が底生生物に与える影響に関する典型的な評価において、ウェストン (1990) は、堆積物の化学組成 (CHN、水溶性硫化物、酸化還元測定) による有機物濃縮効果の測定範囲は養殖場からわずか 45 m であるのに対し、底生生物群集の影響は 150 m まで明らかであることを発見しました。SPI は、これらの重要な生物学的パラメータの多くを解明できます。Benthic Sc​​ience Limited は、SPI-Scan 技術の開発を続けています。

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