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Photogrammetry to quantify the structural complexity provisioning by deep-sea corals
Rueda, Ignacio
Rueda, Ignacio
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Abstract
Structural complexity is a key ecosystem function that enhances biodiversity, habitat availability, and ecological interactions. Keystone taxa like deep-sea corals play major roles in generating this complexity, yet quantifying their contributions remains challenging. We developed a novel method to assess the structural contributions of Hawaiian deep-sea corals at the Keāhole Precious Coral Gardens (natural reef) and the I-201 Submarine (artificial reef) by generating 3D models from high-resolution imagery and digitally removing corals to compare structural complexity (defined as the ratio of 3D to 2D surface area) between original and coral-free models. We evaluated site-level coral contributions, taxa-specific complexity, observer bias in volume estimates due to canopy effects, and scale dependence of structural complexity. Corals enhanced structural complexity by 13% at Keāhole and 3% at Submarine. Taxa-specific contributions varied: Kulamanamana haumeaae and Paracalyptrophora hawaiiensis at Keāhole generated higher complexity per unit height than Narella spp. at the Submarine. Canopy-related observer bias in 2D orthomosaics obscured over 50% of coral volume at Keāhole, compared to less than 3% at Submarine, highlighting limitations of 2D analysis in structurally complex habitats. Structural complexity increased exponentially at finer scales, with coral influence detectable at areas smaller than 10 cm². This method provides a non-invasive approach to quantify the structural role of habitat-forming taxa and can be applied across ecosystems to assess how keystone species shape habitat structure and biodiversity.
La complejidad estructural es una función clave del ecosistema que mejora la biodiversidad, la disponibilidad de hábitat y las interacciones ecológicas. Taxones clave como los corales de aguas profundas desempeñan un papel fundamental en generar esta complejidad, aunque cuantificar sus aportes sigue siendo un desafío. Desarrollamos un método novedoso para evaluar las contribuciones estructurales de corales hawaianos en dos sitios: el arrecife natural Keāhole Precious Coral Gardens y el arrecife artificial del Submarino I-201. Generamos modelos 3D a partir de imágenes de alta resolución y eliminamos digitalmente los corales para comparar la complejidad structural (definida como la relación entre el área 3D y el área 2D) entre modelos originales y sin corales. Evaluamos las contribuciones a nivel de sitio, diferencias específicas por taxón, sesgos de observador en estimaciones de volumen por efectos de dosel y la dependencia de escala de la complejidad estructural. Los corales aumentaron la complejidad estructural en un 13 % en Keāhole y un 3 % en el Submarino. Las contribuciones variaron según el taxón: Kulamanamana haumeaae y Paracalyptrophora hawaiiensis generaron mayor complejidad por unidad de altura que Narella spp. en el Submarino. El sesgo de observador en ortomosaicos 2D ocultó más del 50 % del volumen en Keāhole debido a salientes complejos, en contraste con menos del 3 % en el Submarino. La complejidad estructural aumentó exponencialmente a escalas más finas, siendo detectables los efectos de los corales en áreas menores a 10 cm². Este enfoque no invasivo puede aplicarse para evaluar el papel estructural de especies clave en distintos ecosistemas.
La complejidad estructural es una función clave del ecosistema que mejora la biodiversidad, la disponibilidad de hábitat y las interacciones ecológicas. Taxones clave como los corales de aguas profundas desempeñan un papel fundamental en generar esta complejidad, aunque cuantificar sus aportes sigue siendo un desafío. Desarrollamos un método novedoso para evaluar las contribuciones estructurales de corales hawaianos en dos sitios: el arrecife natural Keāhole Precious Coral Gardens y el arrecife artificial del Submarino I-201. Generamos modelos 3D a partir de imágenes de alta resolución y eliminamos digitalmente los corales para comparar la complejidad structural (definida como la relación entre el área 3D y el área 2D) entre modelos originales y sin corales. Evaluamos las contribuciones a nivel de sitio, diferencias específicas por taxón, sesgos de observador en estimaciones de volumen por efectos de dosel y la dependencia de escala de la complejidad estructural. Los corales aumentaron la complejidad estructural en un 13 % en Keāhole y un 3 % en el Submarino. Las contribuciones variaron según el taxón: Kulamanamana haumeaae y Paracalyptrophora hawaiiensis generaron mayor complejidad por unidad de altura que Narella spp. en el Submarino. El sesgo de observador en ortomosaicos 2D ocultó más del 50 % del volumen en Keāhole debido a salientes complejos, en contraste con menos del 3 % en el Submarino. La complejidad estructural aumentó exponencialmente a escalas más finas, siendo detectables los efectos de los corales en áreas menores a 10 cm². Este enfoque no invasivo puede aplicarse para evaluar el papel estructural de especies clave en distintos ecosistemas.
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Date
2025-05-10
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Keywords
Structural Complexity, Photogrammetry, 3D Modeling, Deep-Sea, Scale Dependence