Reefshape: نظام للجمع الفعال والمعالجة الآلية لبيانات المسح التصويري تحت الماء للسلاسل الزمنية لمراقبة الموائل القاعية

ReefShape هو بروتوكول لجمع ومعالجة آلية مجموعات بيانات المسح التصويري تحت الماء للسلاسل الزمنية المرجعية جغرافيا لمراقبة الموائل القاعية. المسح التصويري ، أو التصوير بمساحة كبيرة ، هو أداة أصبحت شائعة جدا بين باحثي الشعاب المرجانية لإنشاء نماذج رقمية ثلاثية الأبعاد وفسيفساء صور ثنائية الأبعاد عالية الدقة لأقسام القاع يمكن تحليلها لاحقا على جهاز كمبيوتر لقياس أشياء مثل تكوين المجتمع أو التعقيد الهيكلي. يعد جمع هذا النوع من البيانات والسلاسل الزمنية لمراقبة الشعاب المرجانية مفيدا بشكل لا يصدق في سياق التدهور العالمي السريع للنظم البيئية للشعاب المرجانية. المسح التصويري تحت الماء كمفهوم بسيط إلى حد ما. يتضمن التقاط مئات إلى آلاف الصور المتداخلة للغاية لمنطقة ما يتم إدخالها في الهيكل من برنامج القياس التصويري للحركة لإعادة إنشاء اتجاهات الصور في مشهد الشعاب المرجانية في 3D. يمكن بعد ذلك إنشاء نموذج رقمي لنموذج شبكي وفسيفساء تقويم العظام 2D من أعلى إلى أسفل. في حين أن العديد من البروتوكولات لجمع بيانات المسح التصويري لمراقبة الشعاب المرجانية موجودة ، إلا أنها غالبا ما تركز على جمع الصور وتترك خيارات المعالجة للباحثين الفرديين ، والتي يمكن أن تستغرق وقتا طويلا ولها منحنى تعليمي حاد. تمثل أتمتة هذه العملية تحديا لأنه يجب توسيع نطاق النماذج بشكل صحيح وتحديد موقعها ومواءمتها بدقة مع النقاط الزمنية الأخرى لتكون مفيدة بشكل خاص لتحليل البيانات البيئية. لقد قمنا بتطوير ReefShape كوسيلة لمعالجة هذه القضايا. توفر طريقتنا حلا لإنشاء مخططات مراقبة دائمة مع بيانات مرجعية جغرافية في العالم الحقيقي ، وجمع صور السلاسل الزمنية بكفاءة ومعالجة البيانات باستخدام مجموعة من نصوص Python المخصصة التي تعمل على أتمتة خط أنابيب المعالجة وتبسيطه بشكل كبير. مع Agisoft Metashape Pro ، برنامج المسح التصويري القياسي في الصناعة. تنتج البرامج النصية الخاصة بنا بيانات سلاسل زمنية متحجمة ومرجعية جغرافيا يتم تصديرها بالتنسيقات المناسبة لسير عمل التحليل المشترك وبرنامج نظم المعلومات الجغرافية ومختبر العلامات ، وهو تطبيق مصمم لهذا الغرض للتعليق التوضيحي السريع لفسيفساء الشعاب المرجانية. نحن نعتمد على استخدام أربع علامات تحكم أرضية دائمة يمكن اكتشافها تلقائيا يتم تثبيتها على الركيزة عند إنشاء قطعة أرض لأول مرة. يتم جمع الأعماق ومواقع GPS لهذه العلامات في النقطة الزمنية الأولى باستخدام Bluetooth GPS والهاتف الذكي مع مسح مخصص متاح مجانا وإرسال بيانات الموقع المنسقة مسبقا إلى المستخدم عبر البريد الإلكتروني. لجمع البيانات ، يتم وضع أشرطة مقياس مؤقتة داخل المؤامرة ويتم التصوير بواسطة غواص أو غطس بكاميرا واحدة وعدسة بزاوية واسعة. تتطلب النقاط الزمنية اللاحقة فقط نقل وتنظيف علامات الزاوية الدائمة ، ووضع أشرطة المقياس ، وجمع الصور. على الكمبيوتر ، تسهل نصوص ReefShape المخصصة الخاصة بنا المعالجة التلقائية ومحاذاة السلاسل الزمنية لبيانات الصور ، مما يوفر للباحث وقتا وجهدا كبيرين يمكن استثمارهما بدلا من ذلك في تحليل البيانات البيئية. تبدأ العملية بإعداد المعدات ، وتجميع مجموعة لوح الركل GPS ، وإنشاء أشرطة مقياس ، وإنشاء ملف نصي بأطوالها الدقيقة ، وشراء علامات الزاوية ، وتجميع نظام الكاميرا ، وتكوين الإعدادات الصحيحة ، وإعداد برنامج Metashape وتثبيت البرامج النصية ReefShape على كمبيوتر المعالجة. في هذا المجال ، يجب أولا اختيار قطعة أرض مناسبة. كما هو الحال مع أي بروتوكول بحث تحت الماء ، يجب إعطاء الأولوية للسلامة طوال هذه العملية. يمكن تنفيذ هذا البروتوكول بواسطة باحث واحد أو زوج من الأصدقاء ويمكن تكييفه مع أي حجم قطعة أرض يتراوح بين حوالي 25 مترا مربعا وما يزيد عن ألف متر مربع. لكننا نوصي بحجم قطعة أرض أساسية تبلغ 10 × 10 أمتار. بمجرد اختيار قطعة الأرض ، يقوم الباحث بتثبيت علامات الزوايا الأربعة أثناء الغوص باستخدام مطرقة ثقيلة ومسامير حجرية ، مع الحرص على عدم كسر الركيزة أو إتلاف أي شعاب مرجانية حية. المواقع المثالية هي مناطق ذات ركيزة مسطحة نسبيا غير حية يمكن رؤيتها بسهولة من الأعلى مباشرة ولا يحتمل أن تتلف أو تتآكل حيويا بسرعة مثل الهياكل العظمية المرجانية المسامية للغاية. قم بتثبيت العلامة الأولى في الزاوية الشمالية الشرقية ، والعلامة الثانية ، في الجنوب الشرقي ، وثلاثة ، في الجنوب الغربي ، وأربعة في الشمال الغربي ، من أجل الاتساق وسهولة النقل ، باستخدام بوصلة وشريط قياس إذا لزم الأمر. باستخدام مقياس العمق ، سجل أعماق كل علامة على لوح الغوص. إذا كان ذلك يسمح أو يمنع الضرورة استخدام العلامات الدائمة ، فيمكن وضع علامات مؤقتة واسترجاعها بعد جمع الصور وبيانات GPS. بعد وضع علامات الزاوية ، ضع ثلاثة إلى خمسة قضبان مقياس في جميع أنحاء قطعة الأرض واستخدم وزن الغوص أو صخرة صغيرة لتأمين كل واحدة ومنع الحركة. مثل أي بروتوكول تصويري ، فإن الحصول على الصور هو الخطوة الأساسية. يمكن أن يعمل هذا البروتوكول مع معظم الكاميرا تحت الماء بعدسة بزاوية عريضة قادرة على التقاط الصور بمعدل صورة واحدة في الثانية ، لكننا نوصي على وجه التحديد بنظام كاميرا مزود بكاميرا غير مزودة بمرآة وعدسة مستقيمة بزاوية عريضة مع مجال رؤية يتراوح من حوالي 90 إلى مائة درجة أو بعد بؤري مكافئ للإطار الكامل من 18 إلى 22 ملم ، يقترن بغلاف تحت الماء ومنفذ قبة يتوافق تماما مع العدسة. الهدف الرئيسي هو الحفاظ على صور واضحة. ولذلك ، نوصي باستخدام الوضع اليدوي بفتحة F8.0 ، وسرعة غالق تبلغ 1/500 من الثانية ، وISO التلقائي ، لتحقيق التعريض الضوئي الصحيح لكل إطار. في الظروف المظلمة والأعمق ، يمكن استخدام فتحة عدسة F5.6 وسرعة غالق تبلغ 1/320 من الثانية لزيادة كمية الضوء وتقليل مستويات تشويش الصورة. يجب ضبط توازن اللون الأبيض على العرف. يجب استخدام مؤقت فاصل زمني مدته ثانية واحدة ويجب استخدام وضع التركيز التلقائي الذي يركز في بداية جمع الصور ويظل ثابتا طوال عملية التصوير الفوتوغرافي. يجب ضبط الكاميرا لتسجيل صور JPEG و RAW في وقت واحد. انتقل إلى عمق متوسط المخططات وقم بتعيين توازن أبيض مخصص على الكاميرا باستخدام بطاقة رمادية أو أحد نهايات شريط المقياس. بدءا من إحدى الزوايا ، ضع الكاميرا الموجهة لأسفل من 1.5 إلى مترين فوق الركيزة. قم بتركيز الكاميرا تلقائيا على الشعاب المرجانية وابدأ في جمع الصور بإطار واحد في الثانية ، والسباحة باتجاه زاوية مجاورة. في الرسم ، تمثل المستطيلات الزرقاء مواضع الصورة لهذه المؤامرة ويوضح المستطيل المميز باللون الأحمر نمط السباحة. اجمع الصور التي تغطي قطعة الأرض بأكملها في عازلة لا تقل عن نصف متر حول المحيط في سلسلة من الممرات المضادة للتوازي ، متباعدة حوالي متر واحد ، باستمرار ، من متر ونصف إلى مترين فوق الشعاب المرجانية. عند إكمال هذه المجموعة الأولى من التمريرات ، قم بتدوير 90 درجة واجمع مجموعة مماثلة من التمريرات ، واستكمال نمط الشبكة. يجب أن تكون الصور متجهة لأسفل باستثناء المناطق البارزة حيث يجب إمالة الكاميرا بشكل غير مباشر قليلا للإشارة بشكل عمودي على سطح الركيزة. بعد التصوير الفوتوغرافي ، قم بتنظيف المؤامرة ، مع ترك علامات الزاوية المثبتة فقط. مرة أخرى على السطح، استرجع مجموعة GPS واسبح فوق قطعة الأرض باستخدام مسح ReefShape في ArcGIS Survey123 لتجميع مواقع GPS فوق كل علامة من علامات الزوايا الأربع. بالعودة إلى القارب ، أدخل معلومات العمق المقابلة لكل علامة وأرسلها. بالنسبة للنقاط الزمنية اللاحقة ، قم أولا بنقل المؤامرة وابحث عن علامات الزاوية باستخدام بيانات GPS الأصلية أو نسخة مطبوعة من فسيفساء صور النقطة الزمنية الأصلية ، كمرجع إذا لزم الأمر. باستخدام بطاقة بلاستيكية ، اكشط أي نمو حيوي من أسطح العلامات. استبدل أي علامات مفقودة أو تالفة بالرقم المستهدف المناسب وقم بتدوينها. ضع أشرطة المقياس ، واضبط توازن البياض ، واجمع الصور كما كان من قبل. لمعالجة النقطة الزمنية الأولى لمؤامرة، اختر سير عمل ReefShape الكامل من شريط القائمة المخصص ReefShape. قم بتسمية المشروع باسم قطعة الأرض. قم بتسمية القطعة بتاريخ جمع الصور. قم باستيراد صورك وحفظ المشروع. بعد ذلك ، في اللوحة العامة ، اضبط نظام الإحداثيات على WGS 84 بالإضافة إلى EGM 96. يتم عرض إعدادات المشروع المحددة في مربع الحوار هذا للمستخدم لتعديلها إذا لزم الأمر. يجب أن تكون الإعدادات الافتراضية مناسبة لمعظم المواقف. حدد مجلد تصدير البيانات وحدد المربعات الخاصة بالمخرجات المطلوبة، إما لبرنامج GIS القياسي أو مختبر العلامات. في لوحة الإسناد الجغرافي، حدد نعم لاستخدام العلامات وحدد موقع ملف شريط المقياس وملف الإسناد الجغرافي الذي تم إرساله إليك عبر البريد الإلكتروني. أخيرا ، انقر فوق موافق لبدء عملية المسح التصويري. سيتم حفظ المسار المخصص تلقائيا بعد كل خطوة، مما يسمح للمستخدم بإعادة تشغيله من أي نقطة في العملية دون فقدان التقدم. عند الانتهاء ، سيقوم البرنامج النصي بتصدير جميع منتجات البيانات المطلوبة وتقرير المعالجة وملف الشكل لمنطقة الاهتمام التي تم إنشاؤها تلقائيا والتي تحدها علامات الزاوية. يتم تضمين الوظائف الفردية المفيدة لهذه العملية كأدوات قائمة بذاتها. في قائمة ReefShape ، على وجه الخصوص ، يتم تضمين وظيفة لحساب مساحة السطح ثلاثية الأبعاد إلى نسبة المساحة المستوية تلقائيا ، وهو مقياس شائع لدراسة التعقيد الهيكلي على الشعاب المرجانية. سيتم تخزين كل نقطة زمنية من المؤامرة كجزء جديد في نفس مشروع Metashape. بالنسبة للنقاط الزمنية اللاحقة ، افتح مشروع المخططات Metashape وقم بتشغيل البرنامج النصي للنقاط الزمنية المحاذاة من قائمة ReefShape. انقر فوق إنشاء قطعة وقم بتسميته بتاريخ جمع الصور. قم باستيراد الصور ثم حدد النقطة الزمنية الأصلية كقطعة مرجعية والجديدة كقطعة نشطة. إذا تم استبدال أي علامات زاوية تحت الماء ، فلاحظ ذلك في المربع المنسدل. انقر فوق موافق. سيؤدي هذا إلى اكتشاف العلامات واستيراد المراجع الجغرافية لعلامات الزاوية من النقطة الزمنية الأصلية. افحص العلامات والمراجع الجغرافية في اللوحة المرجعية. إذا لم يتم اكتشاف أي علامات، فضعها يدويا على ثلاث صور على الأقل ثم أعد تشغيل البرنامج النصي للنقطة الزمنية المحاذاة لإعادة استيراد البيانات المرجعية بشكل صحيح. بعد ذلك ، قم بتشغيل البرنامج النصي الكامل لسير عمل ReefShape. يجب ضبط الإعدادات في اللوحة العامة فقط، خاصة منتجات البيانات المطلوب تصديرها ومكان حفظها. يمكن ترك لوحات المراجع الجغرافية وإعداد المشروع فارغة. سيؤدي النقر فوق "موافق" إلى إكمال عملية المسح التصويري وتصدير منتجات البيانات المحاذاة للسلاسل الزمنية. لكل نقطة زمنية، من المهم فحص المحاذاة ومنتجات البيانات للتأكد من دقتها. إذا ظهرت أي مشكلات ، فقد تكون هناك حاجة إلى التدخل اليدوي. يمكن حذف أجزاء بيانات محددة مثل نموذج DEM ثلاثي الأبعاد أو نقاط التعادل في إعادة تشغيل البرنامج النصي الكامل لسير عمل ReefShape لإعادة إنشائها بشكل صحيح. بمجرد رضا المستخدم ، يمكنه إحضار منتجات البيانات المصدرة إلى برنامج GIS أو مختبر العلامات لخطوط أنابيب التحليل المختلفة. توضح هذه المرئيات نتائج تمثيلية. تضمن الوقت .1 واحد 1,299 صورة والوقت .2 بما في ذلك 1,974. تمت محاذاة جميع الصور بشكل صحيح لكل نقطة زمنية ، وتحتوي البيانات الناتجة على ثغرات أو مشكلات واضحة في جودة الصورة. تظهر البيانات في موقع العالم الحقيقي الصحيح ويبلغ خطأ الإسناد الجغرافي للنقطة الزمنية الأولية حوالي 30 سم. خطأ العمق 2.3 سم. خطأ التحجيم هو 0.14 ملم وخطأ إعادة الإسقاط هو 1.12 بكسل. الخطأ بين النقاط الزمنية حوالي ملليمتر واحد. تغطي قطعة الأرض 208 متر مربع بدقة 0.5 ملم. تم الانتهاء من العملية بأكملها لكل نقطة زمنية في حوالي ثماني ساعات على جهاز كمبيوتر منخفض الجودة ، وفي أقل من ساعتين ، على جهاز كمبيوتر ألعاب متطور. تم تصميم هذا البروتوكول لمعالجة بعض التحديات الرئيسية في المسح التصويري تحت الماء. على وجه الخصوص ، من خلال استخدام علامات الزاوية الدائمة وقضبان المقياس التي يمكن اكتشافها. إلى جانب معلومات المراجع الجغرافية في العالم الحقيقي ، تصبح عملية المسح التصويري بأكملها داخل Metashape مؤتمتة ، مما يوفر الكثير من الوقت والجهد. تتضمن البرامج النصية ReefShape الخاصة بنا تحسينات على إجراء محاذاة الصور القياسي الذي يزيد من عدد الصور المحاذاة في الظروف الصعبة ويساعد على تسهيل محاذاة السلاسل الزمنية الدقيقة بين مجموعات البيانات. كما أنها مصممة لزيادة الكفاءة في خط أنابيب معالجة المسح التصويري لتجنب الحاجة إلى استخدام أجهزة كمبيوتر باهظة الثمن للمعالجة. هدفنا الشامل هو إزالة الحواجز لجعل المسح التصويري تحت الماء أكثر سهولة ووظيفية للباحثين الذين يتطلعون إلى استخراج بيانات بيئية مهمة لإبلاغ جهود الحفاظ على الشعاب المرجانية.