Reefshape：用于底栖栖息地监测的时间序列水下摄影测量数据的高效收集和自动处理系统

ReefShape 是一种用于收集和自动处理地理参考时间序列水下摄影测量数据集底栖栖息地监测的协议。摄影测量或大面积成像是一种在珊瑚礁研究人员中非常流行的工具，用于创建底栖动物部分的 3D 数字模型和高分辨率 2D 正射校正照片马赛克，稍后可以在计算机上进行分析，以测量群落组成或结构复杂性等内容。在全球珊瑚生态系统迅速衰退的背景下，收集此类数据和时间序列用于珊瑚礁监测非常有用。水下摄影测量作为一个概念相当简单。它涉及拍摄一个区域的数百到数千张高度重叠的图像，这些图像从运动摄影测量软件输入到结构中，以 3D 方式重新创建珊瑚礁景观中照片的方向。然后可以生成网格模型、数字高程模型和 2D 自上而下的正射镶嵌。虽然存在许多用于收集用于珊瑚礁监测的摄影测量数据的协议，但它们通常专注于图像收集，并将处理选项留给个别研究人员，这可能非常耗时且学习曲线陡峭。这一过程的自动化是一项挑战，因为模型必须正确缩放、定位并与其他时间点精确对齐，才能对生态数据分析特别有用。我们开发了 ReefShape 作为解决这些问题的一种方式。我们的方法提供了一种解决方案，用于使用真实世界的地理参考数据建立永久监测图，使用一组自定义 Python 脚本有效地收集时间序列图像和处理数据，这些脚本完全自动化并显着简化了处理管道。使用行业标准的摄影测量软件 Agisoft Metashape Pro。我们的脚本生成缩放和地理参考的时间序列数据，这些数据以适当的格式导出，用于常见分析工作流程和 GIS 软件和标签实验室，这是一个专门用于快速注释珊瑚礁正射镶嵌的应用程序。我们依赖于使用四个永久性的自动可检测地面控制标记，这些标记在首次建立地块时固定在基质上。这些标记的深度和 GPS 位置是在第一个时间点通过蓝牙 GPS 和智能手机收集的，并可免费提供自定义调查，并通过电子邮件将预先格式化的位置数据发送给用户。为了收集数据，在地块内放置临时比例尺，并由潜水员或浮潜者使用单个相机和广角镜头进行成像。后续时间点只需要重新定位和清洁永久角标记、放置比例尺和收集图像。在计算机上，我们的自定义 ReefShape 脚本有助于图像数据的自动处理和时间序列对齐，为研究人员节省大量时间和精力，转而将这些时间和精力投入到生态数据分析中。该过程从设备准备开始，组装 GPS 浮板套件，创建比例尺，制作具有精确长度的文本文件，采购角标记，组装相机系统，配置正确的设置，以及设置 Metashape 软件并将 ReefShape 脚本安装到处理计算机上。在现场，必须首先选择合适的地块。与任何水下研究协议一样，在整个过程中应优先考虑安全。该协议可以由单个研究人员或伙伴对执行，并且可以适用于约 25 平方米至 1000 平方米以上的任何地块大小。但我们建议基本地块大小为 10 x 10 米。一旦选择了地块，研究人员就会在水肺潜水时使用大锤和砖石钉子安装四个角标记，注意不要破坏基质或损坏任何活珊瑚。 理想的位置是相对平坦的非生命基质区域，这些基质很容易从正上方看到，并且不太可能被损坏或迅速被生物侵蚀，例如非常多孔的珊瑚骨架。在东北角安装标记 1，在东南角安装标记 2，在西南角安装标记 3，在西北角安装 4，以确保一致性和易于搬迁，如果需要，请使用指南针和卷尺。使用深度计，在潜水板上记录每个标记的深度。如果允许或必要时无法使用永久性标记，可以在收集照片和 GPS 数据后放置和检索临时标记。放置角标记后，在整个地块上放置三到五个比例尺，并使用潜水重物或小岩石固定每个比例尺并防止移动。与任何摄影测量协议一样，图像采集是关键步骤。该协议可以与大多数带有广角镜头的水下相机一起使用，能够以每秒一张照片的速度拍照，但我们特别推荐带有无反光镜相机和广角直线镜头的相机系统，视野约为 90 到 100 度或全画幅等效焦距为 18 到 22 毫米， 搭配水下外壳和与镜头完美匹配的圆顶端口。关键目标是保持清晰的图像。因此，我们建议使用光圈为 F8.0、快门速度为 1/500 秒的手动模式和自动 ISO，以实现每一帧的正确曝光。在较暗和较深的条件下，可以使用 F5.6 的光圈和 1/320 秒的快门速度来增加光量并降低图像噪点水平。白平衡应设置为自定义。应使用一秒的间隔定时器，并应使用在图像采集开始时对焦并在整个摄影过程中保持恒定的自动对焦模式。相机应设置为同时录制 JPEG 和 RAW 图像。导航到图的中位深度，并使用灰卡或比例尺末端之一在相机上设置自定义白平衡。从一个角开始，将相机指向基板上方 1.5 到 2 米处。将相机自动对焦在珊瑚礁上，并开始以每秒一帧的速度收集照片，游向相邻的角落。在图形中，蓝色矩形表示此图的照片位置，红色突出显示的矩形表示游泳模式。在一系列反平行通道中收集覆盖整个地块的照片，在周边至少半米的缓冲区中，间隔约一米，始终位于珊瑚礁上方一米半到两米处。完成第一组通道后，旋转 90 度并收集一组类似的通道，完成网格图案。照片应朝下，除非在高浮雕区域，相机应稍微倾斜以垂直于基材表面。拍照后，清理地块，只留下安装的角标。回到地表，检索 GPS 套件，并使用 ArcGIS Survey123 中的 ReefShape 测量在绘图上游动，以收集四个角标记中每个上方的 GPS 位置。回到船上，输入每个标记对应的深度信息并提交。对于后续时间点，首先重新定位绘图，并使用原始 GPS 数据或原始时间点照片马赛克的打印输出找到拐角标记，作为参考（如果需要）。使用塑料卡，刮掉标记表面的任何生物生长物。用正确的目标编号替换任何丢失或损坏的标记并记下。像以前一样放置比例尺、设置白平衡并收集图像。要处理绘图的第一个时间点，请从 ReefShape 自定义菜单栏中选择完整的 ReefShape 工作流程。将项目命名为地块名称。使用图像收集日期命名块。 导入您的照片并保存项目。接下来，在常规面板中，将坐标系设置为 WGS 84 加 EGM 96。此对话框中会显示选择项目设置，供用户根据需要进行修改。默认值应该适用于大多数情况。选择用于数据导出的文件夹，然后勾选所需输出的框，无论是标准 GIS 软件还是标签实验室。在地理参考面板中，选择“是”以使用标记，然后找到比例尺文件和通过电子邮件发送给您的地理参考文件。最后，点击 好的 开始摄影测量过程。自定义管道将在每个步骤后自动保存，允许用户从流程中的任何点重新运行它，而不会丢失进度。完成后，脚本将导出所有请求的数据产品、处理报告和自动生成的感兴趣区域的形状文件，该区域由角标记为界。对此过程有用的各个功能作为独立工具包含在内。特别是在 ReefShape 菜单中，包括一个自动计算 3D 表面积与平面面积之比的功能，这是研究珊瑚礁结构复杂性的常用指标。绘图的每个时间点将作为新块存储在同一个 Metashape 项目中。对于后续时间点，请打开绘图 Metashape 项目，然后从 ReefShape 菜单运行对齐时间点脚本。单击创建块并使用图像收集日期命名。导入照片，然后选择原始时间点作为参考块，选择新时间点作为活动块。如果任何角标记在水下被替换，请在下拉框中注明这一点。单击确定。这将检测标记并从原始时间点导入角标记的地理参考。检查参考面板中的标记和地理引用。如果未检测到任何标记，请手动将它们放置在至少三个图像上，然后重新运行对齐的时间点脚本以正确重新导入参考数据。接下来，运行完整的 ReefShape 工作流脚本。只需要调整常规面板中的设置，尤其是要导出哪些数据产品以及保存在何处。地理参考和项目设置面板可以留空。单击确定将完成摄影测量过程并导出时间序列对齐的数据产品。对于每个时间点，检查对齐和数据产品的准确性非常重要。如果出现任何问题，可能需要人工干预。可以在完整的 ReefShape 工作流脚本重新运行中删除特定数据片段，例如正射镶嵌 DEM 3D 模型或连接点，以正确重新生成它们。一旦用户满意，他们就可以将导出的数据产品带入GIS软件或标签实验室，用于各种分析管道。这些视觉效果演示了具有代表性的结果。时间 .1 包括 1,299 张照片，时间 .2 包括 1,974 张照片。所有照片都针对每个时间点正确对齐，生成的数据存在漏洞或明显的图像质量问题。数据显示在正确的真实世界位置，初始时间点的地理引用误差约为 30 厘米。深度误差为2.3厘米。缩放误差为 0.14 毫米，重投影误差为 1.12 像素。时间点之间的误差约为一毫米。该地块占地 208 平方米，分辨率为 0.5 毫米。每个时间点的整个过程在低端电脑上大约需要八小时完成，在高端游戏电脑上不到两个小时就完成。该协议旨在解决水下摄影测量中的一些主要挑战。特别是，通过使用可检测的永久性角标记和比例尺。结合现实世界的地理参考信息，Metashape 中的整个摄影测量过程变得自动化，从而节省了大量时间和精力。 我们的 ReefShape 脚本包括对标准照片对齐程序的改进，可增加在困难条件下对齐的照片数量，并有助于促进数据集之间的精确时间序列对齐。它们还旨在提高摄影测量处理流程的效率，以避免使用非常昂贵的计算机进行处理。我们的总体目标是消除障碍，使水下摄影测量更容易获得和实用，以便研究人员能够提取重要的生态数据，为珊瑚礁保护工作提供信息。