Reefshape: Ein System zur effizienten Erfassung und automatisierten Verarbeitung von Zeitreihen-Unterwasserphotogrammetriedaten für das Monitoring benthischer Lebensräume

Summary

Hier wird ein Protokoll für die Erfassung und Verarbeitung von Unterwasser-Photogrammetriedaten vorgestellt, einschließlich einer deutlich vereinfachten und vollautomatischen Bildverarbeitungspipeline, die zu georeferenzierten und zeitreihenausgerichteten Ausgaben führt, die für die Extraktion, Analyse und Anwendung ökologischer Daten bereit sind.

Abstract

Die großflächige Bildgebung (LAI) durch Structure-from-Motion-Photogrammetrie hat als Überwachungsinstrument für Korallenriff-Ökosysteme erheblich an Bedeutung gewonnen und ermöglicht die Erstellung eines digitalen Modells eines Riffabschnitts, das ex situ analysiert werden kann, um Daten über die benthische Zusammensetzung, die strukturelle Komplexität und andere Metriken zu sammeln. Obwohl eine Vielzahl von Ansätzen verwendet wurde, ist ein systematischer Ansatz für die Datenerhebung und Computerverarbeitung für viele Forscher nach wie vor erforderlich. Um dieses Problem zu lösen, haben wir ReefShape entwickelt, einen unkomplizierten und umfassenden Workflow für die Erfassung von Unterwasserbildern, die Georeferenzierung, die Datenverarbeitung und den Abgleich von Zeitreihen. Spezifische Empfehlungen für Kamerasysteme und Anweisungen zur Bilderfassung werden auf der Grundlage unserer Erfahrung bereitgestellt. Es wird ein Verfahren zur Einbeziehung von Georeferenzierung in die reale Welt unter Verwendung von permanenten Bodenkontrollmarkern beschrieben, die auf dem Substrat befestigt sind und die automatische Ausrichtung von Zeitreihendatensätzen ermöglichen. Es wurde eine Reihe von Verarbeitungsskripten entwickelt, um den Arbeitsablauf der Datenverarbeitung zu automatisieren und den normalerweise zeitaufwändigen und komplexen Prozess zu rationalisieren und drastisch zu vereinfachen. Unser skriptbasierter Ansatz zielt darauf ab, den Aufwand für Korallenriffforscher bei der Datenverarbeitung zu reduzieren, die Effizienz der Photogrammetrie-Pipeline zu steigern und Daten in analysefähigen Formaten für die Verwendung in gängigen GIS- und Segmentierungsprogrammen für Korallenriffbilder zu exportieren. Die hier beschriebenen Methoden bieten eine umfassende Lösung, um die Photogrammetrie als Instrument des Riffmonitorings zu integrieren und gleichzeitig flexibel zu bleiben und die spezifischen Analysen dem Forscher zu überlassen.

Introduction

Korallenriffe sind eines der artenreichsten und wirtschaftlich wichtigsten Ökosysteme weltweit und stehen vor beispiellosen Herausforderungen durch Klimawandel, Krankheiten, Überfischung und andere Stressfaktoren ^1,2,3. Die Überwachung von Korallenriff-Ökosystemen ist aufgrund ihrer oft abgelegenen Standorte und der inhärenten Schwierigkeiten bei der Unterwasserforschung besonders schwierig. Daher wurden Riffe in der Vergangenheit zu wenig erforscht⁴. Die effektive Überwachung von Korallenriffen auf mehreren räumlichen Skalen, die von mikrobiell⁵ bis Archipel⁶ und global⁷ reichen, ist für das Verständnis ihres Rückgangs sowie für die Planung, Verfolgung und Bewertung von Interventionsbemühungen unerlässlich⁸. Ein Werkzeug, das populär geworden ist, um den Zustand des Benthos von Korallenriffen auf einer Skala von Dutzenden bis Hunderten von Quadratmetern zu überwachen, ist das Photomosaik-Imaging, ein Begriff, der sich auf hochauflösende Karten bezieht, die aus zusammengefügten, sich überlappenden Unterwasserfotografien bestehen⁹. Diese Mosaike ermöglichen es den Forschern, einen Bereich des Riffs abzubilden, der größer ist, als mit einem einzigen Foto erfasst werden kann, daher der Begriff großflächige Bildgebung (LAI)¹⁰. Die Mosaike können später analysiert werden, um relevante ökologische Informationen wie den Prozentsatz der Korallenbedeckung, die Koloniegröße, die Artenverteilung und die benthische Zusammensetzung^{zu extrahieren 11}. Fortschritte in der Datenverarbeitung und die Verfügbarkeit von Standardsoftware ermöglichen es nun, diesen Prozess mit Hilfe der Structure-from-Motion-Photogrammetrie (SfM) durchzuführen. SfM beinhaltet die Analyse von Fotos auf übereinstimmende Punkte, die verwendet werden, um die dreidimensionale Ausrichtung der Fotos und Verbindungspunkte zu rekonstruieren, was die Erstellung einer genauen virtuellen Riffnachbildung^ermöglicht 12,13,14. SfM/LAI-Erhebungen sind in der Korallenriffforschung alltäglich geworden und ermöglichen neue Einblicke in die Ökologie der Korallengemeinschaft¹⁰, die Komplexität der Lebensräume ^15,16, die Reaktionen der Korallengemeinschaft auf Bleichereignisse^17,18, Hurrikane¹⁹ und die Wiederherstellung von Korallen²⁰.

Es wurden mehrere Ansätze für die Verwendung von LAI für die Überwachung von Korallenriffen entwickelt 21,22,23,24, was zu einer Vielzahl von Möglichkeiten für Praktiker führt, die die Technologie nutzen möchten. Der effektive Einsatz von LAI in der Korallenriffforschung ist jedoch komplex und erfordert einen erheblichen Lernaufwand. Kenntnisse im Tauchen, Unterwassernavigation, Unterwasserfotografie, Softwarenutzung, Datenpflege und -verwaltung sind unerlässlich. Darüber hinaus ist ökologisches Fachwissen von grundlegender Bedeutung, um Datenprodukte effektiv zu analysieren und zu interpretieren. Bestehende Arbeitsabläufe konzentrieren sich in erster Linie auf die Bilderfassung, ohne ausreichende Anleitungen für Zeitreihenprotokolle, Metadatenerfassung (z. B. Skalierung, Tiefe und Standort) oder die Datenverarbeitung nach der Exkursion bereitzustellen: alles Schritte, die für eine genaue und wiederholbare Datenerfassung unerlässlich sind. Auch die mit LAI-Workflows verbundenen Kosten sind in der Regel hoch, da teure Kamerasysteme und Computer-Setups verwendet werden. Unter den Forschern besteht nach wie vor ein großer Bedarf an einer umfassenden, einfachen und effizienten Methodik, die zu Daten von ausreichender Qualität führt, um ein breites Spektrum aktueller und zukünftiger Forschungsfragen zu beantworten. Wir gehen dieses Problem an, indem wir einen robusten und effizienten Ansatz für Unterwasser-LAI entwickeln, der den Verarbeitungsaufwand und die Komplexität reduziert, die Kosten minimiert und gleichzeitig die Datenqualität verbessert. Unser neuer Ansatz ermöglicht die schnelle Erfassung, automatisierte Verarbeitung und den Abgleich von Zeitreihen von Bildern, um qualitativ hochwertige Datenprodukte für ökologische Studien und Analysen von Korallenriffen bereitzustellen. Die Gesamtanlaufkosten für die Implementierung dieses Ansatzes belaufen sich auf etwa 5.000 bis 8.000 US-Dollar (einschließlich Kamerasystem, Materialien, dedizierter Computer und Software), je nachdem, ob der Benutzer Zugang zu Bildungspreisen für Photogrammetrie-Software hat. Durch die Anwendung unserer Methoden wollen wir Korallenriffforscher dabei unterstützen, ihre Datenerfassung und -verarbeitung zu optimieren und effizientere Arbeitsabläufe zu ermöglichen, die eine schnelle Extraktion und Analyse kritisch wichtiger ökologischer Daten von Korallenriffen ermöglichen.

Die hier beschriebene Methode, die wir "ReefShape" nennen, hat drei wichtige neue Beiträge: (1) die Verwendung von semi-permanenten Bodenkontrollmarkern, die auf dem Substrat befestigt sind, um eine automatische Georeferenzierung und Zeitreihenausrichtung von Datensätzen zu ermöglichen, (2) die Verwendung einer benutzerdefinierten App-basierten Vermessung, um die Erfassung und Formatierung von Standortdaten zu erleichtern, und (3) die Implementierung eines umfassenden skriptgesteuerten Prozesses zur vollständigen Automatisierung der Photogrammetrie-Pipeline, drastische Reduzierung der menschlichen Arbeit während der Verarbeitungsphase, auf die in anderen LAI-Protokollen^{vergriffen wird} 20,21,22,23. Wie diese anderen LAI-Protokolle stützt sich ReefShape auf die Verwendung von Agisoft Metashape²⁵ (im Folgenden als "das Photogrammetrie-Programm" bezeichnet) für die photogrammetrische Verarbeitung und verwendet zusätzlich die kostenlose ESRI Survey123^{26-Smartphone-Anwendung}(im Folgenden als "die Umfrage-App" bezeichnet) für die Erfassung von Standortdaten. Dieses Protokoll ist so konzipiert, dass es einfach und dennoch robust ist und keine Mehrkamerasysteme²⁴ oder komplexe geodätische Vermessungen¹³ erfordert, während es dennoch das Ziel erreicht, qualitativ hochwertige Daten zu liefern, definiert als fertige 3D-Modelle, Fotomosaike und digitale Höhenmodelle mit genauer Geometrie, Maßstab und Position; ausreichende Auflösung und Schärfe zur visuellen Identifizierung benthischer Organismen auf Art- oder Gattungsebene; keine größeren Datenlücken oder Lücken; genaue Farbe; und im Falle von Zeitreihendaten die richtige Ausrichtung zwischen den Zeitpunkten. Der hier beschriebene spezifische Ansatz bietet einen Rahmen für die Erhebung und Verarbeitung von Daten, um diese Ziele zu erreichen.

Angetrieben durch Fortschritte im Bereich des maschinellen Lernens gehen wir davon aus, dass neue Analysewerkzeuge entwickelt werden, um ökologische Daten aus Fotomosaiken schneller und genauer zu extrahieren. Daher konzentrieren wir unsere Bemühungen auf die Sammlung hochwertiger Unterwasserbilder und die Automatisierung der Photogrammetrie-Pipeline, wobei wir die spezifischen Analysen weitgehend den Nutzern dieses Protokolls überlassen, die auf ihren eigenen unterschiedlichen Bedürfnissen basieren. Dieser skriptgesteuerte Prozess, der auf eine breite Anwendung in der Korallenriffforschung abzielt, umfasst Optionen zum Exportieren von Datenprodukten, die als GeoTIFFs mit unterschiedlichen Spezifikationen formatiert sind und auf gängige GIS-Software und TagLab, eine speziell entwickelte Anwendung zur schnellen Annotation von Orthomosaiken von Korallenriffen, zugeschnitten sind²⁷.

Überblick über das Protokoll
Die ReefShape-Methode gliedert sich in zwei Hauptphasen: die Datenerfassung in situ und die Datenverarbeitung am Computer. Die Methode ist für Grundstücksgrößen von ~25 m² bis >1000 m² geeignet, die in der Tiefe von ~1 m bis 30 m reichen. Es hat sich gezeigt, dass Flächen von 300-400^m2 ideal sind, um die Korallenvielfalt an den karibischen Riffen effektiv zu erfassen²⁸. Es wurde jedoch festgestellt, dass Grundstücke, die größer als ~100 m² sind, für unerfahrene Vermessungsingenieure schwierig zu navigieren sein können. Daher wird im Protokoll eine Grundstücksgröße von 10 m x 10 m als Ausgangspunkt beschrieben, aber wir beabsichtigen nicht, die Benutzer mit diesem Vorschlag einzuschränken. Vielmehr wird empfohlen, dass die Nutzer ihre Parzellengröße auf der Grundlage ihrer eigenen Erfahrungen und Forschungsbedürfnisse auswählen. Der Prozess der Datenerfassung bleibt für jede gewählte Plotgröße praktisch gleich.

Wenn eine Fläche zum ersten Mal erstellt wird, beginnt der Vermesser damit, vier einzigartige Markierungsmarken mit codierten Photogrammetriezielen (Abbildung 1D) an jeder Ecke (Abbildung 2) dauerhaft auf dem Substrat zu befestigen (Abbildung 2), wobei er einen Tauchcomputer verwendet, um die Tiefe jeder Markierung zu messen. Codierte Maßstabsbalken (Abbildung 1E) werden vorübergehend innerhalb der Parzelle platziert, und Fotos mit Blick auf das Substrat werden vom Taucher mit einer einzigen spiegellosen Kamera und einem geradlinigen Weitwinkelobjektiv gesammelt, das 1,5 m - 2 m über dem Riff positioniert ist, wobei er in einem doppelt gekreuzten "Rasenmäher"-Muster schwimmt, ähnlich wie bei anderen etablierten Protokollen 11,21,24^,. Der gesamte Prozess (einschließlich des erstmaligen Aufbaus und der Fotografie) kann in der Regel in einem einzigen Tauchgang abgeschlossen werden, obwohl für tiefere oder größere Parzellen mehrere Tauchgänge erforderlich sein können. Nach der Fotografie verwendet der Vermessungsingenieur ein Bluetooth-GPS-Gerät, das an einem Schwimmgerät montiert ist (Abbildung 1C), und ein Smartphone, um GPS-Punkte an der Oberfläche über jeder Eckmarkierung mithilfe eines benutzerdefinierten Formulars in der Vermessungs-App zu sammeln, das die Referenzdaten dann in einer vorformatierten Tabelle per E-Mail an den Benutzer sendet. Bei nachfolgenden Flächenvermessungen sammelt der Vermesser keine Referenzdaten und installiert keine Markierungen und muss nur die vorhandenen Eckmarkierungen lokalisieren und reinigen sowie Fotos sammeln, wodurch der Prozess für die Erfassung von Zeitreihendaten optimiert wird.

Für die Datenverarbeitung wurde eine Reihe von benutzerdefinierten Python-Skripten entwickelt, die mit dem Photogrammetrieprogramm verbunden sind, um die Pipeline zu automatisieren (Abbildung 3), normalerweise ein Prozess, der an mehreren Stellen menschliches Eingreifen erfordert. Zu den wichtigsten Verarbeitungsschritten der automatisierten Pipeline gehören die Erstellung einer Tie-Point-Wolke und die Schätzung der Kamerapositionen, die Erstellung eines 3D-Mesh-Modells des Riffs, die Erstellung eines digitalen 2,5D-Höhenmodells (DEM), die Erstellung eines orthorektifizierten 2D-Fotomosaiks und die Definition einer Region of Interest (ROI), die durch die vier Eckmarkierungen begrenzt wird (Abbildung 4). Bei diesem Arbeitsablauf gibt der Benutzer die Fotos und Referenzdaten zu Beginn der Verarbeitung in eine grafische Oberfläche ein (Ergänzende Abbildung 1), anstatt zahlreiche Schritte durchlaufen zu müssen, bevor er manuell Referenzdaten hinzufügt und Datenprodukte generiert, wie es in anderen Arbeitsabläufen üblich ist 21,22,23,24. Für die Zeitreihenverarbeitung erleichtern permanente Eckmarkierungen das automatische Ausrichten von Zeitpunkten, wodurch ein manuelles Ausrichten überflüssig wird. Die Verwendung eines standardisierten, skriptgesteuerten Workflows trägt dazu bei, die Datenkonsistenz zu gewährleisten und spart erheblichen menschlichen Aufwand bei der Verarbeitung, insbesondere in Projekten mit vielen Zeitpunkten. Eine Suite von eigenständigen Skripten ist ebenfalls enthalten, um verschiedene Verarbeitungsaufgaben zu automatisieren, einschließlich der Berechnung eines Verhältnisses von 3D-Oberfläche zu planarer Fläche, einer wichtigen Kennzahl für die Bewertung der strukturellen Komplexität von Riffen^19,29.

Abbildung 1: Wichtige Materialien, die für den Datenerfassungsteil dieses Protokolls erforderlich sind. (A) spiegellose Kamera mit geradlinigem Weitwinkelobjektiv, (B) Unterwassergehäuse mit Kuppelanschluss für Kamera/Objektiv, (C) Bluetooth-GPS-Kickboard-Gerät, (D) automatisch detektierbare codierte Eckmarkierungen für die permanente Bodenkontrolle und Georeferenzierung und (E) codierte Maßstabsbalken zum Einstellen der Modellgröße. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protocol

HINWEIS: Siehe Zusatzdatei 1, Abschnitte 1 und 2 für die Schritte zur Vorbereitung der Ausrüstung.

1. Aufbau des Plots

1. Anbringen von Eckmarkierungen (nur für den Anfangszeitpunkt)
   1. Wählen Sie ein geeignetes Diagramm in einem Feld aus. Stellen Sie sicher, dass die Sicherheit während des gesamten Prozesses Priorität hat. Für dieses Protokoll wird ein 10 m x 10 m großer Plot beschrieben.
      HINWEIS: Das Protokoll kann von einem einzelnen Forscher oder einem Buddy-Paar ausgeführt werden und kann je nach Forschungsbedarf an die meisten Parzellengrößen angepasst werden.
   2. Sobald das Grundstück ausgewählt ist, installieren Sie die vier Eckmarkierungen, während Sie sich auf SCUBA befinden. Befestigen Sie die Eckmarkierungen 1-4 (Abbildung 1D) in sequenzieller Reihenfolge an den Ecken des Grundstücks mit einem Hammer und 4 Nägeln auf dem Substrat und achten Sie darauf, dass das Substrat nicht bricht oder empfindliche lebende Korallen beschädigt werden. Finden Sie geeignete Standorte für die Installation der Marker (z. B. relativ flache Bereiche mit nicht lebendem Substrat, die von oben gut sichtbar sind und wahrscheinlich nicht beschädigt oder schnell biologisch erodiert werden).
   3. Aus Gründen der Konsistenz und zur Erleichterung der Grundstücksnavigation und -verlegung sollten Sie die Grundstücksmarkierungen im Uhrzeigersinn anbringen. Markieren Sie Markierung 1 in der NO-Ecke, Markierung 2 in der SO-Ecke, Markierung 3 in der SW-Ecke und Markierung 4 in der NW-Ecke, ggf. mit Maßband und Zirkel.
      HINWEIS: Abbildung 2A zeigt eine ordnungsgemäß installierte Markierung, und Abbildung 2D zeigt einen Überblick über das Diagrammlayout, wobei alle Markierungen in einem quadratischen Muster im Abstand von ~10 m angeordnet sind.
   4. Erfassen Sie Markierungstiefen. Notiere mit einem Tauchcomputer oder einem anderen Tiefenmesser die Tiefe jedes der vier Eckmarkierungen auf einer Tauchtafel auf die nächsten 10 cm.
   5. Optional können in den Fällen, in denen eine dauerhafte Markierung nicht zulässig oder möglich ist, stattdessen temporäre Eckmarkierungen (siehe Zusatzdatei 1, Abschnitt 3) auf dem Untergrund in den Grundstücksecken angebracht werden. Diese Marker können später abgerufen werden.
2. Platzierung der Maßstabsleiste (alle Zeitpunkte)
   1. Nachdem die Eckmarkierungen ausgelegt sind, platzieren Sie 3-5 Maßstabsleisten (siehe Zusatzdatei 1, Abschnitt 1) an stabilen Stellen innerhalb des Diagramms, wobei Sie ein Tauchgewicht oder einen kleinen Stein verwenden, um jeden Maßstabsbalken zu beschweren, damit sie sich während des Fotografierens nicht bewegen. Wenn Sie keine Graukarte für den Weißabgleich der Kamera verwenden (siehe Schritt 2.1.2), stellen Sie sicher, dass sich mindestens ein Maßstabsbalken in der Nähe der mittleren Tiefe des Diagramms befindet.
      HINWEIS: Maßstabsleisten müssen von oben sichtbar sein, dürfen keine wichtigen Objekte wie Korallen abdecken und dürfen nicht gebogen/gebogen werden, so dass die gemessene Länge zwischen den Markierungen verkürzt wird.

2. Bilderfassung

HINWEIS: Besonderes Augenmerk muss auf die korrekte Konfiguration der Kameraeinstellungen gelegt werden, da dies für die Gewährleistung einer hohen Datenqualität von entscheidender Bedeutung ist. Für dieses Protokoll wird eine spiegellose Kamera mit einem Weitwinkelobjektiv empfohlen. In Tabelle 1 und Zusatzdatei 1, Abschnitt 4 finden Sie die wichtigsten Kameraeinstellungen und Systemempfehlungen. Kombinieren Sie es mit einem Unterwassergehäuse und einer Kuppelöffnung, die zum Objektiv passt. Ziel ist es, scharfe Bilder zu erhalten.

Kamera-Einstellung	Empfehlung
Imaging-Modus	Manuell
Blende	F8, F5,6 bei einer Plottiefe von >15 m oder bei schlechten Lichtverhältnissen
Verschlusszeit	1/500 s, 1/320 s bei schlechten Lichtverhältnissen oder ohne Überspannung
ISO	Auto
Weißabgleich	Benutzerdefiniert (auf Weißpunkt bei mittlerer Tiefe eingestellt)
Bildstabilisierung	Ein (falls verfügbar)
Bildformat	JPEG + RAW
Intervall	1s
Autofokus	AF-S (fokussiert auf das erste Bild der Sequenz)
Art des Verschlusses	Mechanisch oder EFCS (nicht leise oder elektronisch)
Belichtungsglättung/AE-Tracking-Empfindlichkeit	Aus / Hoch

Tabelle 1: Wichtige Kameraeinstellungen, die zur Maximierung der Datenqualität bei der Aufnahme von Bildern für die Unterwasserphotogrammetrie erforderlich sind. Diese Einstellungen gelten für die meisten spiegellosen oder DSLR-Kameras, sind jedoch auf die in der Materialtabelle empfohlene Konfiguration zugeschnitten.

1. Bildgebung des Riffs (alle Zeitpunkte)
   1. Montieren Sie das Kamerasystem und das Gehäuse gemäß den Empfehlungen des Herstellers und den Standardverfahren für die Unterwasserfotografie, um eine ordnungsgemäße Unterwasserfunktion und Wasserdichtigkeit zu gewährleisten. Stellen Sie sicher, dass sich die Kamera im manuellen Belichtungsmodus (M) befindet, die Blende auf f/8 eingestellt ist, die Verschlusszeit 1/500^Sekunde beträgt und der ISO-Wert auf den Automatikmodus eingestellt ist, um für jedes Bild die richtige Belichtung zu erzielen. Detaillierte Einstellungen finden Sie in Tabelle 1.
      HINWEIS: Bei dunkleren und tieferen Bedingungen kann eine Blende von 5,6 und eine Verschlusszeit von 1/320 s verwendet werden, um die Lichtmenge zu erhöhen und das Bildrauschen zu reduzieren.
   2. Legen Sie mit einer Graukarte oder einem Maßstabsbalken in der mittleren Tiefe des Diagramms einen benutzerdefinierten Weißabgleich fest, bei dem die Kamera nach unten auf die Graukarte oder den weißen Teil des Maßstabsbalkens gerichtet ist, und achten Sie darauf, dass der weiße Referenzpunkt nicht verschattet wird. Führen Sie diese Option unmittelbar aus, bevor Sie mit der Bilderfassung beginnen.
   3. Navigieren Sie zu einer Ecke des Diagramms und positionieren Sie die Kamera in einem Abstand von 1,5 bis 2 m über dem Substrat nach unten (Abbildung 2C). Fokussieren Sie die Kamera auf das Riff und beginnen Sie das Intervall zum Aufnehmen von Fotos mit 1 Bild/s.
   4. Schwimmen Sie mit angenehmer Geschwindigkeit auf eine angrenzende Ecke des Grundstücks zu und sammeln Sie die ersten Fotos. Drehen Sie sich um 180° und sammeln Sie einen zweiten Fotodurchgang in einem Abstand von ca. 1 m zum ersten Durchgang, konsequent 1,5-2 m über dem Substrat. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um antiparallele Übergänge in einem rasenmäherähnlichen Muster über der gesamten Parzelle durchzuführen, einschließlich eines Puffers von mindestens 0,5 m um den Umfang (Abbildung 2D, Satz 1). Vermeiden Sie Lücken in der Fotoabdeckung und stellen Sie sicher, dass alle Maßstabsleisten und Eckmarkierungen in den Fotos enthalten sind.
      HINWEIS: Die Navigation wird vom Vermessungsingenieur durchgeführt, in der Regel beim Tauchen (oder Schnorcheln für Grundstücke in < 2 m Tiefe), wobei die wichtigsten Riffmerkmale gespeichert werden, um die Abdeckung aufrechtzuerhalten. Ein zweiter Vermessungsingenieur und/oder Tauchpartner kann bei der Navigation helfen. Ziel ist es, überlappende Fotos (~80% Frontüberlappung, ~60% Seitenüberlappung) zu sammeln, die alle Oberflächen des Riffs innerhalb des von den Markern geschlossenen Bereichs und eines 0,5 m Pufferbereichs vollständig abdecken.
   5. Führen Sie den Bildsammlungsdurchlaufsatz 2 durch. Wenn der erste Satz von Durchgängen abgeschlossen ist, drehen Sie sich um 90° und sammeln Sie einen zweiten Satz Durchgänge über dem Riff, um ein Gittermuster zu vervollständigen (Abbildung 2D, Satz 2). Die Fotos müssen hauptsächlich nach unten gerichtet aufgenommen werden, außer in Bereichen mit hohem Relief, in denen die Kamera schräg geneigt werden muss, um senkrecht zur Substratoberfläche gerichtet zu bleiben.
      HINWEIS: Dieser zweite Satz von Durchgängen soll eine vollständige Überlappung und Abdeckung des Diagramms gewährleisten. Eine zusätzliche Fotosammlung in Schlüssel- und/oder Hochreliefbereichen des Diagramms ist akzeptabel und wird für komplexe Diagramme empfohlen, um eine vollständige Bildabdeckung zu gewährleisten.
   6. Räumen Sie das Grundstück auf. Nachdem die Bildsammlung abgeschlossen ist, nehmen Sie Maßstabsleisten und alle zurückgelassenen Materialien auf. Permanente Eckmarkierungen sind die einzigen Materialien, die auf dem Riff belassen werden sollen.
      HINWEIS: Bei Verwendung von temporären Eckmarkierungen müssen Referenzdaten (Abschnitt 3) erfasst werden, bevor die Markierungen entfernt werden. Es wird empfohlen, dass ein zweiter Vermessungsingenieur die Referenzdaten sammelt, während der erste die Fläche fotografiert.

Abbildung 2: Aufbau der Handlung und Fotografie. (A) zeigt eine neu installierte Eckmarkierung, während (B) eine Markierung zeigt, die 13 Monate nach der Installation an Ort und Stelle ist. (C) zeigt einen Taucher, der eine Vermessung in der entsprechenden Entfernung über dem Riff durchführt, und (D) zeigt ein Diagramm des Plot-Fotografie-Prozesses mit zwei senkrechten Sätzen von antiparallelen Durchgängen (rote und blaue Linien), die den von den Eckmarkierungen (schwarzer gestrichelter Rahmen) umfassten Bereich ohne nennenswerte Lücken. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Erhebung von Referenzdaten

HINWEIS: Für die Einrichtung des GPS-Kits und der ReefShape-Vermessung siehe Ergänzende Datei 1, Abschnitt 2. Wenn die Erfassung von GPS-Punkten nicht möglich ist, kann dennoch der automatisierte Verarbeitungsansatz von ReefShape (Abschnitt 5) verwendet werden. Eine separate Umfrage, die das Formatieren einer Referenzdatei mit lokalen Koordinaten erleichtert, finden Sie auf der GitHub-Seite (https://github.com/Perry-Institute/ReefShape) zusammen mit einer Gebrauchsanweisung.

1. ReefShape-Vermessung (nur für den Anfangszeitpunkt)
   1. Öffnen Sie die ReefShape-Vermessung in der Vermessungs-App (Ergänzende Abbildung 1) auf einem Smartphone und geben Sie wichtige Metadaten ein (Initialen des Vermessungsingenieurs, E-Mail, Name der Zeichnung und Notizen). Legen Sie das Smartphone in eine wasserdichte Tasche. Schwimmen Sie mit dem GPS-Kickboard-Kit (Abbildung 2C) und dem Smartphone über das Grundstück.
   2. Lokalisieren Sie Ziel 1, positionieren Sie das GPS-Kickboard auf der Oberfläche direkt über dem Ziel und tippen Sie in der ReefShape-Umfrage auf dem Telefon auf das Fadenkreuzsymbol, um einen GPS-Punkt zu erfassen. Gehen Sie zum nächsten Ziel über. Notieren Sie die Position von Ziel 2 in der zweiten Wiederholung, Ziel 3 in der 3. und Ziel 4 in der 4. Wiederholung. Kehren Sie zum Boot oder Ufer zurück.
   3. Geben Sie in der ReefShape-Vermessung die Tiefeninformationen ein, die den einzelnen Markern entsprechen. Stellen Sie sicher, dass die Daten korrekt sind (d. h. angemessene Genauigkeitsschätzungen, keine leeren Positionen oder Tiefen), und senden Sie sie dann.
      HINWEIS: Der Prozess der GPS-Datenerfassung kann von einem zweiten Forscher durchgeführt werden, während der erste Fotos sammelt, um Zeit zu sparen. Für die Übermittlung ist ein Internetzugang erforderlich, aber Umfragen können im Postausgang gespeichert werden, um sie bei Bedarf später einzureichen. Nach dem Versand erhält der Benutzer eine E-Mail mit den vorformatierten Standortdaten.

4. Zeitpunkte wiederholen

1. Parzelleninspektion und -pflege (nur für spätere Zeitpunkte)
   1. Wenn Sie zu einem Diagramm für Wiederholungsbilder zurückkehren, verschieben Sie zunächst das Diagramm und suchen Sie die Eckmarkierungen (Abbildung 2B), wobei Sie bei Bedarf die ursprünglichen GPS-Daten oder einen Ausdruck des ursprünglichen Fotomosaiks für den Zeitpunkt als Referenz verwenden. Wenn sich Biofouling auf der Markierungsoberfläche befindet, verwenden Sie einen Kunststoffschaber oder ein ähnliches Gerät, um die Oberfläche zu reinigen, und stellen Sie sicher, dass das Zieldesign gut sichtbar ist.
   2. Wenn ein Marker verloren geht oder beschädigt wird, so dass das kreisförmige Zieldesign nicht mehr klar ist, ersetzen Sie ihn durch den gleichen Installationsprozess wie in Schritt 1.1.2. Setzen Sie den Markierer nach Möglichkeit wieder an der vorherigen Stelle (+/- ~5 cm) ein. Es ist wichtig, dass der Ersatzmarker die gleiche Zielnummer wie das Original hat. Notieren Sie sich die Markierung(en), die ersetzt werden sollen.
2. Plotfotografie (gleicher Prozess für alle Zeitpunkte)
   1. Platzieren Sie Maßstabsleisten. Siehe Protokollschritt 1.2.
   2. Legen Sie einen benutzerdefinierten Weißabgleich fest und sammeln Sie Bilder. Siehe Protokollabschnitt 2.

Abbildung 3: Flussdiagramm, das die Photogrammetrie-Workflow-Schritte zeigt, die durch das Hauptskript von ReefShape automatisiert wurden. Die Bilder, eine Datei mit der Länge der Maßstabsleiste und die Georeferenzierungsdatei (orangefarbene Kästchen) werden in das Skript eingegeben, das dann alle wesentlichen Verarbeitungsschritte automatisiert (blaue Kästchen), so dass Datenprodukte (grüne Kästchen) zur Analyse bereit sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

5. Datenverarbeitung

HINWEIS: In der ergänzenden Datei 1, Abschnitt 5 finden Sie die Schritte zur Software-Einrichtung.

1. Import von Bildern
   1. Importieren Sie alle Fotos aus dem Plot-Imaging auf den verarbeitenden Computer, wobei JPEG- und RAW-Fotos in separate Unterordner unterteilt werden.
   2. Laden Sie Referenzdaten herunter. Stellen Sie sicher, dass die Textdatei mit der Länge der Maßstabsleiste (siehe Zusatzdatei 1, Abschnitt 1) an einem leicht zugänglichen Ort auf Ihrem Computer gespeichert ist. Laden Sie die Georeferenzierungs-CSV-Datei herunter und speichern Sie sie auf ähnliche Weise, die bei der Übermittlung der Georeferenzdaten innerhalb der ReefShape-Vermessung automatisch per E-Mail gesendet wurde (Protokollabschnitt 3).
2. Haupt-ReefShape-Arbeitsablauf (erster Zeitpunkt)
   1. Öffnen Sie ein neues Projekt im Photogrammetrie-Programm und wählen Sie Vollständiger ReefShape-Workflow aus der benutzerdefinierten Menüleiste von ReefShape . Daraufhin wird eine grafische Benutzeroberfläche angezeigt (siehe Ergänzende Abbildung 2).
   2. Klicken Sie im ersten Abschnitt (Projekt einrichten) auf Neu erstellen , um dem Projekt einen Namen zu geben (Name der Zeichnung) und den Speicherort auszuwählen. Klicken Sie im zweiten Feld auf Chunk umbenennen , um den aktiven Chunk mit dem Datum der Bildsammlung im Format JJJJMMTT zu benennen. Klicken Sie im dritten Feld auf Fotos auswählen , um den Ordner mit den JPEG-Fotos für den Plot auszuwählen und zu importieren. Klicken Sie auf Projekt speichern , um die Initialisierung des Projekts abzuschließen.
   3. Beginnen Sie im zweiten Bereich (Allgemein) der Benutzeroberfläche Full ReefShape Workflow mit dem Festlegen des Koordinatensystems. Wählen Sie WGS84 + EGM96 Höhe (EPSG: 9707) aus, da dadurch das vom GPS-Gerät verwendete WGS84-Koordinatensystem mit einem integrierten Geoidmodell (EGM96) kombiniert wird, das den Meeresspiegel annähert.
      HINWEIS: Wenn der Benutzer keine realen Positionsdaten erfasst hat, sollte das Koordinatensystem stattdessen auf Lokale Koordinaten (m) eingestellt werden. Die Standardeinstellungen im Bedienfeld "Allgemein" (Generische Vorauswahl: Ein, Netzqualität: Mittel, Standardauflösung: Aus, Benutzerdefinierte Auflösung: 0,5 mm) sind so konzipiert, dass sie für das hier beschriebene Protokoll gelten. Das Skript ist flexibel, um den Bedürfnissen von Forschern gerecht zu werden, und die Einstellungen können entsprechend angepasst werden.
   4. Klicken Sie unten im Bereich Allgemein auf die Schaltfläche Ordner auswählen , um einen Ausgabepfad für Datenprodukte festzulegen. Aktivieren Sie die Kontrollkästchen für die gewünschten Ausgabedatenprodukte, die für die Analyse benötigt werden.
   5. Richten Sie das Bedienfeld "Georeferenzierung " ein. Wählen Sie Ja aus, um automatisch erkennbare Marker zu verwenden. Klicken Sie neben dem Feld für die Maßstabsleiste auf Datei auswählen , um die Textdatei für die Skalierung zu suchen (siehe Ergänzende Datei 1, Abschnitt 1). Klicken Sie neben dem Feld für die Georeferenzierungsdatei auf Datei auswählen , um die Referenzierungs-CSV aus der ReefShape-Vermessung für das Diagramm zu suchen.
      HINWEIS: Wenn während der Erstellung des Diagramms die Marker in falscher Reihenfolge installiert wurden (d. h. Ziel 1, Ziel 3, Ziel 2, Ziel 4 anstelle von 1, 2, 3, 4 im Diagramm), kann die tatsächliche Reihenfolge festgelegt werden, indem Sie auf die Schaltfläche Eckmarkierungen anpassen klicken und die Marker im Popup-Fenster neu anordnen. Auf diese Weise kann das Skript ordnungsgemäß einen ROI generieren, der den Bereich zwischen den Markern umfasst.
   6. Führen Sie das Skript aus. Nachdem Sie alle Daten eingegeben haben, klicken Sie unten im Fenster auf OK , um den Vorgang auszuführen. Es werden Fortschrittsbalken für jeden Schritt angezeigt. Der Prozess, den das Skript automatisiert, ist in Abbildung 3 dargestellt.
      HINWEIS: Wenn das Skript auf einen Fehler stößt oder die Software oder der Computer abstürzt, speichert das Skript den Fortschritt bis zum zuletzt abgeschlossenen Schritt. Das Projekt kann erneut geöffnet, der Fehler bei Bedarf korrigiert und das Skript erneut ausgeführt werden, um den Vorgang wieder aufzunehmen und abzuschließen. Solange der Prozess mit der Ausrichtung und der Integration von Maßstabs- und Georeferenzdaten abgeschlossen ist, muss der Benutzer nichts erneut in das Georeferenzierungsfenster eingeben.
   7. Überprüfen Sie Daten, um qualitativ hochwertige Ergebnisse sicherzustellen. In Abschnitt 5.4 finden Sie den Workflow für die Datenvalidierung.
   8. Berechnen Sie optional das Flächenverhältnis. Wenn der Benutzer das Verhältnis von 3D- zu 2D-Oberfläche für das Diagramm berechnen möchte, um die Rauheit zu messen, wählen Sie die Schaltfläche Oberflächenverhältnis berechnen im Untermenü Werkzeuge des Dropdown-Menüs ReefShape . Das resultierende Verhältnis wird in der Konsole sowie in einem Popup-Fenster ausgedruckt.
3. Ausrichten von Zeitpunkten (nachfolgende Zeitpunkte)
   HINWEIS: Jeder Zeitpunkt eines Plots wird als neuer "Chunk" innerhalb desselben Projekts gespeichert.
   1. Importieren und organisieren Sie Fotos wie beim ersten Zeitpunkt in separaten JPEG- und RAW-Ordnern. Öffnen Sie das Projekt für den Plot in der Photogrammetrie-Software, öffnen Sie dann das Dropdown-Menü ReefShape und wählen Sie Zeitpunkte ausrichten (Ergänzende Abbildung 3).
   2. Klicken Sie im Bedienfeld "Projekteinrichtung " auf "Block erstellen ", um dem Projekt einen neuen Block (der einen neuen Zeitpunkt darstellt) hinzuzufügen. Geben Sie als Chunk-Namen das Datum ein, an dem die neuen Bilddaten im Format JJJJMMTT erfasst wurden. Wählen Sie Select Folder (Ordner auswählen ) aus, um die neuen Bilder zu diesem Block hinzuzufügen.
   3. Wählen Sie in der Gruppe Allgemein den Anfangszeitpunkt für Referenzblock auswählen aus. Wählen Sie in der Dropdown-Liste für Aktiven Block auswählen den neuen Zeitpunkt aus. Klicken Sie auf OK , wenn Sie fertig sind, um Markierungen in den aktiven Blockbildern zu erkennen und die genauen Koordinaten der einzelnen Bilder aus dem Referenzblock zu importieren.
      HINWEIS: Wenn Eckmarkierungen unter Wasser ausgetauscht wurden, muss dies in der Dropdown-Liste " Beschädigte(n) Markierung(en) hinzufügen " vermerkt werden, um die Software darüber zu informieren, dass sich die Markierung möglicherweise nicht an derselben geografischen Position wie zuvor befindet.
   4. Überprüfen Sie Markierungen und Georeferenzierungen. Stellen Sie im Bereich "Referenz" (Ergänzende Abbildung 4) sicher, dass alle Marker erkannt wurden und die Ziele 1 bis 4 die Positionsinformationen vom Referenzblock geerbt haben.
      HINWEIS: Wenn Marker nicht erkannt werden (in der Regel aufgrund einer Beschädigung der Markierung, wenn sie nicht ersetzt wurden), müssen die Marker manuell hinzugefügt werden, mindestens drei Quellbilder, und so benannt werden, dass sie den Markierungsbeschriftungen aus dem Referenzblock entsprechen. Das Skript "Zeitpunkte ausrichten " kann dann erneut ausgeführt werden, um Positionsinformationen für die manuell platzierten Marker hinzuzufügen.
   5. Führen Sie das Skript "Vollständiger ReefShape-Workflow" aus, indem Sie es aus dem Menü "ReefShape" auswählen. Lassen Sie die Bereiche Projekteinrichtung und Georeferenzierung leer und bearbeiten Sie den Bereich Allgemein nur nach Bedarf, indem Sie die Verarbeitungseinstellungen, den Ort für den Export von Datenprodukten und die zu generierenden Produkte wie in Schritt 5.2.3 auswählen. Klicken Sie auf OK , um den Photogrammetrie-Vorgang abzuschließen und die ausgerichteten Datenprodukte für den neuen Zeitpunkt zu exportieren.
   6. Überprüfen Sie Daten, um qualitativ hochwertige Ergebnisse sicherzustellen. Siehe Abschnitt 5.4 für den Validierungs-Workflow.
   7. Berechnen Sie das Flächenverhältnis (optional). Siehe Schritt 5.2.8.
4. Datenvalidierung (zu jedem Zeitpunkt)
   HINWEIS: Für jeden Zeitpunkt ist es wichtig, die Ausrichtungs- und Datenprodukte auf ihre Richtigkeit zu überprüfen. Wenn Probleme auftreten, kann ein manueller Eingriff erforderlich sein. Datenteile (z. B. Orthomosaik, DEM, 3D-Modell, Verknüpfungspunkte), die einem Fehler nachgeschaltet sind, müssen gelöscht werden. Das Problem kann dann (wenn möglich) behoben werden, und das Full ReefShape Workflow-Skript wird erneut ausgeführt, um die Verarbeitung abzuschließen. Ist der Nutzer mit den Datenprodukten zufrieden, kann er mit der Analyse beginnen.
   1. Überprüfen Sie die Ausrichtung des Fotos. Überprüfen Sie im Bedienfeld "Arbeitsbereich " des Photogrammetrieprogramms zunächst, wie viele Fotos der Gesamtzahl erfolgreich ausgerichtet wurden. Wenn <10 Fotos nicht ausgerichtet sind, hat ihr Fehlen wahrscheinlich keine nachteiligen Auswirkungen auf die endgültigen Datenprodukte.
      HINWEIS: Wenn ein erheblicher Teil der Fotos nicht ausgerichtet ist, setzen Sie die Ausrichtung zurück und führen Sie den vollständigen ReefShape-Workflow erneut aus, wobei die Option "Generische Vorauswahl" deaktiviert ist. Wenn viele Fotos immer noch nicht ausgerichtet sind, ist es wahrscheinlich, dass das Dataset nicht ausreichend überlappt ist und ein erneutes Fotografieren erforderlich ist.
   2. Überprüfen Sie die Verknüpfungspunktwolke und die Kamerapositionen (Abbildung 4A) im Fenster Modell-Viewer , um zu beurteilen, ob offensichtliche Probleme bei der Ausrichtung vorliegen. Abschnitte von Verknüpfungspunkten oder Kamerapositionen, die in Bezug auf die gesamte Punktwolke eindeutig falsch platziert sind, sind offensichtliche Anzeichen für Ausrichtungsprobleme.
      HINWEIS: Falsch ausgerichtete Fotos müssen ausgewählt und ihre Ausrichtungen zurückgesetzt werden, indem Sie mit der rechten Maustaste klicken und Kameraausrichtung zurücksetzen auswählen. Wählen Sie als Nächstes in der Dropdown-Liste der Workflow-Menüleiste die Option "Fotos ausrichten" aus. Wenn sie nicht richtig ausgerichtet sind, ist es wahrscheinlich, dass das Dataset nicht genügend Überlappungen aufweist und ein erneutes Fotografieren erforderlich ist.
   3. Überprüfen Sie die Georeferenzierung. Überprüfen Sie das Modell und das DEM in den Fenstern Modell - und Ortho-Viewer (Abbildung 4B und C), um die korrekte Nivellierung und Positionierung sicherzustellen. Im Feld "Referenz" (Ergänzende Abbildung 4) sollte der Markierungsfehler kleiner als 1 oder 2 m sein, und der interne Skalierungsfehler sollte kleiner als 1 oder 2 mm sein.
      HINWEIS: Ein großer Skalierungsfehler, ein Markierungsfehler oder ein auf dem Kopf stehendes Modell weisen auf Referenzierungsfehler hin, die auf ein falsch eingestelltes Koordinatensystem, falsch erkannte Markierungen oder sehr schlechte GPS-Positionsdaten zurückzuführen sein können (z. B. wenn die Markierungspositionen nicht in geographischer Reihenfolge positioniert sind). Möglicherweise ist eine manuelle Bearbeitung der Referenzdaten erforderlich, um das Problem zu lösen.
   4. Überprüfen Sie das Orthomosaik. Überprüfen Sie das Orthomosaik im Ortho-Viewer-Fenster, und stellen Sie sicher, dass die Bildqualität ausreichend ist, indem Sie es visuell auf erhebliche Unschärfen, Verzerrungen, Bildlücken oder extrem hohes Rauschen untersuchen (Abbildung 6).
      HINWEIS: Wenn diese Probleme festgestellt werden, ist es wahrscheinlich, dass die Kameraeinstellungen nicht richtig eingestellt wurden, dass die Fotos in unsachgemäßer Entfernung vom Riff aufgenommen wurden oder dass es in einigen Bereichen keine ausreichende Bildüberlappung gibt.
   5. Überprüfen Sie das Grenzpolygon. Überprüfen Sie im Fenster Ortho-Viewer , ob das automatisch generierte Grenzpolygon, das den Interessenbereich innerhalb der vier Eckmarkierungen definiert, korrekt ist, wie in Abbildung 4 dargestellt.
      HINWEIS: Wenn die Grenze gekreuzt wird oder die falschen Markierungen verbunden sind, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Polygon im Viewer, und löschen Sie es. Wählen Sie im Untermenü Werkzeuge der Dropdown-Liste ReefShape die Option Begrenzung erstellen aus, um die richtige Reihenfolge der Eckmarkierungen zu definieren, oder definieren Sie mit dem Polygonwerkzeug eine neue benutzerdefinierte Begrenzung und legen Sie sie auf den Polygontyp Äußere Begrenzung fest. Führen Sie das vollständige ReefShape Workflow-Skript erneut aus, um Datenprodukte erneut zu exportieren.

Abbildung 4: Visualisierung eines Riffplots, aufgeteilt in die vier Hauptschritte des ReefShape-Prozesses. (A) Verknüpfungspunktwolke und Kamerapositionen, (B) dreidimensionales Netzmodell, (C) digitales Höhenmodell (DEM) und (D) orthorektifiziertes Fotomosaik. Beschriftungen zeigen die Positionen der erkannten Eckmarkierungen (Ziele 1-4), drei Maßstabsleisten und ein automatisch generiertes Polygon für den Interessenbereich für die strukturelle und ökologische Analyse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Results

Ein Zeitreihen-LAI-Datensatz wurde mit dieser Methode am Simms Point Reef vor dem südwestlichen Ende von New Providence auf den Bahamas gesammelt. Abbildung 4, Abbildung 5, Abbildung 6 und ergänzende Abbildung 4 zeigen die Ergebnisse dieses Experiments. Das Referenznetzwerk wurde eingerichtet, und im Januar 2023 wurden die ersten Bilder gesammelt. Es wurde im August 2023, während einer schweren Hitzewelle im Meer, erneut fotografiert, um die Schwere der Korallenbleiche zu beurteilen. Beide Zeitpunkte wurden mit dem vollständigen ReefShape-Workflow-Skript verarbeitet, ohne dass in den Zwischenschritten ein Benutzereingriff erforderlich war. Der erste Zeitpunkt umfasste 1.299 Bilder, die alle erfolgreich ausgerichtet wurden, mit einer durchschnittlichen Schwimmhöhe von 1,8 m über dem Substrat, einer nativen Bodenauflösung von 0,567 mm/px (standardisiert auf 0,5 mm/px), einem Gesamtabdeckungsbereich von 208 m² (gemessen an der Fläche innerhalb der Eckmarkierungen), einem 3D/2D-Oberflächenverhältnis von 2,887, einen Reprojektionsfehler von 1,12 px, eine interne Geolokalisierungsgenauigkeit von insgesamt 30,6 cm und einen Skalierungsfehler von 1,4 mm. Der gesamte Vorgang dauerte bei den Standardeinstellungen innerhalb des Full ReefShape-Skripts 8 Stunden und 23 Minuten, wobei ein Desktop-Computer aus dem Jahr 2018 mit einer 6-Kern-CPU, 32 GB RAM und einer diskreten 8-GB-GPU verwendet wurde (Gesamtkosten ~ 1.500 USD). Ein Desktop-PC aus dem Jahr 2024 mit 14-Kern-CPU, 64 GB RAM und einer diskreten 24-GB-GPU (Gesamtkosten ~4.000 USD) verarbeitete das gleiche Diagramm in insgesamt 1 h 58 min. Der zweite Zeitpunkt, einschließlich 1.974 / 1.974 ausgerichteter Bilder, dauerte auf dem älteren Desktop von 2018 7 Stunden und 45 Minuten.

Ein vergrößerter Ausschnitt der beiden Zeitpunkte und der grundlegenden Analyse der Korallenbleiche, die in TagLab²⁷ durchgeführt wurden, ist in Abbildung 5 dargestellt und zeigt die Nützlichkeit dieses Prozesses für die Analyse der Veränderung benthischer Lebensräume im Laufe der Zeit. Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass über 90 % der Individuen in vielen der Korallenarten eine vollständige Bleiche erlebten, was die Schwere des Ereignisses bestätigt, während andere Arten nur minimale bis gar keine Bleiche aufwiesen, was einen Einblick in die Muster der Widerstandsfähigkeit innerhalb der Korallengemeinschaft gibt. Beide Zeitpunkte (Abbildung 5) zeigen eine hohe Bildqualität mit ausreichender Schärfe und Auflösung für eine fachkundige Identifizierung benthischer Organismen auf Art- oder Gattungsebene. Der Weißabgleich ist richtig eingestellt, und es gibt keine signifikanten Bereiche mit Unschärfen, Datenlöchern oder anderen Artefakten, was darauf hindeutet, dass das Protokoll die Daten, die zur Untersuchung der Dynamik der benthischen Ökologie der Korallenriffe benötigt werden, erfolgreich effizient geliefert hat. Abbildung 6 (oben) zeigt eine Vergrößerung dieses Diagramms als Beispiel für qualitativ hochwertige Bilddaten im Vergleich zu einem Datensatz von schlechter Qualität (unten), der die Anforderungen an die Datenqualität nicht erfüllt und bei dem Bildartefakte die ökologische Datenextraktion behindern. Der Datensatz von schlechter Qualität wurde mit falschen Kameraeinstellungen (falscher Weißabgleich, der zu einem roten Gesamtfarbton führt, und eine zu offene Blende, die zu Unschärfen führt) und unzureichender Fotoüberlappung aufgrund schlechter Tauchernavigation gesammelt, was die Bedeutung der Bildaufnahme unterstreicht (Protokollabschnitt 2).

Abbildung 5: Repräsentative Ergebnisse mit Zeitreihenbildern und Umrissen der Korallenkolonie aus einem Plot, der vor und während eines Bleichereignisses fotografiert wurde, und zeigen die Genauigkeit der automatischen Ausrichtung, die mit unserem Protokoll erreicht wurde, und den Nutzen dieser Daten zur Überwachung der benthischen Veränderungen im Laufe der Zeit. (A) zeigt das Bild vom Januar 2023 für den Standort Simms Point in New Providence, Bahamas, (B) das Bild vom August 2023, (C) lebende Korallenkolonien vom Januar 2023, die als gesund (blau), blass (orange) oder gebleicht (rot) klassifiziert wurden, und (D) lebende Korallenkolonien vom August 2023, die nach demselben Klassifizierungsschema umrandet sind. Die Gliederung der Korallenkolonie wurde mithilfe einer KI-gestützten Segmentierung in TagLab durchgeführt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Beispiel für ein hochwertiges Orthomosaik und ein niedrigwertiges Orthomosaik, mit Anmerkungen, die die wichtigsten Attribute veranschaulichen, die die beiden unterscheiden. Eine visuelle Inspektion des Orthomosaiks und anderer Datenprodukte während des Protokollschritts 5.4 ist notwendig, um zu beurteilen, ob das Protokoll ordnungsgemäß ausgeführt wurde oder ob eine Wiederholung der Plotfotografie erforderlich ist, um die Datenqualitätsziele zu erreichen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Zugriff auf die Software:
Die ReefShape-Python-Skripte, Installations- und Verwendungsanweisungen sowie detailliertere Anweisungen zur Datenerfassung und Softwarenutzung in Form eines Whitepapers sind unter https://github.com/Perry-Institute/ReefShape verfügbar. Wir beabsichtigen, die Skripte zu aktualisieren, um auftretende Probleme zu beheben und Verbesserungen vorzunehmen. Daher empfehlen wir, die neueste Version zu verwenden.

Ergänzende Abbildung 1. Screenshot zur Veranschaulichung des ReefShape-Georeferenzdatenerfassungs-Survey in der Survey123-App auf einem Smartphone. Benutzer können ohne ein kostenpflichtiges Konto auf die Umfrage zugreifen und erhalten ihre Daten bei der Übermittlung per E-Mail vorformatiert für die Verwendung in der ReefShape-Verarbeitung. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2. Screenshot der vollständigen GUI des ReefShape Workflow-Skripts. Der Benutzer kann alle notwendigen Informationen für die Verarbeitung in diese Schnittstelle eingeben, was eine vollständige Automatisierung des Photogrammetrie-Workflows ermöglicht. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3. Screenshot der GUI des Skripts "Zeitpunkte ausrichten". Benutzer können dieses Skript verwenden, um die automatische Ausrichtung nachfolgender Vermessungen am ursprünglichen Zeitpunkt zu erleichtern und so eine Analyse von Zeitreihenänderungen zu ermöglichen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4. Screenshot eines 3D-Modells, das repräsentative Ergebnisse und das Referenzfenster hervorhebt. Alle Informationen im Referenzfenster werden automatisch entsprechend der Maßstabsleiste und den georeferenzierten Dateien eingerichtet, die in das Full ReefShape Workflow-Skript eingegeben werden. Die unterschiedlichen Genauigkeitsmaße für verschiedene Referenzdaten (0,25 mm für die Skalierung, 10 cm für die Tiefe und ~70 cm für die XY-Geolokalisierung) werden automatisch eingegeben und ermöglichen die bevorzugte Behandlung von Maßstabs-, Tiefen- und XY-Koordinaten in der endgültigen Standortlösung, die von Metashape berechnet wird. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 1: Anweisungen zur Vorbereitung der Ausrüstung, Anforderungen und Einstellungen für das Kamerasystem sowie Computeranforderungen und Schritte zur Softwareeinrichtung, die nicht in den Geltungsbereich des Protokolls selbst fallen, sind in der Zusatzdatei enthalten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Dieses Protokoll wurde entwickelt, um einige der wichtigsten Herausforderungen in der Unterwasserphotogrammetrie für Lebensräume von Korallenriffen zu bewältigen, darunter Bildqualität und Überlappung während der Erfassung, Metadatenerfassung für die Skalierung, Nivellierung, Geolokalisierung und Zeitreihenausrichtung von Modellen und Karten, menschliche Entscheidungsfindung während der Photogrammetrie-Verarbeitungspipeline sowie Vorbereitung und Export von Daten für die Analyse. Der ersten Herausforderung begegnen wir mit einer sorgfältigen Auswahl, Prüfung und Empfehlung eines Kamerasystems und wichtiger Einstellungen. Während viele Systeme für die Bildaufnahme geeignet sind, stellen wir fest, dass Setups mit Action-Kameras (z. B. GoPro oder ähnliche) aufgrund von Rolling-Shutter-Verzerrungen, fehlendem manuellem Weißabgleich und der Unfähigkeit, RAW-Fotos bei 1 Hz zu erfassen, unzureichend sind, was die Qualität der endgültigen Bilder und die Fähigkeit, Zeitreihendaten präzise auszurichten, einschränkt. DLSR-Setups mit mehreren Kameras können eine verbesserte Bildabdeckung des Studienplots²⁴ ermöglichen, aber diese Setups sind teuer und unter Wasser umständlicher. Stattdessen haben wir uns für ein einzelnes, relativ günstiges (~2.800 USD Gesamtkosten) spiegelloses Kamerasystem mit mechanischem Verschluss, benutzerdefiniertem Weißabgleich, der Möglichkeit, RAW- und JPEG-Fotos zu sammeln, einem modernen APS-C-Bildsensor mit geringem Rauschpegel und einer Kombination aus Weitwinkelobjektiv (~100° Sichtfeld) und Dome-Port entschieden, die scharfe Bilder liefert. Ein Weitwinkelobjektiv wurde gewählt, um die Bildabdeckung und -überlappung zu erhöhen, was das 3D-Rendering von vertikalen und überhängenden Oberflächen verbessert und potenzielle Modelllöcher reduziert. Durch die Verwendung eines Intervalls von 1 s und einer einzigen Kamera wird die Gesamtanzahl der Bilder im Vergleich zu anderen Methoden reduziert, ohne dass Details oder Modellqualität verloren gehen, was die Verarbeitung beschleunigt. Obwohl RAW-Bilder für die Funktion der aktuellen Bildverarbeitungspipeline, die auf JPEG-Bildern basiert, nicht sofort entscheidend sind, halten wir RAW-Bilder für Archivierungszwecke für unerlässlich, da sie qualitativ hochwertigere Farbinformationen enthalten. Der Weißabgleich kann nach der Erfassung in einer Bildverarbeitungssoftware angepasst werden, und die qualitativ hochwertigeren Farbinformationen könnten in Zukunft in einen Farbkorrekturalgorithmus wie SeaThru³⁰ oder DeepSeeColor³¹ eingespeist und in die Photogrammetrie-Pipeline integriert werden, um konsistentere Farben und eine detaillierte Untersuchung von Phänomenen wie Korallenpigmentierung und Bleichen zu ermöglichen.

Die zweite große Herausforderung ist die 3D-Geolokalisierung, Skalierung und Zeitreihenausrichtung. Während reale Koordinaten für viele Analysen nicht erforderlich sind, müssen Modelle für den Orthorektifizierungsprozess und genaue Messungen skaliert und nivelliert werden^32,33. Dieser Prozess ist innerhalb einer Photogrammetrie-Software ohne die Verwendung von detektierbaren codierten Zielen oder ohne Tiefenmessungen und ein XY-Koordinatensystem schwer zu automatisieren. Die meisten Protokolle erfordern die manuelle Einarbeitung von Referenzinformationen entweder in Metashape oder später in eine andere Software, was den Arbeitsablauf komplexer und ineffizienter macht. Durch die Integration von codierten Zielen in maßstabsgetreue Balken mit genau bekannter Länge und dauerhaft fixierten Eckmarkierungen, gekoppelt mit einem benutzerfreundlichen Geolokalisierungs- und Tiefenerfassungssystem, versorgen wir die Software mit den notwendigen Informationen, um automatisch ein Koordinatensystem zu definieren, das Modell zu lokalisieren, zu skalieren und zu nivellieren. Durch die Angabe der Genauigkeit jeder Messung gewichtet die Software die endgültige Standortlösung korrekt, sodass sie der Skala, der Tiefe und schließlich den XY-Koordinaten Priorität einräumt, was eine hochpräzise Skalierung und Nivellierung auch bei relativ geringen GNSS-Daten ermöglicht. Die Co-Registrierung von Zeitreihen-Fotomosaiken erfordert in der Regel menschliche Eingriffe, um konsistente Punkte auf dem Riff zu lokalisieren, zu markieren und abzugleichen. Dieser Prozess ist sehr zeitaufwändig und herausfordernd, wenn zwischen den Zeitpunkten keine eindeutig statischen Merkmale vorhanden sind. Die Verwendung von langlebigen Bodenpasspunktmarkierungen lindert dieses Problem, indem ein Satz von 4 automatisch erkennbaren statischen Zielen bereitgestellt wird. Mit unserem skriptgesteuerten Prozess übernehmen nachfolgende Zeitpunkte die präzise Georeferenzierung von einem vorherigen Zeitpunkt, was den Ausrichtungsprozess erheblich vereinfacht und den menschlichen Input reduziert, während gleichzeitig eine hochgenaue Co-Registrierung von Zeitpunkten ermöglicht wird, die es ermöglichen, feinräumige ökologische und strukturelle Veränderungen am Riff zu verfolgen.

Die dritte Herausforderung, die durch dieses Protokoll angegangen wird, sind Ineffizienzen innerhalb des Photogrammetrie-Workflows, sowohl in Bezug auf menschliche Eingriffe als auch auf die Anforderungen an die Computerhardware. Wir haben die ReefShape-Skripte so konzipiert, dass der Benutzer alle erforderlichen Informationen für den gesamten Prozess in ein einziges GUI-Feld eingeben kann, wodurch alle Eingriffe überflüssig werden, die normalerweise in wichtigen Schritten des Prozesses erforderlich sind (d. h. die Einbeziehung von Skalen-, Nivellierungs- und Georeferenzierungsinformationen). Auf diese Weise kann der Benutzer den Prozess starten und den Rest dem Computer überlassen, was Zeit und Mühe spart. Die Photogrammetrie-Pipeline, die im Full ReefShape Workflow-Skript (Abbildung 3 und Abbildung 4) verwendet wird, ist optimiert, um eine effiziente Verarbeitung zu ermöglichen. Wir verwenden einen spezialisierten Alignment-Prozess, der aus zwei Phasen besteht. Ein erster Ausrichtungsdurchgang wird mit aktivierter generischer Vorauswahl ausgeführt, eine Option, die die Bildausrichtungszeit um viele Stunden verkürzen kann, ohne zu einem Genauigkeitsverlust zu führen³⁴. In einer zweiten Phase wird dann versucht, alle verbleibenden nicht ausgerichteten Fotos zur bereits vorhandenen Ausrichtung hinzuzufügen, ohne dass eine generische Vorauswahl verwendet wird, wodurch Ausrichtungsprobleme gemildert werden können, die durch suboptimale Überlappung oder ätzende Bänder durch Wellenlinsen in flachem Wasser verursacht werden. Zusammengenommen stellen diese Schritte einen effizienten und leistungsstarken Ausrichtungsprozess dar, der häufig zu einem viel größeren Anteil an korrekt ausgerichteten Fotos führt als die standardmäßigen Metashape-Verarbeitungsverfahren. Wir generieren ein 3D-Mesh direkt aus Tiefenkarten und umgehen so den zeit- und ressourcenintensiven Prozess der Erstellung dichter Punktwolken. Auf diese Weise erzeugte Netze weisen tendenziell ein geringeres Rauschen auf und rekonstruieren Bereiche mit geringer Bedeckung besser, wodurch die Notwendigkeit einer Punktwolkenreinigung vor der Vernetzung vermieden wird, wie sie bei anderen Methoden^{verwendet wird 23}. Unserer Erfahrung nach ist dieser Prozess zur Netzgenerierung tendenziell stabiler, was zu weniger Computerabstürzen führt als die Konstruktion und Vernetzung von Punktwolken mit dichter Dichte. Abschließend generieren wir ein hochauflösendes DEM, das anstelle des Netzes als Orthorektifikationsfläche verwendet wird, da dies die Zeit für die Erstellung des Orthomosaiks drastisch reduziert, ohne dass es zu wahrnehmbaren Qualitätsverlusten kommt.

Eine letzte Herausforderung ist die Aufbereitung, Standardisierung und der Export von Daten für die ökologische Analyse. Durch die Standardisierung der Bildproduktauflösung auf 0,5 mm/Pixel stellen wir sicher, dass konsistente und vergleichbare Produkte über Diagramme und Zeitpunkte hinweg verfügbar sind, und verbessern so zukünftige Bemühungen, KI und maschinelles Lernen für die Analyse zu nutzen. Das vollständige ReefShape-Workflow-Skript bietet Optionen zum Exportieren eines Verarbeitungsberichts und von Datenprodukten im richtigen Format für GIS-Software und TagLab²⁷, wodurch die Formatierung standardisiert und Zeit und Mühe gegenüber Workflows gespart werden, bei denen dieser Schritt manuell ausgeführt wird. Ein ROI-Polygon (Region of Interest), das für viele Analysen erforderlich ist, wird automatisch unter Verwendung der bekannten Eckenmarkierungspositionen generiert und als Standard-Shapefile exportiert, um es in GIS-Workflows zu integrieren, z. B. zum Generieren und Identifizieren von Zufallspunkten im Diagramm zur Analyse der benthischen Zusammensetzung. Dieser ROI ermöglicht auch beschnittene und pixelausgerichtete Ausgaben für TagLab, die für die Zeitreihenanalyse erforderlich sind, wie in Abbildung 5 dargestellt. Der ROI ermöglicht auch die automatische Berechnung eines Verhältnisses von 3D-Oberfläche zu planarer Fläche für jeden Zeitpunkt (Protokollschritt 5.2.8), wichtig für die Messung der strukturellen Komplexität des Riffs und seiner Veränderung im Laufe der Zeit.

Obwohl dieses Protokoll einen Fortschritt in Bezug auf Effizienz und Benutzerfreundlichkeit für die Unterwasser-Photogrammetrie darstellt, gibt es Einschränkungen. Vor allem, wenn der Photogrammetrie-Prozess in einem der wichtigsten Schritte fehlschlägt, ist ein Benutzereingriff erforderlich, um Probleme zu beheben und zu beheben, bevor fortgefahren wird. Obwohl unser skriptbasierter Prozess so konzipiert ist, dass er von Forschern ohne tiefgreifende Photogrammetrie-Kenntnisse verwendet werden kann, ist ein grundlegendes Verständnis wichtig, um Probleme zu lösen, wenn sie auftreten. Einige wichtige Teile des Prozesses sind am anfälligsten für Probleme. Erstens können Bilder aufgrund schlechter Bildüberlappung oder aufgrund starker ätzender Bänder auf dem Substrat in flachem Wasser und bei sonnigen Bedingungen nicht ausgerichtet werden. Ausrichtungsfehler können durch Überprüfen der Verknüpfungspunktwolke und der Kamerapositionen erkannt werden. Wenn die Ausrichtung aufgrund von ätzenden Bändern fehlschlägt, kann das Problem in der Regel durch erneutes Ausführen des vollständigen ReefShape-Workflows mit deaktivierter generischer Vorauswahl auf Kosten einer drastisch längeren Verarbeitungszeit gelöst werden. Wenn die Bildüberlappung für die Software nicht ausreicht, um Fotos auszurichten, ist das erneute Fotografieren der Website wahrscheinlich die beste Lösung. Eine fehlgeschlagene Markierungserkennung kann auch zu einem Fehler beim Mapping führen. Dies ist meistens der Fall, wenn ein Markierer beschädigt oder nicht ausreichend gereinigt ist. In diesem Fall können Marker auf einzelnen Fotos in Metashape platziert und manuell benannt werden, und das/die ReefShape-Skript(e) können erneut ausgeführt werden, um die Verarbeitung abzuschließen. In einigen Fällen kann die Georeferenzierung fehlschlagen, wenn die GPS-Punkte so ungenau sind, dass sie geografisch nicht in der richtigen Reihenfolge sind, oder wenn die GPS-Punkte den falschen Zielen zugewiesen wurden. Dies kann gelöst werden, indem Sie die CSV-Datei für die Georeferenzierung manuell bearbeiten, um sie an die Daten anzupassen, und das Skript anschließend erneut ausführen. Schließlich sind Softwareabstürze möglich, insbesondere wenn ein weniger leistungsfähiger Computer mit einer großen Handlung oder mit höheren Qualitätseinstellungen verwendet wird. In Erwartung dessen speichert unser skriptgesteuerter Prozess nach jedem abgeschlossenen Schritt automatisch, sodass der Benutzer neu starten und die Einstellungen anpassen kann, ohne den Fortschritt zu verlieren. Weitere Empfehlungen zur Problembehandlung finden Sie auf unserer GitHub-Seite.

Das Hauptziel von ReefShape ist es, die Erfassung und Verarbeitung von Komponenten der Unterwasserphotogrammetrie zu vereinfachen und die Kosten so weit wie möglich zu senken, damit sich die Anwender stärker auf die ökologische Datenextraktion konzentrieren können. Wir bieten einen kompletten Prozess, der darauf ausgelegt ist, qualitativ hochwertige Datenausgaben zu realisieren, die auf die Anforderungen gängiger ökologischer Analyseoptionen zugeschnitten sind. Obwohl das beschriebene Protokoll sehr spezifisch ist, ist der skriptgesteuerte Ansatz für die Verarbeitung flexibel und kann Änderungen an Aspekten der Methode wie Plotgröße, Schwimm-/Fotoerfassungsmuster, Zielausgabeauflösung und spezifisches verwendetes Kamerasystem ohne Probleme verarbeiten. Die Methode kann auch ohne wesentliche Modifikationen auf die meisten Unterwasser- oder feinskaligen terrestrischen Photogrammetrie-Projekte angewendet werden, wie z. B. die Dokumentation von Schiffswracks oder archäologischen Stätten.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
0,3 m Länge 1/2" PVC-Rohr	generisch	N / A	für GPS-Kit
1" PVC-Tischkappe	generisch	N / A	für GPS-Kit
1/2" bis 1" PVC-Reduzierbuchse	generisch	N / A	für GPS-Kit
12mm f/2.0 AF E-Mount-Objektiv	Samyang	SYIO12AF-E	wird auch unter dem Markennamen Rokinon
verkauft 2" geriffelter Schaft runde Mauerwerksnägel	generisch	N/A	für die Montage von Eckmarkierungen
256GB UHS-1 V30 SD Karte		SanDisk SDSDXXD-256G-ANCIN	schnellstmögliche UHS-1 SD-Karte empfohlen
30m Maßband (optional)	N/A	N/A	für die Erstellung von Plots
Acrylplatte, 3mm dick, geschnitten auf 80mm x 580mm (3x)	N/A	N/A	Material der Maßstabsleiste
Aluminium Kameraablage	KitDive	N/A	passend für Kameragehäuse und Hilfsmittel mit Haltekamera
Unterwasser-Eckmarkierungsset mit gedruckten Photogrammetrie-Zielen	N/A	N/	A nach Maß, kontaktieren Sie den Autor für Details, kontaktieren Sie den Autor für Details
Duracopy wasserdichtes Laserdruckerpapier	Rite in the Rain	6511	kann durch wasserdichtes Aufkleberpapier ersetzt werden
E6000 Epoxidharz	generisch	N/A	für GPS-Kit
GLO2 Bluetooth GPS	Garmin	010-02184-01	es gibt weitere Optionen, GLO2 ist die wirtschaftlichste
spiegellose ILCE a6700 Kamera	Sony	ILCE6700/B	a6700 Kamera bevorzugt, a6600 oder a6400 sind kostengünstige Optionen
Laserdrucker	N/A	N/A	beliebiger Laserdrucker (kein Tintenstrahl)
Metashape Professional Edition	Agisoft	N/A	erforderliche Software
Plastikkarte (ca. 1 mm x 5 mm x 5 mm)	N/A	N/A	für GPS-Kit, kann auch weggeworfene Kreditkarte oder ähnliches verwenden, in zwei Hälften geschnitten.
Smartphone	N/A	N/A	jedes halbwegs moderne Smartphone, für die GPS-Datenerfassung
Sony A6700 Sea Frogs 40M/130FT Wasserdichtes Gehäuse mit Acryl 6" Dome Port V.1	SeaFrogs	N/A	Wenn Sie a6600 oder a6400 Kameras verwenden, ersetzen Sie es durch ein entsprechendes SeaFrogs-Gehäuse
Sekundenkleber	N/A	N/	A für GPS-Kit und Scale-Bar-Erstellung
Schwimmen Fitness-Style Kickboard	Speedo	877530050021SZ	für GPS-Kit, Marke unwichtig
Tauchcomputer im Uhrenstil	N/A	N/A	zum Sammeln von Eckmarkierungstiefen
Wasserdichte Tasche	Xuniea	W-1188	Marke unwichtig, passend für GPS-Gerät
Wasserdichte Handytasche	Pelican	PP048884	Marke unwichtig, passend für Smartphone