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

ReefShape ist ein Protokoll zur Erfassung und automatisierten Verarbeitung von georeferenzierten Zeitreihen-Unterwasser-Photogrammetrie-Datensätzen für die Überwachung benthischer Lebensräume. Photogrammetrie oder großflächige Bildgebung ist ein Werkzeug, das bei Korallenriffforschern sehr beliebt geworden ist, um digitale 3D-Modelle und hochauflösende orthorektifizierte 2D-Fotomosaike von Abschnitten des Benthos zu erstellen, die später auf einem Computer analysiert werden können, um Dinge wie die Zusammensetzung der Gemeinschaft oder die strukturelle Komplexität zu messen. Das Sammeln dieser Art von Daten und Zeitreihen für das Monitoring von Korallenriffen ist vor dem Hintergrund des rapiden globalen Rückgangs der Korallenökosysteme unglaublich nützlich. Das Konzept der Unterwasser-Photogrammetrie ist ziemlich einfach. Dabei werden Hunderte bis Tausende von stark überlappenden Bildern eines Gebiets aufgenommen, die von einer Bewegungsphotogrammetrie-Software in die Struktur eingegeben werden, um die Ausrichtungen der Fotos in der Rifflandschaft in 3D nachzubilden. Anschließend können ein Netzmodell, ein digitales Höhenmodell und ein 2D-Top-Down-Orthomosaik generiert werden. Es gibt zwar viele Protokolle zur Erfassung von Photogrammetriedaten für die Riffüberwachung, aber sie konzentrieren sich oft auf die Bilderfassung und überlassen die Verarbeitungsoptionen den einzelnen Forschern, was sehr zeitaufwändig sein kann und eine steile Lernkurve hat. Die Automatisierung dieses Prozesses ist eine Herausforderung, da die Modelle richtig skaliert, lokalisiert und genau auf andere Zeitpunkte ausgerichtet werden müssen, um für die ökologische Datenanalyse besonders nützlich zu sein. Wir haben ReefShape entwickelt, um diese Probleme anzugehen. Unsere Methode bietet eine Lösung für die Einrichtung permanenter Überwachungsdiagramme mit realen Georeferenzierungsdaten, die effiziente Erfassung von Zeitreihenbildern und die Verarbeitung von Daten mit einer Reihe von benutzerdefinierten Python-Skripten, die die Verarbeitungspipeline vollständig automatisieren und drastisch vereinfachen. Mit einem Agisoft Metashape Pro, der Industriestandard-Photogrammetrie-Software. Unsere Skripte liefern skalierte und georeferenzierte Zeitreihendaten, die in den richtigen Formaten für gängige Analyse-Workflows und GIS-Software und Tag Lab, eine speziell entwickelte Anwendung für die schnelle Annotation von Orthomosaiken von Korallenriffen, exportiert werden. Wir verlassen uns auf die Verwendung von vier permanenten, automatisch detektierbaren Bodenkontrollmarkern, die auf dem Substrat befestigt werden, wenn eine Parzelle zum ersten Mal angelegt wird. Die Tiefen und GPS-Positionen dieser Marker werden zum ersten Zeitpunkt mit einem Bluetooth-GPS und einem Smartphone mit einer benutzerdefinierten Vermessung erfasst, die frei verfügbar ist und dem Benutzer vorformatierte Standortdaten per E-Mail zusendet. Für die Datenerfassung werden temporäre Maßstabsbalken innerhalb des Diagramms platziert und die Bildgebung wird von einem Taucher oder Schnorchler mit einer einzigen Kamera und einem Weitwinkelobjektiv durchgeführt. Für nachfolgende Zeitpunkte ist nur das Verschieben und Reinigen der permanenten Eckmarkierungen, das Platzieren von Maßstabsleisten und das Sammeln von Bildern erforderlich. Am Computer erleichtern unsere benutzerdefinierten ReefShape-Skripte die automatische Verarbeitung und den Zeitreihenabgleich der Bilddaten, wodurch der Forscher viel Zeit und Mühe spart, die stattdessen in die ökologische Datenanalyse investiert werden kann. Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung der Ausrüstung, dem Zusammenbau eines GPS-Kickboard-Kits, der Erstellung von Maßstabsleisten und der Erstellung einer Textdatei mit ihren genauen Längen, der Beschaffung von Eckmarkierungen, dem Zusammenbau eines Kamerasystems und der Konfiguration der richtigen Einstellungen, der Einrichtung der Metashape-Software und der Installation der ReefShape-Skripte auf dem Verarbeitungscomputer. Im Feld muss zunächst eine geeignete Parzelle ausgewählt werden. Wie bei jedem Unterwasserforschungsprotokoll sollte die Sicherheit während des gesamten Prozesses Vorrang haben. Dieses Protokoll kann von einem einzelnen Forscher oder einem Buddy-Paar durchgeführt werden und kann für jede Grundstücksgröße zwischen etwa 25 Quadratmetern und mehr als tausend Quadratmetern angepasst werden. Wir empfehlen jedoch eine Grundgrundstücksgröße von 10 x 10 Metern. Sobald eine Parzelle ausgewählt ist, bringt der Forscher die vier Eckmarkierungen während des Tauchens mit einem Vorschlaghammer und Steinnägeln an, wobei er darauf achtet, dass das Substrat nicht bricht oder lebende Korallen beschädigt werden. Ideale Standorte sind Bereiche mit relativ flachem, nicht lebendem Substrat, die von oben gut sichtbar sind und wahrscheinlich nicht beschädigt oder schnell biologisch erodiert werden, wie z. B. sehr poröse Korallenskelette. Installieren Sie Marker eins in der nordöstlichen Ecke, Marker zwei im Südosten, drei im Südwesten und vier im Nordwesten, um Konsistenz und einfaches Verschieben zu gewährleisten, bei Bedarf mit einem Kompass und einem Maßband. Notiere mit einem Tiefenmesser die Tiefen jedes Markers auf einer Tauchtafel. Wenn es erlaubt oder die Notwendigkeit die Verwendung von Permanentmarkern verhindert, können nach Foto- und GPS-Datenerfassung provisorische Marker angebracht und wieder abgerufen werden. Nachdem die Eckmarkierungen ausgelegt sind, platzieren Sie drei bis fünf Schuppenbalken auf dem gesamten Grundstück und verwenden Sie ein Tauchgewicht oder einen kleinen Stein, um jeden einzelnen zu sichern und Bewegungen zu verhindern. Wie bei jedem Photogrammetrie-Protokoll ist die Bildaufnahme der wichtigste Schritt. Dieses Protokoll kann mit den meisten Unterwasserkameras mit einem Weitwinkelobjektiv funktionieren, das in der Lage ist, Fotos mit einer Geschwindigkeit von einem Foto pro Sekunde aufzunehmen, aber wir empfehlen insbesondere ein Kamerasystem mit einer spiegellosen Kamera und einem geradlinigen Weitwinkelobjektiv mit einem Sichtfeld von etwa 90 bis hundert Grad oder einer Vollformat-äquivalenten Brennweite von 18 bis 22 Millimetern. Gepaart mit einem Unterwassergehäuse und einem Domport, der gut auf das Objektiv abgestimmt ist. Das Hauptziel ist die Beibehaltung scharfer Bilder. Daher empfehlen wir den manuellen Modus mit einer Blende von F8,0, einer Verschlusszeit von 1/500 Sekunde und einer automatischen ISO-Einstellung, um für jedes Bild eine korrekte Belichtung zu erzielen. Bei dunkleren und tieferen Bedingungen kann eine Blende von F5,6 und eine Verschlusszeit von 1/320 Sekunde verwendet werden, um die Lichtmenge zu erhöhen und das Bildrauschen zu reduzieren. Der Weißabgleich sollte auf benutzerdefiniert eingestellt werden. Es sollte ein Intervall-Timer von einer Sekunde verwendet werden und es sollte ein Autofokus-Modus verwendet werden, der zu Beginn der Bildaufnahme fokussiert und während des gesamten Aufnahmeprozesses konstant bleibt. Die Kamera sollte so eingestellt sein, dass sie JPEG- und RAW-Bilder gleichzeitig aufnimmt. Navigieren Sie zur mittleren Tiefe des Diagramms und stellen Sie einen benutzerdefinierten Weißabgleich auf der Kamera ein, indem Sie eine graue Karte oder eines der Enden der Maßstabsleiste verwenden. Beginnen Sie an einer Ecke und positionieren Sie die Kamera 1,5 bis zwei Meter über dem Substrat nach unten. Fokussieren Sie die Kamera automatisch auf das Riff und beginnen Sie mit dem Sammeln von Fotos mit einem Bild pro Sekunde und schwimmen Sie auf eine angrenzende Ecke zu. In der Grafik stellen die blauen Rechtecke die Fotopositionen für dieses Diagramm dar, und das rot hervorgehobene Rechteck zeigt das Schwimmmuster. Sammeln Sie Fotos, die das gesamte Grundstück in einem Puffer von mindestens einem halben Meter um den Umfang herum in einer Reihe von antiparallelen Durchgängen abdecken, die etwa einen Meter voneinander entfernt sind, konstant eineinhalb bis zwei Meter über dem Riff. Wenn Sie diesen ersten Durchgang abgeschlossen haben, drehen Sie sich um 90 Grad und sammeln Sie einen ähnlichen Durchgang, um ein Rastermuster zu vervollständigen. Die Fotos sollten nach unten gerichtet sein, außer in Bereichen mit hohem Relief, in denen die Kamera leicht schräg geneigt werden sollte, um senkrecht zur Substratoberfläche zu zeigen. Räumen Sie nach dem Fotografieren das Grundstück auf und lassen Sie nur die installierten Eckmarkierungen übrig. Zurück an der Oberfläche holen Sie sich das GPS-Kit, und schwimmen Sie mit dem ReefShape-Survey in ArcGIS Survey123 über das Diagramm, um GPS-Positionen über jedem der vier Eckmarkierungen zu erfassen. Zurück auf dem Boot geben Sie die Tiefeninformationen für jede Markierung ein und senden sie ab. Für spätere Zeitpunkte verschieben Sie zunächst das Diagramm und suchen Sie die Eckmarkierungen anhand der ursprünglichen GPS-Daten oder eines Ausdrucks des ursprünglichen Fotomosaiks zum Zeitpunkt, falls erforderlich. Kratzen Sie mit einer Plastikkarte den Bewuchs von den Markierungsflächen ab. Ersetzen Sie verlorene oder beschädigte Marker durch die richtige Zielnummer und notieren Sie diese. Platzieren Sie Maßstabsleisten, stellen Sie den Weißabgleich ein und erfassen Sie Bilder wie zuvor. Um den ersten Zeitpunkt eines Plots zu verarbeiten, wählen Sie den vollständigen ReefShape-Workflow aus der benutzerdefinierten Menüleiste von ReefShape aus. Benennen Sie das Projekt als Name der Handlung. Benennen Sie den Block mit dem Datum der Bildsammlung. Importieren Sie Ihre Fotos und speichern Sie das Projekt. Legen Sie anschließend in der Gruppe Allgemein das Koordinatensystem auf WGS 84 plus EGM 96 fest. In diesem Dialogfeld werden ausgewählte Projekteinstellungen angezeigt, die der Benutzer bei Bedarf ändern kann. Die Standardeinstellungen sollten für die meisten Situationen angemessen sein. Wählen Sie den Ordner für Datenexporte aus, und aktivieren Sie die Kontrollkästchen für die gewünschten Ausgaben, entweder für Standard-GIS-Software oder Tag-Lab. Wählen Sie im Bereich "Georeferenzierung" die Option "Ja" für die Verwendung von Markern aus, und suchen Sie die Datei mit der Maßstabsleiste und die Georeferenzierungsdatei, die Ihnen per E-Mail zugesandt wurde. Klicken Sie abschließend auf OK, um den Photogrammetrie-Prozess zu starten. Die benutzerdefinierte Pipeline wird nach jedem Schritt automatisch gespeichert, sodass der Benutzer sie von jedem Punkt des Prozesses aus erneut ausführen kann, ohne den Fortschritt zu verlieren. Nach Abschluss exportiert das Skript alle angeforderten Datenprodukte, einen Verarbeitungsbericht und eine Shape-Datei des automatisch generierten Interessenbereichs, der durch die Eckmarkierungen begrenzt wird. Einzelne Funktionen, die für diesen Prozess nützlich sind, sind als eigenständige Werkzeuge enthalten. Insbesondere im Menü ReefShape ist eine Funktion enthalten, mit der das Verhältnis von 3D-Oberfläche zu planarer Fläche automatisch berechnet werden kann, eine gängige Metrik zur Untersuchung der strukturellen Komplexität von Riffen. Jeder Zeitpunkt eines Diagramms wird als neuer Block im selben Metashape-Projekt gespeichert. Öffnen Sie für nachfolgende Zeitpunkte das Metashape-Projekt der Diagramme, und führen Sie das Skript für ausgerichtete Zeitpunkte über das Menü ReefShape aus. Klicken Sie auf Block erstellen und benennen Sie ihn mit dem Datum der Bildsammlung. Importieren Sie die Fotos und wählen Sie dann den ursprünglichen Zeitpunkt als Referenzblock und den neuen als aktiven Block aus. Wenn Eckmarkierungen unter Wasser ausgetauscht wurden, vermerken Sie dies in der Dropdown-Box. Klicken Sie auf OK. Dadurch werden Marker erkannt und die Georeferenzierung für die Eckmarkierungen vom ursprünglichen Zeitpunkt importiert. Überprüfen Sie die Marker und die Georeferenzierung im Referenzfenster. Wenn keine Marker erkannt wurden, platzieren Sie sie manuell auf mindestens drei Bildern und führen Sie dann das Skript für den ausgerichteten Zeitpunkt erneut aus, um die Referenzdaten ordnungsgemäß wieder zu importieren. Führen Sie als Nächstes das vollständige ReefShape-Workflow-Skript aus. Es müssen nur die Einstellungen im Bereich "Allgemein" angepasst werden, insbesondere welche Datenprodukte exportiert und wo sie gespeichert werden sollen. Die Bereiche "Georeferenzierung" und "Projekteinrichtung" können leer bleiben. Wenn Sie auf OK klicken, wird der Photogrammetrie-Prozess abgeschlossen und an Zeitreihen ausgerichtete Datenprodukte exportiert. Für jeden Zeitpunkt ist es wichtig, die Ausrichtungs- und Datenprodukte auf ihre Richtigkeit zu überprüfen. Wenn Probleme auftreten, kann ein manueller Eingriff erforderlich sein. Bestimmte Datenteile wie das Orthomosaik, das DEM-3D-Modell oder Verknüpfungspunkte können in der vollständigen Wiederholung des ReefShape-Workflow-Skripts gelöscht werden, um sie ordnungsgemäß zu regenerieren. Sobald der Benutzer zufrieden ist, kann er die exportierten Datenprodukte in die GIS-Software oder das Tag-Lab für verschiedene Analysepipelines importieren. Diese Visualisierungen zeigen repräsentative Ergebnisse. Die Zeit .1 enthielt 1.299 Fotos und die Zeit .2 1.974. Alle Fotos wurden für jeden Zeitpunkt korrekt ausgerichtet, und die resultierenden Daten weisen Löcher oder offensichtliche Probleme mit der Bildqualität auf. Die Daten werden an der richtigen Stelle in der realen Welt angezeigt, und der Georeferenzierungsfehler für den ursprünglichen Zeitpunkt beträgt etwa 30 Zentimeter. Der Tiefenfehler beträgt 2,3 Zentimeter. Der Skalierungsfehler liegt bei 0,14 Millimetern und der Reprojektionsfehler bei 1,12 Pixeln. Der Fehler zwischen den Zeitpunkten beträgt etwa einen Millimeter. Das Grundstück umfasst 208 Quadratmeter mit einer Auflösung von 0,5 Millimetern. Der gesamte Prozess für jeden Zeitpunkt war auf einem Low-End-Computer in etwa acht Stunden und auf einem High-End-Gaming-Computer in weniger als zwei Stunden abgeschlossen. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um einige der größten Herausforderungen in der Unterwasser-Photogrammetrie zu lösen. Insbesondere durch die Verwendung von detektierbaren permanenten Eckmarkierungen und Maßstabsleisten. In Verbindung mit realen Georeferenzierungsinformationen wird der gesamte Photogrammetrieprozess innerhalb von Metashape automatisiert, was viel Zeit und Mühe spart. Unsere ReefShape-Skripte enthalten Verbesserungen des standardmäßigen Fotoausrichtungsverfahrens, die die Anzahl der ausgerichteten Fotos unter schwierigen Bedingungen erhöhen und eine präzise Zeitreihenausrichtung zwischen Datensätzen erleichtern. Sie wurden auch entwickelt, um die Effizienz in der Photogrammetrie-Verarbeitungspipeline zu erhöhen, um den Einsatz sehr teurer Computer für die Verarbeitung zu vermeiden. Unser übergeordnetes Ziel ist es, Barrieren zu beseitigen, um die Unterwasser-Photogrammetrie für Forscher, die wichtige ökologische Daten für die Bemühungen zum Schutz der Korallenriffe extrahieren möchten, zugänglicher und funktionaler zu machen.