Reefshape: Un sistema para la recopilación eficiente y el procesamiento automatizado de datos de fotogrametría submarina de series temporales para el monitoreo del hábitat bentónico

ReefShape es un protocolo para la recopilación y el procesamiento automatizado de conjuntos de datos de fotogrametría submarina de series temporales georreferenciadas para el monitoreo del hábitat bentónico. La fotogrametría, o imágenes de grandes áreas, es una herramienta que se ha vuelto muy popular entre los investigadores de arrecifes de coral para crear modelos digitales en 3D y mosaicos fotográficos ortorrectificados en 2D de alta resolución de secciones del bentos que luego se pueden analizar en una computadora para medir cosas como la composición de la comunidad o la complejidad estructural. La recopilación de este tipo de datos y series de tiempo para el monitoreo de los arrecifes de coral es increíblemente útil en el contexto del rápido declive global de los ecosistemas de coral. La fotogrametría submarina como concepto es bastante simple. Implica tomar cientos o miles de imágenes altamente superpuestas de un área que se ingresan en la estructura desde el software de fotogrametría en movimiento para recrear las orientaciones de las fotos en el paisaje del arrecife en 3D. A continuación, se puede generar un modelo de malla, un modelo digital de elevación y un ortomosaico 2D de arriba hacia abajo. Si bien existen muchos protocolos para recopilar datos de fotogrametría para el monitoreo de arrecifes, a menudo se enfocan en la recopilación de imágenes y dejan las opciones de procesamiento a los investigadores individuales, lo que puede llevar mucho tiempo y tiene una curva de aprendizaje pronunciada. La automatización de este proceso es un desafío porque los modelos deben escalarse, ubicarse y alinearse con precisión con otros puntos de tiempo para que sean particularmente útiles para el análisis de datos ecológicos. Hemos desarrollado ReefShape como una forma de abordar estos problemas. Nuestro método proporciona una solución para establecer gráficos de monitoreo permanentes con datos de georreferenciación del mundo real, recopilar imágenes de series temporales y procesar datos de manera eficiente utilizando un conjunto de scripts de Python personalizados que automatizan completamente y simplifican drásticamente la canalización de procesamiento. Con un Agisoft Metashape Pro, el software de fotogrametría estándar de la industria. Nuestros scripts producen datos de series temporales escalados y georreferenciados que se exportan en los formatos adecuados para flujos de trabajo de análisis comunes y software GIS y laboratorio de etiquetas, una aplicación especialmente diseñada para la anotación rápida de ortomosaicos de arrecifes de coral. Confiamos en el uso de cuatro marcadores de control del suelo autodetectables permanentes que se fijan al sustrato cuando se establece una parcela por primera vez. Las profundidades y las ubicaciones GPS de estos marcadores se recopilan en el primer punto de tiempo con un GPS Bluetooth y un teléfono inteligente con una encuesta personalizada que está disponible gratuitamente y envía por correo electrónico los datos de ubicación preformateados al usuario. Para la recopilación de datos, se colocan barras de escala temporales dentro de la parcela y las imágenes las realiza un buzo o buceador con una sola cámara y lente gran angular. Los puntos de tiempo posteriores solo requieren reubicar y limpiar los marcadores de esquina permanentes, colocar barras de escala y recopilar imágenes. En la computadora, nuestros scripts personalizados de ReefShape facilitan el procesamiento automático y la alineación de series temporales de los datos de imágenes, ahorrando al investigador un tiempo y un esfuerzo significativos que pueden invertirse en el análisis de datos ecológicos. El proceso comienza con la preparación del equipo, el montaje de un kit de tabla de natación GPS, la creación de barras de escala y la creación de un archivo de texto con sus longitudes precisas, la adquisición de marcadores de esquina, el montaje de un sistema de cámara y la configuración de los ajustes correctos, y la configuración del software Metashape y la instalación de los scripts de ReefShape en la computadora de procesamiento. En el campo, primero se debe elegir una parcela adecuada. Al igual que con cualquier protocolo de investigación submarina, la seguridad debe priorizarse a lo largo de este proceso. Este protocolo puede ser ejecutado por un solo investigador o pareja de amigos y se puede adaptar a cualquier tamaño de parcela entre aproximadamente 25 metros cuadrados y más de mil metros cuadrados. Pero recomendamos un tamaño de parcela base de 10 por 10 metros. Una vez que se elige una parcela, el investigador instala los marcadores de las cuatro esquinas mientras bucea con un mazo y clavos de mampostería, teniendo cuidado de no fracturar el sustrato ni dañar los corales vivos. Las ubicaciones ideales son áreas de sustrato no vivo relativamente plano que son fácilmente visibles desde arriba y que no es probable que se dañen o erosionen rápidamente, como los esqueletos de coral muy porosos. Instale el marcador uno en la esquina noreste, el marcador dos, en el sureste, tres, en el suroeste y cuatro en el noroeste, para mayor consistencia y facilidad de reubicación, usando una brújula y una cinta métrica si es necesario. Con un medidor de profundidad, registre las profundidades de cada marcador en una pizarra de buceo. Si el permiso o la necesidad impiden el uso de marcadores permanentes, se pueden colocar y recuperar los temporales después de la recopilación de datos de fotos y GPS. Después de colocar los marcadores de esquina, coloque de tres a cinco barras de escala en toda la parcela y use un peso de buceo o una roca pequeña para asegurar cada una y evitar el movimiento. Como cualquier protocolo de fotogrametría, la adquisición de imágenes es el paso clave. Este protocolo puede funcionar con la mayoría de las cámaras subacuáticas con una lente gran angular capaz de tomar fotos a una velocidad de una foto por segundo, pero recomendamos específicamente un sistema de cámara con una cámara sin espejo y una lente rectilínea gran angular con un campo de visión de alrededor de 90 a cien grados o una distancia focal equivalente de fotograma completo de 18 a 22 milímetros. junto con una carcasa submarina y un puerto de cúpula que se adapta bien a la lente. El objetivo clave es mantener imágenes nítidas. Y por lo tanto, recomendamos utilizar el modo manual con una apertura de F8.0, una velocidad de obturación de 1/500 de segundo e ISO automático, para lograr una exposición correcta para cada fotograma. En condiciones más oscuras y profundas, se puede utilizar una apertura de F5.6 y una velocidad de obturación de 1/320 de segundo para aumentar la cantidad de luz y reducir los niveles de ruido de la imagen. El balance de blancos debe establecerse en personalizado. Se debe usar un temporizador de intervalo de un segundo y se debe usar un modo de enfoque automático que se enfoca al comienzo de la recopilación de imágenes y permanece constante durante todo el proceso de fotografía. La cámara debe estar configurada para grabar imágenes JPEG y RAW simultáneamente. Navegue hasta la profundidad mediana de los gráficos y establezca un balance de blancos personalizado en la cámara usando una tarjeta gris o uno de los extremos de la barra de escala. Comenzando en una esquina, coloque la cámara apuntando hacia abajo de 1,5 a dos metros por encima del sustrato. Enfoca automáticamente la cámara en el arrecife y comienza a recopilar fotos a un cuadro por segundo, nadando hacia una esquina adyacente. En el gráfico, los rectángulos azules representan las posiciones de las fotos para este gráfico y el rectángulo resaltado en rojo muestra el patrón de natación. Recopile fotos que cubran toda la parcela en al menos medio metro de amortiguamiento alrededor del perímetro en una serie de pasos antiparalelos, espaciados aproximadamente a un metro de distancia, consistentemente, de uno y medio a dos metros por encima del arrecife. Cuando completes este primer conjunto de pases, gira 90 grados y recoge un conjunto similar de pases, completando un patrón de cuadrícula. Las fotos deben estar orientadas hacia abajo, excepto en áreas de alto relieve donde la cámara debe inclinarse ligeramente oblicuamente para apuntar perpendicularmente a la superficie del sustrato. Después de la fotografía, limpie la parcela, dejando solo los marcadores de esquina instalados. De vuelta en la superficie, recupere el kit de GPS y nade sobre el gráfico utilizando el levantamiento ReefShape en ArcGIS Survey123 para recopilar ubicaciones GPS sobre cada uno de los cuatro marcadores de esquina. De vuelta en el barco, ingrese la información de profundidad correspondiente a cada marcador y envíela. Para los puntos de tiempo posteriores, primero reubique el gráfico y busque los marcadores de esquina utilizando los datos GPS originales o una impresión del mosaico de fotos de punto de tiempo original, como referencia si es necesario. Con una tarjeta de plástico, raspe cualquier crecimiento biótico de las superficies de los marcadores. Reemplace los marcadores perdidos o dañados con el número objetivo adecuado y anótelo. Coloque barras de escala, establezca el balance de blancos y recopile imágenes como antes. Para procesar el primer punto de tiempo de un gráfico, elija el flujo de trabajo completo de ReefShape en la barra de menú personalizada de ReefShape. Asigne al proyecto el nombre de la parcela. Asigne un nombre al fragmento con la fecha de recopilación de imágenes. Importa tus fotos y guarda el proyecto. A continuación, en el panel general, establezca el sistema de coordenadas en WGS 84 más EGM 96. La configuración del proyecto seleccionado se presenta en este cuadro de diálogo para que el usuario la modifique si es necesario. Los valores predeterminados deben ser apropiados para la mayoría de las situaciones. Seleccione la carpeta para las exportaciones de datos y marque las casillas de los resultados deseados, ya sea para el software GIS estándar o para el laboratorio de etiquetas. En el panel de georreferenciación, seleccione sí para usar marcadores y busque el archivo de barra de escala y el archivo de georreferenciación que se le envió por correo electrónico. Finalmente, haga clic en Aceptar para comenzar el proceso de fotogrametría. La canalización personalizada se guardará automáticamente después de cada paso, lo que permitirá al usuario volver a ejecutarla desde cualquier punto del proceso sin perder el progreso. Al finalizar, el script exportará todos los productos de datos solicitados, un informe de procesamiento y un archivo Shape de la región de interés generada automáticamente delimitada por los marcadores de esquina. Las funciones individuales útiles para este proceso se incluyen como herramientas independientes. en el menú ReefShape, en particular, se incluye una función para calcular automáticamente la relación entre el área de superficie 3D y el área plana, una métrica común para estudiar la complejidad estructural en los arrecifes. Cada punto de tiempo de un gráfico se almacenará como un nuevo fragmento en el mismo proyecto de Metashape. Para los puntos de tiempo posteriores, abra el proyecto de metaforma de gráficos y ejecute el script de puntos de tiempo alineados desde el menú ReefShape. Haga clic en crear fragmento y asígnele un nombre con la fecha de recopilación de imágenes. Importe las fotografías y, a continuación, seleccione el punto de tiempo original como fragmento de referencia y el nuevo como fragmento activo. Si se reemplazó algún marcador de esquina bajo el agua, anótelo en el cuadro desplegable. Haga clic en Aceptar. Esto detectará marcadores e importará la georreferenciación para los marcadores de esquina desde el punto de tiempo original. Inspeccione los marcadores y la georreferenciación en el panel de referencia. Si no se detectó ningún marcador, colóquelo manualmente en al menos tres imágenes y, a continuación, vuelva a ejecutar el script de punto de tiempo alineado para volver a importar los datos de referencia correctamente. A continuación, ejecute el script de flujo de trabajo completo de ReefShape. Solo es necesario ajustar la configuración en el panel general, especialmente qué productos de datos exportar y dónde guardarlos. Los paneles de georreferenciación y configuración del proyecto se pueden dejar en blanco. Al hacer clic en Aceptar, se completará el proceso de fotogrametría y se exportarán los productos de datos alineados con series temporales. Para cada punto de tiempo, es importante inspeccionar la alineación y los productos de datos para verificar su precisión. Si surge algún problema, puede ser necesaria la intervención manual. Piezas de datos específicas, como el modelo 3D DEM ortomosaico o los puntos de enlace, se pueden eliminar en el script de flujo de trabajo completo de ReefShape para regenerarlos correctamente. Una vez que el usuario está satisfecho, puede llevar los productos de datos exportados al software GIS o al laboratorio de etiquetas para varias canalizaciones de análisis. Estas imágenes muestran resultados representativos. Tiempo .1 uno incluyó 1,299 fotos y tiempo .2 incluyó 1,974. Todas las fotos se alinearon correctamente para cada punto de tiempo, y los datos resultantes tienen agujeros o problemas obvios de calidad de imagen. Los datos aparecen en la ubicación correcta del mundo real y el error de georreferenciación para el punto de tiempo inicial es de unos 30 centímetros. El error de profundidad es de 2,3 centímetros. El error de escala es de 0,14 milímetros y el error de reproyección es de 1,12 píxeles. El error entre puntos de tiempo es de aproximadamente un milímetro. La parcela cubre 208 metros cuadrados con una resolución de 0,5 milímetros. Todo el proceso para cada punto de tiempo se completó en aproximadamente ocho horas en una computadora de gama baja y en menos de dos horas, en una computadora de juegos de gama alta. Este protocolo fue diseñado para abordar algunos de los principales desafíos de la fotogrametría submarina. En particular, mediante el uso de marcadores de esquina permanentes detectables y barras de escala. Junto con la información de georreferenciación del mundo real, todo el proceso de fotogrametría dentro de Metashape se automatiza, ahorrando mucho tiempo y esfuerzo. Nuestros scripts de ReefShape incluyen mejoras en el procedimiento estándar de alineación de fotos que aumentan el número de fotos alineadas en condiciones difíciles y ayudan a facilitar la alineación precisa de series temporales entre conjuntos de datos. También están diseñados para aumentar la eficiencia en la tubería de procesamiento de fotogrametría para evitar la necesidad de usar computadoras muy costosas para el procesamiento. Nuestro objetivo general es eliminar las barreras para hacer que la fotogrametría submarina sea más accesible y funcional para los investigadores que buscan extraer datos ecológicos importantes para informar los esfuerzos de conservación de los arrecifes de coral.