Reefshape : un système pour la collecte efficace et le traitement automatisé de données de photogrammétrie sous-marine de séries chronologiques pour la surveillance de l’habitat benthique

Summary

Voici un protocole de collecte et de traitement des données de photogrammétrie sous-marine, y compris un pipeline de traitement d’images considérablement simplifié et entièrement automatisé, ce qui permet d’obtenir des sorties géoréférencées et alignées sur des séries chronologiques, prêtes pour l’extraction, l’analyse et l’application de données écologiques.

Abstract

L’imagerie de grande surface (LAI) par photogrammétrie de structure à partir du mouvement a gagné en popularité en tant qu’outil de surveillance des écosystèmes de récifs coralliens, permettant la création d’un modèle numérique d’une section de récif qui peut être analysé ex situ pour collecter des données sur la composition benthique, la complexité structurelle et d’autres paramètres. Bien que diverses approches aient été utilisées, de nombreux chercheurs ont besoin d’une approche systématique de la collecte de données et du traitement informatique. Pour y remédier, nous avons développé ReefShape, un flux de travail simple et complet pour la collecte d’images sous-marines, le géoréférencement, le traitement des données et l’alignement de séries chronologiques. Des recommandations spécifiques de système de caméra et des instructions d’acquisition d’images sont fournies sur la base de notre expérience. Un processus d’intégration du géoréférencement du monde réel à l’aide de marqueurs de contrôle au sol permanents fixés au substrat qui facilitent l’alignement automatique d’ensembles de données de séries chronologiques est décrit. Un ensemble de scripts de traitement a été développé pour automatiser le flux de travail de traitement des données, rationalisant et simplifiant considérablement le processus normalement long et complexe. Notre approche scénarisée vise à réduire la charge du traitement des données pour les chercheurs sur les récifs coralliens, à augmenter l’efficacité du pipeline de photogrammétrie et à exporter les données dans des formats prêts à l’analyse pour une utilisation dans les programmes courants de segmentation d’images SIG et de récifs coralliens. Les méthodes décrites ici apportent une solution complète pour intégrer la photogrammétrie comme outil de surveillance des récifs tout en restant souples et en laissant au chercheur le soin de réaliser les analyses spécifiques.

Introduction

Les récifs coralliens sont l’un des écosystèmes les plus riches en biodiversité et les plus importants sur le plan économique au monde et sont confrontés à des défis sans précédent liés au changement climatique, aux maladies, à la surpêche et à d’autres facteurs de stress ^1,2,3. La surveillance des écosystèmes des récifs coralliens est particulièrement difficile en raison de leur emplacement souvent éloigné et des difficultés inhérentes à la recherche sous-marine. Par conséquent, les récifs ont toujours été sous-étudiés⁴. Il est essentiel de surveiller efficacement les récifs coralliens à plusieurs échelles spatiales allant de microbien⁵ à archipel⁶ et global⁷ pour comprendre leur déclin, ainsi que pour planifier, suivre et évaluer les efforts d’intervention⁸. L’imagerie photomosaïque est un outil devenu populaire pour surveiller l’état du benthos des récifs coralliens à l’échelle de dizaines à des centaines de mètres carrés, un terme désignant des cartes à haute résolution composées de photographies sous-marines assemblées qui se chevauchent⁹. Ces mosaïques permettent aux chercheurs d’imager une zone de récif plus grande que ce qui peut être capturé en une seule photo, d’où le terme d’imagerie à grande surface (LAI)¹⁰. Les mosaïques peuvent ensuite être analysées pour extraire des informations écologiques pertinentes, telles que le pourcentage de couverture corallienne, la taille de la colonie, la distribution des espèces et la composition benthique¹¹. Les progrès de l’informatique et la disponibilité de logiciels prêts à l’emploi permettent désormais de réaliser ce processus à l’aide de la photogrammétrie de structure à partir du mouvement (SfM). SfM consiste à analyser les photos pour trouver des points de correspondance qui sont utilisés pour reconstruire l’orientation tridimensionnelle des photos et des points d’attache, permettant la création d’une réplique virtuelle précise du récif 12,13,14. Les études SfM/LAI sont devenues monnaie courante dans la recherche sur les récifs coralliens, permettant d’obtenir de nouvelles perspectives sur l’écologie des communautés coralliennes¹⁰, la complexité de l’habitat^15,16, les réponses des communautés coralliennes aux événements de blanchissement^17,18, les ouragans¹⁹ et la restauration des coraux²⁰.

Plusieurs approches d’utilisation de l’IAL pour la surveillance des récifs coralliens ont été développées 21,22,23,24, ce qui a permis aux praticiens de tirer parti de la technologie d’offrir un large éventail de choix. Cependant, l’utilisation efficace de l’IAL dans la recherche sur les récifs coralliens est complexe et exige un effort d’apprentissage considérable. La maîtrise de la plongée sous-marine, de la navigation sous-marine, de la photographie sous-marine, de l’utilisation de logiciels, de la conservation et de la gestion de données est essentielle. De plus, l’expertise en écologie est fondamentale pour analyser et interpréter efficacement les produits de données. Les flux de travail existants ont tendance à se concentrer principalement sur l’acquisition d’images sans fournir de conseils suffisants pour les protocoles de séries chronologiques, la collecte de métadonnées (par exemple, la mise à l’échelle, la profondeur et l’emplacement) ou le traitement des données après le voyage sur le terrain : autant d’étapes essentielles pour une collecte de données précise et reproductible. Les coûts associés aux flux de travail LAI ont également tendance à être élevés, en utilisant des systèmes de caméra et des configurations informatiques coûteux. Les chercheurs ont toujours un grand besoin d’une méthodologie complète, simple et efficace, qui permette d’obtenir des données de qualité suffisante pour répondre à un large éventail de questions de recherche actuelles et futures. Nous y remédions en développant une approche robuste et efficace pour les LAI sous-marines qui réduit l’effort et la complexité du traitement et minimise les coûts tout en améliorant la qualité des données. Notre nouvelle approche permet une acquisition rapide, un traitement automatisé et l’alignement des séries chronologiques de l’imagerie afin de fournir des produits de données de haute qualité pour l’étude et l’analyse écologiques des récifs coralliens. Le coût total de démarrage de la mise en œuvre de cette approche est d’environ 5 000 à 8 000 USD (y compris le système de caméra, les matériaux, l’ordinateur dédié et le logiciel), selon que l’utilisateur peut accéder ou non aux tarifs éducatifs des logiciels de photogrammétrie. Grâce à l’application de nos méthodes, nous visons à aider les chercheurs sur les récifs coralliens à optimiser leurs efforts de collecte et de traitement des données, en permettant des flux de travail plus efficaces qui facilitent l’extraction et l’analyse rapides de données écologiques sur les récifs coralliens d’une importance cruciale.

La méthode décrite ici, que nous nommons « ReefShape », présente trois innovations principales : (1) l’utilisation de marqueurs de contrôle au sol semi-permanents fixés au substrat pour permettre le géoréférencement automatique et l’alignement des séries chronologiques des ensembles de données, (2) l’utilisation d’un levé personnalisé basé sur une application pour faciliter la collecte et le formatage des données de localisation, et (3) la mise en œuvre d’un processus scénarisé complet conçu pour automatiser entièrement le pipeline de photogrammétrie, réduisant considérablement le travail humain pendant la phase de traitement qui est utilisé dans d’autres protocoles LAI 20,21,22,23. À l’instar de ces autres protocoles LAI, ReefShape s’appuie sur l’utilisation d’Agisoft Metashape²⁵ (ci-après dénommé « le programme de photogrammétrie ») pour le traitement photogrammétrique et utilise en outre l’application gratuite pour smartphone ESRI Survey123²⁶(ci-après dénommée « l’application d’enquête ») pour la collecte de données de localisation. Ce protocole est conçu pour être simple mais robuste, ne nécessitant pas de systèmes multi-caméras²⁴ ou de levés géodésiques complexes¹³ tout en répondant à l’objectif de fournir des données de haute qualité, définies comme des modèles 3D terminés, des photomosaïques et des modèles numériques d’élévation avec une géométrie, une échelle et une position précises ; une résolution et une netteté suffisantes pour identifier visuellement les organismes benthiques à l’échelle de l’espèce ou du genre ; pas de lacunes ou de trous majeurs dans les données ; couleur précise ; et dans le cas de données de séries chronologiques, un alignement correct entre les points temporels. L’approche spécifique décrite ici fournit un cadre pour la collecte et le traitement des données afin d’atteindre ces objectifs.

Grâce aux progrès de l’apprentissage automatique, nous prévoyons que de nouveaux outils d’analyse seront développés pour une extraction plus rapide et plus précise des données écologiques à partir de photomosaïques. Par conséquent, nous concentrons nos efforts sur la collecte d’images sous-marines de haute qualité et l’automatisation du pipeline de photogrammétrie, laissant les analyses spécifiques en grande partie aux utilisateurs de ce protocole en fonction de leurs propres besoins. Ce processus scénarisé, destiné à être largement applicable à la communauté de recherche sur les récifs coralliens, comprend des options d’exportation de produits de données formatés en tant que GeoTIFF de spécifications variables adaptées aux logiciels SIG courants et à TagLab, une application spécialement conçue pour l’annotation rapide des orthomosaïques des récifs coralliens²⁷.

Présentation du protocole
La méthode ReefShape se décompose en deux phases principales : la collecte de données in situ et le traitement des données sur ordinateur. La méthode est fonctionnelle pour des parcelles de ~25 m² à >1000 m², avec une profondeur allant de ~1 m à 30 m. Il a été démontré que des parcelles de 300-400^m2 sont idéales pour capturer efficacement la diversité corallienne des récifs des Caraïbes²⁸. Cependant, il a été constaté que les parcelles de plus de ~100 m² peuvent être difficiles à naviguer pour les arpenteurs novices. Par conséquent, une taille de parcelle de 10 m x 10 m est décrite dans le protocole comme point de départ, mais nous n’avons pas l’intention de contraindre les utilisateurs avec cette suggestion. Il est plutôt suggéré aux utilisateurs de choisir la taille de leur parcelle en fonction de leur propre expérience et de leurs besoins en matière de recherche. Le processus de collecte des données reste effectivement le même pour n’importe quelle taille de parcelle choisie.

Lorsqu’une parcelle est établie pour la première fois, l’arpenteur commence par fixer de façon permanente quatre étiquettes de marqueurs uniques comportant des cibles photogrammétriques codées (Figure 1D) sur le substrat à chaque coin (Figure 2), à l’aide d’un ordinateur de plongée pour mesurer la profondeur de chaque marqueur. Des barres d’échelle codées (Figure 1E) sont temporairement placées à l’intérieur de la parcelle, et des photos faisant face au substrat sont collectées par le plongeur avec un seul appareil photo sans miroir et un objectif rectiligne grand angle positionné à 1,5 m - 2 m au-dessus du récif, nageant dans un motif de « tondeuse à gazon » à double croisement, similaire à d’autres protocoles établis 11,21,24^,. L’ensemble du processus (y compris la première configuration et la photographie) peut généralement être réalisé en une seule plongée, bien que plusieurs plongées puissent être nécessaires pour des parcelles plus profondes ou plus grandes. Après la photographie, l’arpenteur utilise une unité GPS Bluetooth montée sur un dispositif de flottaison (figure 1C) et un téléphone intelligent pour collecter des points GPS à la surface au-dessus de chaque marqueur d’angle à l’aide d’un formulaire personnalisé dans l’application d’arpentage, qui envoie ensuite les données de référence par e-mail à l’utilisateur dans une feuille de calcul préformatée. Lors des levés de parcelles suivants, l’arpenteur ne collecte pas de données de référence ni n’installe de marqueurs et doit seulement localiser et nettoyer les marqueurs d’angle existants et collecter des photos, ce qui simplifie le processus de collecte de données de séries chronologiques.

Pour le traitement des données, un ensemble de scripts Python personnalisés a été développé qui s’interfacent avec le programme de photogrammétrie pour automatiser le pipeline (Figure 3), un processus qui nécessite normalement une intervention humaine à plusieurs endroits. Les principales étapes de traitement du pipeline automatisé comprennent la création d’un nuage de points de rattachement et l’estimation des positions des caméras, la construction d’un modèle de maillage 3D du récif, la construction d’un modèle numérique d’élévation (MNE) 2,5D, la construction d’une photomosaïque orthorectifiée 2D et la définition d’une région d’intérêt (ROI) délimitée par les quatre marqueurs d’angle (Figure 4). Dans ce flux de travail, l’utilisateur saisit les photos et les données de référence dans une interface graphique (figure supplémentaire 1) au début du traitement, plutôt que d’avoir à passer par de nombreuses étapes avant d’ajouter manuellement des données de référence et de générer des produits de données, comme c’est souvent le cas dans d’autres flux de travail 21,22,23,24. Pour le traitement de séries chronologiques, les marqueurs d’angle permanents facilitent l’alignement automatique des points temporels, éliminant ainsi le besoin d’alignement manuel. L’utilisation d’un flux de travail standardisé et scénarisé permet d’assurer la cohérence des données et d’économiser des efforts humains importants lors du traitement, en particulier dans les projets comportant de nombreux points temporels. Une suite de scripts autonomes est également incluse pour automatiser diverses tâches de traitement, y compris le calcul d’un rapport surface/surface plane 3D, une mesure importante pour évaluer la complexité structurelle des récifs^19,29.

Figure 1 : Principaux matériaux requis pour la partie collecte de données de ce protocole. (A) appareil photo sans miroir avec objectif rectiligne grand angle, (B) boîtier sous-marin avec port dôme pour s’adapter à l’appareil photo/objectif, (C) dispositif de planche de bord GPS Bluetooth, (D) marqueurs d’angle codés automatiquement détectables pour le contrôle permanent du terrain et le géoréférencement, et (E) barres d’échelle codées utilisées pour définir la taille du modèle. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Protocol

REMARQUE : Voir le dossier supplémentaire 1, sections 1 et 2 pour les étapes de préparation de l’équipement.

1. Configuration de l’intrigue

1. Installation de marqueurs d’angle (uniquement pour le point temporel initial)
   1. Sélectionnez une parcelle appropriée dans un champ. Assurez-vous que la sécurité est prioritaire tout au long du processus. Pour ce protocole, une parcelle de 10 m x 10 m est décrite.
      REMARQUE : Le protocole peut être exécuté par un seul chercheur ou un binôme et peut être adapté à la plupart des tailles de parcelles en fonction des besoins de recherche.
   2. Une fois la parcelle choisie, installez les quatre marqueurs d’angle pendant la plongée sous-marine. Fixez les repères d’angle 1 à 4 (Figure 1D) sur le substrat dans un ordre séquentiel aux coins de la parcelle à l’aide d’un marteau et de 4 clous, en prenant soin de ne pas fracturer le substrat ou d’endommager les coraux vivants sensibles. Trouvez des endroits appropriés pour l’installation des marqueurs (p. ex., des zones relativement plates de substrat non vivant qui sont facilement visibles directement d’en haut et qui ne sont probablement pas susceptibles d’être endommagées ou rapidement bioérodées).
   3. Pour plus d’uniformité et pour faciliter la navigation et le déplacement de la parcelle, installez les marqueurs de parcelle dans le sens des aiguilles d’une montre. Installez le repère 1 dans le coin nord-est, le repère 2 dans le coin sud-est, le repère 3 dans le coin sud-ouest et le repère 4 dans le coin nord-ouest, à l’aide d’un ruban à mesurer et d’un compas, si nécessaire.
      REMARQUE : La figure 2A montre un marqueur correctement installé, et la figure 2D montre une vue d’ensemble de la disposition de la parcelle, avec tous les marqueurs disposés à ~10 m de distance dans un motif carré.
   4. Enregistrez les profondeurs des marqueurs. À l’aide d’un ordinateur de plongée ou d’un autre profondimètre, notez la profondeur de chacun des quatre marqueurs d’angle à 10 cm près sur une ardoise de plongée.
   5. En option, dans les cas où l’installation de marqueurs permanents n’est pas autorisée ou faisable, des marqueurs d’angle temporaires (voir Dossier supplémentaire 1, section 3) peuvent être placés sur le substrat dans les coins de la parcelle. Ces marqueurs peuvent être récupérés ultérieurement.
2. Placement de la barre d’échelle (tous les points temporels)
   1. Une fois les marqueurs d’angle disposés, placez 3 à 5 barres d’échelle (voir Fichier supplémentaire 1, section 1) à des endroits stables dans la parcelle, en utilisant un poids de plongée ou une petite pierre pour alourdir chaque barre d’échelle afin de les empêcher de bouger pendant la photographie. À moins d’utiliser une carte grise pour la balance des blancs de la caméra (voir étape 2.1.2), assurez-vous qu’au moins une barre d’échelle se trouve près de la profondeur médiane du tracé.
      REMARQUE : Les barres d’échelle doivent être visibles d’en haut, ne peuvent pas couvrir des objets d’importance tels que les coraux et ne peuvent pas être fléchies/pliées de manière à raccourcir la longueur mesurée entre les marqueurs.

2. Acquisition d’images

REMARQUE : Une attention particulière doit être accordée à la configuration correcte des paramètres de l’appareil photo, car cela est essentiel pour garantir des données de haute qualité. Un appareil photo sans miroir avec un objectif grand angle est recommandé pour ce protocole. Voir le Tableau 1 et le Fichier supplémentaire 1, Section 4 pour les principaux paramètres de l’appareil photo et les recommandations du système. Associez-le à un caisson sous-marin et à un port dôme assorti à l’objectif. L’objectif est de maintenir des images nettes.

Réglage de l’appareil photo	Recommandation
Mode d’imagerie	Manuelle
Ouverture	F8, F5.6 si la parcelle est à >15m de profondeur ou en basse lumière
Vitesse d’obturation	1/500 s, 1/320 s en basse lumière ou sans surtension
ISO	Auto
Balance des blancs	Personnalisé (réglé sur le point blanc à la profondeur médiane)
Stabilisation d’image	Activé (si disponible)
Format d’image	JPEG + RAW
Intervalle	1 s
Mise au point automatique	AF-S (mise au point sur la première image de la séquence)
Type d’obturateur	Mécanique ou EFCS (non silencieux ou électronique)
Lissage de l’exposition/sensibilité du suivi AE	Désactivé / Élevé

Tableau 1 : Réglages importants de l’appareil photo nécessaires pour maximiser la qualité des données lors de la collecte d’images pour la photogrammétrie sous-marine. Ces paramètres s’appliquent à la plupart des appareils photo sans miroir ou reflex numériques, mais sont adaptés à la configuration spécifique recommandée dans le tableau des matériaux.

1. Imagerie du récif (tous les points temporels)
   1. Assemblez le système de caméra et le boîtier conformément aux recommandations du fabricant et aux pratiques standard de photographie sous-marine pour assurer le bon fonctionnement sous-marin et l’étanchéité. Assurez-vous que l’appareil photo est en mode d’exposition manuel (M), que l’ouverture est réglée sur f/8, que la vitesse d’obturation est de 1/500^e de seconde et que l’ISO est réglé sur le mode automatique pour obtenir une exposition correcte pour chaque image. Pour plus de détails, reportez-vous au Tableau 1.
      REMARQUE : dans des conditions plus sombres et plus profondes, une ouverture de 5,6 et une vitesse d’obturation de 1/320 s peuvent être utilisées pour augmenter la quantité de lumière et réduire le bruit de l’image.
   2. À l’aide d’une carte grise ou d’une barre d’échelle à la profondeur médiane du graphique, réglez une balance des blancs personnalisée avec la caméra pointée vers le bas sur la carte grise ou la partie blanche de la barre d’échelle, en prenant soin d’éviter d’ombrager le point de référence blanc. Terminez cette opération immédiatement avant de commencer la collecte d’images.
   3. Naviguez jusqu’à un coin de la parcelle et placez la caméra à 1,5-2 m au-dessus du substrat, pointée vers le bas (Figure 2C). Faites la mise au point automatique de l’appareil photo sur le récif et commencez l’intervalle pour collecter des photos à 1 image/s.
   4. Commencez à nager à une vitesse confortable vers un coin de parcelle adjacent, en recueillant le premier passage de photos. Tournez à 180° et récupérez un deuxième passage photo à environ 1 m d’espacement du premier passage, constamment de 1,5 à 2 m au-dessus du support. Répéter l’opération pour effectuer des passages antiparallèles en forme de tondeuse à gazon au-dessus de l’ensemble de la parcelle, y compris une zone tampon d’au moins 0,5 m autour du périmètre (figure 2D, série 1). Évitez les lacunes dans la couverture des photos et assurez-vous que toutes les barres d’échelle et les marqueurs d’angle sont inclus dans les photos.
      REMARQUE : La navigation est effectuée par l’arpenteur, généralement en plongée sous-marine (ou en tuba pour les parcelles à < 2 m de profondeur), en utilisant la mémorisation des principales caractéristiques du récif pour maintenir la couverture. Un deuxième géomètre et/ou un compagnon de plongée peuvent aider à la navigation. L’objectif est de collecter des photos qui se chevauchent (~80 % de chevauchement avant, ~60 % de chevauchement latéral) qui couvrent entièrement toutes les surfaces du récif dans la zone délimitée par les balises et une zone tampon de 0,5 m.
   5. Effectuer la passe de collecte d’images set 2. Lorsque la première série de passes est terminée, tournez-vous à 90° et récupérez une deuxième série de passes au-dessus du récif, en complétant un quadrillage (Figure 2D, série 2). Les photos doivent être prises principalement vers le bas, sauf dans les zones en haut relief où l’appareil photo doit être incliné obliquement pour rester pointé perpendiculairement à la surface du substrat.
      REMARQUE : Cette deuxième série de passes est destinée à assurer un chevauchement complet et une couverture de la parcelle. Une collecte de photos supplémentaire dans les zones clés et/ou en haut relief de la parcelle est acceptable et recommandée pour les parcelles complexes afin d’assurer une couverture complète de l’imagerie.
   6. Nettoyez la parcelle. Une fois la collecte d’images terminée, ramassez les barres d’échelle et tous les matériaux restants. Les marqueurs d’angle permanents sont les seuls matériaux destinés à être laissés sur le récif.
      REMARQUE : Si vous utilisez des marqueurs d’angle temporaires, des données de référence (section 3) doivent être collectées avant de retirer les marqueurs. Il est recommandé qu’un deuxième géomètre collecte les données de référence pendant que le premier photographie la parcelle.

Figure 2 : Configuration de l’intrigue et photographie. (A) montre un marqueur d’angle nouvellement installé, tandis que (B) montre un marqueur en place 13 mois après l’installation. (C) montre un plongeur effectuant un levé à la distance appropriée au-dessus du récif, et (D) montre un diagramme du processus de photographie du tracé avec deux ensembles perpendiculaires de passes antiparallèles (lignes rouges et bleues) englobant la zone délimitée par les marqueurs d’angle (boîte pointillée noire), sans espaces importants. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Collecte de données de référence

REMARQUE : Pour le kit GPS et la configuration du levé ReefShape, voir le fichier supplémentaire 1, section 2. Si la collecte de points GPS n’est pas réalisable, l’approche de traitement automatisé ReefShape (section 5) peut toujours être utilisée. Une enquête distincte qui facilite la mise en forme d’un fichier de référence avec des coordonnées locales se trouve sur la page GitHub (https://github.com/Perry-Institute/ReefShape) avec des instructions d’utilisation.

1. Relevé ReefShape (uniquement pour le point temporel initial)
   1. Ouvrez l’enquête ReefShape dans l’application d’enquête (Figure supplémentaire 1) sur un smartphone et saisissez les métadonnées importantes (initiales de l’enquêteur, adresse e-mail, nom de la parcelle et notes). Placez le smartphone dans une pochette étanche. À l’aide du kit GPS (Figure 2C) et du smartphone, nagez au-dessus de la parcelle.
   2. Localisez la cible 1, positionnez la planche GPS sur la surface directement au-dessus de la cible, et dans le relevé ReefShape sur le téléphone, appuyez sur l’icône du réticule pour collecter un point GPS. Passez à la cible suivante. Enregistrez l’emplacement de la cible 2 dans la deuxième répétition, la cible 3 dans la 3e et la cible 4 dans la 4e. Retournez au bateau ou à la rive.
   3. Dans le relevé ReefShape, entrez les informations de profondeur correspondant à chaque marqueur. Vérifiez que les données sont correctes (c’est-à-dire des estimations de précision raisonnables, pas d’emplacements vides ou de profondeurs), puis soumettez-les.
      REMARQUE : Le processus de collecte de données GPS peut être effectué par un deuxième chercheur tandis que le premier collecte des photos pour gagner du temps. La soumission nécessite un accès à Internet, mais les sondages peuvent être stockés dans la boîte d’envoi pour être soumis ultérieurement si nécessaire. Une fois envoyé, l’utilisateur recevra un e-mail avec les données de localisation préformatées.

4. Répétez les points de temps

1. Inspection et entretien des parcelles (uniquement pour les points temporels ultérieurs)
   1. Lorsque vous retournez à une parcelle pour répéter l’imagerie, déplacez d’abord la parcelle et trouvez les marqueurs d’angle (Figure 2B), en utilisant les données GPS d’origine ou une impression de la photomosaïque temporelle d’origine comme référence si nécessaire. S’il y a un encrassement biologique sur la surface du marqueur, utilisez un grattoir en plastique ou un appareil similaire pour nettoyer la surface, en vous assurant que le design de la cible est facilement visible.
   2. Si un marqueur est perdu ou endommagé de sorte que la conception circulaire de la cible n’est plus claire, remplacez-le par le même processus d’installation que à l’étape 1.1.2. Si possible, replacez le marqueur à l’emplacement précédent (+/- ~5 cm). Il est essentiel que le marqueur de remplacement ait le même numéro cible que l’original. Notez le ou les marqueurs qui sont remplacés.
2. Photographie de l’intrigue (même processus pour tous les points temporels)
   1. Placez des barres d’échelle. Voir l’étape 1.2 du protocole.
   2. Définissez une balance des blancs personnalisée et collectez des images. Voir protocole section 2.

Figure 3 : Organigramme montrant les étapes du flux de travail de photogrammétrie automatisées via le script principal de ReefShape. Les images, un fichier de longueur de barre d’échelle et le fichier de géoréférencement (cases orange) sont saisis dans le script, qui automatise ensuite toutes les étapes de traitement essentielles (cases bleues), ce qui permet d’obtenir des produits de données (cases vertes) prêts à être analysés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

5. Traitement des données

REMARQUE : Voir le fichier supplémentaire 1, section 5 pour les étapes de configuration du logiciel.

1. Importation d’images
   1. Importez toutes les photos de l’imagerie du tracé sur l’ordinateur de traitement, en séparant les photos JPEG et RAW dans des sous-dossiers distincts.
   2. Téléchargez les données de référence. Assurez-vous que le fichier texte de longueur de la barre d’échelle (voir Fichier supplémentaire 1, Section 1) est stocké dans un emplacement facile d’accès sur votre ordinateur. Téléchargez et stockez de la même manière le fichier CSV de géoréférencement qui a été automatiquement envoyé par e-mail lors de la soumission des données de géoréférencement dans le levé ReefShape (section 3 du protocole).
2. Flux de travail principal de ReefShape (premier point temporel)
   1. Ouvrez un nouveau projet dans le programme de photogrammétrie et sélectionnez Flux de travail ReefShape complet dans la barre de menu personnalisée ReefShape . Cela fera apparaître un panneau d’interface graphique (voir la figure supplémentaire 2).
   2. Dans la première section (Configuration du projet), cliquez sur Créer pour nommer le projet (nom de la parcelle) et sélectionner son emplacement de stockage. Dans la deuxième zone, cliquez sur Renommer le bloc pour nommer le bloc actif avec la date de collecte d’images au format AAAAMMJJ. Dans la troisième zone, cliquez sur Sélectionner des photos pour sélectionner et importer le dossier contenant les photos JPEG du tracé. Cliquez sur Enregistrer le projet pour terminer l’initialisation du projet.
   3. Dans le deuxième panneau (Général) de l’interface Full ReefShape Workflow , commencez par définir le système de coordonnées. Sélectionnez WGS84 + hauteur EGM96 (EPSG : 9707), car cela combine le système de coordonnées WGS84 utilisé par l’unité GPS avec un modèle de géoïde intégré (EGM96) qui se rapproche du niveau de la mer.
      REMARQUE : Si l’utilisateur n’a pas collecté de données de localisation réelles, le système de coordonnées doit être défini sur Coordonnées locales (m) à la place. Les paramètres par défaut du panneau général (Présélection générique : Activé, Qualité du maillage : Moyenne, Résolution par défaut : Désactivé, Résolution personnalisée : 0,5 mm) sont conçus pour s’appliquer au protocole spécifique décrit ici. Le script est flexible pour répondre aux besoins des chercheurs et les paramètres peuvent être ajustés en conséquence.
   4. En bas du panneau Général , cliquez sur le bouton Sélectionner un dossier pour définir un chemin de sortie pour les produits de données. Cochez les cases des produits de données de sortie souhaités pour l’analyse.
   5. Configurez le panneau Géoréférencement . Sélectionnez Oui pour utiliser des marqueurs détectables automatiquement. Cliquez sur Sélectionner un fichier en regard de la zone de barre d’échelle pour localiser le fichier texte de mise à l’échelle (voir Fichier supplémentaire 1, Section 1). Cliquez sur Sélectionner un fichier à côté de la boîte de dialogue du fichier de géoréférencement pour localiser le fichier CSV de référence du relevé ReefShape pour le tracé.
      REMARQUE : Si, lors de la configuration du tracé, les marqueurs ont été installés dans le désordre (c’est-à-dire la cible 1, la cible 3, la cible 2, la cible 4 plutôt que 1, 2, 3, 4 faisant le tour du tracé), l’ordre réel peut être spécifié en cliquant sur le bouton Ajuster les marqueurs d’angle et en réorganisant les marqueurs dans la fenêtre contextuelle. Cela permet au script de générer correctement un retour sur investissement englobant la zone entre les marqueurs.
   6. Exécutez le script. Une fois toutes les données saisies, cliquez sur OK en bas du panneau pour lancer le processus. Il affichera des barres de progression pour chaque étape. Le processus automatisé par le script est illustré à la figure 3.
      REMARQUE : Si le script rencontre une erreur ou si le logiciel ou l’ordinateur se bloque, le script enregistre la progression jusqu’à l’étape la plus récente terminée. Le projet peut être rouvert, l’erreur corrigée si nécessaire, et le script réexécuté pour reprendre et terminer le processus. Tant que le processus est terminé avec l’alignement et l’intégration des données d’échelle et de géoréférencement, l’utilisateur n’a pas besoin de saisir à nouveau quoi que ce soit dans le panneau de géoréférencement.
   7. Inspectez les données pour garantir des résultats de haute qualité. Voir la section 5.4 pour le flux de travail de validation des données.
   8. En option, calculez le rapport de surface. Si l’utilisateur souhaite calculer le rapport de surface 3D/2D pour le tracé afin de mesurer la rugosité, sélectionnez le bouton Calculer le rapport de surface dans le sous-menu Outils du menu déroulant ReefShape . Le rapport résultant sera imprimé dans la console, ainsi qu’une boîte contextuelle.
3. Aligner les points temporels (points temporels suivants)
   REMARQUE : Chaque point temporel d’un tracé sera stocké en tant que nouveau « morceau » au sein du même projet.
   1. Comme pour le premier point temporel, importez et organisez les photos dans des dossiers JPEG et RAW distincts. Ouvrez le projet du tracé dans le logiciel de photogrammétrie, puis ouvrez le menu déroulant ReefShape et sélectionnez Aligner les points temporels (figure supplémentaire 3).
   2. Dans le panneau Configuration du projet , cliquez sur Créer un bloc pour ajouter un nouveau bloc (représentant un nouveau point temporel) au projet. Entrez la date à laquelle les nouvelles images ont été collectées au format AAAAMMJJ comme nom de bloc. Choisissez Sélectionner un dossier pour ajouter les nouvelles images à ce bloc.
   3. Dans le panneau Général , sélectionnez le point temporel initial pour Sélectionner le bloc de référence. Dans la liste déroulante Sélectionner un bloc actif, sélectionnez le nouveau point temporel. Cliquez sur OK lorsque vous avez terminé pour détecter les marqueurs dans les images de bloc actif et importer les coordonnées précises de chacun à partir du bloc de référence.
      REMARQUE : Si des marqueurs d’angle ont été remplacés sous l’eau, cela doit être noté dans la liste déroulante Ajouter un ou des marqueurs endommagés pour informer le logiciel que le marqueur peut ne pas être au même emplacement géographique précis qu’auparavant.
   4. Inspectez les marqueurs et le géoréférencement. Dans le panneau Référence (Figure 4 supplémentaire), assurez-vous que tous les marqueurs ont été détectés et que les cibles 1 à 4 ont hérité des informations de localisation du bloc de référence.
      REMARQUE : Si des marqueurs ne sont pas détectés (généralement en raison de marqueurs endommagés s’ils n’ont pas été remplacés), il faut ajouter manuellement des marqueurs, au moins trois images sources, et les nommer pour correspondre aux étiquettes des marqueurs du bloc de référence. Le script Aligner les points temporels peut ensuite être exécuté à nouveau pour ajouter des informations d’emplacement pour les marqueurs placés manuellement.
   5. Exécutez le script ReefShape Workflow complet en le choisissant dans le menu ReefShape . Laissez les panneaux de configuration de projet et de géoréférencement vides et ne modifiez le panneau Général que si nécessaire, en sélectionnant les paramètres de traitement, l’emplacement d’exportation des produits de données et les produits à générer comme à l’étape 5.2.3. Cliquez sur OK pour terminer le processus de photogrammétrie et exporter les produits de données alignés pour le nouveau point temporel.
   6. Inspectez les données pour garantir des résultats de haute qualité. Voir la section 5.4 pour le flux de validation.
   7. Calculez le rapport de surface (facultatif). Voir l’étape 5.2.8.
4. Validation des données (chaque point temporel)
   REMARQUE : Pour chaque point temporel, il est important d’inspecter l’alignement et les produits de données pour en vérifier l’exactitude. En cas de problème, une intervention manuelle peut être nécessaire. Les éléments de données (c’est-à-dire l’orthomosaïque, le MNT, le modèle 3D, les points de rattachement) en aval de toute erreur doivent être supprimés. Le problème peut ensuite être corrigé (si possible) et le script Full ReefShape Workflow s’exécute à nouveau pour terminer le traitement. Une fois que l’utilisateur est satisfait des produits de données, il peut commencer l’analyse.
   1. Vérifiez l’alignement des photos. Dans le panneau Espace de travail du programme de photogrammétrie, vérifiez d’abord combien de photos sur le total ont été alignées avec succès. Si <10 photos ne sont pas alignées, il est probable que leur absence n’aura pas d’effets néfastes sur les produits de données finaux.
      REMARQUE : Si une partie importante des photos n’est pas alignée, réinitialisez l’alignement et réexécutez le flux de travail ReefShape complet avec la présélection générique décochée. Si de nombreuses photos ne sont toujours pas alignées, il est probable qu’il n’y ait pas suffisamment de chevauchement dans l’ensemble de données et qu’il soit nécessaire de rephotographier.
   2. Inspectez le nuage de points de rattachement et les positions de la caméra (Figure 4A) dans la fenêtre du visualiseur de modèle pour déterminer s’il y a des problèmes évidents dans l’alignement. Des sections de points d’ancrage ou des positions de caméra qui sont clairement mal placées par rapport au nuage de points global sont des signes évidents de problèmes d’alignement.
      REMARQUE : Les photos mal alignées doivent être sélectionnées et leurs alignements réinitialisés en cliquant avec le bouton droit de la souris et en choisissant Réinitialiser l’alignement de l’appareil photo. Ensuite, sélectionnez Aligner les photos dans la liste déroulante de la barre de menu Flux de travail . S’ils ne s’alignent pas correctement, il est probable qu’il n’y ait pas suffisamment de chevauchement dans l’ensemble de données et qu’il soit nécessaire de les rephotographier.
   3. Vérifiez le géoréférencement. Inspectez le modèle et le MNT dans les fenêtres Modèle et Ortho (Figure 4B et C) pour vous assurer que le nivellement et le positionnement sont corrects. Dans le panneau de référence (figure supplémentaire 4), l’erreur de marqueur doit être inférieure à 1 ou 2 m, et l’erreur de mise à l’échelle interne doit être inférieure à 1 ou 2 mm.
      REMARQUE : Une erreur de mise à l’échelle importante, une erreur de marqueur ou un modèle à l’envers indiquent des erreurs de référencement qui peuvent être dues à un système de coordonnées mal défini, à des marqueurs mal détectés ou à des données de localisation GPS très médiocres (de sorte que les emplacements des marqueurs sont positionnés hors de l’ordre géographique). Une modification manuelle des données de référence peut être nécessaire pour résoudre le problème.
   4. Vérifiez l’orthomosaïque. Inspectez l’orthomosaïque dans la fenêtre du visualiseur Ortho et vérifiez que la qualité de l’image est suffisante en l’examinant visuellement à la recherche d’un flou important, d’une distorsion, de trous d’imagerie ou d’un bruit extrêmement élevé (Figure 6).
      REMARQUE : Si ces problèmes sont détectés, il est probable que les paramètres de l’appareil photo n’aient pas été correctement réglés, que les photos aient été prises à une distance inappropriée du récif ou qu’il n’y ait pas suffisamment de chevauchement d’images dans certaines zones, et qu’il soit nécessaire de rephotographier le site pour obtenir des résultats acceptables.
   5. Vérifiez le polygone de limite. Dans la fenêtre Ortho Viewer, vérifiez que le polygone de limite généré automatiquement qui définit la région d’intérêt dans les quatre marqueurs d’angle est correct, comme illustré à la figure 4.
      REMARQUE : Si la limite est franchie ou relie les mauvais marqueurs, cliquez avec le bouton droit de la souris sur le polygone dans la visionneuse et supprimez-le. Sélectionnez Créer une limite dans le sous-menu Outils de la liste déroulante ReefShape pour définir l’ordre correct des marqueurs d’angle ou définissez une nouvelle limite personnalisée avec l’outil Polygone et définissez-la sur le type de polygone Limite extérieure . Réexécutez le script Full ReefShape Workflow pour réexporter les produits de données.

Figure 4 : Visuel d’une parcelle de récif divisée en quatre étapes principales du processus ReefShape. (A) les positions des nuages de points de rattachement et de la caméra, (B) le modèle de maillage tridimensionnel, (C) le modèle numérique d’élévation (MNE) et (D) la photomosaïque ortho-rectifiée. Les étiquettes indiquent l’emplacement des marqueurs d’angle détectés (cibles 1 à 4), trois barres d’échelle et un polygone de région d’intérêt généré automatiquement pour l’analyse structurelle et écologique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Results

Un ensemble de données chronologiques LAI a été collecté à l’aide de cette méthodologie au récif de Simms Point, au large de l’extrémité sud-ouest de New Providence, aux Bahamas. Les figures 4, 5, 6 et 4 supplémentaires illustrent toutes les résultats de cette expérience. Le réseau de référence a été mis en place et les premières images ont été collectées en janvier 2023. Il a été rephotographié en août 2023, lors d’une grave vague de chaleur marine, afin d’évaluer la gravité du blanchissement des coraux. Les deux points temporels ont été traités à l’aide du script de flux de travail ReefShape complet, sans qu’aucune intervention de l’utilisateur ne soit requise dans les étapes intermédiaires. Le premier point temporel impliquait 1 299 images, qui ont toutes été alignées avec succès, avec une altitude de nage moyenne de 1,8 m au-dessus du substrat, une résolution native du sol de 0,567 mm/px (normalisée à 0,5 mm/px), une zone de couverture totale de 208 m² (mesurée par la surface à l’intérieur des marqueurs d’angle), un rapport de surface 3D/2D de 2,887, Une erreur de reprojection de 1,12 px, une précision totale de géolocalisation interne de 30,6 cm et une erreur d’échelle de 1,4 mm. L’ensemble du processus, avec les paramètres par défaut dans le script Full ReefShape, a pris 8 h 23 min, en utilisant un ordinateur de bureau datant d’environ 2018 avec un processeur à 6 cœurs, 32 Go de RAM et un GPU discret de 8 Go (coût total ~1 500 USD). Un ordinateur de bureau 2024 avec un processeur à 14 cœurs, 64 Go de RAM et un GPU discret de 24 Go (coût total ~4 000 USD) a traité le même graphique en 1 h 58 min au total. Le deuxième time-point, comprenant 1 974 / 1 974 images alignées, a pris 7 h 45 min sur l’ancien ordinateur de bureau de 2018.

La figure 5 montre une section agrandie des deux points temporels et de l’analyse de base du blanchissement des coraux réalisée dans le TagLab²⁷, montrant l’utilité de ce processus pour analyser l’évolution de l’habitat benthique au fil du temps. Les résultats de l’analyse ont indiqué que plus de 90 % des individus de nombreuses espèces de coraux ont connu un blanchissement complet, confirmant la gravité de l’événement, tandis que d’autres espèces ont connu un blanchissement minime ou nul, ce qui donne un aperçu des modèles de résilience au sein de la communauté corallienne. Les deux points temporels (figure 5) montrent des images de haute qualité, avec une netteté et une résolution suffisantes pour l’identification experte des organismes benthiques au niveau de l’espèce ou du genre. La balance des blancs est correctement réglée et il n’y a pas de zones significatives de flou, de trous de données ou d’autres artefacts, ce qui indique que le protocole a réussi à fournir efficacement les données nécessaires à l’étude de la dynamique de l’écologie benthique des récifs coralliens. La figure 6 (en haut) montre un zoom avant de ce graphique à titre d’exemple d’imagerie de haute qualité par rapport à un ensemble de données de mauvaise qualité (en bas) qui ne répond pas aux exigences de qualité des données, où les artefacts d’image entravent l’extraction des données écologiques. L’ensemble de données de mauvaise qualité a été collecté avec des réglages de caméra incorrects (balance des blancs incorrecte entraînant une teinte générale rouge et une ouverture trop ouverte entraînant un flou) et un chevauchement insuffisant des photos en raison d’une mauvaise navigation du plongeur, soulignant l’importance de l’acquisition d’images (protocole section 2).

Figure 5 : Résultats représentatifs montrant des images de séries chronologiques et les contours des colonies de coraux d’une parcelle photographiée avant et pendant un épisode de blanchissement, montrant la précision de l’alignement automatique obtenue avec notre protocole et l’utilité de ces données pour suivre les changements benthiques au fil du temps. (A) montre l’image de janvier 2023 pour le site de Simms Point à New Providence, aux Bahamas, (B) l’image d’août 2023, (C) les colonies de coraux vivants de janvier 2023 classées comme saines (bleu), pâles (orange) ou blanchies (rouge), et (D) les colonies de coraux vivants d’août 2023 délimitées par le même schéma de classification. Le contour des colonies de coraux a été réalisé à l’aide d’une segmentation assistée par l’IA dans TagLab. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Exemple d’une orthomosaïque de haute qualité et d’une orthomosaïque de faible qualité, avec des annotations démontrant les attributs clés qui distinguent les deux. L’inspection visuelle de l’orthomosaïque et d’autres produits de données au cours de l’étape 5.4 du protocole est nécessaire pour évaluer si le protocole a été exécuté correctement ou si une refonte de la photographie du tracé est nécessaire pour atteindre les objectifs de qualité des données. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Accès au logiciel :
Les scripts python ReefShape, les instructions d’installation et d’utilisation, ainsi que des instructions plus détaillées sur la collecte de données et l’utilisation des logiciels sous la forme d’un livre blanc sont disponibles sur https://github.com/Perry-Institute/ReefShape. Nous avons l’intention de mettre à jour les scripts pour résoudre les problèmes au fur et à mesure qu’ils se présentent et d’apporter des améliorations. Par conséquent, nous vous recommandons d’utiliser la dernière version.

Figure supplémentaire 1. Capture d’écran illustrant l’enquête de collecte de données géode ReefShape dans l’application Survey123 sur un smartphone. Les utilisateurs peuvent accéder à l’enquête sans compte payant et reçoivent par e-mail leurs données préformatées pour être utilisées dans le traitement ReefShape lors de la soumission. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 2. Capture d’écran de l’interface graphique complète du script ReefShape Workflow. Les utilisateurs peuvent saisir toutes les informations nécessaires au traitement dans cette interface, ce qui permet une automatisation complète du flux de travail de photogrammétrie. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 3. Capture d’écran de l’interface graphique du script Align Timepoints. Les utilisateurs peuvent utiliser ce script pour faciliter l’alignement automatique des enquêtes ultérieures sur le point temporel d’origine, ce qui permet d’analyser les changements de séries chronologiques. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 4. Capture d’écran d’un modèle 3D, mettant en évidence les résultats représentatifs et le panneau de référence. Toutes les informations du panneau de référence sont configurées automatiquement en fonction de la barre d’échelle et des fichiers géoréférencés saisis dans le script Full ReefShape Workflow. Les différentes mesures de précision pour différentes données de référence (0,25 mm pour la mise à l’échelle, 10 cm pour la profondeur et ~70 cm pour la géolocalisation XY) sont saisies automatiquement et facilitent le traitement préférentiel de l’échelle, puis de la profondeur, puis des coordonnées XY dans la solution de localisation finale calculée par Metashape. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Dossier supplémentaire 1 : Les instructions de préparation de l’équipement, les exigences et les paramètres du système de caméra, ainsi que les exigences informatiques et les étapes de configuration du logiciel qui ne relèvent pas du champ d’application du protocole lui-même sont contenues dans le fichier supplémentaire. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Ce protocole a été conçu pour relever certains des principaux défis de la photogrammétrie sous-marine pour les habitats de récifs coralliens, notamment la qualité d’image et le chevauchement lors de l’acquisition, la collecte de métadonnées pour la mise à l’échelle, le nivellement, la géolocalisation et l’alignement de séries chronologiques de modèles et de cartes, la prise de décision humaine pendant le pipeline de traitement de la photogrammétrie, ainsi que la préparation et l’exportation des données pour l’analyse. Nous relevons le premier défi avec une sélection minutieuse, des tests et la recommandation d’un système de caméra et de paramètres importants. Bien que de nombreux systèmes puissent fonctionner pour l’acquisition d’images, nous constatons que les configurations impliquant des caméras d’action (par exemple, GoPro ou similaire) sont insuffisantes en raison de la distorsion de l’obturateur roulant, de l’absence de balance des blancs manuelle et de l’incapacité à collecter des photos RAW à 1 Hz, ce qui limite la qualité de l’imagerie finale et la capacité d’aligner avec précision les données de séries chronologiques. Les configurations reflex multi-caméras peuvent faciliter une meilleure couverture d’image de la parcelle^{d’étude 24}, mais ces configurations sont coûteuses et plus encombrantes sous l’eau. Nous choisissons plutôt un seul système d’appareil photo hybride relativement bon marché (coût total de ~2 800 USD) avec un obturateur mécanique, un équilibrage des blancs personnalisé, la possibilité de collecter des photos RAW et JPEG, un capteur d’image APS-C moderne avec de faibles niveaux de bruit, et une combinaison d’objectif grand angle (champ de vision de ~100°) et de port dôme qui produit des images nettes. Un objectif large est choisi pour augmenter la couverture et le chevauchement de l’image, ce qui améliore le rendu 3D des surfaces verticales et en porte-à-faux et réduit les trous potentiels du modèle. L’utilisation d’un intervalle de 1 s et d’une seule caméra réduit le nombre total d’images par rapport aux autres méthodes sans perdre de détails ou de qualité du modèle, ce qui accélère le traitement. Enfin, bien que l’imagerie RAW ne soit pas immédiatement essentielle au fonctionnement du pipeline de traitement d’images actuel qui repose sur des images JPEG, nous considérons que l’imagerie RAW est essentielle à des fins d’archivage car elle contient des informations de couleur de meilleure qualité. La balance des blancs peut être ajustée après la collecte dans un logiciel de traitement d’image, et les informations de couleur de meilleure qualité pourraient, à l’avenir, être introduites dans un algorithme de correction des couleurs tel que SeaThru³⁰ ou DeepSeeColor³¹ et intégrées dans le pipeline de photogrammétrie pour des couleurs plus cohérentes et une étude détaillée de phénomènes tels que la pigmentation et le blanchiment des coraux.

Le deuxième défi clé est la géolocalisation 3D, la mise à l’échelle et l’alignement des séries chronologiques. Bien que les coordonnées du monde réel ne soient pas nécessaires pour de nombreuses analyses, les modèles doivent être mis à l’échelle et nivelés avec précision pour le processus d’orthorectification et des mesures précises^32,33. Ce processus est difficile à automatiser dans un logiciel de photogrammétrie sans l’utilisation de cibles codées détectables ou sans mesures de profondeur et un système de coordonnées XY. La plupart des protocoles nécessitent l’incorporation manuelle d’informations de référence dans Metashape ou plus tard dans d’autres logiciels, ce qui ajoute de la complexité et de l’inefficacité au flux de travail. En incorporant des cibles codées dans des barres d’échelle de longueur connue avec précision et des marqueurs d’angle fixés en permanence, associés à un système de géolocalisation et de collecte de profondeur convivial, nous fournissons au logiciel les informations nécessaires pour définir automatiquement un système de coordonnées, localiser, mettre à l’échelle et niveler le modèle. En spécifiant la précision de chaque mesure, le logiciel pondère correctement la solution de localisation finale de sorte qu’elle donne la priorité à l’échelle, puis à la profondeur et enfin aux coordonnées XY, ce qui permet une mise à l’échelle et un nivellement très précis, même avec des données GNSS de précision relativement faible. Le co-enregistrement de photomosaïques de séries chronologiques nécessite généralement une intervention humaine pour localiser, marquer et faire correspondre des points cohérents sur le récif ; Ce processus prend beaucoup de temps et est difficile s’il n’y a pas de caractéristiques clairement statiques entre les points temporels. L’utilisation de marqueurs de points de contrôle au sol durables atténue ce problème en fournissant un ensemble de 4 cibles statiques détectables automatiquement. Grâce à notre processus scénarisé, les points temporels suivants héritent du géoréférencement précis d’un point temporel précédent, ce qui simplifie considérablement le processus d’alignement et réduit l’intervention humaine tout en facilitant le co-enregistrement très précis des points temporels qui permettent de suivre les changements écologiques et structurels à petite échelle sur le récif.

Le troisième défi auquel ce protocole est confronté est l’inefficacité du flux de travail de photogrammétrie, à la fois en termes d’intervention humaine et d’exigences sur le matériel informatique. Nous avons conçu les scripts ReefShape pour permettre à l’utilisateur de saisir toutes les informations requises pour l’ensemble du processus dans une seule boîte graphique, supprimant ainsi toute intervention généralement nécessaire aux étapes clés du processus (c’est-à-dire l’incorporation d’informations d’échelle, de nivellement et de géoréférencement). Cela permet à l’utilisateur de lancer le processus et de laisser le reste à l’ordinateur, ce qui permet d’économiser du temps et des efforts. Le pipeline de photogrammétrie utilisé dans le script Full ReefShape Workflow (Figure 3 et Figure 4) est optimisé pour fournir un traitement efficace. Nous utilisons un processus d’alignement spécialisé composé de deux phases. Une première passe d’alignement est exécutée avec la présélection générique activée, une option qui peut réduire le temps d’alignement de l’image de plusieurs heures sans entraîner de perte de précision³⁴. Une deuxième phase tente ensuite d’ajouter toutes les photos non alignées restantes à l’alignement préexistant sans utiliser de présélection générique, ce qui peut atténuer les problèmes d’alignement causés par un chevauchement sous-optimal ou des bandes caustiques provenant de la lentille ondulatoire en eau peu profonde. Prises ensemble, ces étapes représentent un processus d’alignement efficace et puissant qui conduit souvent à une proportion beaucoup plus importante de photos correctement alignées que les procédures de traitement standard de Metashape. Nous générons un maillage 3D directement à partir de cartes de profondeur, en contournant le processus gourmand en temps et en ressources de la construction de nuages de points denses. Les maillages générés de cette manière ont tendance à avoir moins de bruit et une meilleure reconstruction des zones à faible couverture, évitant ainsi le besoin de nettoyer les nuages de points avant le maillage comme utilisé dans d’autres méthodes²³. D’après notre expérience, ce processus de génération de maillage a tendance à être plus stable, ce qui entraîne moins de pannes d’ordinateur que la construction de nuages de points denses et le maillage. Enfin, nous générons un MNE haute résolution qui est utilisé comme surface d’orthorectification au lieu du maillage, car cela réduit considérablement le temps de construction de l’orthomosaïque sans perte de qualité perceptible.

Un dernier défi est la préparation, la normalisation et l’exportation des données pour l’analyse écologique. En normalisant la résolution du produit d’image à 0,5 mm/pixel, nous garantissons des produits cohérents et comparables sur tous les tracés et à tous les points temporels, renforçant ainsi les efforts futurs d’utilisation de l’IA et de l’apprentissage automatique pour l’analyse. Le script de flux de travail complet de ReefShape offre des options pour exporter un rapport de traitement et des produits de données dans le format approprié pour le logiciel SIG et TagLab²⁷, normalisant le formatage et économisant du temps et des efforts par rapport aux flux de travail où cette étape est effectuée manuellement. Un polygone de région d’intérêt (ROI), nécessaire à de nombreuses analyses, est généré automatiquement à l’aide des positions connues des marqueurs d’angle et exporté sous forme de fichier de forme standard pour être incorporé dans les flux de travail SIG, tels que la génération et l’identification de points aléatoires sur le graphique pour analyser la composition benthique. Ce retour sur investissement permet également d’obtenir des sorties recadrées et alignées sur les pixels pour TagLab, ce qui est nécessaire pour l’analyse des séries chronologiques, comme le montre la figure 5. Le ROI permet également le calcul automatique d’un rapport surface/surface plane 3D pour chaque point temporel (étape de protocole 5.2.8), important pour mesurer la complexité structurelle des récifs et son évolution dans le temps.

Bien que ce protocole représente une avancée en termes d’efficacité et de facilité d’utilisation pour la photogrammétrie sous-marine, il existe des limites. Plus particulièrement, si le processus de photogrammétrie échoue dans l’une des étapes clés, l’intervention de l’utilisateur est nécessaire pour dépanner et résoudre les problèmes avant de continuer. Bien que notre processus scénarisé soit conçu pour être utilisable par des chercheurs sans connaissances approfondies en photogrammétrie, une compréhension de base est importante pour résoudre les problèmes lorsqu’ils se présentent. Quelques éléments clés du processus sont les plus sujets à des problèmes. Tout d’abord, les images peuvent ne pas s’aligner en raison d’un mauvais chevauchement d’images ou en raison de bandes caustiques sévères sur le substrat dans des eaux peu profondes et des conditions ensoleillées. Un défaut d’alignement peut être détecté en inspectant le nuage de points de rattachement et les positions de la caméra. Si l’alignement échoue en raison de bandes caustiques, le réexécution de l’ensemble du flux de travail ReefShape avec la présélection générique non cochée peut généralement résoudre le problème au prix d’un temps de traitement considérablement plus long. Si le chevauchement des images est insuffisant pour que le logiciel puisse aligner les photos, la meilleure solution est probablement de rephotographier le site. L’échec de la détection des marqueurs peut également entraîner une erreur de mappage. C’est le plus souvent le cas si un marqueur est endommagé ou pas suffisamment nettoyé. Dans ce cas, les marqueurs peuvent être placés sur des photos individuelles dans Metashape et nommés manuellement, et le ou les scripts ReefShape peuvent être réexécutés pour terminer le traitement. Dans certains cas, le géoréférencement peut échouer si les points GPS sont si imprécis qu’ils sont géographiquement dans le désordre ou si les points GPS ont été attribués à des cibles incorrectes. Ce problème peut être résolu en modifiant manuellement le fichier CSV de géoréférencement pour qu’il corresponde correctement aux données, puis en réexécutant le script. Enfin, des plantages de logiciels sont possibles, en particulier lors de l’utilisation d’un ordinateur moins puissant avec une grande parcelle ou avec des paramètres de qualité plus élevés. En prévision de cela, notre processus scripté s’enregistrera automatiquement après chaque étape terminée, ce qui permettra à l’utilisateur de redémarrer et d’ajuster les paramètres sans perdre sa progression. D’autres recommandations de dépannage sont fournies sur notre page GitHub.

L’objectif principal de ReefShape est de simplifier la collecte et le traitement des composants de la photogrammétrie sous-marine et de réduire les coûts autant que possible afin que les utilisateurs puissent consacrer plus de temps et d’efforts à l’extraction de données écologiques. Nous fournissons un processus complet conçu pour réaliser des sorties de données de haute qualité qui sont adaptées pour répondre aux besoins des options d’analyse écologique courantes. Bien que le protocole décrit soit très spécifique, l’approche scriptée du traitement est flexible et peut gérer sans problème les modifications apportées à certains aspects de la méthode tels que la taille du tracé, le modèle de nage/collecte de photos, la résolution de sortie cible et le système de caméra spécifique utilisé. La méthode peut également être appliquée sans modification significative à la plupart des projets de photogrammétrie sous-marine ou terrestre à petite échelle, tels que la documentation d’épaves ou de sites archéologiques.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
0,3m de longueur 1/2 » Tuyau en PVC	générique	N/A	pour kit GPS
1 » Capuchon de table en PVC	générique	N/A	pour kit GPS
Douille réductrice en PVC 1/2 » à 1 »	générique	N/A	pour le kit GPS
12mm f/2.0 AF Objectif à monture E	Samyang	SYIO12AF-E	également vendu sous la marque Rokinon
2 » cannelé tige rond clous de maçonnerie ronds	générique	N/A	pour l’installation d’un marqueur d’angle
Carte SD UHS-1 V30 256 Go	SanDisk	SDSDXXD-256G-ANCIN	Carte SD UHS-1 la plus rapide possible Ruban
à mesurer de 30 m recommandée (en option)	N/A	N/A	pour la configuration du tracé
Feuille acrylique, 3 mm d’épaisseur, coupée à 80 mm x 580 mm (3x)	N/A	N/A	matériau de la barre d’échelle
Plateau de caméra en aluminium	KitDive	N/A	s’adapte au boîtier de l’appareil photo et aide à tenir la caméra
Ensemble de marqueurs d’angle sous-marins avec cibles de photogrammétrie imprimées	N/A	/	A sur mesure, contacter l’auteur pour plus de détails
Le papier d’imprimante laser étanche Duracopy	Rite in the Rain	6511	peut être remplacé par du papier autocollant imperméable
E6000 époxy	générique	N/A	pour kit GPS
GLO2 Bluetooth GPS	Garmin	010-02184-01	d’autres options existent, GLO2 est l’appareil
photo sans miroir ILCE a6700		Sony ILCE6700/B	a6700 préféré, a6600 ou a6400 sont des options à faible coût
Imprimante laser	N/	A N/	A n’importe quelle imprimante laser (pas à jet d’encre)
Metashape Professional Edition	Agisoft	N/A	logiciel requis
Carte plastique (environ 1mm x 5mm x 5mm)	N/A	N/A	pour le kit GPS, peut également utiliser une carte de crédit ou similaire mise au rebut, coupée en deux.
Smartphone	N/A	N/A	tout smartphone raisonnablement moderne, pour la collecte de données GPS
Sony A6700 Sea Frogs 40M/130FT Boîtier étanche avec acrylique 6" Dome Port V.1	SeaFrogs	N/A	si vous utilisez des appareils photo a6600 ou a6400, remplacez-le par un boîtier SeaFrogs approprié
Super colle	N/A	N/A	pour la création d’un kit GPS et d’une barre d’échelle
Planche de natation de style fitness	Speedo	877530050021SZ	pour kit GPS, marque sans importance
Ordinateur de plongée de style montre	N/A	N/A	pour collecter les profondeurs des marqueurs d’angle
Pochette étanche	Xuniea	W-1188	marque sans importance, pour s’adapter à l’appareil GPS
Pochette pour téléphone étanche	Pelican	PP048884	marque sans importance, pour s’adapter au smartphone