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

ReefShape est un protocole de collecte et de traitement automatisé de séries temporelles géoréférencées : des ensembles de données de photogrammétrie sous-marine, de surveillance de l’habitat benthique. La photogrammétrie, ou imagerie de grandes surfaces, est un outil qui est devenu très populaire parmi les chercheurs sur les récifs coralliens pour créer des modèles numériques 3D et des mosaïques de photos orthorectifiées 2D haute résolution de sections du benthos qui peuvent ensuite être analysées sur un ordinateur pour mesurer des éléments tels que la composition de la communauté ou la complexité structurelle. La collecte de ce type de données et de séries chronologiques pour la surveillance des récifs coralliens est incroyablement utile dans le contexte du déclin mondial rapide des écosystèmes coralliens. Le concept de photogrammétrie sous-marine est assez simple. Il s’agit de prendre des centaines, voire des milliers d’images d’une zone qui se chevauchent fortement et qui sont saisies dans la structure à partir d’un logiciel de photogrammétrie animée pour recréer les orientations des photos dans le paysage récifal en 3D. Un modèle de maillage, un modèle numérique d’élévation et une orthomosaïque 2D descendante peuvent ensuite être générés. Bien qu’il existe de nombreux protocoles de collecte de données photogrammétriques pour la surveillance des récifs, ils se concentrent souvent sur la collecte d’images et laissent les options de traitement aux chercheurs individuels, ce qui peut prendre beaucoup de temps et a une courbe d’apprentissage abrupte. L’automatisation de ce processus est un défi car les modèles doivent être correctement mis à l’échelle, localisés et alignés avec précision sur d’autres points temporels pour être particulièrement utiles pour l’analyse des données écologiques. Nous avons développé ReefShape comme un moyen de résoudre ces problèmes. Notre méthode fournit une solution pour établir des tracés de surveillance permanents avec des données de géoréférencement du monde réel, collecter efficacement des images de séries chronologiques et traiter des données à l’aide d’un ensemble de scripts Python personnalisés qui automatisent entièrement et simplifient considérablement le pipeline de traitement. Avec un Agisoft Metashape Pro, le logiciel de photogrammétrie standard de l’industrie. Nos scripts produisent des données de séries chronologiques mises à l’échelle et géoréférencées qui sont exportées dans les formats appropriés pour les flux d’analyse courants, ainsi que pour le logiciel SIG et le laboratoire de balises, une application spécialement conçue pour l’annotation rapide des orthomosaïques de récifs coralliens. Nous nous appuyons sur l’utilisation de quatre marqueurs permanents de contrôle au sol auto-détectables qui sont fixés au substrat lorsqu’une parcelle est établie pour la première fois. Les profondeurs et les positions GPS de ces marqueurs sont collectées au premier point temporel à l’aide d’un GPS Bluetooth et d’un smartphone, avec un levé personnalisé disponible gratuitement et des données de localisation préformatées par e-mail à l’utilisateur. Pour la collecte de données, des barres d’échelle temporaires sont placées dans le tracé et l’imagerie est effectuée par un plongeur ou un plongeur en apnée avec une seule caméra et un objectif grand angle. Les points temporels suivants ne nécessitent que de déplacer et de nettoyer les marqueurs d’angle permanents, de placer des barres d’échelle et de collecter des images. Sur l’ordinateur, nos scripts ReefShape personnalisés facilitent le traitement automatique et l’alignement des séries chronologiques des données d’imagerie, ce qui permet au chercheur d’économiser beaucoup de temps et d’efforts qui peuvent être investis dans l’analyse des données écologiques. Le processus commence par la préparation de l’équipement, l’assemblage d’un kit de planche GPS, la création de barres d’échelle et la création d’un fichier texte avec leurs longueurs précises, l’achat de marqueurs d’angle, l’assemblage d’un système de caméra et la configuration des paramètres corrects, ainsi que la configuration du logiciel Metashape et l’installation des scripts ReefShape sur l’ordinateur de traitement. Sur le terrain, il faut d’abord choisir un terrain adapté. Comme pour tout protocole de recherche sous-marine, la sécurité doit être prioritaire tout au long de ce processus. Ce protocole peut être exécuté par un seul chercheur ou un binôme et peut être adapté à n’importe quelle taille de parcelle entre environ 25 mètres carrés et plus de mille mètres carrés. Mais nous recommandons une taille de parcelle de base de 10 par 10 mètres. Une fois qu’une parcelle est choisie, le chercheur installe les quatre marqueurs d’angle pendant la plongée à l’aide d’une masse et de clous de maçonnerie, en prenant soin de ne pas fracturer le substrat ou d’endommager les coraux vivants. Les emplacements idéaux sont des zones de substrat non vivant relativement plat qui sont facilement visibles d’en haut et qui ne sont pas susceptibles d’être endommagées ou rapidement bioérodées, comme les squelettes de coraux très poreux. Installez le marqueur un dans le coin nord-est, le marqueur deux, au sud-est, trois, au sud-ouest et quatre au nord-ouest, pour plus d’uniformité et de facilité de déplacement, à l’aide d’une boussole et d’un ruban à mesurer si nécessaire. À l’aide d’une jauge de profondeur, notez la profondeur de chaque marqueur sur une ardoise de plongée. Si l’autorisation ou la nécessité empêche l’utilisation de marqueurs permanents, des marqueurs temporaires peuvent être placés et récupérés après la collecte de photos et de données GPS. Une fois les marqueurs d’angle disposés, placez trois à cinq barres d’échelle dans toute la parcelle et utilisez un poids de plongée ou une petite pierre pour fixer chacune d’elles et empêcher tout mouvement. Comme tout protocole de photogrammétrie, l’acquisition d’images est l’étape clé. Ce protocole peut fonctionner avec la plupart des appareils photo sous-marins dotés d’un objectif grand angle capable de prendre des photos à une vitesse d’une photo par seconde, mais nous recommandons spécifiquement un système d’appareil photo avec un appareil photo sans miroir et un objectif rectiligne grand angle avec un champ de vision d’environ 90 à cent degrés ou une distance focale équivalente plein format de 18 à 22 millimètres. Associé à un boîtier sous-marin et à un port dôme bien adapté à l’objectif. L’objectif principal est de maintenir des images nettes. Par conséquent, nous vous recommandons d’utiliser le mode manuel avec une ouverture de F8.0, une vitesse d’obturation de 1/500e de seconde et une sensibilité ISO automatique, afin d’obtenir une exposition correcte pour chaque image. Dans des conditions plus sombres et plus profondes, une ouverture de F5.6 et une vitesse d’obturation de 1/320e de seconde peuvent être utilisées pour augmenter la quantité de lumière et réduire les niveaux de bruit de l’image. La balance des blancs doit être réglée sur personnalisée. Un minuteur d’intervalle d’une seconde doit être utilisé et un mode de mise au point automatique qui fait la mise au point au début de la collecte d’images et reste constant tout au long du processus de photographie doit être utilisé. L’appareil photo doit être configuré pour enregistrer simultanément des images JPEG et RAW. Accédez à la profondeur médiane des graphiques et définissez une balance des blancs personnalisée sur l’appareil photo à l’aide d’une carte grise ou de l’une des extrémités de la barre d’échelle. En commençant par un coin, positionnez la caméra pointée vers le bas de 1,5 à deux mètres au-dessus du substrat. Faites la mise au point automatique de l’appareil photo sur le récif et commencez à collecter des photos à raison d’une image par seconde, en nageant vers un coin adjacent. Dans le graphique, les rectangles bleus représentent les positions des photos pour ce graphique et le rectangle surligné en rouge montre le motif de nage. Collectez des photos couvrant l’ensemble de la parcelle dans une zone tampon d’au moins un demi-mètre autour du périmètre en une série de passes anti-parallèles, espacées d’environ un mètre, de manière constante, d’un mètre et demi à deux mètres au-dessus du récif. Lorsque vous terminez cette première série de passes, tournez à 90 degrés et collectez un ensemble similaire de passes, en complétant un motif de grille. Les photos doivent être orientées vers le bas, sauf dans les zones en relief élevé où l’appareil photo doit être légèrement incliné obliquement pour pointer perpendiculairement à la surface du substrat. Après la photographie, nettoyez la parcelle en ne laissant que les marqueurs d’angle installés. De retour à la surface, récupérez le kit GPS et nagez sur la parcelle à l’aide de l’enquête ReefShape dans ArcGIS Survey123 pour collecter les positions GPS au-dessus de chacun des quatre marqueurs d’angle. De retour sur le bateau, entrez les informations de profondeur correspondant à chaque marqueur et soumettez-le. Pour les points temporels suivants, déplacez d’abord le tracé et trouvez les marqueurs d’angle à l’aide des données GPS d’origine ou d’une impression de la mosaïque de photos de points temporels d’origine, comme référence si nécessaire. À l’aide d’une carte en plastique, grattez toute croissance biotique sur les surfaces du marqueur. Remplacez tous les marqueurs perdus ou endommagés par le bon numéro cible et notez-le. Placez des barres d’échelle, réglez la balance des blancs et collectez les images comme auparavant. Pour traiter le premier point temporel d’un tracé, choisissez le flux de travail ReefShape complet dans la barre de menu personnalisée ReefShape. Nommez le projet comme nom de la parcelle. Nommez le bloc avec la date de collecte d’images. Importez vos photos et enregistrez le projet. Ensuite, dans le panneau général, définissez le système de coordonnées sur WGS 84 plus EGM 96. Les paramètres de sélection du projet sont présentés dans cette boîte de dialogue pour que l’utilisateur puisse les modifier si nécessaire. Les valeurs par défaut doivent être appropriées dans la plupart des situations. Sélectionnez le dossier pour l’exportation des données et cochez les cases correspondant aux sorties souhaitées, soit pour un logiciel SIG standard, soit pour un laboratoire de balises. Dans le panneau de géoréférencement, sélectionnez Oui pour l’utilisation des marqueurs et recherchez votre fichier de barre d’échelle et le fichier de géoréférencement qui vous a été envoyé par e-mail. Enfin, cliquez sur OK pour commencer le processus de photogrammétrie. Le pipeline personnalisé sera automatiquement enregistré après chaque étape, ce qui permet à l’utilisateur de le réexécuter à partir de n’importe quel point du processus sans perdre la progression. Une fois terminé, le script exportera tous les produits de données demandés, un rapport de traitement et un fichier de forme de la région d’intérêt générée automatiquement délimitée par les marqueurs d’angle. Les fonctions individuelles utiles à ce processus sont incluses en tant qu’outils autonomes. dans le menu ReefShape, en particulier, une fonction est incluse pour calculer automatiquement le rapport surface/surface plane 3D, une mesure courante pour étudier la complexité structurelle des récifs. Chaque point temporel d’un graphique sera stocké en tant que nouveau morceau dans le même projet Metashape. Pour les points temporels suivants, ouvrez le projet plots Metashape et exécutez le script des points temporels alignés à partir du menu ReefShape. Cliquez sur créer un bloc et nommez-le avec la date de collecte de l’image. Importez les photos, puis sélectionnez le point temporel d’origine comme bloc de référence et le nouveau comme bloc actif. Si des marqueurs d’angle ont été remplacés sous l’eau, notez-le dans la liste déroulante. Cliquez sur OK. Cela détectera les marqueurs et importera le référencement géographique des marqueurs d’angle à partir du point temporel d’origine. Inspectez les marqueurs et le géoréférencement dans le panneau de référence. Si aucun marqueur n’a été détecté, placez-le manuellement sur au moins trois images, puis réexécutez le script de point de temps aligné pour réimporter correctement les données de référence. Ensuite, exécutez le script de flux de travail ReefShape complet. Seuls les paramètres du panneau général doivent être ajustés, en particulier les produits de données à exporter et l’endroit où les enregistrer. Les panneaux de géoréférencement et de configuration du projet peuvent être laissés vides. Cliquez sur OK pour terminer le processus de photogrammétrie et exporter les produits de données alignés sur les séries chronologiques. 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. Des éléments de données spécifiques, tels que l’orthomosaïque, le DEM, le modèle 3D ou les points de rattachement, peuvent être supprimés dans la réexécution complète du script de flux de travail ReefShape pour les régénérer correctement. Une fois que l’utilisateur est satisfait, il peut importer les produits de données exportés dans un logiciel SIG ou un laboratoire d’étiquettes pour divers pipelines d’analyse. Ces visuels démontrent des résultats représentatifs. Le temps .1 un comprenait 1 299 photos et le temps .2 comprenait 1 974. Toutes les photos ont été correctement alignées pour chaque point temporel, et les données résultantes présentent des trous ou des problèmes évidents de qualité d’image. Les données apparaissent à l’emplacement correct dans le monde réel et l’erreur de géoréférencement pour le point temporel initial est d’environ 30 centimètres. L’erreur de profondeur est de 2,3 centimètres. L’erreur de mise à l’échelle est de 0,14 millimètre et l’erreur de reprojection est de 1,12 pixels. L’erreur entre les points temporels est d’environ un millimètre. Le graphique couvre 208 mètres carrés à une résolution de 0,5 millimètre. L’ensemble du processus pour chaque point temporel a été réalisé en environ huit heures sur un ordinateur bas de gamme, et en moins de deux heures, sur un ordinateur de jeu haut de gamme. Ce protocole a été conçu pour relever certains des principaux défis de la photogrammétrie sous-marine. En particulier, grâce à l’utilisation de marqueurs d’angle permanents détectables et de barres d’échelle. Associé à des informations de géoréférencement du monde réel, l’ensemble du processus de photogrammétrie au sein de Metashape est automatisé, ce qui permet d’économiser beaucoup de temps et d’efforts. Nos scripts ReefShape incluent des améliorations de la procédure standard d’alignement des photos qui augmentent le nombre de photos alignées dans des conditions difficiles et facilitent l’alignement précis des séries chronologiques entre les ensembles de données. Ils sont également conçus pour augmenter l’efficacité du pipeline de traitement de la photogrammétrie afin d’éviter d’avoir à utiliser des ordinateurs très coûteux pour le traitement. Notre objectif global est d’éliminer les obstacles afin de rendre la photogrammétrie sous-marine plus accessible et fonctionnelle pour les chercheurs qui cherchent à extraire des données écologiques importantes pour éclairer les efforts de conservation des récifs coralliens.