Reefshape: מערכת לאיסוף יעיל ועיבוד אוטומטי של נתוני פוטוגרמטריה תת-ימיים מסדרות זמן לניטור בתי גידול בקרקעית

ReefShape הוא פרוטוקול לאיסוף ועיבוד אוטומטי של מערכי נתונים של פוטוגרמטריה תת-ימית בסדרות זמן עם הפניה גיאוגרפית. פוטוגרמטריה, או הדמיית שטח גדול, היא כלי שהפך פופולרי מאוד בקרב חוקרי שוניות אלמוגים ליצירת מודלים דיגיטליים תלת-ממדיים ופסיפס צילום דו-ממדי ברזולוציה גבוהה של חלקים מהבנטוס שניתן לנתח מאוחר יותר במחשב כדי למדוד דברים כמו הרכב הקהילה או מורכבות מבנית. איסוף נתונים וסדרות זמן מסוג זה לניטור שוניות אלמוגים הוא שימושי להפליא בהקשר של ההידרדרות הגלובלית המהירה של מערכות אקולוגיות של אלמוגים. פוטוגרמטריה תת-מימית כמושג היא פשוטה למדי. זה כרוך בצילום מאות עד אלפי תמונות חופפות מאוד של אזור המוזנות למבנה מתוכנת פוטוגרמטריה בתנועה כדי לשחזר את כיווני התמונות בנוף השונית בתלת מימד. לאחר מכן ניתן ליצור מודל גובה דיגיטלי ואורתומוזאיקה דו-ממדית מלמעלה למטה. בעוד שקיימים פרוטוקולים רבים לאיסוף נתוני פוטוגרמטריה לניטור שוניות, הם מתמקדים לעתים קרובות באיסוף תמונות ומשאירים את אפשרויות העיבוד לחוקרים בודדים, מה שיכול לקחת זמן רב ויש לו עקומת למידה תלולה. אוטומציה של תהליך זה היא אתגר מכיוון שהמודלים חייבים להיות מותאמים כראוי, ממוקמים ומותאמים במדויק לנקודות זמן אחרות כדי להיות שימושיים במיוחד לניתוח נתונים אקולוגיים. פיתחנו את ReefShape כדרך לטפל בבעיות אלה. השיטה שלנו מספקת פתרון להקמת עלילות ניטור קבועות עם נתוני הפניה גיאוגרפית בעולם האמיתי, איסוף יעיל של תמונות סדרות זמן ועיבוד נתונים באמצעות קבוצה של סקריפטים מותאמים אישית של Python שהופכים באופן מלא ומפשטים באופן דרמטי את צינור העיבוד. עם Agisoft Metashape Pro, תוכנת הפוטוגרמטריה הסטנדרטית בתעשייה. הסקריפטים שלנו מניבים נתוני סדרות זמן בקנה מידה והפניה גיאוגרפית המיוצאים בפורמטים המתאימים לתהליכי עבודה נפוצים של ניתוח ותוכנת GIS ומעבדת תגים, אפליקציה ייעודית להערות מהירות של אורתופסיפסים של שוניות אלמוגים. אנו מסתמכים על השימוש בארבעה סמני בקרת קרקע קבועים הניתנים לזיהוי אוטומטי המקובעים למצע כאשר החלקה מוקמת לראשונה. העומקים ומיקומי ה-GPS של סמנים אלה נאספים בנקודת הזמן הראשונה באמצעות GPS Bluetooth וסמארטפון עם סקר מותאם אישית הזמין בחינם ודוא"ל נתוני מיקום מעוצבים מראש למשתמש. לצורך איסוף הנתונים, מוטות קנה מידה זמניים ממוקמים בתוך החלקה וההדמיה נעשית על ידי צוללן או שנורקל עם מצלמה אחת ועדשת זווית רחבה. נקודות זמן עוקבות דורשות רק מיקום וניקוי של סמני הפינה הקבועים, הצבת פסי קנה מידה ואיסוף תמונות. במחשב, סקריפטים מותאמים אישית של ReefShape מקלים על העיבוד האוטומטי ויישור סדרות הזמן של נתוני התמונות, וחוסכים לחוקר זמן ומאמץ משמעותיים שניתן להשקיע במקום זאת בניתוח נתונים אקולוגיים. התהליך מתחיל בהכנת ציוד, הרכבת ערכת קיקבורד GPS, יצירת פסי קנה מידה והכנת קובץ טקסט באורכם המדויק, רכישת סמני פינות, הרכבת מערכת מצלמות והגדרת ההגדרות הנכונות, והגדרת תוכנת Metashape והתקנת סקריפטים של ReefShape על מחשב העיבוד. בשטח יש לבחור תחילה מגרש מתאים. כמו בכל פרוטוקול מחקר תת-ימי, יש לתת עדיפות לבטיחות לאורך כל התהליך הזה. פרוטוקול זה יכול להתבצע על ידי חוקר יחיד או זוג חברים וניתן להתאים אותו לכל גודל חלקה בין כ-25 מ"ר למעלה מאלף מ"ר. אבל אנו ממליצים על גודל חלקת בסיס של 10 על 10 מטרים. לאחר בחירת החלקה, החוקר מתקין את ארבעת סמני הפינה תוך כדי צלילה באמצעות פטיש ומסמרי בנייה, תוך הקפדה לא לשבור את המצע או לפגוע באלמוגים חיים. מיקומים אידיאליים הם אזורים של מצע שטוח יחסית שאינו חי הנראים בקלות מלמעלה ואינם צפויים להינזק או להישחק במהירות כמו שלדי אלמוגים נקבוביים מאוד. התקן סמן אחד בפינה הצפון-מזרחית, סמן שתיים, בדרום מזרח, שלוש, בדרום מערב וארבע בצפון-מערב, לעקביות וקלות המעבר, באמצעות מצפן וסרט מדידה במידת הצורך. בעזרת מד עומק, רשום את העומק של כל סמן על צפחת צלילה. אם היתר או צורך מונעים את השימוש בסמנים קבועים, ניתן להציב ולאחזר זמניים לאחר איסוף נתוני תמונות ו-GPS. לאחר הנחת סמני הפינה, הניחו שלושה עד חמישה מוטות סולם לאורך החלקה והשתמשו במשקולת צלילה או בסלע קטן כדי לאבטח כל אחד מהם ולמנוע תנועה. כמו כל פרוטוקול פוטוגרמטריה, רכישת תמונות היא שלב המפתח. פרוטוקול זה יכול לתפקד כמעט עם כל מצלמה תת מימית עם עדשת זווית רחבה המסוגלת לצלם תמונות בקצב של תמונה אחת לשנייה, אך אנו ממליצים במיוחד על מערכת מצלמות עם מצלמה ללא מראה ועדשה ישרה בזווית רחבה עם שדה ראייה של כ-90 עד מאה מעלות או אורך מוקד שווה ערך למסגרת מלאה של 18 עד 22 מילימטרים, בשילוב עם בית תת ימי ויציאת כיפה המותאמת היטב לעדשה. המטרה העיקרית היא לשמור על תמונות חדות. לכן, אנו ממליצים להשתמש במצב ידני עם צמצם F8.0, מהירות תריס של 1/500 שנייה ו-ISO אוטומטי, כדי להשיג חשיפה נכונה לכל פריים. בתנאים חשוכים ועמוקים יותר, ניתן להשתמש בצמצם של F5.6 ומהירות תריס של 1/320 שנייה כדי להגדיל את כמות האור ולהפחית את רמות הרעש בתמונה. יש להגדיר איזון לבן להתאמה אישית. יש להשתמש בטיימר מרווח של שנייה אחת ולהשתמש במצב פוקוס אוטומטי המתמקד בתחילת איסוף התמונות ונשאר קבוע לאורך כל תהליך הצילום. יש להגדיר את המצלמה להקלטת תמונות JPEG ו-RAW בו זמנית. נווט אל העומק החציוני של העלילות והגדר איזון לבן מותאם אישית במצלמה באמצעות כרטיס אפור או אחד מקצוות סרגל קנה המידה. החל מפינה אחת, מקם את המצלמה מכוונת כלפי מטה 1.5 עד שני מטרים מעל המצע. מקדו אוטומטית את המצלמה על השונית והתחילו לאסוף תמונות בפריים אחד לשנייה, שוחים לעבר פינה סמוכה. בגרפיקה, המלבנים הכחולים מייצגים את מיקומי הצילום עבור חלקה זו והמלבן המודגש באדום מדגים את דפוס השחייה. אסוף תמונות המכסות את כל החלקה בחיץ של לפחות חצי מטר סביב ההיקף בסדרה של מעברים אנטי-מקבילים, במרווחים של כמטר אחד זה מזה, באופן עקבי, מטר וחצי עד שני מטר מעל השונית. כאשר אתה משלים את קבוצת המסירות הראשונה הזו, סובב 90 מעלות ואסוף סט דומה של מסירות, והשלם תבנית רשת. התמונות צריכות להיות פונות כלפי מטה למעט באזורים עם תבליט גבוה שבהם יש להטות את המצלמה מעט באלכסון כדי להצביע בניצב למשטח המצע. לאחר הצילום יש לנקות את החלקה ולהשאיר רק את סמני הפינה המותקנים. בחזרה לפני השטח, שלף את ערכת ה-GPS ושחה מעל החלקה באמצעות סקר ReefShape ב-ArcGIS Survey123 כדי לאסוף מיקומי GPS מעל כל אחד מארבעת סמני הפינה. בחזרה לסירה, הזן את מידע העומק המתאים לכל סמן ושלח. עבור נקודות זמן עוקבות, תחילה העבר את החלקה ומצא את סמני הפינה באמצעות נתוני ה-GPS המקוריים או תדפיס של פסיפס הצילום המקורי של נקודת הזמן, כהתייחסות במידת הצורך. בעזרת כרטיס פלסטיק, מגרדים כל גידול ביוטי ממשטחי הסמן. החלף את כל הסמנים שאבדו או פגומים במספר היעד המתאים ורשום אותו. הניחו פסי קנה מידה, קבעו את איזון הלבן ואספו תמונות כמו קודם. לעיבוד נקודת הזמן הראשונה של עלילה, בחר את זרימת העבודה המלאה של ReefShape משורת התפריטים המותאמת אישית של ReefShape. תן שם לפרויקט כשם המגרש. תן שם לנתח עם תאריך איסוף התמונות. ייבא את התמונות שלך ושמור את הפרויקט. לאחר מכן, בלוח הכללי, הגדר את מערכת הקואורדינטות ל-WGS 84 פלוס EGM 96. הגדרות פרויקט נבחרות מוצגות בתיבת דו-שיח זו כדי שהמשתמש יוכל לשנות במידת הצורך. ברירות המחדל צריכות להתאים לרוב המצבים. בחר את התיקייה לייצוא נתונים וסמן את התיבות עבור הפלטים הרצויים, עבור תוכנת GIS רגילה או מעבדת תגים. בחלונית ההפניה הגיאוגרפית, בחר כן לשימוש בסמנים ואתר את קובץ סרגל קנה המידה ואת קובץ ההפניה הגיאוגרפית שנשלח אליך בדוא"ל. לבסוף, לחץ על אישור כדי להתחיל בתהליך הפוטוגרמטריה. קו הצינור המותאם אישית יישמר באופן אוטומטי לאחר כל שלב, ויאפשר למשתמש להפעיל אותו מחדש מכל נקודה בתהליך מבלי לאבד את ההתקדמות. בסיום, קובץ ה- Script ייצא את כל מוצרי הנתונים המבוקשים, דוח עיבוד וקובץ צורה של אזור העניין שנוצר באופן אוטומטי התחום על-ידי סמני הפינה. פונקציות בודדות שימושיות לתהליך זה כלולות ככלים עצמאיים. בתפריט ReefShape, במיוחד, כלולה פונקציה לחישוב אוטומטי של יחס שטח הפנים התלת-ממדי לשטח המישורי - מדד נפוץ לחקר מורכבות מבנית בשוניות. כל נקודת זמן של עלילה תאוחסן כנתח חדש באותו פרויקט Metashape. עבור נקודות זמן עוקבות, פתח את פרויקט העלילות Metashape והפעל את סקריפט נקודות הזמן המיושרות מתפריט ReefShape. לחץ על צור נתח ותן לו שם עם תאריך איסוף התמונות. יבא את התמונות ולאחר מכן בחר את נקודת הזמן המקורית כנתח ההתייחסות ואת החדשה כנתח הפעיל. אם הוחלפו סמני פינה מתחת למים, ציין זאת בתיבה הנפתחת. לחץ על אישור. פעולה זו תזהה סמנים ותייבא את ההפניה הגיאוגרפית לסמני הפינה מנקודת הזמן המקורית. בדוק את הסמנים ואת ההפניות הגיאוגרפיות בלוח ההפניות. אם לא זוהו סמנים כלשהם, מקם אותם ידנית על שלוש תמונות לפחות ולאחר מכן הפעל מחדש את סקריפט נקודת הזמן המיושר כדי לייבא מחדש את נתוני ההפניה כראוי. לאחר מכן, הפעל את קובץ ה- Script המלא של זרימת העבודה של ReefShape. יש להתאים רק את ההגדרות בחלונית הכללית, במיוחד אילו מוצרי נתונים לייצא והיכן לשמור אותם. ניתן להשאיר את לוחות ההפניה הגיאוגרפית והגדרת הפרויקט ריקים. לחיצה על אישור תשלים את תהליך הפוטוגרמטריה ותייצא מוצרי נתונים מיושרים לסדרות זמן. עבור כל נקודת זמן, חשוב לבדוק את היישור ואת תוצרי הנתונים לדיוק. אם מתעוררות בעיות כלשהן, ייתכן שיהיה צורך בהתערבות ידנית. ניתן למחוק חלקי נתונים ספציפיים כגון מודל תלת מימד של DEM, אורתופסיפס DEM או נקודות קשר, בהפעלה מחדש של סקריפט זרימת העבודה המלא של ReefShape כדי ליצור אותם מחדש כראוי. ברגע שהמשתמש מרוצה, הוא יכול להביא את מוצרי הנתונים המיוצאים לתוכנת GIS או למעבדת תגים עבור צינורות ניתוח שונים. הוויזואליה הזו מדגימה תוצאות מייצגות. זמן .1 אחד כלל 1,299 תמונות וזמן .2 כלל 1,974. כל התמונות היו מיושרות כראוי עבור כל נקודת זמן, ולנתונים שהתקבלו יש חורים או בעיות ברורות באיכות התמונה. הנתונים מופיעים במיקום הנכון בעולם האמיתי ושגיאת ההפניה הגיאוגרפית לנקודת הזמן הראשונית היא כ-30 סנטימטרים. שגיאת העומק היא 2.3 סנטימטרים. שגיאת קנה המידה היא 0.14 מילימטר ושגיאת ההקרנה מחדש היא 1.12 פיקסלים. השגיאה בין נקודות הזמן היא כמילימטר אחד. המגרש משתרע על פני 208 מ"ר ברזולוציה של 0.5 מילימטר. התהליך כולו עבור כל נקודת זמן הושלם תוך כשמונה שעות במחשב נמוך, ותוך פחות משעתיים, במחשב גיימינג מתקדם. פרוטוקול זה תוכנן להתמודד עם כמה מהאתגרים העיקריים בפוטוגרמטריה תת-ימית. בפרט, באמצעות שימוש בסמני פינה קבועים הניתנים לזיהוי ומוטות קנה מידה. יחד עם מידע הפניה גיאוגרפית מהעולם האמיתי, כל תהליך הפוטוגרמטריה בתוך Metashape הופך לאוטומטי, וחוסך זמן ומאמץ משמעותיים. סקריפטים של ReefShape שלנו כוללים שיפורים בהליך יישור התמונות הסטנדרטי המגדילים את מספר התמונות המיושרות בתנאים קשים ועוזרים להקל על יישור מדויק של סדרות זמן בין מערכי נתונים. הם גם נועדו להגביר את היעילות בצנרת עיבוד הפוטוגרמטריה כדי למנוע את הצורך להשתמש במחשבים יקרים מאוד לעיבוד. מטרת העל שלנו היא להסיר מחסומים כדי להפוך את הפוטוגרמטריה התת-מימית לנגישה ופונקציונלית יותר עבור חוקרים המעוניינים לחלץ נתונים אקולוגיים חשובים כדי ליידע את מאמצי שימור שוניות האלמוגים.