Reefshape: un sistema per la raccolta efficiente e l'elaborazione automatizzata di dati di fotogrammetria subacquea di serie temporali per il monitoraggio dell'habitat bentonico

ReefShape è un protocollo per la raccolta e l'elaborazione automatizzata di serie temporali georeferenziate, set di dati di fotogrammetria subacquea, monitoraggio dell'habitat bentonico. La fotogrammetria, o imaging di grandi aree, è uno strumento che è diventato molto popolare tra i ricercatori della barriera corallina per la creazione di modelli digitali 3D e mosaici fotografici ortorettificati 2D ad alta risoluzione di sezioni del benthos che possono essere successivamente analizzati su un computer per misurare cose come la composizione della comunità o la complessità strutturale. La raccolta di questo tipo di dati e serie temporali per il monitoraggio della barriera corallina è incredibilmente utile nel contesto del rapido declino globale degli ecosistemi coralli. La fotogrammetria subacquea come concetto è abbastanza semplice. Si tratta di scattare centinaia o migliaia di immagini altamente sovrapposte di un'area che vengono inserite nella struttura dal software di fotogrammetria del movimento per ricreare gli orientamenti delle foto nel paesaggio della barriera corallina in 3D. È quindi possibile generare un modello mesh, un modello digitale di elevazione e un ortomosaico 2D dall'alto verso il basso. Sebbene esistano molti protocolli per la raccolta di dati fotogrammetrici per il monitoraggio della barriera corallina, spesso si concentrano sulla raccolta di immagini e lasciano le opzioni di elaborazione ai singoli ricercatori, il che può richiedere molto tempo e ha una curva di apprendimento ripida. L'automazione di questo processo è una sfida perché i modelli devono essere adeguatamente scalati, localizzati e allineati con precisione ad altri punti temporali per essere particolarmente utili per l'analisi dei dati ecologici. Abbiamo sviluppato ReefShape come un modo per affrontare questi problemi. Il nostro metodo fornisce una soluzione per stabilire grafici di monitoraggio permanenti con dati di georeferenziazione del mondo reale, raccogliendo in modo efficiente immagini di serie temporali ed elaborando dati utilizzando un set di script Python personalizzati che automatizzano completamente e semplificano notevolmente la pipeline di elaborazione. Con un Agisoft Metashape Pro, il software di fotogrammetria standard del settore. I nostri script producono dati di serie temporali in scala e georeferenziati che vengono esportati nei formati appropriati per i flussi di lavoro di analisi comuni e il software GIS e tag lab, un'applicazione appositamente creata per l'annotazione rapida di ortomosaici di barriere coralline. Ci affidiamo all'uso di quattro marcatori permanenti di controllo del terreno autorilevabili che vengono fissati al substrato quando un appezzamento viene stabilito per la prima volta. Le profondità e le posizioni GPS di questi marcatori vengono raccolte al primo momento con un GPS Bluetooth e uno smartphone con un rilevamento personalizzato disponibile gratuitamente e via e-mail i dati di localizzazione preformattati all'utente. Per la raccolta dei dati, le barre di scala temporanee vengono posizionate all'interno del grafico e l'imaging viene eseguito da un subacqueo o da uno snorkeler con una singola fotocamera e un obiettivo grandangolare. I punti temporali successivi richiedono solo il riposizionamento e la pulizia dei marcatori d'angolo permanenti, il posizionamento delle barre della scala e la raccolta di immagini. Sul computer, i nostri script ReefShape personalizzati facilitano l'elaborazione automatica e l'allineamento delle serie temporali dei dati delle immagini, risparmiando al ricercatore tempo e fatica significativi che possono essere investiti invece nell'analisi dei dati ecologici. Il processo inizia con la preparazione dell'attrezzatura, l'assemblaggio di un kit di kickboard GPS, la creazione di barre di scala e la creazione di un file di testo con le loro lunghezze precise, l'approvvigionamento di indicatori angolari, l'assemblaggio di un sistema di telecamere e la configurazione delle impostazioni corrette, nonché la configurazione del software Metashape e l'installazione degli script ReefShape sul computer di elaborazione. Sul campo, è necessario prima scegliere una trama adatta. Come per qualsiasi protocollo di ricerca subacquea, la sicurezza dovrebbe essere prioritaria durante tutto questo processo. Questo protocollo può essere eseguito da un singolo ricercatore o da una coppia di amici e può essere adattato a qualsiasi dimensione del lotto tra circa 25 metri quadrati e oltre mille metri quadrati. Ma consigliamo una dimensione del lotto di base di 10 per 10 metri. Una volta scelto un appezzamento, il ricercatore installa i quattro marcatori angolari durante l'immersione utilizzando una mazza e chiodi da muratura, facendo attenzione a non fratturare il substrato o danneggiare i coralli vivi. Le posizioni ideali sono aree di substrato non vivente relativamente piatto che sono facilmente visibili direttamente dall'alto e non suscettibili di essere danneggiate o rapidamente bioerose, come gli scheletri di corallo molto porosi. Installa il marcatore uno nell'angolo nord-est, il marcatore due, a sud-est, il tre, a sud-ovest e il quattro a nord-ovest, per coerenza e facilità di spostamento, utilizzando una bussola e un metro a nastro, se necessario. Utilizzando un profondimetro, registra le profondità di ciascun indicatore su una lavagna da immersione. Se lo consente o la necessità impedisce l'uso di marcatori permanenti, quelli temporanei possono essere posizionati e recuperati dopo la raccolta di foto e dati GPS. Dopo aver disposto i marcatori d'angolo, posiziona da tre a cinque barre di scala in tutto il terreno e usa un peso da immersione o una piccola roccia per fissarle e impedirne il movimento. Come ogni protocollo di fotogrammetria, l'acquisizione delle immagini è il passaggio chiave. Questo protocollo può funzionare con la maggior parte delle fotocamere subacquee con un obiettivo grandangolare in grado di scattare foto alla velocità di una foto al secondo, ma consigliamo specificamente un sistema di fotocamere con una fotocamera mirrorless e un obiettivo rettilineo grandangolare con un campo visivo di circa 90-cento gradi o una lunghezza focale equivalente a un full frame da 18 a 22 millimetri, Abbinato a una custodia subacquea e a una porta a cupola che si abbina bene all'obiettivo. L'obiettivo principale è mantenere immagini nitide. Pertanto, si consiglia di utilizzare la modalità manuale con un'apertura di F8.0, una velocità dell'otturatore di 1/500 di secondo e ISO automatico, per ottenere un'esposizione corretta per ogni fotogramma. In condizioni più buie e profonde, è possibile utilizzare un'apertura di F5.6 e una velocità dell'otturatore di 1/320 di secondo per aumentare la quantità di luce e ridurre i livelli di rumore dell'immagine. Il bilanciamento del bianco deve essere impostato su personalizzato. È necessario utilizzare un timer a intervalli di un secondo e una modalità di messa a fuoco automatica che metta a fuoco all'inizio della raccolta delle immagini e rimanga costante durante tutto il processo fotografico. La fotocamera deve essere impostata per registrare contemporaneamente immagini JPEG e RAW. Naviga fino alla profondità mediana dei grafici e imposta un bilanciamento del bianco personalizzato sulla fotocamera utilizzando una carta grigia o una delle estremità della barra della scala. Iniziando da un angolo, posizionare la fotocamera puntata verso il basso da 1,5 a due metri sopra il substrato. Metti a fuoco automaticamente la fotocamera sulla barriera corallina e inizia a raccogliere foto a un fotogramma al secondo, nuotando verso un angolo adiacente. Nell'immagine, i rettangoli blu rappresentano le posizioni delle foto per questo grafico e il rettangolo evidenziato in rosso mostra il modello di nuoto. Raccogli le foto che coprono l'intera trama in un buffer di almeno mezzo metro attorno al perimetro in una serie di passaggi anti-paralleli, distanziati di circa un metro l'uno dall'altro, costantemente, da un metro e mezzo a due metri sopra la barriera corallina. Quando completi questa prima serie di passaggi, girati di 90 gradi e raccogli una serie simile di passaggi, completando uno schema a griglia. Le foto devono essere rivolte verso il basso, tranne che nelle aree ad alto rilievo in cui la fotocamera deve essere leggermente inclinata obliquamente per puntare perpendicolarmente alla superficie del substrato. Dopo la fotografia, ripulisci la trama, lasciando solo i marcatori d'angolo installati. Tornati in superficie, recupera il kit GPS e nuota sopra il terreno utilizzando il rilevamento ReefShape in ArcGIS Survey123 per raccogliere le posizioni GPS sopra ciascuno dei quattro indicatori d'angolo. Tornati sulla barca, inserire le informazioni sulla profondità corrispondenti a ciascun indicatore e inviare. Per i punti temporali successivi, riposizionare prima il grafico e trovare gli indicatori d'angolo utilizzando i dati GPS originali o una stampa del mosaico fotografico del punto temporale originale, come riferimento, se necessario. Usando una carta di plastica, raschiare via qualsiasi crescita biotica dalle superfici del pennarello. Sostituisci eventuali marcatori persi o danneggiati con il numero di destinazione corretto e prendine nota. Posiziona le barre della scala, imposta il bilanciamento del bianco e raccogli le immagini come prima. Per elaborare il primo punto temporale di un grafico, scegliere il flusso di lavoro completo di ReefShape dalla barra dei menu personalizzati di ReefShape. Assegna al progetto il nome del tracciato. Assegna un nome al blocco con la data di raccolta dell'immagine. Importa le tue foto e salva il progetto. Successivamente, nel pannello generale, impostare il sistema di coordinate su WGS 84 più EGM 96. In questa finestra di dialogo vengono presentate le impostazioni di selezione del progetto che l'utente può modificare, se necessario. Le impostazioni predefinite dovrebbero essere appropriate per la maggior parte delle situazioni. Seleziona la cartella per l'esportazione dei dati e seleziona le caselle per gli output desiderati, sia per il software GIS standard che per il tag lab. Nel pannello di riferimento geografico, selezionare Sì per l'utilizzo dei marcatori e individuare il file della barra della scala e il file di riferimento geografico che è stato inviato tramite posta elettronica. Infine, fai clic su OK per iniziare il processo di fotogrammetria. La pipeline personalizzata verrà salvata automaticamente dopo ogni passaggio, consentendo all'utente di rieseguirla da qualsiasi punto del processo senza perdere lo stato di avanzamento. Al termine, lo script esporterà tutti i prodotti dati richiesti, un report di elaborazione e un file Shape della regione di interesse generata automaticamente delimitata dai marcatori d'angolo. Le singole funzioni utili a questo processo sono incluse come strumenti autonomi. nel menu ReefShape, in particolare, è inclusa una funzione per calcolare automaticamente il rapporto tra area superficiale 3D e area planare, una metrica comune per studiare la complessità strutturale sulle barriere coralline. Ogni punto temporale di un grafico verrà memorizzato come un nuovo blocco nello stesso progetto Metashape. Per i punti temporali successivi, aprire il progetto Metashape dei grafici ed eseguire lo script dei punti temporali allineati dal menu ReefShape. Fai clic su crea blocco e assegnagli un nome con la data di raccolta dell'immagine. Importa le foto e quindi seleziona il punto temporale originale come blocco di riferimento e quello nuovo come blocco attivo. Se alcuni indicatori d'angolo sono stati sostituiti sott'acqua, annotalo nella casella a discesa. Fare clic su OK. In questo modo verranno rilevati i marcatori e verrà importata la referenziazione geografica per i marcatori d'angolo dal punto temporale originale. Ispeziona i marcatori e la georeferenziazione nel pannello di riferimento. Se non sono stati rilevati marcatori, posizionarli manualmente su almeno tre immagini e quindi eseguire nuovamente lo script del punto temporale allineato per reimportare correttamente i dati di riferimento. Quindi, esegui lo script completo del flusso di lavoro ReefShape. È necessario regolare solo le impostazioni nel pannello generale, in particolare quali prodotti di dati esportare e dove salvarli. I pannelli di georeferenziazione e impostazione del progetto possono essere lasciati vuoti. Facendo clic su OK si completerà il processo di fotogrammetria ed esporteranno i prodotti di dati allineati alle serie temporali. Per ogni punto temporale, è importante ispezionare l'allineamento e i prodotti di dati per verificarne l'accuratezza. In caso di problemi, potrebbe essere necessario un intervento manuale. Pezzi di dati specifici, come l'ortomosaico, il modello 3D DEM o i punti di collegamento, possono essere eliminati nella ripetizione completa dello script del flusso di lavoro ReefShape per rigenerarli correttamente. Una volta che l'utente è soddisfatto, può portare i prodotti di dati esportati nel software GIS o nel laboratorio di tag per varie pipeline di analisi. Questi elementi visivi dimostrano risultati rappresentativi. Il tempo .1 includeva 1.299 foto e il tempo .2 includeva 1.974. Tutte le foto sono state allineate correttamente per ogni punto temporale e i dati risultanti presentano buchi o evidenti problemi di qualità dell'immagine. I dati vengono visualizzati nella posizione corretta del mondo reale e l'errore di riferimento geografico per il punto temporale iniziale è di circa 30 centimetri. L'errore di profondità è di 2,3 centimetri. L'errore di ridimensionamento è di 0,14 millimetri e l'errore di riproiezione è di 1,12 pixel. L'errore tra i punti temporali è di circa un millimetro. Il grafico copre 208 metri quadrati con una risoluzione di 0,5 millimetri. L'intero processo per ogni punto temporale è stato completato in circa otto ore su un computer di fascia bassa e in meno di due ore su un computer da gioco di fascia alta. Questo protocollo è stato progettato per affrontare alcune delle principali sfide della fotogrammetria subacquea. In particolare, attraverso l'uso di marcatori d'angolo permanenti rilevabili e barre di scala. Insieme alle informazioni di georeferenziazione del mondo reale, l'intero processo di fotogrammetria all'interno di Metashape diventa automatizzato, risparmiando tempo e fatica significativi. I nostri script ReefShape includono miglioramenti alla procedura standard di allineamento delle foto che aumentano il numero di foto allineate in condizioni difficili e aiutano a facilitare l'allineamento preciso delle serie temporali tra i set di dati. Sono inoltre progettati per aumentare l'efficienza della pipeline di elaborazione della fotogrammetria per evitare la necessità di utilizzare computer molto costosi per l'elaborazione. Il nostro obiettivo generale è quello di rimuovere le barriere per rendere la fotogrammetria subacquea più accessibile e funzionale per i ricercatori che cercano di estrarre importanti dati ecologici per informare gli sforzi di conservazione della barriera corallina.