Reefshape:底生生物の生息地モニタリングのための時系列水中写真測量データの効率的な収集と自動処理のためのシステム

ReefShapeは、地理参照された時系列水中写真測量データセットの底生生息地モニタリングの収集と自動処理のためのプロトコルです。写真測量、または大面積イメージングは、3Dデジタルモデルと底生生物のセクションの高解像度2Dオルソ補正フォトモザイクを作成するために、サンゴ礁の研究者の間で非常に人気があるツールであり、後でコンピューターで分析して、群集の構成や構造の複雑さなどを測定できます。サンゴ礁のモニタリングのためにこの種のデータと時系列を収集することは、サンゴ生態系の世界的な急速な衰退の文脈において非常に役立ちます。概念としての水中写真測量は非常に単純です。これには、モーションフォトグラメトリソフトウェアから構造に入力されたエリアの数百から数千の高度に重なり合った画像を撮影し、サンゴ礁の風景の写真の向きを3Dで再現することが含まれます。その後、メッシュ モデル、デジタル標高モデル、および 2D トップダウン オルソモザイクを生成できます。サンゴ礁のモニタリングのために写真測量データを収集するためのプロトコルは数多く存在しますが、多くの場合、画像収集に重点を置き、処理オプションを個々の研究者に任せるため、非常に時間がかかり、学習曲線が急になる可能性があります。生態学的データ分析に特に役立つには、モデルが適切にスケーリングされ、位置が特定され、他の時点に正確に位置合わせされる必要があるため、このプロセスの自動化は課題です。私たちは、これらの問題に対処する方法として ReefShape を開発しました。私たちの方法は、実際の地理参照データを使用して恒久的なモニタリング プロットを確立し、時系列画像を効率的に収集し、処理パイプラインを完全に自動化して劇的に簡素化する一連のカスタム Python スクリプトを使用してデータを処理するためのソリューションを提供します。業界標準の写真測量ソフトウェアであるAgisoft Metashape Proを使用します。当社のスクリプトは、一般的な分析ワークフローや、サンゴ礁のオルソモザイクの迅速な注釈のための専用アプリケーションであるGISソフトウェアとタグラボに適した形式でエクスポートされる、スケーリングされた地理参照された時系列データを生成します。私たちは、プロットが最初に確立されたときに基板に固定される4つの恒久的な自動検出可能な地上制御マーカーの使用に依存しています。これらのマーカーの深度とGPS位置は、Bluetooth GPSとスマートフォンを使用して最初の時点で収集され、無料で利用できるカスタム調査があり、事前にフォーマットされた位置データをユーザーに電子メールで送信します。データ収集のために、一時的なスケールバーがプロット内に配置され、イメージングはダイバーまたはシュノーケラーによって1台のカメラと広角レンズを使用して行われます。後続の時点では、永久コーナーマーカーの移動とクリーニング、スケールバーの配置、および画像の収集のみが必要です。コンピューター上では、当社のカスタム ReefShape スクリプトにより、画像データの自動処理と時系列の位置合わせが容易になり、研究者は生態学的データ分析に代わりに投資できる時間と労力を大幅に節約できます。このプロセスは、機材の準備、GPS キックボード キットの組み立て、スケール バーの作成、正確な長さのテキスト ファイルの作成、コーナー マーカーの調達、カメラ システムの組み立て、正しい設定の構成、Metashape ソフトウェアのセットアップと処理コンピューターへの ReefShape スクリプトのインストールから始まります。現場では、最初に適切なプロットを選択する必要があります。他の水中研究プロトコルと同様に、このプロセス全体を通じて安全性を優先する必要があります。このプロトコルは、1人の研究者またはバディペアで実行でき、約25平方メートルから1,000平方メートル以上の任意の区画サイズに適応できます。ただし、基本プロットのサイズは 10 x 10 メートルにすることをお勧めします。プロットが選択されたら、研究者はスキューバ中に大ハンマーと石積みの釘を使用して四隅のマーカーを取り付け、基質を壊したり、生きたサンゴを損傷したりしないように注意します。 理想的な場所は、非常に多孔質のサンゴの骨格など、真上から簡単に見え、損傷したり急速に生物侵食されたりする可能性が低い、比較的平らな無生物基質の領域です。マーカー 1 を北東の角に、マーカー 2 を南東に、3 つを南西に、4 つを北西の角に設置し、必要に応じてコンパスと巻尺を使用して、一貫性と移動の容易さを保ちます。深度計を使用して、ダイビングスレートに各マーカーの深度を記録します。許可または必要により油性マーカーの使用が妨げられる場合は、写真とGPSデータ収集後に一時的なマーカーを配置して取り出すことができます。コーナーマーカーを配置したら、プロット全体に3〜5本のスケールバーを配置し、ダイビングウェイトまたは小さな岩を使用してそれぞれを固定し、動きを防ぎます。他の写真測量プロトコルと同様に、画像取得が重要なステップです。このプロトコルは、毎秒1枚の写真を撮ることができる広角レンズを備えたほとんどの水中カメラで機能しますが、特にミラーレスカメラと広角直線レンズを備えたカメラシステムをお勧めします 視野は約90〜100度、またはフルフレーム相当の焦点距離は18〜22ミリメートルです。 水中ハウジングとレンズによくマッチするドームポートと組み合わせています。重要な目標は、鮮明な画像を維持することです。したがって、すべてのフレームで正しい露出を実現するために、絞り F8.0、シャッター スピード 1/500 秒の手動モードと自動 ISO を使用することをお勧めします。暗くて深い条件では、F5.6の絞りと1/320秒のシャッタースピードを使用して、光の量を増やし、画像ノイズレベルを下げることができます。ホワイトバランスはカスタムに設定する必要があります。1秒のインターバルタイマーを使用し、画像収集の開始時にピントを合わせ、撮影プロセス全体を通して一定に保たれるオートフォーカスモードを使用する必要があります。カメラは、JPEG画像とRAW画像を同時に記録するように設定する必要があります。プロットの中央深度に移動し、グレーカードまたはスケールバーの端の1つを使用して、カメラにカスタムホワイトバランスを設定します。1つのコーナーから始めて、カメラを基板の1.5〜2メートル上に向けます。サンゴ礁にカメラを自動フォーカスし、1秒に1フレームで写真の収集を開始し、隣接する角に向かって泳ぎます。この図では、青い四角形はこのプロットの写真の位置を表し、赤色で強調表示された四角形は水泳パターンを示しています。サンゴ礁から約1メートル離れて、一貫して約1メートルの間隔で、一貫して、一連の反平行パスで、周囲の少なくとも半メートルのバッファーで区画全体を覆う写真を収集します。この最初のパス セットを完了したら、90 度回転して同様のパス セットを集めて、グリッド パターンを完成させます。写真は、カメラを基板表面に垂直に向けるようにわずかに斜めに傾ける高浮き彫りの領域を除き、下向きにする必要があります。撮影後、設置されたコーナーマーカーだけを残して、プロットをクリーンアップします。地表に戻ったら、GPS キットを取得し、ArcGIS Survey123 の ReefShape 測量を使用してプロットの上を泳ぎ、4 つのコーナー マーカーのそれぞれの上にある GPS 位置を収集します。ボートに戻り、各マーカーに対応する水深情報を入力して提出します。後続の時点については、まずプロットを再配置し、必要に応じて参照として、元の GPS データまたは元の時点写真モザイクの印刷物を使用してコーナー マーカーを見つけます。プラスチックカードを使用して、マーカーの表面から生物の成長をこすり落とします。紛失または損傷したマーカーを適切なターゲット番号に交換し、メモしておきます。スケールバーを配置し、ホワイトバランスを設定し、画像を収集します。プロットの最初の時点を処理するには、ReefShape カスタムメニューバーから完全な ReefShape ワークフローを選択します。プロット名としてプロジェクトに名前を付けます。画像収集日を指定してチャンクに名前を付けます。 写真を読み込んでプロジェクトを保存します。次に、一般パネルで、座標系を WGS 84 と EGM 96 に設定します。このダイアログボックスには、ユーザーが必要に応じて変更できるように、プロジェクト設定の選択が表示されます。デフォルトは、ほとんどの状況に適切である必要があります。データエクスポート用のフォルダーを選択し、標準のGISソフトウェアまたはタグラボのいずれかで、目的の出力のボックスにチェックを入れます。地理参照パネルで、マーカーの使用に [はい] を選択し、縮尺記号ファイルと電子メールで送信された地理参照ファイルを見つけます。最後に、クリック OK 写真測量プロセスを開始します。カスタムパイプラインは各ステップの後に自動保存されるため、ユーザーは進行状況を失うことなく、プロセスのどの時点からでも再実行できます。完了すると、スクリプトは、要求されたすべてのデータ製品、処理レポート、およびコーナーマーカーで囲まれた自動生成された関心領域のシェイプファイルをエクスポートします。このプロセスに役立つ個々の関数は、スタンドアロンツールとして含まれています。特に、ReefShapeメニューには、サンゴ礁の構造的複雑さを研究するための一般的な指標である、3D表面積と平面面積の比率を自動的に計算する機能が含まれています。プロットの各時点は、同じメタシェイプ プロジェクトに新しいチャンクとして保存されます。後続の時点については、プロットメタシェイププロジェクトを開き、ReefShapeメニューから整列された時点スクリプトを実行します。チャンクの作成をクリックし、画像収集の日付で名前を付けます。写真をインポートし、元の時点を参照チャンクとして選択し、新しい時点をアクティブチャンクとして選択します。水中でコーナーマーカーが交換された場合は、ドロップダウンボックスにその旨を記入してください。[OK] をクリックします。これにより、マーカーが検出され、元の時点からコーナーマーカーの地理参照がインポートされます。参照パネルでマーカーと地理参照を調べます。マーカーが検出されなかった場合は、少なくとも 3 つの画像にマーカーを手動で配置し、位置合わせされたタイムポイント スクリプトを再実行して、参照データを適切に再インポートします。次に、完全な ReefShape ワークフロー スクリプトを実行します。一般パネルの設定、特にエクスポートするデータ製品と保存場所のみを調整する必要があります。地理参照パネルとプロジェクト設定パネルは空白のままにすることができます。[OK] をクリックすると、写真測量プロセスが完了し、時系列に整列したデータ製品がエクスポートされます。時点ごとに、アライメントとデータ積の正確性を検査することが重要です。問題が発生した場合は、手動介入が必要になる場合があります。オルソモザイク DEM 3D モデルやタイ ポイントなどの特定のデータ ピースは、完全な ReefShape ワークフロー スクリプトの再実行で削除して、適切に再生成できます。ユーザーが満足したら、エクスポートされたデータ製品をGISソフトウェアまたはタグラボに持ち込んでさまざまな分析パイプラインに取り込むことができます。これらのビジュアルは、代表的な結果を示しています。タイム.1には1,299枚の写真が含まれ、タイム.2には1,974枚の写真が含まれていました。すべての写真は各時点に適切に配置されており、結果のデータには穴や明らかな画質の問題があります。データは現実世界の正しい場所に表示され、最初の時点の地理参照誤差は約 30 センチメートルです。深さ誤差は2.3センチメートルです。スケーリング誤差は0.14ミリメートル、再投影誤差は1.12ピクセルです。時点間の誤差は約1ミリメートルです。プロットは、0.5ミリメートルの解像度で208平方メートルをカバーします。ローエンドのパソコンでは約8時間、ハイエンドのゲーミングパソコンでは2時間弱で各時点の全工程が完了しました。このプロトコルは、水中写真測量における主要な課題のいくつかに対処するために設計されました。特に、検出可能な永久コーナーマーカーとスケールバーの使用を通じて。現実世界の地理参照情報と組み合わせることで、Metashape 内の写真測量プロセス全体が自動化され、時間と労力が大幅に節約されます。 当社のReefShapeスクリプトには、標準的な写真アライメント手順の改善が含まれており、困難な条件下で整列された写真の数を増やし、データセット間の正確な時系列アライメントを容易にします。また、写真測量処理パイプラインの効率を高めるように設計されており、処理に非常に高価なコンピューターを使用する必要がなくなります。私たちの包括的な目標は、サンゴ礁の保護活動に情報を提供する重要な生態学的データを抽出しようとしている研究者にとって、水中写真測量をよりアクセスしやすく機能的なものにするための障壁を取り除くことです。