Reefshape: 저서 서식지 모니터링을 위한 시계열 수중 사진 측량 데이터의 효율적인 수집 및 자동 처리를 위한 시스템

ReefShape는 지리 참조 시계열 수중 사진 측량 데이터 세트 저서 서식지 모니터링의 수집 및 자동 처리를 위한 프로토콜입니다. 사진 측량 또는 대면적 이미징은 산호초 연구자들 사이에서 3D 디지털 모델과 저서생물 섹션의 고해상도 2D 정사 정선 사진 모자이크를 생성하기 위해 매우 인기를 얻고 있는 도구로, 나중에 컴퓨터에서 분석하여 군집 구성이나 구조적 복잡성과 같은 것을 측정할 수 있습니다. 산호초 모니터링을 위해 이러한 종류의 데이터와 시계열을 수집하는 것은 산호 생태계가 전 세계적으로 급격히 쇠퇴하는 상황에서 매우 유용합니다. 개념으로서의 수중 사진 측량은 매우 간단합니다. 여기에는 모션 사진 측량 소프트웨어에서 구조에 입력되는 수백에서 수천 개의 고도로 겹치는 영역 이미지를 촬영하여 산호초 풍경에서 사진의 방향을 3D로 재현하는 작업이 포함됩니다. 그런 다음 메쉬 모델, 디지털 표고 모델 및 2D 하향식 정사모자이크를 생성할 수 있습니다. 산호초 모니터링을 위한 사진 측량 데이터를 수집하기 위한 많은 프로토콜이 존재하지만 이미지 수집에 초점을 맞추고 처리 옵션을 개별 연구원에게 맡기는 경우가 많기 때문에 시간이 많이 걸리고 학습 곡선이 가파르게 느껴집니다. 생태 데이터 분석에 특히 유용하려면 모델이 적절하게 확장되고, 위치가 지정되고, 다른 시점에 정확하게 정렬되어야 하기 때문에 이 프로세스의 자동화는 어려운 과제입니다. 우리는 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 ReefShape를 개발했습니다. 우리의 방법은 실제 지리 참조 데이터로 영구 모니터링 플롯을 설정하고, 시계열 이미지를 효율적으로 수집하고, 처리 파이프라인을 완전히 자동화하고 획기적으로 단순화하는 사용자 정의 Python 스크립트 세트를 사용하여 데이터를 처리하기 위한 솔루션을 제공합니다. 업계 표준 사진 측량 소프트웨어인 Agisoft Metashape Pro를 사용합니다. 당사의 스크립트는 일반적인 분석 워크플로와 산호초 정사모자이크의 신속한 주석을 위해 특별히 제작된 애플리케이션인 GIS 소프트웨어 및 태그 랩에 적합한 형식으로 내보내는 확장 및 지리 참조 시계열 데이터를 생성합니다. 우리는 플롯이 처음 설정될 때 기판에 고정되는 4개의 영구적인 자동 감지 가능한 지상 제어 마커를 사용합니다. 이러한 마커의 깊이와 GPS 위치는 Bluetooth GPS 및 스마트폰을 사용하여 첫 번째 시점에서 수집되며 무료로 사용할 수 있는 맞춤형 측량이 가능하며 미리 형식화된 위치 데이터를 사용자에게 이메일로 보냅니다. 데이터 수집을 위해 임시 스케일 바가 플롯 내에 배치되고 이미징은 단일 카메라와 광각 렌즈를 사용하여 다이버 또는 스노클러가 수행합니다. 후속 시점에서는 영구 모서리 마커를 재배치 및 청소하고, 축척 막대를 배치하고, 이미지를 수집하기만 하면 됩니다. 컴퓨터에서 당사의 맞춤형 ReefShape 스크립트는 이미지 데이터의 자동 처리 및 시계열 정렬을 용이하게 하여 연구원이 생태 데이터 분석에 대신 투자할 수 있는 상당한 시간과 노력을 절약합니다. 이 프로세스는 장비 준비, GPS 킥보드 키트 조립, 스케일 바 생성, 정확한 길이의 텍스트 파일 만들기, 코너 마커 조달, 카메라 시스템 조립, 올바른 설정 구성, Metashape 소프트웨어 설정 및 처리 컴퓨터에 ReefShape 스크립트 설치로 시작됩니다. 현장에서는 먼저 적합한 플롯을 선택해야 합니다. 모든 수중 연구 프로토콜과 마찬가지로 이 과정 전반에 걸쳐 안전을 최우선으로 생각해야 합니다. 이 프로토콜은 단일 연구원 또는 친구 쌍이 실행할 수 있으며 약 25제곱미터에서 1,000제곱미터 이상의 모든 플롯 크기에 적용할 수 있습니다. 그러나 기본 플롯 크기는 10 x 10미터를 권장합니다. 플롯이 선택되면 연구원은 스쿠버 중에 큰 망치와 석조 못을 사용하여 네 모서리 마커를 설치하고 기질이 부러지거나 살아있는 산호가 손상되지 않도록 주의합니다. 이상적인 위치는 매우 다공성 산호 골격과 같이 바로 위에서 쉽게 볼 수 있고 손상되거나 빠르게 생물 침식될 가능성이 없는 비교적 평평한 무생물 기질 영역입니다. 필요한 경우 나침반과 줄자를 사용하여 일관성과 재배치의 용이성을 위해 북동쪽 모서리에 마커 1, 남동쪽에 마커 2, 남서쪽에 3개, 북서쪽에 4개를 설치합니다. 수심 게이지를 사용하여 다이빙 슬레이트에 각 마커의 깊이를 기록합니다. 허락하거나 필요에 따라 영구 마커를 사용할 수 없는 경우 사진 및 GPS 데이터 수집 후 임시 마커를 배치하고 검색할 수 있습니다. 코너 마커를 배치한 후 플롯 전체에 3-5개의 스케일 바를 배치하고 다이빙 웨이트 또는 작은 바위를 사용하여 각 스케일 바를 고정하고 움직이지 않도록 합니다. 다른 사진 측량 프로토콜과 마찬가지로 이미지 획득이 핵심 단계입니다. 이 프로토콜은 초당 한 장의 속도로 사진을 찍을 수 있는 광각 렌즈가 있는 대부분의 수중 카메라에서 작동할 수 있지만 특히 미러리스 카메라와 광각 직선 렌즈가 있는 카메라 시스템을 권장합니다. 수중 하우징과 렌즈와 잘 어울리는 돔 포트와 짝을 이룹니다. 주요 목표는 선명한 이미지를 유지하는 것입니다. 따라서 모든 프레임에 대해 올바른 노출을 얻으려면 조리개 F8.0, 셔터 속도 1/500초, 자동 ISO의 수동 모드를 사용하는 것이 좋습니다. 더 어둡고 깊은 조건에서는 F5.6의 조리개와 1/320초의 셔터 속도를 사용하여 빛의 양을 늘리고 이미지 노이즈 수준을 줄일 수 있습니다. 화이트 밸런스는 사용자 지정으로 설정해야 합니다. 1초의 인터벌 타이머를 사용해야 하며 이미지 수집 시작 시 초점을 맞추고 사진 촬영 과정 내내 일정하게 유지되는 자동 초점 모드를 사용해야 합니다. 카메라는 JPEG 및 RAW 이미지를 동시에 기록하도록 설정해야 합니다. 플롯 중앙값 깊이로 이동하여 그레이 카드 또는 스케일 바 끝 중 하나를 사용하여 카메라에서 사용자 정의 화이트 밸런스를 설정합니다. 한쪽 모서리에서 시작하여 기판 위 1.5-2미터 아래를 향하게 카메라를 배치합니다. 암초에 카메라의 자동 초점을 맞추고 초당 한 프레임으로 사진 수집을 시작하여 인접한 모서리를 향해 헤엄칩니다. 그래픽에서 파란색 사각형은 이 플롯의 사진 위치를 나타내고 빨간색으로 강조 표시된 사각형은 수영 패턴을 나타냅니다. 암초 위 1.5미터에서 2미터 간격으로 일관되게 간격을 두고 일련의 반평행 패스를 통해 둘레 주변에 최소 반 미터 버퍼에 전체 플롯을 덮는 사진을 수집합니다. 이 첫 번째 패스 세트를 완료하면 90도 회전하여 비슷한 패스 세트를 수집하여 그리드 패턴을 완성합니다. 사진은 카메라가 기판 표면에 수직을 가리키도록 약간 비스듬히 기울여야 하는 고부조 영역을 제외하고는 아래쪽을 향해야 합니다. 사진 촬영 후 설치된 모서리 마커만 남겨두고 플롯을 정리하십시오. 표면으로 돌아와 GPS 키트를 검색하고 ArcGIS Survey123의 ReefShape 측량을 사용하여 플롯 위로 헤엄쳐 가서 네 모서리 마커 위의 GPS 위치를 수집합니다. 보트로 돌아와 각 마커에 해당하는 수심 정보를 입력하고 제출합니다. 후속 시점의 경우 먼저 플롯을 재배치하고 필요한 경우 원본 GPS 데이터 또는 원본 시점 사진 모자이크의 인쇄물을 참조로 사용하여 모서리 마커를 찾습니다. 플라스틱 카드를 사용하여 마커 표면에서 생물학적 성장을 긁어냅니다. 분실되거나 손상된 마커를 적절한 대상 번호로 교체하고 기록해 두십시오. 스케일 바를 배치하고 화이트 밸런스를 설정하고 이전과 같이 이미지를 수집합니다. 플롯의 첫 번째 시점을 처리하려면 ReefShape 사용자 정의 메뉴 모음에서 전체 ReefShape 워크플로를 선택합니다. 플롯 이름으로 프로젝트 이름을 지정합니다. 이미지 수집 날짜로 청크의 이름을 지정합니다. 사진을 가져오고 프로젝트를 저장합니다. 그런 다음 일반 패널에서 좌표계를 WGS 84 플러스 EGM 96으로 설정합니다. 필요한 경우 사용자가 수정할 수 있도록 프로젝트 설정 선택이 이 대화 상자에 표시됩니다. 기본값은 대부분의 상황에 적합해야 합니다. 데이터 내보내기를 위한 폴더를 선택하고 표준 GIS 소프트웨어 또는 태그 랩에 대해 원하는 출력에 대한 상자를 선택합니다. 지리 참조 패널에서 마커 사용에 대해 예를 선택하고 축척 막대 파일과 이메일로 전송된 지리 참조 파일을 찾습니다. 마지막으로 확인을 클릭하여 사진 측량 프로세스를 시작합니다. 사용자 지정 파이프라인은 각 단계 후에 자동으로 저장되므로 사용자는 진행 상황을 잃지 않고 프로세스의 어느 시점에서나 다시 실행할 수 있습니다. 완료되면 스크립트는 요청된 모든 데이터 제품, 처리 보고서 및 모서리 마커로 둘러싸인 자동으로 생성된 관심 영역의 모양 파일을 내보냅니다. 이 프로세스에 유용한 개별 기능은 독립 실행형 도구로 포함됩니다. 특히 ReefShape 메뉴에는 산호초의 구조적 복잡성을 연구하는 일반적인 지표인 3D 표면적 대 평면 면적 비율을 자동으로 계산하는 기능이 포함되어 있습니다. 플롯의 각 시점은 동일한 메타셰이프 프로젝트에 새 청크로 저장됩니다. 후속 시점의 경우 플롯 메타 쉐이프 프로젝트를 열고 ReefShape 메뉴에서 정렬된 시점 스크립트를 실행합니다. 청크 만들기를 클릭하고 이미지 수집 날짜로 이름을 지정합니다. 사진을 가져온 다음 원래 시점을 참조 청크로 선택하고 새 시점을 활성 청크로 선택합니다. 수중에서 모서리 마커를 교체한 경우 드롭다운 상자에 이를 기록해 두십시오. 확인을 클릭합니다. 이렇게 하면 마커가 감지되고 원래 시점에서 코너 마커에 대한 지리 참조를 가져옵니다. 참조 패널에서 마커 및 지리 참조를 검사합니다. 마커가 감지되지 않은 경우 최소 3개의 이미지에 수동으로 배치한 다음 정렬된 시점 스크립트를 다시 실행하여 참조 데이터를 올바르게 다시 가져옵니다. 다음으로, 전체 ReefShape 워크플로 스크립트를 실행합니다. 일반 패널의 설정, 특히 내보낼 데이터 제품과 저장할 위치만 조정하면 됩니다. 지리 참조 및 프로젝트 설정 패널은 비워 둘 수 있습니다. 확인을 클릭하면 사진 측량 프로세스가 완료되고 시계열 정렬 데이터 제품을 내보냅니다. 각 시점에 대해 정렬 및 데이터 곱의 정확성을 검사하는 것이 중요합니다. 문제가 발생하면 수동 개입이 필요할 수 있습니다. 정사모자이크 DEM 3D 모델 또는 타이 포인트와 같은 특정 데이터 조각은 전체 ReefShape 워크플로 스크립트 재실행에서 삭제하여 올바르게 재생성할 수 있습니다. 사용자가 만족하면 내보낸 데이터 제품을 GIS 소프트웨어로 가져오거나 다양한 분석 파이프라인을 위해 랩에 태그를 지정할 수 있습니다. 이러한 시각적 개체는 대표적인 결과를 보여줍니다. 시간 .1에는 1,299장의 사진이 포함되었고 시간 .2에는 1,974장의 사진이 포함되었습니다. 모든 사진은 각 시점에 맞게 적절하게 정렬되었으며 결과 데이터에는 구멍이 있거나 명백한 이미지 품질 문제가 있습니다. 데이터는 올바른 실제 위치에 나타나며 초기 시점에 대한 지리 참조 오류는 약 30센티미터입니다. 깊이 오차는 2.3cm입니다. 배율 오차는 0.14mm이고 재투영 오차는 1.12픽셀입니다. 시점 사이의 오차는 약 1mm입니다. 플롯은 0.5mm 해상도로 208제곱미터를 차지합니다. 각 시점의 전체 프로세스는 저가형 컴퓨터에서는 약 8시간, 고급형 게이밍 컴퓨터에서는 2시간도 채 안 되어 완료되었습니다. 이 프로토콜은 수중 사진 측량의 주요 과제 중 일부를 해결하기 위해 설계되었습니다. 특히 감지 가능한 영구 모서리 마커와 스케일 바를 사용합니다. 실제 지리 참조 정보와 결합하면 Metashape 내의 전체 사진 측량 프로세스가 자동화되어 상당한 시간과 노력을 절약할 수 있습니다. 당사의 ReefShape 스크립트에는 어려운 조건에서 정렬된 사진의 수를 늘리고 데이터 세트 간의 정확한 시계열 정렬을 용이하게 하는 데 도움이 되는 표준 사진 정렬 절차에 대한 개선 사항이 포함되어 있습니다. 또한 사진 측량 처리 파이프라인의 효율성을 높여 처리를 위해 매우 비싼 컴퓨터를 사용할 필요가 없도록 설계되었습니다. 우리의 가장 중요한 목표는 산호초 보존 노력에 정보를 제공하기 위해 중요한 생태 데이터를 추출하려는 연구자들이 수중 사진 측량에 더 쉽게 접근하고 기능적으로 만들 수 있도록 장벽을 제거하는 것입니다.