Reefshape: Um sistema para a coleta eficiente e processamento automatizado de dados de fotogrametria subaquática de séries temporais para monitoramento de habitat bentônico

ReefShape é um protocolo para a coleta e processamento automatizado de conjuntos de dados de fotogrametria subaquática de séries temporais georreferenciadas, monitoramento de habitat bentônico. A fotogrametria, ou imagem de grande área, é uma ferramenta que se tornou muito popular entre os pesquisadores de recifes de coral para criar modelos digitais 3D e mosaicos fotográficos ortorretificados 2D de alta resolução de seções dos bentos que podem ser posteriormente analisados em um computador para medir coisas como composição da comunidade ou complexidade estrutural. A coleta desse tipo de dados e séries temporais para monitoramento de recifes de coral é incrivelmente útil no contexto do rápido declínio global dos ecossistemas de corais. A fotogrametria subaquática como conceito é bastante simples. Envolve tirar centenas a milhares de imagens altamente sobrepostas de uma área que são inseridas na estrutura do software de fotogrametria de movimento para recriar as orientações das fotos na paisagem do recife em 3D. Um modelo de malha, um modelo digital de elevação e um ortomosaico 2D de cima para baixo podem ser gerados. Embora existam muitos protocolos para coletar dados de fotogrametria para monitoramento de recifes, eles geralmente se concentram na coleta de imagens e deixam as opções de processamento para pesquisadores individuais, o que pode ser muito demorado e tem uma curva de aprendizado íngreme. A automação desse processo é um desafio porque os modelos devem ser dimensionados adequadamente, localizados e alinhados com precisão a outros pontos de tempo para serem particularmente úteis para a análise de dados ecológicos. Desenvolvemos o ReefShape como uma forma de resolver esses problemas. Nosso método fornece uma solução para estabelecer gráficos de monitoramento permanente com dados de georreferenciamento do mundo real, coletando imagens de séries temporais e processando dados com eficiência usando um conjunto de scripts Python personalizados que automatizam totalmente e simplificam drasticamente o pipeline de processamento. Com um Agisoft Metashape Pro, o software de fotogrametria padrão da indústria. Nossos scripts produzem dados de séries temporais em escala e georreferenciados que são exportados nos formatos adequados para fluxos de trabalho de análise comuns e software GIS e laboratório de tags, um aplicativo desenvolvido especificamente para anotação rápida de ortomosaicos de recifes de coral. Contamos com o uso de quatro marcadores permanentes de controle de solo autodetectáveis que são fixados ao substrato quando uma parcela é estabelecida pela primeira vez. As profundidades e localizações GPS desses marcadores são coletadas no primeiro momento com um GPS Bluetooth e smartphone com uma pesquisa personalizada que está disponível gratuitamente e envia dados de localização pré-formatados por e-mail para o usuário. Para a coleta de dados, barras de escala temporárias são colocadas dentro do gráfico e a imagem é feita por um mergulhador ou mergulhador com uma única câmera e lente grande angular. Os pontos de tempo subsequentes exigem apenas realocar e limpar os marcadores de canto permanentes, colocar barras de escala e coletar imagens. No computador, nossos scripts personalizados do ReefShape facilitam o processamento automático e o alinhamento de séries temporais dos dados de imagens, economizando tempo e esforço significativos do pesquisador que podem ser investidos na análise de dados ecológicos. O processo começa com a preparação do equipamento, montagem de um kit de prancha de GPS, criação de barras de escala e criação de um arquivo de texto com seus comprimentos precisos, aquisição de marcadores de canto, montagem de um sistema de câmera e configuração das configurações corretas, configuração do software Metashape e instalação dos scripts ReefShape no computador de processamento. No campo, um terreno adequado deve primeiro ser escolhido. Como em qualquer protocolo de pesquisa subaquática, a segurança deve ser priorizada em todo esse processo. Este protocolo pode ser executado por um único pesquisador ou par de amigos e pode ser adaptado para qualquer tamanho de lote entre cerca de 25 metros quadrados e mais de mil metros quadrados. Mas recomendamos um tamanho de parcela base de 10 por 10 metros. Uma vez escolhido o terreno, o pesquisador instala os quatro marcadores de canto durante o mergulho usando uma marreta e pregos de alvenaria, tomando cuidado para não fraturar o substrato ou danificar os corais vivos. Os locais ideais são áreas de substrato relativamente plano e não vivo que são facilmente visíveis diretamente de cima e provavelmente não serão danificadas ou rapidamente biocorroídas, como esqueletos de corais muito porosos. Instale o marcador um no canto nordeste, o marcador dois, no sudeste, três, no sudoeste e quatro no noroeste, para consistência e facilidade de realocação, usando uma bússola e fita métrica, se necessário. Usando um medidor de profundidade, registre as profundidades de cada marcador em uma lousa de mergulho. Se a permissão ou a necessidade impedir o uso de marcadores permanentes, os temporários podem ser colocados e recuperados após a coleta de dados de foto e GPS. Depois que os marcadores de canto forem dispostos, coloque de três a cinco barras de escala em todo o terreno e use um peso de mergulho ou uma pequena pedra para prender cada uma e evitar o movimento. Como qualquer protocolo de fotogrametria, a aquisição de imagens é a etapa fundamental. Este protocolo pode funcionar com a maioria das câmeras subaquáticas com uma lente grande angular capaz de tirar fotos a uma taxa de uma foto por segundo, mas recomendamos especificamente um sistema de câmera com uma câmera sem espelho e lente retilínea grande angular com um campo de visão de cerca de 90 a cem graus ou uma distância focal equivalente a full frame de 18 a 22 milímetros, emparelhado com uma caixa subaquática e uma porta de cúpula que combina bem com a lente. O objetivo principal é manter imagens nítidas. E, portanto, recomendamos o uso do modo manual com uma abertura de F8.0, uma velocidade do obturador de 1/500 de segundo e ISO automático, para obter a exposição correta para cada quadro. Em condições mais escuras e profundas, uma abertura de F5.6 e uma velocidade do obturador de 1/320 de segundo podem ser usadas para aumentar a quantidade de luz e reduzir os níveis de ruído da imagem. O balanço de branco deve ser definido como personalizado. Um temporizador de intervalo de um segundo deve ser usado e um modo de foco automático que foca no início da coleta de imagens e permanece constante durante todo o processo de fotografia deve ser usado. A câmera deve ser configurada para gravar imagens JPEG e RAW simultaneamente. Navegue até a profundidade mediana dos gráficos e defina um balanço de branco personalizado na câmera usando um cartão cinza ou uma das extremidades da barra de escala. Começando em um canto, posicione a câmera apontada para baixo 1.5 a dois metros acima do substrato. Foco automático da câmera no recife e comece a coletar fotos a um quadro por segundo, nadando em direção a um canto adjacente. No gráfico, os retângulos azuis representam as posições das fotos para este gráfico e o retângulo destacado em vermelho demonstra o padrão de natação. Colete fotos cobrindo todo o terreno em pelo menos um buffer de meio metro ao redor do perímetro em uma série de passagens antiparalelas, espaçadas cerca de um metro entre si, consistentemente, um metro e meio a dois metros acima do recife. Ao concluir este primeiro conjunto de passes, gire 90 graus e colete um conjunto semelhante de passes, completando um padrão de grade. As fotos devem estar voltadas para baixo, exceto em áreas de alto relevo, onde a câmera deve ser ligeiramente inclinada obliquamente para apontar perpendicularmente à superfície do substrato. Após a fotografia, limpe o gráfico, deixando apenas os marcadores de canto instalados. De volta à superfície, recupere o kit GPS e nade sobre o gráfico usando a pesquisa ReefShape no ArcGIS Survey123 para coletar localizações de GPS acima de cada um dos quatro marcadores de canto. De volta ao barco, insira as informações de profundidade correspondentes a cada marcador e envie. Para pontos de tempo subsequentes, primeiro reposicione o gráfico e encontre os marcadores de canto usando os dados de GPS originais ou uma impressão do mosaico de fotos do ponto de tempo original, como referência, se necessário. Usando um cartão de plástico, raspe qualquer crescimento biótico das superfícies do marcador. Substitua quaisquer marcadores perdidos ou danificados pelo número de destino adequado e anote-o. Coloque barras de escala, defina o balanço de branco e colete imagens como antes. Para processar o primeiro ponto de tempo de um gráfico, escolha o fluxo de trabalho completo do ReefShape na barra de menus personalizada do ReefShape. Nomeie o projeto como o nome do lote. Nomeie a parte com a data de coleta da imagem. Importe suas fotos e salve o projeto. Em seguida, no painel geral, defina o sistema de coordenadas para WGS 84 mais EGM 96. As configurações do projeto selecionado são apresentadas nesta caixa de diálogo para o usuário modificar, se necessário. Os padrões devem ser apropriados para a maioria das situações. Selecione a pasta para exportações de dados e marque as caixas para as saídas desejadas, seja para software GIS padrão ou laboratório de tags. No painel de georreferenciamento, selecione sim para usar marcadores e localize o arquivo da barra de escala e o arquivo de georreferenciamento que foi enviado por e-mail para você. Por fim, clique em OK para iniciar o processo de fotogrametria. O pipeline personalizado será salvo automaticamente após cada etapa, permitindo que o usuário o execute novamente de qualquer ponto do processo sem perder o progresso. Após a conclusão, o script exportará todos os produtos de dados solicitados, um relatório de processamento e um arquivo de forma da região de interesse gerada automaticamente delimitada pelos marcadores de canto. Funções individuais úteis para este processo são incluídas como ferramentas independentes. no menu ReefShape, em particular, uma função é incluída para calcular automaticamente a proporção da área de superfície 3D para a área plana, uma métrica comum para estudar a complexidade estrutural dos recifes. Cada ponto de tempo de um gráfico será armazenado como um novo pedaço no mesmo projeto Metashape. Para pontos de tempo subsequentes, abra o projeto Metashape de plotagens e execute o script de pontos de tempo alinhados no menu ReefShape. Clique em criar bloco e nomeie-o com a data da coleta de imagens. Importe as fotos e selecione o ponto de tempo original como o bloco de referência e o novo como o bloco ativo. Se algum marcador de canto foi substituído debaixo d'água, anote isso na caixa suspensa. Clique em OK. Isso detectará marcadores e importará o georreferenciamento para os marcadores de canto do ponto de tempo original. Inspecione os marcadores e o georreferenciamento no painel de referência. Se algum marcador não foi detectado, coloque-o manualmente em pelo menos três imagens e execute novamente o script de ponto de tempo alinhado para reimportar os dados de referência corretamente. Em seguida, execute o script de fluxo de trabalho completo do ReefShape. Somente as configurações no painel geral precisam ser ajustadas, especialmente quais produtos de dados exportar e onde salvá-los. Os painéis de georreferenciamento e configuração do projeto podem ser deixados em branco. Clicar em OK concluirá o processo de fotogrametria e exportará produtos de dados alinhados à série temporal. Para cada ponto de tempo, é importante inspecionar o alinhamento e os produtos de dados quanto à precisão. Se surgir algum problema, pode ser necessária uma intervenção manual. Partes de dados específicas, como o modelo 3D DEM ortomosaico ou pontos de amarração, podem ser excluídos na execução completa do script de fluxo de trabalho do ReefShape para regenerá-los corretamente. Quando o usuário estiver satisfeito, ele poderá trazer os produtos de dados exportados para o software GIS ou para o laboratório de tags para vários pipelines de análise. Esses visuais demonstram resultados representativos. O tempo .1 incluiu 1.299 fotos e o tempo .2 incluiu 1.974. Todas as fotos foram alinhadas corretamente para cada ponto de tempo, e os dados resultantes têm buracos ou problemas óbvios de qualidade de imagem. Os dados aparecem no local correto do mundo real e o erro de georreferenciamento para o ponto de tempo inicial é de cerca de 30 centímetros. O erro de profundidade é de 2,3 centímetros. O erro de escala é de 0,14 milímetros e o erro de reprojeção é de 1,12 pixels. O erro entre os pontos de tempo é de cerca de um milímetro. O terreno cobre 208 metros quadrados com resolução de 0,5 milímetros. Todo o processo para cada ponto de tempo foi concluído em cerca de oito horas em um computador de baixo custo e em menos de duas horas, em um computador de jogos de última geração. Este protocolo foi projetado para abordar alguns dos principais desafios da fotogrametria subaquática. Em particular, através do uso de marcadores de canto permanentes detectáveis e barras de escala. Juntamente com as informações de georreferenciamento do mundo real, todo o processo de fotogrametria dentro do Metashape se torna automatizado, economizando tempo e esforço significativos. Nossos scripts ReefShape incluem melhorias no procedimento padrão de alinhamento de fotos que aumentam o número de fotos alinhadas em condições difíceis e ajudam a facilitar o alinhamento preciso de séries temporais entre conjuntos de dados. Eles também são projetados para aumentar a eficiência no pipeline de processamento de fotogrametria para evitar a necessidade de usar computadores muito caros para processamento. Nosso objetivo geral é remover barreiras para tornar a fotogrametria subaquática mais acessível e funcional para pesquisadores que buscam extrair dados ecológicos importantes para informar os esforços de conservação dos recifes de coral.