Reefshape: система эффективного сбора и автоматизированной обработки временных рядов данных подводной фотограмметрии для мониторинга бентических местообитаний

ReefShape – это протокол для сбора и автоматизированной обработки геопривязанных временных рядов данных подводных фотограмметрических наборов, мониторинга бентосных местообитаний. Фотограмметрия, или визуализация больших площадей, является инструментом, который стал очень популярным среди исследователей коралловых рифов для создания 3D-цифровых моделей и двухмерных фотомозаик с высоким разрешением ортотрансформированных фотомозаик участков бентоса, которые позже могут быть проанализированы на компьютере для измерения таких вещей, как состав сообщества или структурная сложность. Сбор такого рода данных и временных рядов для мониторинга коралловых рифов невероятно полезен в контексте быстрого глобального упадка коралловых экосистем. Подводная фотограмметрия как концепция достаточно проста. Он включает в себя получение от сотен до тысяч сильно перекрывающихся изображений области, которые вводятся в структуру с помощью программного обеспечения для фотограмметрии движения, чтобы воссоздать ориентацию фотографий в рифовом пейзаже в 3D. Затем можно создать сетчатую модель, цифровую модель рельефа и 2D-нисходящий ортофотоплан. Несмотря на то, что существует множество протоколов сбора фотограмметрических данных для мониторинга рифов, они часто сосредоточены на сборе изображений и оставляют варианты обработки на усмотрение отдельных исследователей, что может занять очень много времени и иметь крутую кривую обучения. Автоматизация этого процесса представляет собой сложную задачу, поскольку модели должны быть правильно масштабированы, расположены и точно выровнены по другим временным точкам, чтобы быть особенно полезными для анализа экологических данных. Мы разработали ReefShape как способ решения этих проблем. Наш метод предоставляет решение для создания графиков постоянного мониторинга с реальными данными геопривязки, эффективного сбора изображений временных рядов и обработки данных с использованием набора пользовательских скриптов Python, которые полностью автоматизируют и значительно упрощают конвейер обработки. С помощью Agisoft Metashape Pro, стандартного отраслевого программного обеспечения для фотограмметрии. Наши скрипты предоставляют масштабируемые и привязанные к местности данные временных рядов, которые экспортируются в соответствующих форматах для общих рабочих процессов анализа и программного обеспечения ГИС и лаборатории тегов, специально разработанного приложения для быстрого аннотирования ортофотопланов коралловых рифов. Мы полагаемся на использование четырех постоянных автоматически определяемых маркеров контроля грунта, которые крепятся к субстрату при первой разбивке участка. Глубина и GPS-местоположение этих маркеров собираются в первой временной точке с помощью Bluetooth GPS и смартфона с помощью пользовательского опроса, который находится в свободном доступе и отправляет пользователю предварительно отформатированные данные о местоположении по электронной почте. Для сбора данных временные масштабные линейки размещаются на графике, а изображение делается дайвером или снорклингистом с помощью одной камеры и широкоугольного объектива. Последующие временные точки требуют только перемещения и очистки постоянных угловых маркеров, размещения масштабных линеек и сбора изображений. На компьютере наши пользовательские скрипты ReefShape облегчают автоматическую обработку и выравнивание временных рядов данных изображений, экономя исследователю значительное время и усилия, которые можно вложить в анализ экологических данных. Процесс начинается с подготовки оборудования, сборки комплекта GPS-кикборда, создания масштабных линейок и создания текстового файла с их точной длиной, приобретения угловых маркеров, сборки системы камер и настройки правильных настроек, а также настройки программного обеспечения Metashape и установки скриптов ReefShape на компьютер для обработки данных. В полевых условиях в первую очередь нужно выбрать подходящий участок. Как и в случае с любым протоколом подводных исследований, безопасность должна быть приоритетом на протяжении всего процесса. Этот протокол может быть выполнен одним исследователем или парой напарников и может быть адаптирован для любого размера участка площадью от 25 квадратных метров до более тысячи квадратных метров. Но мы рекомендуем базовый участок размером 10 на 10 метров. После того, как участок выбран, исследователь устанавливает четыре угловых маркера, находясь на акваланге, используя кувалду и каменные гвозди, стараясь не сломать субстрат и не повредить живые кораллы. Идеальными местами являются участки относительно плоского неживого субстрата, которые легко видны прямо сверху и вряд ли будут повреждены или быстро подвергнуты биологической эрозии, например, очень пористые коралловые скелеты. Установите маркер один в северо-восточном углу, маркер два — в юго-восточном, третий — на юго-западе и четвертый — на северо-западе для последовательности и удобства перемещения, используя при необходимости компас и рулетку. С помощью глубиномера запишите глубину каждого маркера на доске для погружения. Если разрешение или необходимость не позволяют использовать постоянные маркеры, временные маркеры могут быть размещены и извлечены после сбора фотографий и данных GPS. После того, как угловые маркеры будут разложены, разместите от трех до пяти шкал по всему участку и используйте груз для дайвинга или небольшой камень, чтобы закрепить каждую из них и предотвратить движение. Как и в случае с любым протоколом фотограмметрии, получение изображения является ключевым этапом. Этот протокол может работать с любой подводной камерой с широкоугольным объективом, способной делать фотографии со скоростью один снимок в секунду, но мы особенно рекомендуем систему камер с беззеркальной камерой и широкоугольным прямолинейным объективом с полем зрения от 90 до ста градусов или эквивалентным фокусным расстоянием полного кадра от 18 до 22 миллиметров. В паре с подводным корпусом и купольным портом, который хорошо согласован с объективом. Ключевая цель — поддержание четкости изображения. И поэтому мы рекомендуем использовать ручной режим с диафрагмой F8.0, выдержкой 1/500 секунды и автоматическим ISO, чтобы добиться правильной экспозиции для каждого кадра. В более темных и глубоких условиях диафрагма F5.6 и выдержка 1/320 секунды могут использоваться для увеличения количества света и снижения уровня шума изображения. Баланс белого должен быть установлен на пользовательский. Следует использовать интервальный таймер в одну секунду и режим автофокусировки, который фокусируется в начале сбора изображения и остается постоянным на протяжении всего процесса фотосъемки. Камера должна быть настроена на одновременную запись изображений в форматах JPEG и RAW. Перейдите к медианной глубине графика и установите пользовательский баланс белого на камере с помощью серой карты или одного из концов масштабной линейки. Начиная с одного угла, расположите камеру на высоте от 1,5 до двух метров над подложкой. Автоматически сфокусируйте камеру на рифе и начните собирать фотографии со скоростью один кадр в секунду, плывя к соседнему углу. На графике синие прямоугольники представляют положения фотографий для этого графика, а выделенный красным прямоугольник демонстрирует схему плавания. Соберите фотографии, охватывающие весь участок в буфере не менее полутора метров по периметру в серии антипараллельных проходов, расположенных на расстоянии около одного метра друг от друга, последовательно, в полутора-двух метрах над рифом. Когда вы выполните этот первый набор проходов, повернитесь на 90 градусов и соберите такой же набор проходов, завершив схему сетки. Фотографии должны быть обращены вниз, за исключением областей с высоким рельефом, где камера должна быть слегка наклонена под углом, чтобы указывать перпендикулярно поверхности подложки. После фотосъемки наведите порядок на участке, оставив только установленные угловые маркеры. Вернувшись на поверхность, достаньте комплект GPS и проплывите над участком, используя съемку ReefShape в ArcGIS Survey123, чтобы собрать GPS-местоположения над каждым из четырех угловых маркеров. Вернитесь на лодку, введите информацию о глубине, соответствующую каждому маркеру, и отправьте ее. Для последующих временных точек сначала переместите график и найдите угловые маркеры, используя исходные данные GPS или распечатку исходной фотомозаики временных точек, в качестве эталона, если это необходимо. С помощью пластиковой карты соскребите с поверхностей маркера любой биотический нарост. Замените все потерянные или поврежденные маркеры правильным номером цели и запишите его. Разместите масштабные линейки, установите баланс белого и соберите изображения, как и раньше. Для обработки первой временной точки графика выберите полный рабочий процесс ReefShape в пользовательской строке меню ReefShape. Назовите проект в качестве имени графика. Назовите фрагмент с указанием даты сбора изображений. Импортируйте свои фотографии и сохраните проект. Далее на общей панели установите систему координат WGS 84 плюс EGM 96. Выбор настроек проекта представлен в этом диалоговом окне, чтобы пользователь мог изменить их при необходимости. Значения по умолчанию должны быть подходящими для большинства ситуаций. Выберите папку для экспорта данных и установите флажки для нужных выходных данных, либо для стандартного программного обеспечения ГИС, либо для лаборатории тегов. На панели географической привязки выберите «Да» для использования маркеров и найдите файл масштабной линейки и файл географической привязки, который был отправлен вам по электронной почте. Наконец, нажмите OK, чтобы начать процесс фотограмметрии. Пользовательский конвейер будет автоматически сохраняться после каждого шага, что позволит пользователю повторно запустить его с любой точки процесса без потери прогресса. По завершении скрипт экспортирует все запрошенные данные о продуктах, отчет об обработке и Shape-файл автоматически сгенерированной области интереса, ограниченной угловыми маркерами. Отдельные функции, полезные для этого процесса, включены в качестве автономных инструментов. в меню ReefShape, в частности, включена функция автоматического расчета 3D-отношения площади поверхности к плоской площади, что является обычной метрикой для изучения структурной сложности рифов. Каждая временная точка графика будет храниться как новый блок в том же проекте Metashape. Для последующих временных точек откройте проект Plots Metashape и запустите скрипт выровненных временных точек из меню ReefShape. Нажмите «Создать чанк» и назовите его, указав дату сбора изображения. Импортируйте фотографии, а затем выберите исходную временную точку в качестве опорной части и новую в качестве активной. Если какие-либо угловые маркеры были заменены под водой, отметьте это в выпадающем списке. Нажмите OK. Это обнаружит маркеры и импортирует географическую привязку для угловых маркеров из исходной временной точки. Проверьте маркеры и географическую привязку на справочной панели. Если какие-либо маркеры не были обнаружены, разместите их вручную по крайней мере на трех изображениях, а затем повторно запустите выровненный скрипт временных точек, чтобы правильно импортировать эталонные данные. Затем запустите полный скрипт рабочего процесса ReefShape. Нужно корректировать только настройки в общей панели, особенно какие данные о продуктах экспортировать и где их сохранять. Панели географической привязки и настройки проекта можно оставить пустыми. Нажатие кнопки «ОК» завершит процесс фотограмметрии и экспортирует выровненные по временным рядам продукты данных. Для каждой точки времени важно проверить выравнивание и продукты данных на точность. При возникновении каких-либо проблем может потребоваться ручное вмешательство. Определенные фрагменты данных, такие как ортофотопланная модель ЦМР 3D или связующие точки, могут быть удалены при повторном запуске полного сценария рабочего процесса ReefShape для их правильного восстановления. Как только пользователь будет удовлетворен результатом, он может перенести экспортированные данные в программное обеспечение ГИС или лабораторию тегов для различных конвейеров анализа. Эти визуальные элементы демонстрируют репрезентативные результаты. Время .1 включало 1299 фотографий, а время .2 включало 1974. Все фотографии были правильно выровнены для каждой временной точки, и полученные данные имеют пробелы или очевидные проблемы с качеством изображения. Данные отображаются в правильном реальном местоположении, а ошибка географической привязки для начальной точки времени составляет около 30 сантиметров. Погрешность глубины составляет 2,3 сантиметра. Ошибка масштабирования составляет 0,14 миллиметра, а ошибка репроекции — 1,12 пикселя. Погрешность между временными точками составляет около одного миллиметра. Площадь участка составляет 208 квадратных метров с разрешением 0,5 миллиметра. Весь процесс для каждой временной точки был завершен примерно за восемь часов на низкопроизводительном компьютере и менее чем за два часа на высокопроизводительном игровом компьютере. Этот протокол был разработан для решения некоторых из основных проблем подводной фотограмметрии. В частности, за счет использования обнаруживаемых постоянных угловых маркеров и масштабных линеек. В сочетании с реальной информацией о географической привязке весь процесс фотограмметрии в Metashape становится автоматизированным, что значительно экономит время и усилия. Наши скрипты ReefShape включают в себя улучшения стандартной процедуры выравнивания фотографий, которые увеличивают количество выровненных фотографий в сложных условиях и помогают облегчить точное выравнивание временных рядов между наборами данных. Они также предназначены для повышения эффективности процесса обработки фотограмметрии, чтобы избежать необходимости использования очень дорогих компьютеров для обработки. Наша главная цель состоит в том, чтобы устранить барьеры, чтобы сделать подводную фотограмметрию более доступной и функциональной для исследователей, желающих извлечь важные экологические данные для информирования об усилиях по сохранению коралловых рифов.