Reefshape: Bentik Habitat İzleme için Zaman Serisi Sualtı Fotogrametri Verilerinin Verimli Bir Şekilde Toplanması ve Otomatik İşlenmesi için Bir Sistem

ReefShape, coğrafi referanslı zaman serisi sualtı fotogrametrisi veri setlerinin bentik habitat izlemesinin toplanması ve otomatik olarak işlenmesi için bir protokoldür. Fotogrametri veya geniş alan görüntüleme, mercan kayalığı araştırmacıları arasında 3D dijital modeller ve benthos bölümlerinin yüksek çözünürlüklü 2D ortorektifiye fotoğraf mozaikleri oluşturmak için çok popüler hale gelen bir araçtır ve daha sonra topluluk kompozisyonu veya yapısal karmaşıklık gibi şeyleri ölçmek için bir bilgisayarda analiz edilebilir. Mercan kayalıklarının izlenmesi için bu tür veri ve zaman serilerinin toplanması, mercan ekosistemlerinin hızlı küresel düşüşü bağlamında inanılmaz derecede faydalıdır. Sualtı fotogrametrisi bir kavram olarak oldukça basittir. Resif manzarasındaki fotoğrafların yönlerini 3D olarak yeniden oluşturmak için hareket fotogrametrisi yazılımından yapıya girilen bir alanın yüzlerce ila binlerce örtüşen görüntüsünün çekilmesini içerir. Daha sonra bir ağ modeli, dijital yükseklik modeli ve 2B yukarıdan aşağıya ortomozaik oluşturulabilir. Resif izleme için fotogrametri verilerini toplamak için birçok protokol mevcut olsa da, genellikle görüntü toplamaya odaklanır ve işleme seçeneklerini bireysel araştırmacılara bırakır, bu da çok zaman alıcı olabilir ve dik bir öğrenme eğrisine sahiptir. Bu sürecin otomasyonu bir zorluktur, çünkü modellerin ekolojik veri analizi için özellikle yararlı olması için uygun şekilde ölçeklendirilmesi, konumlandırılması ve diğer zaman noktalarına tam olarak hizalanması gerekir. Bu sorunları çözmenin bir yolu olarak ReefShape'i geliştirdik. Yöntemimiz, gerçek dünya coğrafi referans verileriyle kalıcı izleme grafikleri oluşturmak, zaman serisi görüntülerini verimli bir şekilde toplamak ve işleme hattını tamamen otomatikleştiren ve önemli ölçüde basitleştiren bir dizi özel Python betiği kullanarak verileri işlemek için bir çözüm sağlar. Endüstri standardı fotogrametri yazılımı olan Agisoft Metashape Pro ile. Komut dosyalarımız, yaygın analiz iş akışları ve mercan resifi ortomozaiklerinin hızlı bir şekilde açıklanması için amaca yönelik bir uygulama olan GIS yazılımı ve etiket laboratuvarı için uygun biçimlerde dışa aktarılan ölçeklendirilmiş ve coğrafi referanslı zaman serisi verileri sağlar. Bir arsa ilk kurulduğunda alt tabakaya sabitlenen dört kalıcı, otomatik algılanabilir yer kontrol işaretleyicisinin kullanımına güveniyoruz. Bu işaretçilerin derinlikleri ve GPS konumları, ücretsiz olarak kullanılabilen özel bir ankete sahip bir Bluetooth GPS ve akıllı telefon ile ilk zaman noktasında toplanır ve önceden biçimlendirilmiş konum verilerini kullanıcıya e-posta ile gönderir. Veri toplama için, çizim içine geçici ölçek çubukları yerleştirilir ve görüntüleme, tek bir kamera ve geniş açılı lens ile bir dalgıç veya şnorkel tarafından yapılır. Sonraki zaman noktaları, yalnızca kalıcı köşe işaretleyicilerinin yerinin değiştirilmesini ve temizlenmesini, ölçek çubuklarının yerleştirilmesini ve görüntülerin toplanmasını gerektirir. Bilgisayarda, özel ReefShape komut dosyalarımız, görüntü verilerinin otomatik olarak işlenmesini ve zaman serisi hizalamasını kolaylaştırarak, araştırmacının ekolojik veri analizine yatırım yapabilecek önemli ölçüde zaman ve emekten tasarruf etmesini sağlar. Süreç, ekipman hazırlığı, bir GPS kickboard kitinin montajı, ölçek çubukları oluşturma ve kesin uzunluklarına sahip bir metin dosyası oluşturma, köşe işaretleyicileri temin etme, bir kamera sistemi kurma ve doğru ayarları yapılandırma ve Metashape yazılımının kurulması ve ReefShape komut dosyalarının işleme bilgisayarına yüklenmesi ile başlar. Alanda öncelikle uygun bir arsa seçilmelidir. Herhangi bir sualtı araştırma protokolünde olduğu gibi, bu süreç boyunca güvenliğe öncelik verilmelidir. Bu protokol tek bir araştırmacı veya arkadaş çifti tarafından yürütülebilir ve yaklaşık 25 metrekare ile bin metrekare arasındaki herhangi bir arsa büyüklüğü için uyarlanabilir. Ancak 10 x 10 metrelik bir temel arsa boyutu öneriyoruz. Bir arsa seçildikten sonra, araştırmacı, alt tabakayı kırmamaya veya canlı mercanlara zarar vermemeye özen göstererek, bir balyoz ve duvar çivileri kullanarak tüplü dalış sırasında dört köşe işaretleyicisini kurar. İdeal konumlar, çok gözenekli mercan iskeletleri gibi, doğrudan yukarıdan kolayca görülebilen ve hasar görmesi veya hızlı bir şekilde biyolojik olarak aşınması muhtemel olmayan, nispeten düz, cansız alt tabaka alanlarıdır. Tutarlılık ve yer değiştirme kolaylığı için birinci işaretçiyi kuzeydoğu köşesine, ikinci işaretçiyi güneydoğuya, üçünü güneybatıya ve dördünü kuzeybatıya takın, gerekirse bir pusula ve şerit metre kullanın. Bir derinlik ölçer kullanarak, her bir işaretleyicinin derinliklerini bir dalış tahtasına kaydedin. İzin verilmesi veya gereklilik kalıcı işaretleyicilerin kullanılmasını engelliyorsa, fotoğraf ve GPS verileri toplandıktan sonra geçici olanlar yerleştirilebilir ve geri alınabilir. Köşe işaretleri yerleştirildikten sonra, çizim boyunca üç ila beş ölçek çubuğu yerleştirin ve her birini sabitlemek ve hareketi önlemek için bir dalış ağırlığı veya küçük bir kaya kullanın. Herhangi bir fotogrametri protokolü gibi, görüntü elde etme de önemli bir adımdır. Bu protokol, saniyede bir fotoğraf hızında fotoğraf çekebilen geniş açılı lense sahip herhangi bir su altı kamerasıyla çalışabilir, ancak özellikle aynasız bir kamera ve yaklaşık 90 ila yüz derecelik bir görüş alanına sahip geniş açılı doğrusal lensli bir kamera sistemi veya 18 ila 22 milimetre arasında tam kare eşdeğeri odak uzaklığına sahip bir kamera sistemi öneririz. bir su altı muhafazası ve lense iyi uyum sağlayan bir kubbe bağlantı noktası ile eşleştirilmiştir. Temel amaç, keskin görüntüleri korumaktır. Bu nedenle, her kare için doğru pozlamayı elde etmek için F8.0 diyafram açıklığı, saniyenin 1/500'ü enstantane hızı ve otomatik ISO ile manuel modu kullanmanızı öneririz. Daha karanlık ve daha derin koşullarda, ışık miktarını artırmak ve görüntü parazit seviyelerini azaltmak için F5.6 diyafram açıklığı ve saniyenin 1/320'si enstantane hızı kullanılabilir. Beyaz dengesi özel olarak ayarlanmalıdır. Bir saniyelik bir aralık zamanlayıcı kullanılmalı ve görüntü toplamanın başında odaklanan ve fotoğraf işlemi boyunca sabit kalan bir otomatik odaklama modu kullanılmalıdır. Kamera, JPEG ve RAW görüntüleri aynı anda kaydedecek şekilde ayarlanmalıdır. Grafiklerin medyan derinliğine gidin ve gri bir kart veya ölçek çubuğu uçlarından birini kullanarak kamerada özel bir beyaz dengesi ayarlayın. Bir köşeden başlayarak, kamerayı alt tabakanın 1,5 ila iki metre yukarısına bakacak şekilde konumlandırın. Kamerayı resife otomatik olarak odaklayın ve bitişik bir köşeye doğru yüzerek saniyede bir kare hızında fotoğraf toplamaya başlayın. Grafikte, mavi dikdörtgenler bu çizim için fotoğraf konumlarını temsil eder ve kırmızı vurgulu dikdörtgen yüzme desenini gösterir. Tüm arsayı kaplayan fotoğrafları, resifin bir buçuk ila iki metre yukarısında, tutarlı bir şekilde, yaklaşık bir metre aralıklı, bir dizi anti-paralel geçişte, çevre çevresinde en az yarım metrelik bir tamponda toplayın. Bu ilk geçiş setini tamamladığınızda, 90 derece dönün ve bir ızgara desenini tamamlayarak benzer bir geçiş seti toplayın. Fotoğraflar, kameranın alt tabaka yüzeyine dik olacak şekilde hafifçe eğik bir şekilde eğilmesi gereken yüksek kabartma alanları dışında aşağı bakmalıdır. Fotoğraftan sonra, yalnızca kurulu köşe işaretçilerini bırakarak grafiği temizleyin. Yüzeye geri döndüğünüzde, GPS kitini alın ve dört köşe işaretçisinin her birinin üzerindeki GPS konumlarını toplamak için ArcGIS Survey123'teki ReefShape araştırmasını kullanarak arsa üzerinde yüzün. Tekneye geri dönün, her bir işaretleyiciye karşılık gelen derinlik bilgilerini girin ve gönderin. Sonraki zaman noktaları için, önce grafiğin yerini değiştirin ve gerekirse orijinal GPS verilerini veya orijinal zaman noktası fotoğraf mozaiğinin bir çıktısını referans olarak kullanarak köşe işaretleyicilerini bulun. Plastik bir kart kullanarak, işaretleyici yüzeylerden herhangi bir biyotik büyümeyi kazıyın. Kaybolan veya hasar gören işaretleyicileri uygun hedef numarayla değiştirin ve not edin. Ölçek çubuklarını yerleştirin, beyaz dengesini ayarlayın ve görüntüleri daha önce olduğu gibi toplayın. Bir grafiğin ilk zaman noktasını işlemek için, ReefShape özel menü çubuğundan tam ReefShape iş akışını seçin. Projeyi arsa adı olarak adlandırın. Öbeği görüntü toplama tarihiyle adlandırın. Fotoğraflarınızı içe aktarın ve projeyi kaydedin. Ardından, genel panelde koordinat sistemini WGS 84 artı EGM 96 olarak ayarlayın. Seçili proje ayarları, kullanıcının gerektiğinde değiştirmesi için bu iletişim kutusunda sunulur. Varsayılanlar çoğu durum için uygun olmalıdır. Veri dışa aktarmaları için klasörü seçin ve standart GIS yazılımı veya etiket laboratuvarı için istenen çıktılar için kutuları işaretleyin. Coğrafi başvurular panelinde, işaretçileri kullanmak için evet'i seçin ve ölçek çubuğu dosyanızı ve size e-postayla gönderilen coğrafi başvurulama dosyasını bulun. Son olarak, fotogrametri işlemine başlamak için Tamam'ı tıklayın. Özel işlem hattı her adımdan sonra otomatik olarak kaydedilir ve kullanıcının ilerlemeyi kaybetmeden işlemin herhangi bir noktasından yeniden çalıştırmasına olanak tanır. Tamamlandıktan sonra, komut dosyası istenen tüm veri ürünlerini, bir işleme raporunu ve köşe işaretçileri tarafından sınırlanan otomatik olarak oluşturulan ilgi alanının bir Şekil dosyasını dışa aktarır. Bu işlem için yararlı olan bireysel işlevler, bağımsız araçlar olarak dahil edilmiştir. ReefShape menüsünde, özellikle, resiflerdeki yapısal karmaşıklığı incelemek için yaygın bir ölçüm olan 3B yüzey alanı / düzlemsel alan oranını otomatik olarak hesaplamak için bir işlev dahil edilmiştir. Bir grafiğin her zaman noktası, aynı Metashape projesinde yeni bir yığın olarak saklanacaktır. Sonraki zaman noktaları için, çizimler Metashape projesini açın ve ReefShape menüsünden hizalanmış zaman noktaları komut dosyasını çalıştırın. Yığın oluştur'a tıklayın ve görüntü toplama tarihiyle adlandırın. Fotoğrafları içe aktarın ve ardından referans öbek olarak orijinal zaman noktasını ve etkin öbek olarak yenisini seçin. Su altında herhangi bir köşe işaretçisi değiştirildiyse, bunu açılır kutuya not edin. Tamam'a tıklayın. Bu, işaretçileri algılar ve köşe işaretçileri için coğrafi referansı orijinal zaman noktasından içe aktarır. Referans panelindeki işaretçileri ve coğrafi referanslamayı inceleyin. Herhangi bir işaretçi algılanmadıysa, bunları en az üç görüntüye manuel olarak yerleştirin ve ardından referans verilerini düzgün bir şekilde yeniden içe aktarmak için hizalanmış zaman noktası komut dosyasını yeniden çalıştırın. Ardından, tam ReefShape iş akışı komut dosyasını çalıştırın. Yalnızca genel paneldeki ayarların, özellikle de hangi veri ürünlerinin dışa aktarılacağı ve bunların nereye kaydedileceği konusunda ayarlanması gerekir. Coğrafi referans ve proje kurulum panelleri boş bırakılabilir. Tamam'a tıklamak fotogrametri işlemini tamamlar ve zaman serisi hizalanmış veri ürünlerini dışa aktarır. Her zaman noktası için hizalama ve veri ürünlerinin doğruluğunu incelemek önemlidir. Herhangi bir sorun ortaya çıkarsa, manuel müdahale gerekebilir. Ortomozaik DEM 3D modeli veya bağlantı noktaları gibi belirli veri parçaları, düzgün bir şekilde yeniden oluşturmak için tam ReefShape iş akışı komut dosyası yeniden çalıştırılmasında silinebilir. Kullanıcı memnun kaldığında, dışa aktarılan veri ürünlerini çeşitli analiz boru hatları için CBS yazılımına veya etiket laboratuvarına getirebilir. Bu görseller temsili sonuçları göstermektedir. Time .1 biri 1.299 fotoğraf ve zaman .2 1.974 fotoğraf içeriyordu. Tüm fotoğraflar her zaman noktası için düzgün bir şekilde hizalandı ve elde edilen verilerde delikler veya bariz görüntü kalitesi sorunları var. Veriler doğru gerçek dünya konumunda görünür ve ilk zaman noktası için coğrafi referans hatası yaklaşık 30 santimetredir. Derinlik hatası 2,3 santimetredir. Ölçekleme hatası 0,14 milimetre ve yeniden projeksiyon hatası 1,12 pikseldir. Zaman noktaları arasındaki hata yaklaşık bir milimetredir. Arsa, 0,5 milimetre çözünürlükte 208 metrekareyi kapsıyor. Her bir zaman noktası için tüm süreç, düşük kaliteli bir bilgisayarda yaklaşık sekiz saatte, üst düzey bir oyun bilgisayarında ise iki saatten daha kısa sürede tamamlandı. Bu protokol, sualtı fotogrametrisindeki bazı temel zorlukları ele almak için tasarlanmıştır. Özellikle, algılanabilir kalıcı köşe işaretleyicileri ve ölçek çubuklarının kullanılmasıyla. Gerçek dünya coğrafi referans bilgileriyle birleştiğinde, Metashape içindeki tüm fotogrametri süreci otomatik hale gelir ve önemli ölçüde zaman ve emek tasarrufu sağlar. ReefShape komut dosyalarımız, zor koşullarda hizalanmış fotoğrafların sayısını artıran ve veri kümeleri arasında hassas zaman serisi hizalamasını kolaylaştırmaya yardımcı olan standart fotoğraf hizalama prosedüründe iyileştirmeler içerir. Ayrıca, işleme için çok pahalı bilgisayarlar kullanma ihtiyacını ortadan kaldırmak için fotogrametri işleme hattında verimliliği artırmak üzere tasarlanmıştır. Kapsayıcı hedefimiz, mercan kayalıklarını koruma çabalarını bilgilendirmek için önemli ekolojik verileri elde etmek isteyen araştırmacılar için su altı fotogrametrisini daha erişilebilir ve işlevsel hale getirmek için engelleri kaldırmaktır.