Реконструктивное восстановление: как происходит фотограмметрия кораллов

«Десять на пять метров вроде бы и немного, но это довольно большая площадь, когда плывешь туда-обратно, вверх-вниз, а потом вдоль и поперёк», — объясняет Кейт Крэггс. Но зачем она вообще плыла по такой странной схеме будто фигура по шахматной доске? Ответ можно дать одним коротким словом — «фотограмметрия». Однако, если вам знакома история нашего партнерства с Coral Spawning International и Nature Seychelles, вы знаете, что реальный ответ гораздо глубже.

Не стоит пугаться названия. Фотограмметрия — увлекательная область науки и техники, особенно когда её применяют к коралловым рифам Сейшел. «Вы делаете множество фотографий, а затем объединяете их с помощью программного обеспечения для обработки изображений», — объясняет доктор Джейми Крэггс. Программное обеспечение совмещает изображения, чтобы вы могли объединить двумерные снимки в трёхмерную модель.

Даже краткое объяснение ясно показывает, почему этот инструмент так полезен для доктора Крэггса и его коллег-морских биологов. Он позволяет перенести результаты подводных исследований на сушу, чтобы изучать, оценивать и, что самое важное, измерять каждый аспект жизнедеятельности рифов, которые они восстанавливают. Со временем они смогут чётко увидеть влияние своей работы, выходящее за рамки любования красотой растущих кораллов. Фотограмметрия находится на завершающем этапе процесса и, как говорит Кейт, это может быть непросто.

«Мы выбрали шесть участков для изучения на территории специального заповедника на острове Кузин. На трёх из них мы накрыли риф куском брезента, а затем поместили под него новые коралловые личинки, чтобы способствовать их оседанию на данном участке», — поясняет доктор Крэггс. Кейт и команда Nature Seychelles тщательно измерили каждый участок, используя верёвку, чтобы выстроить линии пересечения и установили маркеры масштаба, чтобы иметь точки отсчёта для измерений. «Каждый маркер имеет уникальный кодированный шаблон, что позволяет фотограмметрическому программному обеспечению распознавать их и затем точно масштабировать 3D-модель», — добавляет доктор Крэггс. Когда погружения для измерений завершены, начинается этап фотографирования.

Каждый сантиметр должен быть снят на камеру, и это не так просто, как может показаться. «Это сложно, потому что нельзя предсказать течение и волны», — объясняет Кейт. «Поддерживать постоянную скорость и высоту над рифом оказалось непросто. Когда кораллы имеют разную высоту, приходится постоянно корректировать глубину, проплывая с камерой над рифом». Точность здесь очень важна, и поэтому правильные инструменты имеют огромное значение.

Она использует широкоугольный объектив на Canon EOS R5 Mark II в водонепроницаемом корпусе. Как можно ожидать, снимки, которые она делает — один кадр в секунду — получаются чёткими, с точной цветопередачей и высокой точностью. «Это даёт нам превосходную детализацию», — добавляет доктор Крэггс. «И это действительно впечатляет». Но дело не только в их визуальной привлекательности. Тонкая детализация также подсвечивает характерные особенности, повышая точность реконструкции. «Первое, что нужно сделать, — это сшить их воедино и создать так называемое облако разреженных точек», — поясняет он. Это что-то вроде грубого наброска точек, каждая из которых отражает характерную деталь рифа. Она присутствует на нескольких перекрывающихся изображениях, что позволяет программному обеспечению вычислить базовую форму пространства. На этом этапе деталей мало, поэтому облако и «разреженное».

Затем мы выполняем фильтрацию, чтобы получить плотное облако точек. Здесь гораздо больше точек, зачастую миллионы, и доступна подробная информация. Наконец, мы создаём «сетку», которая объединяет группы точек и придаёт итоговой 3D-модели поверхностную текстуру». Для этого требуются мощные вычислительные ресурсы, но зато при увеличении можно рассмотреть кораллы в поразительных деталях. «Мы можем рассматривать объекты размером всего в пару миллиметров, т.е. получаем потрясающее разрешение. Качество настолько высокое, что края четко прорисованы, и это позволит повысить точность наших измерений».

Если вы думаете, что измерение роста кораллов нужно, только чтобы ответить на вопрос «да, он вырос» или «нет, не вырос», вы сильно ошибаетесь. Фотограмметрия — важный инструмент для мониторинга каждого из шести участков, помогающий доктору Крэггсу и морским биологам из Nature Seychelles отслеживать и понимать, например, прижился ли коралл на новом месте, каковы показатели выживаемости, а также форма, размер и структура растущего рифа. Фотограмметрия применяется совместно с другими измерениями, включая, например, качество воды, температуру или проникновение света, чтобы оценить состояние рифа в динамике.

Фотограмметрия — это ещё один важный способ сопоставления данных за разные периоды времени. Трёхмерные модели можно преобразовать в плоское изображение, которое называется ортомозаика. Именно здесь закодированные маркеры масштаба, которые Кейт и её коллеги-дайверы разместили на каждом участке, начинают выполнять свою функцию. «Они следят за тем, чтобы все метки были выставлены правильно для создания двумерного изображения из сотен фотографий», — объясняет доктор Крэггс. Измеренные участки на рифе остаются постоянными. Это позволяет команде периодически создавать копии «плоской карты». «Затем мы можем наложить их друг на друга и точно измерить, насколько вырос участок коралла за шесть месяцев, год или больше».

Кейт и команда Nature Seychelles будут регулярно повторять эту работу, плавая вверх и вниз, влево и вправо, методично фотографируя шесть участков, в половину из которых были подсажены дополнительные личинки. «Потом мы сможем увеличить изображение, увидеть, где находятся наши молодые кораллы, и приступить к измерениям», — говорит доктор Крэггс. «В конечном итоге главная цель — извлечь данные, проанализировать их и скорректировать наш подход по мере необходимости. Это испытание, тестирование, модификация, улучшение — непрерывный процесс».

Следите за прогрессом нашей работы с Nature Seychelles и Coral Spawning International здесь. И узнавайте больше про решения Canon для фотограмметрии.