Odtworzyć naturę: fotogrametria koralowców w praktyce

„Dziesięć na pięć metrów nie wydaje się dużym obszarem, ale to całkiem sporo, gdy pływasz tam i z powrotem, w górę i w dół, a potem w poprzek” — wyjaśnia Kate Craggs. Ale dlaczego pływała po wzorze szachownicy? Jednowyrazową odpowiedzią byłaby „fotogrametria”, ale jeśli śledzisz historię naszej współpracy z Coral Spawning International i Nature Seychelles, wiesz, że prawdziwa odpowiedź jest znacznie bardziej absorbująca.

Nie daj się zniechęcić nazwą. Fotogrametria jest absolutnie fascynująca, a jeszcze bardziej, gdy stosuje się ją do raf koralowych Seszeli. „Polega ona na robieniu bardzo, bardzo wielu zdjęć, a następnie łączeniu ich za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu” – upraszcza dr Jamie Craggs. „Oprogramowanie nakłada na siebie zdjęcia, dzięki czemu można połączyć wszystkie te dwuwymiarowe obrazy w trójwymiarowy widok.”

To krótkie wyjaśnienie pozwala zrozumieć, dlaczego jest to tak przydatne narzędzie dla dr. Craggsa i jego współpracowników. Dzięki niemu mogą oni przenieść swoją podwodną pracę na ląd, aby ją badać, oceniać i, co najważniejsze, mierzyć każdy aspekt raf, które starają się odbudować. Z czasem mogą też wyraźnie zobaczyć efekty swojej pracy, wykraczające poza samo piękno rosnących koralowców. W praktyce jednak fotogrametria znajduje się na samym końcu procesu i – jak powiedziała Kate – bywa wymagająca.

„Do prowadzenia badań wybraliśmy sześć miejsc w rezerwacie wyspy Cousin. W trzech z nich przykryliśmy fragment rafy plandeką, a następnie wpompowaliśmy pod nią nowe larwy koralowców, aby zachęcić je do osiedlenia się w tym obszarze” – wyjaśnia dr Craggs. Kate i zespół Nature Seychelles bardzo dokładnie wyznaczyli każdy z badanych obszarów, używając lin do tworzenia linii transektów oraz rozmieszczając znaczniki skali, aby zapewnić punkty odniesienia do pomiarów. „Każdy znacznik ma unikalny zakodowany wzór, dzięki czemu oprogramowanie do fotogrametrii może go rozpoznać i później dokładnie przeskalować na model 3D” – dodaje dr Craggs. Gdy nurkowanie pomiarowe się zakończy, czas na nurkowanie fotograficzne.

Każdy fragment obszaru musi zostać udokumentowany na zdjęciach, co nie jest tak łatwe, jak mogłoby się wydawać. „To trudne o tyle, że nie da się przewidzieć prądów i falowania” – wyjaśnia Kate. „Dlatego utrzymanie stałej prędkości i wysokości nad rafą było wyzwaniem. Gdy koralowce mają różną wysokość, trzeba stale korygować głębokość podczas przepływania nad nimi z kamerą.” Precyzja ma tu ogromne znaczenie, dlatego wykorzystanie odpowiednich narzędzi ma ogromne znaczenie.

Kate używa obiektywu szerokokątnego w umieszczonym w wodoodpornej obudowie Canon EOS R5 Mark II. Wykonywane przez nią co sekundę zdjęcia, są ostre, bardzo precyzyjne i wiernie oddają kolory. „Daje nam to niezwykle szczegółowy obraz” – dodaje dr Craggs. „I to jest naprawdę ekscytujące.” Jednak, nie chodzi tylko o to, że zdjęcia przyciągają uwagę oglądających. Ta wysoka szczegółowość dostarcza charakterystycznych cech, co poprawia dokładność rekonstrukcji. „Pierwszą rzeczą, jaką trzeba zrobić, jest połączenie zdjęć i stworzenie czegoś, co nazywa się ‘rzadką chmurą punktów’” – wyjaśnia. To coś w rodzaju wstępnego szkicu złożonego z punktów, z których każdy reprezentuje element rafy pojawiający się na wielu nakładających się zdjęciach. Pozwala to oprogramowaniu obliczyć podstawowy kształt przestrzeni. Na tym etapie szczegółów jest niewiele – stąd określenie „rzadka”.

„Następnie przeprowadzamy pewne filtrowanie, aby stworzyć ‘gęstą chmurę punktów’. Zawiera ona już znacznie więcej punktów – często miliony – i wypełnia o wiele więcej informacji. Na końcu tworzymy ‘siatkę’ (mesh), która łączy grupy punktów i nadaje całemu modelowi 3D jego powierzchniową strukturę.” Aby to osiągnąć, potrzebna jest bardzo intensywna obróbka obliczeniowa, ale gdy przybliżymy obraz, możemy zobaczyć koralowce w niezwykłych szczegółach. „Możemy zejść do poziomu nawet kilku milimetrów, więc uzyskujemy niesamowitą rozdzielczość. Jakość jest na tyle dobra, że krawędzie są wyraźnie zarysowane, co przekłada się na większą dokładność naszych metod pomiarowych.”

Jeśli myślisz, że mierzenie wzrostu koralowców to kwestia „urosły / nie urosły”, to rzeczywistość jest zupełnie inna. Fotogrametria jest ważnym narzędziem w monitorowaniu każdego z sześciu stanowisk. Dzięki jej wykorzystaniu dr Craggs i badacze z Nature Seychelles mogą dokładnie monitorować, co się dzieje – czy koralowce „przyjęły się” w nowym środowisku, jakie są wskaźniki przeżywalności oraz jak rozwija się kształt, wielkość i struktura rafy. Stosuje się ją równolegle z innymi pomiarami, takimi jak jakość i temperatura wody czy przenikanie światła, aby z czasem uzyskać pełny obraz kondycji rafy.

Fotogrametria umożliwia również porównywanie zmian w czasie. Renderingi 3D można „spłaszczyć” i przekształcić w tzw. „ortomozaikę”. To właśnie tutaj kluczową rolę odgrywają zakodowane znaczniki skali, które Kate i inni nurkowie rozmieścili na każdym z badanych obszarów. „Zapewniają one, że wszystko jest prawidłowo wyrównane, co pozwala stworzyć dwuwymiarowy obraz z setek fotografii” – wyjaśnia dr Craggs. Wyznaczone pola pomiarowe stanowią stały element rafy, ponieważ umożliwiają zespołowi regularne tworzenie kolejnych wersji „płaskiej mapy”. „Dzięki temu możemy je na siebie nakładać i bezpośrednio mierzyć, o ile fragment koralowca urósł w ciągu sześciu miesięcy, roku lub dłuższego okresu.”

Kate i zespół z Nature Seychelles będą regularnie powtarzać to ćwiczenie, pływając w górę i w dół, w lewo i w prawo, metodycznie fotografując sześć obszarów rafy – z których połowa została wzbogacona dodatkowymi larwami. „Wtedy będziemy mogli przybliżyć obraz, zobaczyć, gdzie znajdują się nasze młode koralowce, i rozpocząć proces pomiarów” – mówi dr Craggs. „Ostatecznie cały sens polega na zebraniu danych, ich analizie i – w razie potrzeby – modyfikowaniu naszego podejścia. To próby, testy, modyfikacje i ulepszenia – nieustanna podróż.”

Obserwuj naszą współpracę z Nature Seychelles i Coral Spawning International tutaj. Dowiedz się więcej o rozwiązaniach Canon z zakresu fotogrametrii..