Reefshape：一种用于底栖生境监测中高效采集与自动处理水下摄影测量时间序列数据的系统

ReefShape 是一种用于采集和自动化处理地理参考水下摄影测量时间序列数据集的协议，旨在支持底栖生境监测。摄影测量，即大范围成像，已成为珊瑚礁研究人员广泛采用的工具，可用于创建海底区域的三维数字模型和高分辨率二维正射镶嵌图像，随后可在计算机上进行分析，以测量群落组成或结构复杂性等指标。在珊瑚生态系统全球快速衰退的背景下，为珊瑚礁监测采集此类数据及时间序列具有极其重要的意义。水下摄影测量的概念本身相对简单，其过程包括拍摄数百至数千张高度重叠的图像，输入“运动结构”（structure from motion）摄影测量软件，以在三维空间中重建照片在珊瑚礁景观中的相对位置。随后可生成网格模型、数字高程模型以及二维俯视正射镶嵌图。尽管目前已存在多种用于珊瑚礁监测的摄影测量数据采集协议，但它们通常仅关注图像采集，而将数据处理方式留给研究人员自行决定，这往往耗时较长且学习门槛较高。实现该过程的自动化面临挑战，因为模型必须经过准确的尺度化、定位，并与其他时间点精确对齐，才能在生态数据分析中发挥最大效用。我们开发了 ReefShape 以解决上述问题。本方法提供了一套解决方案，用于建立具有真实世界地理参考数据的永久性监测样地，高效采集时间序列影像，并利用一系列自定义 Python 脚本全自动、显著简化数据处理流程。结合行业标准摄影测量软件 Agisoft Metashape Pro，我们的脚本可输出已标定尺度并具备地理参考的时间序列数据，数据以通用分析工作流和 GIS 软件兼容的格式导出，并支持 TagLab——一款专为快速标注珊瑚礁正射镶嵌图而设计的应用程序。我们依赖于四个永久性、可自动识别的地面控制标志点，这些标志点在首次建立样地时即固定于基底上。在首个时间点，使用蓝牙 GPS 接收器和智能手机，配合一个免费提供的自定义调查表单，采集这些标志点的深度和 GPS 位置信息，系统将自动生成格式化的定位数据并发送至用户邮箱。在数据采集过程中，临时标尺杆被放置于样地内，由潜水员或浮潜者使用单台相机和广角镜头完成拍摄。后续时间点的采集仅需重新定位并清洁永久性角点标志、放置标尺杆并采集图像即可。在计算机端，我们自定义的 ReefShape 脚本能自动处理影像数据并实现时间序列对齐，为研究人员节省大量时间和精力，使其可将更多资源投入到生态数据分析中。该流程始于设备准备，包括组装 GPS 滑板套件、制作标尺杆并创建记录其精确长度的文本文件、准备角点标志、组装相机系统并配置正确参数，以及在处理计算机上安装 Metashape 软件并部署 ReefShape 脚本。在野外，首先需选择合适的样地。与所有水下研究协议一样，整个过程中应始终优先考虑安全。本协议可由单名研究人员或双人搭档执行，适用于约 25 平方米至超过一千平方米的任意样地尺寸，但我们推荐基础样地尺寸为 10 米 × 10 米。选定样地后，研究人员需在水下使用锤子和砖石钉将四个角点标志安装到位，注意避免破坏基底或损伤活体珊瑚。理想位置应为相对平坦、无生命覆盖的基底区域，从正上方易于识别，且不易受损或快速被生物侵蚀，例如多孔珊瑚骨骼区域。为保持一致性并便于后续重定位，建议将标志点一安装于东北角，标志点二位于东南角，标志点三位于西南角，标志点四位于西北角，必要时可借助指南针和卷尺进行定位。使用深度计在潜水写字板上记录每个标志点的深度。若因许可或实际条件限制无法使用永久标志点，可在完成照片和 GPS 数据采集后放置并回收临时标志点。角点标志布置完成后，在样地内放置三至五根标尺杆，并使用潜水配重或小石块固定，防止其移动。与所有摄影测量协议一样，图像采集是关键步骤。本协议适用于大多数配备广角镜头、能够以每秒一张的速度拍摄照片的水下相机，但我们特别推荐使用无反相机搭配广角直线镜头，其视场角约为 90 至 100 度，或等效全画幅焦距为 18 至 22 毫米，并配合适配镜头的水下 housing 和圆顶端口。核心目标是保持图像清晰，因此我们建议使用手动模式，光圈设为 F8.0，快门速度为 1/500 秒，ISO 设为自动，以确保每一帧曝光正确。在较暗或较深的环境中，可采用 F5.6 光圈和 1/320 秒快门速度，以增加进光量并降低图像噪点。白平衡应设为自定义模式。应使用 1 秒间隔定时器，并采用在图像采集开始时对焦一次后在整个拍摄过程中保持对焦不变的自动对焦模式。相机应设置为同时记录 JPEG 和 RAW 格式图像。前往样地的平均深度处，使用灰卡或标尺杆末端在相机上设置自定义白平衡。从一个角点开始，将相机朝下置于基底上方 1.5 至 2 米处。对珊瑚礁进行自动对焦，然后以每秒一帧的速度开始拍摄，向相邻角点游动。图示中，蓝色矩形代表该样地的拍摄位置，红色高亮矩形表示游动路径。以约 1 米间距、稳定保持在珊瑚礁上方 1.5 至 2 米高度，进行一系列反平行往返拍摄，覆盖整个样地，并在周边留出至少半米的缓冲区域。完成第一组往返后，旋转 90 度，再进行一组类似的往返拍摄，形成网格模式。除高起伏区域外，相机应保持垂直向下拍摄；在高起伏区域，相机应略微倾斜，使其指向与基底表面垂直。拍摄完成后，清理样地，仅保留已安装的角点标志。返回水面后，取回 GPS 设备，使用 ArcGIS Survey123 中的 ReefShape 调查表单，在四个角点标志正上方采集 GPS 位置。回到船上后，输入对应每个标志点的深度信息并提交。对于后续时间点，首先根据原始 GPS 数据或原始时间点正射镶嵌图的打印件（必要时作为参考）重新定位样地并找到角点标志。使用塑料卡片刮除标志表面的生物附着物。若发现丢失或损坏的标志，应更换为对应编号的正确标志并做好记录。随后放置标尺杆，设置白平衡，并按前述方式采集图像。处理样地首个时间点时，从 ReefShape 自定义菜单栏中选择完整的 ReefShape 工作流程。将项目命名为样地名称，将数据块（chunk）命名为图像采集日期。导入照片并保存项目。接下来，在“通用”面板中，将坐标系设置为 WGS 84 + EGM 96。系统将弹出项目设置对话框，用户可根据需要进行修改，默认设置适用于大多数情况。选择数据导出文件夹，并勾选所需输出格式，可选择标准 GIS 软件或 TagLab 兼容格式。在“地理参考”面板中，选择“是”以启用标志点，并定位至标尺杆文件和之前通过邮件收到的地理参考文件。最后点击“确定”开始摄影测量处理。自定义流程将在每一步完成后自动保存，允许用户从中断处重新运行而不会丢失进度。处理完成后，脚本将导出所有请求的数据产品、一份处理报告，以及由角点标志自动界定的兴趣区域的 Shapefile 文件。ReefShape 菜单中还包含若干对本流程有用的独立功能工具，特别是用于自动计算三维表面积与平面面积比值的功能，该比值是研究珊瑚礁结构复杂性的常用指标。每个时间点的数据将以新的数据块形式存储在同一 Metashape 项目中。对于后续时间点，打开该样地的 Metashape 项目，从 ReefShape 菜单中运行“对齐时间点”脚本。点击“创建数据块”并以图像采集日期命名。导入照片后，选择原始时间点作为参考数据块，新数据块作为活动数据块。若水下有角点标志被更换，需在下拉框中注明。点击“确定”后，系统将检测标志点，并从原始时间点导入角点标志的地理参考信息。在“参考”面板中检查标志点和地理参考信息。若发现未检测到的标志点，需在至少三张图像上手动放置，然后重新运行“对齐时间点”脚本以正确重新导入参考数据。接下来，运行完整的 ReefShape 工作流程脚本。此时仅需在“通用”面板中调整设置，特别是选择要导出的数据产品及其保存路径。“地理参考”和“项目设置”面板可留空。点击“确定”即可完成摄影测量处理并导出时间序列对齐的数据产品。对于每个时间点，必须检查对齐结果和数据产品的准确性。若发现问题，可能需要手动干预。在完整 ReefShape 工作流程脚本中，可删除特定数据项（如正射镶嵌图、数字高程模型、三维模型或连接点），然后重新运行脚本以正确重建。当用户确认结果满意后，可将导出的数据产品导入 GIS 软件或 TagLab，用于各类分析流程。这些图像展示了代表性结果。时间点 1 包含 1,299 张照片，时间点 2 包含 1,974 张。所有照片在各时间点均正确对齐，最终数据无空洞或明显图像质量问题。数据位于正确的真实世界位置，初始时间点的地理参考误差约为 30 厘米，深度误差为 2.3 厘米，尺度误差为 0.14 毫米，重投影误差为 1.12 像素，时间点间误差约为 1 毫米。该样地覆盖面积为 208 平方米，分辨率为 0.5 毫米。在低端计算机上，每个时间点的整个处理过程耗时约八小时，在高端游戏计算机上则不到两小时。本协议旨在解决水下摄影测量中的主要挑战，特别是通过使用可检测的永久性角点标志和标尺杆，结合真实世界地理参考信息，使 Metashape 内的整个摄影测量流程实现自动化，显著节省时间和人力。我们的 ReefShape 脚本改进了标准照片对齐流程，在困难条件下提高了成功对齐的照片数量，并有助于实现数据集之间精确的时间序列对齐。此外，这些脚本还旨在提升摄影测量处理流程的效率，避免依赖昂贵的高性能计算机进行处理。我们的总体目标是消除障碍，使水下摄影测量对希望获取关键生态数据以支持珊瑚礁保护工作的研究人员而言更加可及和实用。