Forskere bruger fotomosaikteknologi til at finde orden i koralrevenes kaos

I en undersøgelse offentliggjort for nylig i Koralrev , videnskabsmænd fra Scripps Institution of Oceanography ved UC San Diego skabte og analyserede detaljerede fotomosaikker af koralrevet ved Palmyra Atoll, og gjorde overraskende opdagelser omkring korallernes rumlige økologi. Forskerne, ledet af kandidatstuderende Clinton Edwards, behandlet mere end 17, 000 kvadratmeter rev, og 44, 008 koralkolonier, tager mere end 39, 000 billeder, der derefter blev syet sammen for at skabe 3D-fotomosaikker, der omsluttede revet.

Edwards og hans medforfattere analyserede disse mosaikker og opdagede, at koralkolonier på Palmyras rev er arrangeret på en ikke-tilfældig måde. De demonstrerede for første gang, at koraller har tendens til at blive klynget sammen på tværs af revlandskabet, og at styrken af ​​denne klyngedannelse er tæt forbundet med den specifikke vækst- og reproduktionsstrategi, som en given koral bruger.

Edwards sagde, at baseret på, hvad han havde observeret i løbet af de mange timer, han havde brugt på at analysere mosaikkerne, han havde en anelse om, at de ville se nogle beviser for ikke-tilfældig klynger. "Jeg var, imidlertid, ret overrasket over at finde så lidt bevis for tilfældighed, " sagde han. "Der er et niveau af matematisk tekstur, som øjet bare ikke kan fange, og jeg tror ikke, nogen forventede så konsistente resultater."

Stuart Sandin, en professor i marin økologi ved Scripps, som er Edwards' ph.d.-rådgiver og seniorforfatter på papiret, siger, at mosaikteknologien kan hjælpe forskernes forståelse af marin økologi med at indhente deres viden om terrestrisk økologi.

For at forstå økosystemer på land, "vi bruger flymonterede kameraer til at tage billeder fra ti tusind fod, og du kan se, hvor træer lever, og hvor de vokser. Og nu har satellitter endnu mere omfattende dækning, " sagde Sandin. "Det er en enorm mængde data, og himlen er grænsen for, hvad vi analyserer, og hvad vi har lært om grundlæggende og anvendt økologi. Nu går du under vandet, og de rumlige data er stort set fraværende. Hvad kan vi gøre? Du skal starte med at prøve at kortlægge det."

At have en forståelse af det overordnede landskab af skove og andre terrestriske økosystemer har været meget værdifuldt for bevarelse og forvaltning af disse miljøer. Nu, Sandin siger, at den detaljerede kortlægning fra fotomosaikker af koralrev kunne bruges på samme måde til forvaltning af marine økosystemer.

"I koralrev, en af ​​de store bekymringer er, hvis en storm dræber en flok koraller, hvordan får man korallerne tilbage? Et af de værktøjer, vi har, er at plante dem, " sagde Sandin. "En tilgang, som folk har haft, er at sige, godt, hver af disse koralfragmenter, jeg planter, kunne blive fem kvadratmeter. Det betyder, at jeg vil placere dem på en meget regelmæssig måde, og spred dem hver par meter."

Men baseret på, hvad de nu forstår om korals rumlige økologi, denne tilgang kan være problematisk. "En skov, hvor man planter træer for langt fra hinanden, en vindstorm kommer igennem og træerne vælter alle sammen, fordi de er afhængige af hinanden for stabilitet. Det samme gør sig gældende for koraller, " sagde han. Og det er ikke den eneste overvejelse. I et koralrev, som i en skov, der er regler, der beskriver, hvor tæt eller sparsomt forskellige arter kan lide at vokse, hvor meget de kan lide at være ved siden af ​​hinanden, og de får ofte økologiske muligheder ved at bo tæt på hinanden. Fotomosaikken hjælper koraløkologer med at afkode, hvordan disse regler strukturerer et rev.

At skabe fotomosaikkerne og vride nyttig information ud af dem er en tidskrævende proces. Under dataindsamlingen, forskerne laver generelt tre dyk om dagen, og det tog mere end fem hele dages dykning at indsamle billederne for de seksten plots, der blev brugt i denne undersøgelse. Tilbage i laboratoriet, Edwards brugte et brugerdefineret højtydende computersystem til at sy de 2, 500-3, 500 individuelle billeder, der udgør hver mosaik. Det tager softwaren flere dage at fuldføre gengivelsen af ​​det sammensatte billede, og omkring 100 timer til at mærke og klassificere alle korallerne på hvert billede. Derefter er det sidste trin at udtrække artsinformationen og analysere den, hvilket tager yderligere tre dage eller deromkring pr. billede.

Digitalisering af billederne er klart det begrænsende trin, han sagde. Men det kan snart ændre sig. "Vi har fremragende samarbejdspartnere i datalogi- og ingeniørafdelingen ved UC San Diego, og er ved at være tæt på at have en computerstøttet arbejdsgang, der dramatisk vil accelerere denne proces, " sagde Edwards.

Vid Petrovic, en ph.d.-studerende i professor Falko Kuesters laboratorium i UC San Diego datalogi afdeling, som skabte softwaren, som Sandins team bruger til at visualisere deres 3D-modeller, arbejder på at skabe en brugerdefineret software til dette formål.

"Flere og flere billeder bliver indsamlet på tværs af havvidenskaberne, og tempoet og omfanget af indsatsen vil kun stige - men flere data betyder ikke automatisk mere, eller bedre videnskab, " sagde Petrovic. "Det er en ære og en glæde at arbejde så tæt sammen med en gruppe marine økologer for at løse dette, i samarbejde udvikle de værktøjer og arbejdsgange, der er nødvendige for at gøre produktiv brug af billederne, hvad enten det er til overvågning af revets sundhed, eller for at fremme grundlæggende videnskab."

Petrovic siger, at holdet gør det muligt for forskere virtuelt at udforske rev i laboratoriet, giver dem mulighed for at rejse i tid fra år til år og spore væksten og tilbagegangen af ​​individuelle kolonier, og at studere rumlige og tidsmæssige forhold på tværs af revet.

"Vi fremskynder digitaliseringen og annoteringen, og bane vejen for at lade maskinlæringsteknikker bære mere af denne byrde, " sagde Petrovic. "Det er alt sammen frygtelig spændende, og med meget mere i vente. Men det mest givende for mig er det tværfaglige samarbejde, der gør det muligt i første omgang, som lader os anvende ti års visualiseringsforskning til støtte for vitalt økologisk arbejde."

Edwards, Sandin, og deres samarbejdspartnere siger, at de forventer, at fotomosaikteknologien vil føre til mange flere videnskabelige opdagelser, og at fortsætte med at hjælpe med bevaringsindsatsen. Dataene indsamlet på Palmyra-revet er en del af 100 Island Challenge, hvis mål er at skabe et globalt perspektiv på, hvordan koralrevene ændrer sig over tid.

100 Island Challenge-holdet, består af postdoktorale forskere, personale, og kandidatstuderende fra laboratorierne hos Sandin og Scripps økolog Jennifer Smith, samarbejder med forskere og samfund rundt om i verden for at besøge 100 forskellige øer og bruge disse nye 3-D-billedteknikker til at skabe fotomosaikker, der fanger alle detaljer i koralrevets struktur og økologi. Indtil videre har holdet besøgt næsten 70 af øerne for at fange mosaikker, med en tidsplan for fornyet undersøgelse af hvert sted efter to år. Tilbage i laboratoriet, de vil analysere mosaikkerne for at se, hvordan revene ændrer sig over tid, og hvordan variationen af ​​havforhold og menneskelige aktiviteter påvirker hvert rev. Disse billeder bliver også basisdata, som lokale bureauer kan bruge til at studere deres egne rev.

"Det, der virkelig begejstrede mig ved den store fotomosaiktilgang, er, at den grundlæggende lader dig tage revet med dig hjem, " sagde Edwards. "Når du dykker, er der så mange praktiske begrænsninger for, hvad du kan gøre. Du er begrænset af fly, strømme, overfladeforhold, og nogle gange har man ikke mulighed for at stoppe op og dufte til roserne."

Han sagde, at det at kunne bruge timer på at bevæge sig langsomt over revet, ser nøje på tusindvis af individuelle koraller, hjælper ham med at se ting, som han aldrig ville have været i stand til at observere i marken. "Jeg har lært meget under dykning og ville aldrig bytte de erfaringer, men størstedelen af ​​mine indsigter er kommet foran en computer, mens jeg digitaliserer disse billeder, " han sagde.

"Det er netop denne mulighed for nye observationer og ny indsigt, der er nødvendig for at drive videnskaben fremad, " tilføjede Edwards. "Jeg er virkelig beæret og spændt over at være en del af det."