В исследовании, недавно опубликованном в Coral Reefs, ученые из Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего создали и проанализировали подробные фотомозаики кораллового рифа на атолле Пальмира и сделали удивительные открытия в области пространственной экологии кораллов. Ученые во главе с аспирантом Клинтоном Эдвардсом исследовали более 17 000 квадратных футов рифа и 44 008 коралловых колоний, сделав более 39 000 изображений, которые затем были сшиты вместе для создания 3D-фотомозаики, охватывающей риф.
Эдвардс и его соавторы проанализировали эти мозаики и обнаружили, что коралловые колонии на рифе Пальмиры расположены неслучайным образом. Они впервые продемонстрировали, что кораллы, как правило, группируются по всему рифовому ландшафту, и что сила этой группировки тесно связана со специфической стратегией роста и размножения, используемой данным кораллом..
Эдвардс сказал, что на основании того, что он наблюдал в течение многих часов, которые он провел, анализируя мозаику, у него было предчувствие, что они увидят некоторые доказательства неслучайной кластеризации. «Однако я был очень удивлен, обнаружив так мало доказательств случайности», - сказал он. «Существует уровень математической структуры, который глаз просто не может уловить, и я не думаю, что кто-то ожидал таких последовательных результатов».
Стюарт Сандин, профессор морской экологии в Scripps, который является советником доктора философии Эдвардса и старшим автором статьи, говорит, что мозаичная технология может помочь ученым понять морскую экологию до уровня их знаний об экологии суши.
Чтобы понять экосистемы на суше, «мы используем камеры, установленные на самолетах, чтобы делать фотографии с десяти тысяч футов, и вы можете видеть, где живут деревья и где они растут. И теперь спутники имеют еще более полное покрытие», - сказал Сандин.. «Это огромный объем данных, и небо - это предел того, что мы анализируем, и того, что мы узнали о фундаментальной и прикладной экологии. Теперь вы идете под воду, а пространственные данные практически отсутствуют. Что мы можем сделать? пытаюсь составить карту."
Понимание общего ландшафта лесов и других наземных экосистем было очень ценным для сохранения и управления этими средами. Теперь, по словам Сандина, детальное картографирование коралловых рифов с помощью фотомозаики можно использовать таким же образом для управления морскими экосистемами.
«В отношении коралловых рифов одна из самых больших проблем заключается в том, что если шторм убьет кучу кораллов, как их вернуть? Один из инструментов, который у нас есть, - это посадить их», - сказал Сандин.«Один из подходов, который использовали люди, заключается в том, чтобы сказать, что каждый из этих коралловых фрагментов, которые я сажаю, может стать пятью квадратными метрами. Это означает, что я буду располагать их очень равномерно и рассеивать через каждые пару метров».
Но исходя из того, что они теперь понимают о пространственной экологии кораллов, этот подход может быть проблематичным. «Лес, в котором вы сажаете деревья слишком далеко друг от друга, проходит один ураган, и все деревья падают, потому что их устойчивость зависит друг от друга. То же самое верно и для кораллов», - сказал он. И это не единственное соображение. В коралловом рифе, как и в лесу, существуют правила, описывающие, насколько густо или редко любят расти различные виды, насколько им нравится находиться рядом друг с другом, и они часто получают экологические возможности, живя рядом друг с другом. Фотомозаика помогает коралловым экологам расшифровать, как эти правила структурируют риф.
Создание фотомозаики и извлечение из нее полезной информации - трудоемкий процесс. Во время Эдвардс сказал.
Вид Петрович, аспирант лаборатории профессора Фалько Кюстера на кафедре компьютерных наук Калифорнийского университета в Сан-Диего, который создал программное обеспечение, которое команда Сандина использует для визуализации своих 3D-моделей, работает над созданием специального программного обеспечения для этой цели.
«Все больше и больше изображений собирается в области морских наук, и темпы и масштабы усилий будут только увеличиваться, но больше данных не означает автоматически больше или лучше науки», - сказал Петрович. «Для меня большая честь и радость так тесно сотрудничать с группой морских экологов, чтобы решить эту проблему, совместно разрабатывая инструменты и рабочие процессы, необходимые для продуктивного использования изображений, будь то для мониторинга состояния рифов или для развития фундаментальной науки.."
Петрович говорит, что команда дает ученым возможность виртуально исследовать рифы в лаборатории, позволяя им путешествовать во времени из года в год и отслеживать рост и упадок отдельных колоний, а также изучать пространственные и временные отношения. через риф.
«Мы ускоряем оцифровку и аннотирование, а также расчищаем путь к тому, чтобы позволить методам машинного обучения нести больше этого бремени», - сказал Петрович. «Все это ужасно захватывающе, и многое еще впереди. Но самым полезным аспектом для меня является междисциплинарное сотрудничество, которое делает возможным, в первую очередь, то, что позволяет нам применять десятилетние исследования визуализации в поддержку жизненно важной экологической работы."
Эдвардс, Сандин и их сотрудники говорят, что они ожидают, что технология фотомозаики приведет ко многим другим научным открытиям и продолжит помогать в усилиях по сохранению. Данные, собранные на рифе Пальмира, являются частью проекта 100 Island Challenge, цель которого - создать глобальную картину того, как коралловые рифы меняются с течением времени.
Команда 100 Island Challenge, состоящая из исследователей с докторской степенью, сотрудников и аспирантов из лабораторий эколога Сандина и Скриппса Дженнифер Смит, сотрудничает с учеными и сообществами по всему миру, чтобы посетить 100 различных островов и использовать эти новые Методы трехмерного изображения для создания фотомозаики, запечатлевшей каждую деталь структуры и экологии кораллового рифа. На данный момент команда посетила почти 70 островов, чтобы запечатлеть мозаику, и планирует повторно обследовать каждый участок через два года. Вернувшись в лабораторию, они проанализируют мозаику, чтобы увидеть, как рифы меняются с течением времени и как изменение условий океана и деятельность человека влияют на каждый риф. Эти изображения также станут исходными данными для местных агентств, которые будут использовать их для изучения своих собственных рифов.
«Что меня действительно взволновало в подходе к фотомозаике на большой площади, так это то, что он, по сути, позволяет вам взять риф с собой домой», - сказал Эдвардс. «Когда вы ныряете, есть так много практических ограничений на то, что вы можете делать. Вы ограничены воздухом, течениями, поверхностными условиями, а иногда у вас нет возможности остановиться и понюхать розы».
Он сказал, что возможность часами медленно перемещаться по рифу, внимательно рассматривая тысячи отдельных кораллов, помогает ему видеть вещи, которые он никогда не смог бы наблюдать в полевых условиях.«Я многому научился во время дайвинга и никогда не променял бы этот опыт, но большая часть моих идей пришла к компьютеру во время оцифровки этих изображений», - сказал он..
Это исследование было частью инициативы Reefs Tomorrow Initiative, финансируемой Фондом Гордона и Бетти Мур.