In een recent gepubliceerd onderzoek in Koraalrif , wetenschappers van de Scripps Institution of Oceanography aan de UC San Diego hebben gedetailleerde fotomozaïeken gemaakt en geanalyseerd van het koraalrif op Palmyra Atoll, en deed verrassende ontdekkingen rond ruimtelijke ecologie van koraal. De wetenschappers, onder leiding van afgestudeerde student Clinton Edwards, meer dan 17 verzameld, 000 vierkante voet rif, en 44, 008 koraalkolonies, meer dan 39 nemen, 000 afbeeldingen die vervolgens aan elkaar werden genaaid om 3D-fotomozaïeken te creëren die het rif omvatten.

Edwards en zijn co-auteurs analyseerden deze mozaïeken en ontdekten dat koraalkolonies op het rif van Palmyra op een niet-willekeurige manier zijn gerangschikt. Ze toonden voor het eerst aan dat koralen de neiging hebben om samen te clusteren over het riflandschap, en dat de kracht van deze clustering nauw verbonden is met de specifieke groei- en reproductiestrategie die door een bepaald koraal wordt gebruikt.

Edwards zei dat op basis van wat hij had waargenomen tijdens de vele uren die hij had besteed aan het analyseren van de mozaïeken, hij had het vermoeden dat ze enig bewijs zouden zien voor niet-willekeurige clustering. "Ik was, echter, nogal verrast om zo weinig bewijs voor willekeur te vinden, " zei hij. "Er is een niveau van wiskundige textuur dat het oog gewoon niet kan vangen en ik denk niet dat iemand zulke consistente resultaten had verwacht."

Stuart Sandin, hoogleraar mariene ecologie aan Scripps, wie is Edwards' PhD-adviseur en senior auteur op het papier, zegt dat de mozaïektechnologie wetenschappers kan helpen bij het begrijpen van mariene ecologie bij hun kennis van terrestrische ecologie.

Om ecosystemen op het land te begrijpen, "we gebruiken camera's in vliegtuigen om foto's te maken vanaf tienduizend voet, en je kunt zien waar bomen leven en waar ze groeien. En nu hebben satellieten een nog uitgebreidere dekking, "Sandin zei. "Dat is een enorme hoeveelheid gegevens, en de lucht is de limiet voor wat we analyseren en wat we hebben geleerd over elementaire en toegepaste ecologie. Nu ga je onder water en de ruimtelijke gegevens zijn in wezen afwezig. Wat kunnen we doen? Je moet beginnen door het in kaart te brengen."

Het hebben van inzicht in het algehele landschap van bossen en andere terrestrische ecosystemen is zeer waardevol geweest voor het behoud en beheer van die omgevingen. Nutsvoorzieningen, Sandin zegt dat de gedetailleerde kaarten van fotomozaïeken van koraalriffen op dezelfde manier kunnen worden gebruikt voor het beheer van mariene ecosystemen.

"In koraalriffen, een van de grote zorgen is als een storm een ​​stel koralen doodt, hoe krijg je de koralen terug? Een van de tools die we hebben is om ze te planten, Sandin zei. "Een benadering die mensen hebben gehad is te zeggen:goed, elk van deze koraalfragmenten die ik plant, kan vijf vierkante meter worden. Dat betekent dat ik ze op een zeer regelmatige manier zal spacen, en verspreid ze om de paar meter."

Maar op basis van wat ze nu begrijpen over ruimtelijke ecologie van koraal, deze aanpak kan problematisch zijn. "Een bos waar je bomen te ver uit elkaar plant, één windstorm komt door en de bomen vallen allemaal om, omdat ze voor stabiliteit van elkaar afhankelijk zijn. Precies hetzelfde geldt voor koralen, " zei hij. En dat is niet de enige overweging. In een koraalrif, als in een bos, er zijn regels die beschrijven hoe dicht of schaars verschillende soorten willen groeien, hoe graag ze naast elkaar zijn, en ze krijgen vaak ecologische kansen door dicht bij elkaar te wonen. De fotomozaïeken helpen koraalecologen te ontcijferen hoe deze regels een rif structureren.

Het maken van de fotomozaïeken en het uitwringen van nuttige informatie is een tijdrovend proces. Tijdens het verzamelen van gegevens, de wetenschappers doen over het algemeen drie duiken per dag, en het kostte meer dan vijf volle dagen duiken om de beelden te verzamelen voor de zestien plots die in dit onderzoek werden gebruikt. Terug in het laboratorium, Edwards gebruikte een op maat gemaakt, krachtig computersysteem om de 2, 500-3, 500 afzonderlijke afbeeldingen waaruit elk mozaïek bestaat. De software heeft enkele dagen nodig om de weergave van het samengestelde beeld te voltooien, en ongeveer 100 uur om alle koralen in elke afbeelding te labelen en te classificeren. Dan is de laatste stap om de soortinformatie te extraheren en te analyseren, dat duurt nog eens drie dagen of zo per afbeelding.

Digitalisering van de beelden is duidelijk de beperkende stap, hij zei. Maar dat kan binnenkort veranderen. "We hebben uitstekende medewerkers op de afdeling informatica en engineering van UC San Diego, en komen in de buurt van een computerondersteunde workflow die dit proces drastisch zal versnellen, ' zei Eduard.

Vid Petrovic, een promovendus in het laboratorium van professor Falko Kuester op de afdeling computerwetenschappen van UC San Diego, die de software heeft gemaakt die het team van Sandin gebruikt om hun 3D-modellen te visualiseren, werkt aan het maken van aangepaste software hiervoor.

"Er worden steeds meer beelden verzameld op het gebied van mariene wetenschappen, en het tempo en de omvang van de inspanning zullen alleen maar toenemen, maar meer data betekent niet automatisch meer, of betere wetenschap, "Zei Petrovic. "Het is een eer en een genoegen om zo nauw samen te werken met een groep mariene ecologen om dit aan te pakken, gezamenlijk de tools en workflows ontwikkelen die nodig zijn om productief gebruik te maken van de beelden, of het nu gaat om het monitoren van de gezondheid van het rif, of voor het bevorderen van fundamentele wetenschap."

Petrovic zegt dat het team het voor wetenschappers mogelijk maakt om virtueel riffen in het laboratorium te verkennen. waardoor ze van jaar tot jaar in de tijd kunnen reizen en de groei en achteruitgang van individuele kolonies kunnen volgen, en om ruimtelijke en temporele relaties over het rif te bestuderen.

"We versnellen de digitalisering en annotatie, en een pad vrijmaken om machine learning-technieken meer van deze last te laten dragen, "Zei Petrovic. "Dit is allemaal verschrikkelijk spannend, en er komt nog veel meer. Maar het meest lonende aspect voor mij is de interdisciplinaire samenwerking die het in de eerste plaats mogelijk maakt, waarmee we een decennium aan visualisatie-onderzoek kunnen toepassen ter ondersteuning van vitaal ecologisch werk."

Edwards, Sandin, en hun medewerkers zeggen dat ze verwachten dat de fotomozaïektechnologie tot veel meer wetenschappelijke ontdekkingen zal leiden, en om te blijven helpen bij instandhoudingsinspanningen. De gegevens die op het Palmyra-rif zijn verzameld, maken deel uit van de 100 Island Challenge, het doel is om een ​​globaal perspectief te creëren op hoe koraalriffen in de loop van de tijd veranderen.

Het 100 Island Challenge-team, bestaande uit postdoctorale onderzoekers, personeel, en afgestudeerde studenten van de laboratoria van Sandin en Scripps-ecoloog Jennifer Smith, werkt samen met wetenschappers en gemeenschappen over de hele wereld om 100 verschillende eilanden te bezoeken en deze nieuwe 3D-beeldvormingstechnieken te gebruiken om fotomozaïeken te maken die elk detail van de koraalrifstructuur en ecologie vastleggen. Tot nu toe heeft het team bijna 70 van de eilanden bezocht om mozaïeken vast te leggen, met een schema om elke site na twee jaar opnieuw te onderzoeken. Terug in het laboratorium, ze zullen de mozaïeken analyseren om te zien hoe de riffen in de loop van de tijd veranderen, en hoe de variatie van oceaanomstandigheden en menselijke activiteiten elk rif beïnvloeden. Deze afbeeldingen worden ook basisgegevens voor lokale instanties om hun eigen riffen te bestuderen.

"Wat me echt enthousiast maakte over de fotomozaïekbenadering met groot oppervlak, is dat je het rif in feite mee naar huis kunt nemen, Edwards zei. "Als je aan het duiken bent, zijn er zoveel praktische beperkingen aan wat je kunt doen. Je bent beperkt door de lucht, stromingen, oppervlaktecondities, en soms heb je niet de mogelijkheid om te stoppen en de rozen te ruiken."

Hij zei dat de mogelijkheid om urenlang langzaam over het rif te bewegen, zorgvuldig kijkend naar duizenden individuele koralen, helpt hem dingen te zien die hij in het veld nooit zou hebben kunnen waarnemen. "Ik heb veel geleerd tijdens het duiken en zou die ervaringen nooit inruilen, maar de meeste van mijn inzichten zijn achter een computer gekomen tijdens het digitaliseren van deze afbeeldingen, " hij zei.

"Het is precies deze kans voor nieuwe observaties en nieuwe inzichten die nodig is om de wetenschap vooruit te helpen, Edwards voegde eraan toe. "Ik ben echt vereerd en opgewonden om er deel van uit te maken."