Эдвардс и его соавторы проанализировали эти мозаики и обнаружили, что колонии кораллов на рифе Пальмиры расположены неслучайно. Они впервые продемонстрировали, что кораллы имеют тенденцию группироваться по всему рифовому ландшафту, и что сила этой группировки тесно связана со специфической стратегией роста и воспроизводства, используемой данным кораллом.Эдвардс сказал, что, основываясь на том, что он наблюдал в течение многих часов, которые он потратил на анализ мозаики, у него было подозрение, что они увидят некоторые доказательства неслучайной кластеризации. «Однако я был весьма удивлен, обнаружив так мало свидетельств случайности», — сказал он. «Существует такой уровень математической текстуры, который невозможно уловить, и я не думаю, что кто-то ожидал таких стабильных результатов».
Стюарт Сандин, профессор морской экологии в Скриппсе, советник Эдвардса и старший автор статьи, говорит, что технология мозаики может помочь ученым в понимании морской экологии догнать их знания об экологии суши.Чтобы понять экосистемы на суше, «мы используем установленные на самолетах камеры, чтобы делать фотографии с расстояния в десять тысяч футов, и вы можете видеть, где деревья живут и где они растут.
А теперь спутники имеют еще более полный охват», — сказал Сандин. «Это колоссальный объем данных, и безграничные возможности для того, что мы анализируем и что мы узнали о базовой и прикладной экологии. Теперь вы уходите под воду, а пространственные данные практически отсутствуют.
Что мы можем сделать? Вы должны начать с пытаюсь составить карту ".
Понимание общего ландшафта лесов и других наземных экосистем очень важно для сохранения и управления этой средой. Теперь, по словам Сандина, подробное картирование коралловых рифов с фотомозаики можно использовать таким же образом для управления морскими экосистемами.«Что касается коралловых рифов, то одно из самых больших беспокойств заключается в том, что если шторм убьет кучу кораллов, как вы вернете кораллы? Один из инструментов, который у нас есть, — это их посадить», — сказал Сандин. «Один из подходов, который использовали люди, — это сказать, что каждый из этих коралловых фрагментов, которые я высаживаю, может стать пятью квадратными метрами.
Это означает, что я буду размещать их очень равномерно и рассыпать каждые пару метров».Но исходя из того, что они теперь понимают в пространственной экологии кораллов, такой подход может оказаться проблематичным. «Лес, где вы сажаете деревья слишком далеко друг от друга, когда проходит один шторм, и все деревья падают, потому что они зависят друг от друга в плане стабильности. 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 разные виды любят расти, насколько им нравится находиться рядом друг с другом, и они часто получают экологические возможности, живя рядом друг с другом. Фотомозаики помогают коралловым экологам расшифровать, как эти правила структурируют риф.Создание фотомозаик и извлечение из них полезной информации — процесс трудоемкий.
Во время сбора данных ученые обычно совершают три погружения в день, и для сбора изображений для шестнадцати графиков, использованных в этом исследовании, потребовалось более пяти полных дней погружений. Вернувшись в лабораторию, Эдвардс использовал специальную высокопроизводительную вычислительную систему, чтобы сшить вместе 2500–3500 отдельных изображений, составляющих каждую мозаику. Программному обеспечению требуется несколько дней для завершения рендеринга составного изображения и около 100 часов для маркировки и классификации всех кораллов на каждом изображении.
Затем последний шаг — извлечь информацию о видах и проанализировать ее, что занимает еще три дня или около того на изображение.По его словам, оцифровка изображений явно является ограничивающим шагом.
Но это может скоро измениться. «У нас есть отличные сотрудники в отделе информатики и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, и мы приближаемся к созданию рабочего процесса с компьютерной поддержкой, который значительно ускорит этот процесс», — сказал Эдвардс.Вид Петрович, аспирант лаборатории профессора Фалько Кестера в отделе 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 расти — но больше данных автоматически не означает больше или лучшую науку», — сказал Петрович. «Для меня большая честь и радость работать в таком тесном сотрудничестве с группой морских экологов для решения этой проблемы, 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 сокращение отдельных колоний, а также изучать пространственные и временные отношения на рифе.«Мы ускоряем оцифровку и аннотации, а также расчищаем путь, позволяющий технологиям машинного обучения нести большую часть этого бремени», — сказал Петрович. «Все это ужасно захватывающе, и впереди еще много чего. Но самым полезным аспектом для меня является междисциплинарное сотрудничество, которое, в первую очередь, делает это возможным, которое позволяет нам применить десятилетние исследования в области визуализации в поддержку жизненно важной экологической работы. "Эдвардс, Сандин и их сотрудники говорят, что они ожидают, что технология фотомозаики приведет к большему количеству научных открытий и продолжит способствовать усилиям по сохранению. Данные, собранные на рифе Пальмира, являются частью программы 100 Island Challenge, цель которой — создать глобальную картину того, как коралловые рифы меняются с течением времени.
Команда 100 Island Challenge, состоящая из докторантов, сотрудников и аспирантов из лабораторий Сандина и Скриппса, эколога Дженнифер Смит, сотрудничает с учеными и сообществами по всему миру, чтобы посетить 100 различных островов и использовать эти новые методы трехмерной визуализации. создавать фотомозаики, отражающие каждую деталь структуры и экологии коралловых рифов. На данный момент команда посетила почти 70 островов, чтобы запечатлеть мозаику, с графиком повторного обследования каждого участка 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 действительно поразило меня в подходе к фотомозаике большой площади, так это то, что он позволяет 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, условиями поверхности, и 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 то, что он никогда бы не смог наблюдать в поле. «Я многому научился во время дайвинга и никогда бы не променял этот опыт, но большая часть моих идей пришла на компьютер во время оцифровки этих изображений», — сказал он.Это исследование было частью инициативы «Рифы завтра», финансируемой Фондом Гордона и Бетти Мур.