Em um estudo publicado recentemente em Recifes de coral , cientistas do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego criaram e analisaram fotomosaicos detalhados do recife de coral no Atol de Palmyra, e fez descobertas surpreendentes em torno da ecologia espacial dos corais. Os cientistas, liderado pelo estudante de graduação Clinton Edwards, pesquisou mais de 17, 000 pés quadrados de recife, e 44, 008 colônias de coral, levando mais de 39, 000 imagens que foram então costuradas para criar fotomosaicos 3D que abrangeram o recife.

Edwards e seus co-autores analisaram esses mosaicos e descobriram que as colônias de corais no recife de Palmyra são organizadas de forma não aleatória. Eles demonstraram pela primeira vez que os corais tendem a se agrupar ao longo da paisagem do recife, e que a força desse agrupamento está intimamente ligada ao crescimento específico e à estratégia reprodutiva usada por um determinado coral.

Edwards disse que, com base no que observou durante as muitas horas que passou analisando os mosaicos, ele tinha um palpite de que veriam alguma evidência de agrupamento não aleatório. "Eu era, Contudo, bastante surpreso ao encontrar tão poucas evidências de aleatoriedade, ", disse ele." Há um nível de textura matemática que o olho simplesmente não consegue captar e eu não acho que alguém esperava resultados tão consistentes. "

Stuart Sandin, professor de ecologia marinha da Scripps, quem é o consultor de PhD de Edwards e autor sênior do artigo, afirma que a tecnologia do mosaico pode ajudar os cientistas a compreender a ecologia marinha a acompanhar seu conhecimento da ecologia terrestre.

Para entender os ecossistemas terrestres, "usamos câmeras montadas em aeronaves para tirar fotos a dez mil pés, e você pode ver onde as árvores vivem e onde crescem. E agora os satélites têm uma cobertura ainda mais abrangente, "Sandin disse." Essa é uma quantidade enorme de dados, e o céu é o limite para o que analisamos e o que aprendemos sobre ecologia básica e aplicada. Agora você vai debaixo d'água e os dados espaciais estão essencialmente ausentes. O que podemos fazer? Você tem que começar tentando mapeá-lo. "

Ter uma compreensão da paisagem geral das florestas e outros ecossistemas terrestres tem sido muito valioso para a conservação e gestão desses ambientes. Agora, Sandin diz que o mapeamento detalhado de fotomosaicos de recifes de coral poderia ser usado da mesma forma para o gerenciamento de ecossistemas marinhos.

“Em recifes de coral, uma das grandes preocupações é se uma tempestade matar um bando de corais, como você recupera os corais? Uma das ferramentas que temos é plantá-los, "Sandin disse." Uma abordagem que as pessoas tiveram é dizer, Nós vamos, cada um desses fragmentos de coral que planto pode chegar a cinco metros quadrados. Isso significa que vou espaçá-los de uma maneira muito regular, e dispersá-los a cada dois metros. "

Mas com base no que eles entendem agora sobre a ecologia espacial dos corais, esta abordagem pode ser problemática. "Uma floresta onde você planta árvores muito distantes umas das outras, uma tempestade de vento passa e todas as árvores caem, porque eles dependem um do outro para estabilidade. A mesma coisa vale para corais, "disse ele. E essa não é a única consideração. Em um recife de coral, como em uma floresta, existem regras que descrevem o quão densa ou esparsamente diferentes espécies gostam de crescer, o quanto eles gostam de estar próximos um do outro, e muitas vezes obtêm oportunidades ecológicas morando perto uns dos outros. Os fotomosaicos estão ajudando os ecologistas de corais a decodificar como essas regras estruturam um recife.

Criar os fotomosaicos e extrair informações úteis deles é um processo demorado. Durante a coleta de dados, os cientistas geralmente fazem três mergulhos por dia, e levou mais de cinco dias inteiros de mergulho para coletar as imagens para as dezesseis parcelas usadas neste estudo. De volta ao laboratório, Edwards usou um sistema de computação personalizado de alto desempenho para juntar os 2, 500-3, 500 imagens individuais que compõem cada mosaico. O software leva vários dias para concluir a renderização da imagem composta, e cerca de 100 horas para rotular e classificar todos os corais em cada imagem. Em seguida, a etapa final é extrair as informações das espécies e analisá-las, o que leva mais três dias ou mais por imagem.

A digitalização das imagens é claramente a etapa limitante, ele disse. Mas isso pode mudar em breve. "Temos excelentes colaboradores no departamento de ciência da computação e engenharia da UC San Diego, e estamos chegando perto de ter um fluxo de trabalho auxiliado por computador que irá acelerar drasticamente esse processo, "Disse Edwards.

Vid Petrovic, um aluno de doutorado no laboratório do professor Falko Kuester no departamento de ciência da computação da UC San Diego que criou o software que a equipe de Sandin usa para visualizar seus modelos 3D, está trabalhando na criação de um software personalizado para essa finalidade.

"Mais e mais imagens estão sendo coletadas no campo das ciências marinhas, e o ritmo e a escala do esforço só aumentarão, mas mais dados não significam mais automaticamente, ou melhor ciência, "Petrovic disse." É uma honra e uma alegria trabalhar tão de perto com um grupo de ecologistas marinhos para resolver isso, desenvolver colaborativamente as ferramentas e fluxos de trabalho necessários para fazer uso produtivo das imagens, seja para monitorar a saúde do recife, ou para o avanço da ciência básica. "

Petrovic diz que a equipe está possibilitando que os cientistas explorem virtualmente os recifes no laboratório, permitindo-lhes viajar no tempo de ano para ano e acompanhar o crescimento e declínio de colônias individuais, e estudar relações espaciais e temporais através do recife.

"Estamos acelerando a digitalização e anotação, e abrir caminho para permitir que as técnicas de aprendizado de máquina carreguem mais desse fardo, "Petrovic disse." Isso tudo é terrivelmente emocionante, e com muito mais por vir. Mas o aspecto mais gratificante para mim é a colaboração interdisciplinar que torna isso possível em primeiro lugar, que nos permite aplicar uma década de pesquisa de visualização em apoio ao trabalho ecológico vital. "

Edwards, Sandin, e seus colaboradores dizem que esperam que a tecnologia fotomosaica leve a muito mais descobertas científicas, e continuar a ajudar nos esforços de conservação. Os dados coletados no recife de Palmyra fazem parte do 100 Island Challenge, cujo objetivo é criar uma perspectiva global sobre como os recifes de coral estão mudando ao longo do tempo.

A equipe 100 Island Challenge, composta por pesquisadores de pós-doutorado, pessoal, e alunos de pós-graduação dos laboratórios da ecologista Sandin and Scripps Jennifer Smith, está fazendo parceria com cientistas e comunidades ao redor do mundo para visitar 100 ilhas diferentes e usar essas novas técnicas de imagem 3-D para criar mosaicos de fotos que capturam todos os detalhes da estrutura e ecologia do recife de coral. Até agora, a equipe visitou quase 70 das ilhas para capturar mosaicos, com uma programação para pesquisar novamente cada local após dois anos. De volta ao laboratório, eles vão analisar os mosaicos para ver como os recifes estão mudando ao longo do tempo, e como a variação das condições do oceano e das atividades humanas impactam cada recife. Essas imagens também se tornarão dados básicos para as agências locais usarem para estudar seus próprios recifes.

"O que realmente me empolgou sobre a abordagem fotomosaica de grande área é que basicamente permite que você leve o recife para casa com você, "Edwards disse." Quando você está mergulhando, existem tantas restrições práticas para o que você pode fazer. Você está limitado pelo ar, correntes, condições de superfície, e às vezes você não tem a oportunidade de parar e cheirar as rosas. "

Ele disse que ser capaz de passar horas se movendo lentamente sobre o recife, olhando cuidadosamente para milhares de corais individuais, ajuda-o a ver coisas que nunca teria sido capaz de observar no campo. "Aprendi muito mergulhando e nunca trocaria essas experiências, mas a maioria dos meus insights veio na frente de um computador enquanto digitalizava essas imagens, " ele disse.

"É exatamente esta oportunidade para novas observações e novos insights que é necessário para impulsionar a ciência, Edwards acrescentou. "Estou realmente honrado e animado por fazer parte disso."