I en studie som nyligen publicerades i Korallrev , forskare från Scripps Institution of Oceanography vid UC San Diego skapade och analyserade detaljerade fotomosaiker av korallrevet vid Palmyra Atoll, och gjorde överraskande upptäckter kring koralls rumsliga ekologi. Forskarna, ledd av doktorand Clinton Edwards, bearbetade mer än 17, 000 kvadratmeter rev, och 44, 008 korallkolonier, tar mer än 39, 000 bilder som sedan sys ihop för att skapa 3D-fotomosaik som omsluter revet.

Edwards och hans medförfattare analyserade dessa mosaiker och upptäckte att korallkolonier på Palmyras rev är ordnade på ett icke-slumpmässigt sätt. De visade för första gången att koraller tenderar att klunga ihop sig över revlandskapet, och att styrkan i denna klustring är nära kopplad till den specifika tillväxt- och reproduktionsstrategi som används av en given korall.

Edwards sa att baserat på vad han hade observerat under de många timmar han hade ägnat åt att analysera mosaikerna, han hade en aning om att de skulle se några bevis för icke-slumpmässig klustring. "Jag var, dock, ganska förvånad över att hitta så lite bevis för slumpmässighet, " sa han. "Det finns en nivå av matematisk struktur som ögat helt enkelt inte kan fånga och jag tror inte att någon förväntade sig så konsekventa resultat."

Stuart Sandin, professor i marin ekologi vid Scripps, som är Edwards doktorandrådgivare och seniorförfattare på tidningen, säger att mosaikteknologin kan hjälpa forskarnas förståelse av marin ekologi att komma ikapp deras kunskap om terrestra ekologi.

För att förstå ekosystem på land, "vi använder flygplansmonterade kameror för att ta bilder från tiotusen fot, och du kan se var träd lever och var de växer. Och nu har satelliter ännu mer omfattande täckning, " sa Sandin. "Det är en enorm mängd data, och himlen är gränsen för vad vi analyserar och vad vi har lärt oss om grundläggande och tillämpad ekologi. Nu går du under vattnet och rumsliga data saknas i princip. Vad kan vi göra? Du måste börja med att försöka kartlägga det."

Att ha en förståelse för det övergripande landskapet av skogar och andra terrestra ekosystem har varit mycket värdefullt för bevarande och förvaltning av dessa miljöer. Nu, Sandin säger att den detaljerade kartläggningen från fotomosaik av korallrev skulle kunna användas på samma sätt för förvaltning av marina ekosystem.

"I korallrev, en av de stora bekymmerna är om en storm dödar ett gäng koraller, hur får man tillbaka korallerna? Ett av verktygen vi har är att plantera dem, " sa Sandin. "En metod som folk har haft är att säga, väl, var och en av dessa korallfragment jag planterar kan bli fem kvadratmeter. Det betyder att jag kommer att placera dem på ett mycket regelbundet sätt, och sprid dem varannan meter."

Men baserat på vad de nu förstår om koralls spatial ekologi, detta tillvägagångssätt kan vara problematiskt. "En skog där man planterar träd för långt ifrån varandra, en vindstorm kommer igenom och alla träden faller omkull, eftersom de är beroende av varandra för stabilitet. Exakt samma sak gäller för koraller, " sa han. Och det är inte den enda hänsynen. I ett korallrev, som i en skog, det finns regler som beskriver hur tätt eller glest olika arter gillar att växa, hur mycket de gillar att vara bredvid varandra, och de får ofta ekologiska möjligheter genom att bo nära varandra. Fotomosaikerna hjälper korallekologer att avkoda hur dessa regler strukturerar ett rev.

Att skapa fotomosaikerna och vrida ur dem användbar information är en tidskrävande process. Under datainsamlingen, forskarna gör vanligtvis tre dyk om dagen, och det tog mer än fem hela dagars dykning att samla in bilderna för de sexton plotter som användes i denna studie. Tillbaka i labbet, Edwards använde ett anpassat högpresterande datasystem för att sy ihop 2, 500-3, 500 individuella bilder som utgör varje mosaik. Det tar flera dagar för programvaran att slutföra renderingen av den sammansatta bilden, och cirka 100 timmar att märka och klassificera alla koraller i varje bild. Sedan är det sista steget att extrahera artinformationen och analysera den, vilket tar ytterligare tre dagar eller så per bild.

Digitalisering av bilderna är helt klart det begränsande steget, han sa. Men det kan ändras snart. "Vi har utmärkta medarbetare på avdelningen för datavetenskap och ingenjörsvetenskap vid UC San Diego, och närmar sig ett datorstödt arbetsflöde som dramatiskt kommer att påskynda denna process, sa Edwards.

Vid Petrovic, en doktorand i professor Falko Kuesters labb på UC San Diegos datavetenskapsavdelning som skapade programvaran som Sandins team använder för att visualisera sina 3D-modeller, arbetar med att skapa en anpassad programvara för detta ändamål.

"Fler och mer bilder samlas in inom marinvetenskap, och takten och omfattningen av ansträngningen kommer bara att öka – men mer data betyder inte automatiskt mer, eller bättre vetenskap, " sa Petrovic. "Det är en ära och en fröjd att arbeta så nära med en grupp marina ekologer för att ta itu med detta, utveckla de verktyg och arbetsflöden som behövs för att göra en produktiv användning av bilderna, oavsett om det gäller övervakning av revens hälsa, eller för att främja grundläggande vetenskap."

Petrovic säger att laget gör det möjligt för forskare att virtuellt utforska rev i labbet, gör det möjligt för dem att resa i tiden från år till år och följa tillväxten och nedgången av enskilda kolonier, och att studera rumsliga och tidsmässiga relationer över revet.

"Vi påskyndar digitaliseringen och anteckningen, och banar väg för att låta maskininlärningstekniker bära mer av denna börda, " sa Petrovic. "Det här är fruktansvärt spännande, och med mycket mer att komma. Men den mest givande aspekten för mig är det tvärvetenskapliga samarbetet som gör det möjligt i första hand, som låter oss tillämpa ett decennium av visualiseringsforskning till stöd för livsviktigt ekologiskt arbete."

Edwards, Sandin, och deras medarbetare säger att de förväntar sig att fotomosaikteknologin kommer att leda till många fler vetenskapliga upptäckter, och att fortsätta hjälpa till med bevarandeinsatser. Data som samlats in på Palmyra-revet är en del av 100 Island Challenge, vars mål är att skapa ett globalt perspektiv på hur korallrev förändras över tiden.

Teamet 100 Island Challenge, bestående av postdoktorer, personal, och doktorander från labbet av Sandin och Scripps ekolog Jennifer Smith, samarbetar med forskare och samhällen runt om i världen för att besöka 100 olika öar och använda dessa nya 3D-bildtekniker för att skapa fotomosaiker som fångar varje detalj av korallrevets struktur och ekologi. Hittills har teamet besökt nästan 70 av öarna för att fånga mosaiker, med ett schema för att undersöka varje webbplats igen efter två år. Tillbaka i labbet, de kommer att analysera mosaikerna för att se hur reven förändras över tiden, och hur variationen av havsförhållanden och mänskliga aktiviteter påverkar varje rev. Dessa bilder kommer också att bli basdata för lokala myndigheter att använda för att studera sina egna rev.

"Vad som verkligen upphetsade mig med fotomosaiken med stora ytor är att den i princip låter dig ta med dig revet hem, " sade Edwards. "När du dyker finns det så många praktiska begränsningar för vad du kan göra. Du är begränsad av flyg, strömmar, ytförhållanden, och ibland har man inte möjlighet att stanna upp och lukta på rosorna."

Han sa att att kunna tillbringa timmar med att sakta röra sig över revet, tittar noggrant på tusentals enskilda koraller, hjälper honom att se saker som han aldrig skulle ha kunnat observera i fält. "Jag har lärt mig mycket under dykning och skulle aldrig byta ut de erfarenheterna, men majoriteten av mina insikter har kommit framför en dator när jag digitaliserade dessa bilder, " han sa.

"Det är just denna möjlighet för nya observationer och nya insikter som är nödvändiga för att driva vetenskapen framåt, ", tillade Edwards. "Jag är verkligen hedrad och glad över att få vara en del av det."