Mapeamento do fundo marinho com videogramas subaquáticos
O mundo sob o mar é mais complexo do que a maioria de nós jamais poderia imaginar. A água morna ao redor dos campos de hidroterapia é o lar da fauna exótica, com microclimas florescentes medidos em centímetros.
O fundo do mar é um dos últimos lugares na terra que é relativamente intocável pelos humanos. A International Seabed Authority (ISA), encarregada de proteger o fundo do mar e gerenciar as atividades de mineração em alto mar, emitiu recentemente licenças para fins de exploração.
As aberturas térmicas são um bom indicador dos depósitos maciços de sulfeto marinho - o que significa que estes ambientes de pequena escala são de interesse tanto para cientistas quanto para entidades comerciais.
Antes que o meio ambiente possa ser protegido, ele deve ser estudado.
Uma pequena equipe do Instituto Senckenberg, Alemanha, liderada por Klaas Gerdes, em nome e apoiado pelo Instituto Federal de Geociências e Recursos Naturais (BGR) utilizou um pequeno ROV (veículo operado remotamente - um leigo poderia chamá-lo de 'submarino') 3.659 metros debaixo d'água para mapear a fauna que vive ao redor de um respiradouro hidrotérmico com videogrammetria e Pix4Dmapper.
Seu objetivo: mapear a fauna que vive nos respiradouros térmicos, e tomar uma linha de base de um ambiente prístino antes que qualquer exploração mineral potencial ocorra.
Detalhes do projeto
| Localização | 3.659 metros debaixo d'água Cume do Sudeste da Índia no Oceano Índico 26° 09'S, 71° 26'E |
| Membros da equipe | Klaas Gerdes, Pedro Martínez Arbizu, Ulrich Schwarz-Schampera, Martin Schwentner e Terue C. Kihara |
| Instituições de pesquisa | Senckenberg am Meer, Centro Alemão de Pesquisa da Biodiversidade Marinha Centro de História Natural, Universität Hamburg Instituto Federal de Geociências e Recursos Naturais (BGR) The University of Oldenburg |
| Submarino | ROV (veículo subaquático operado remotamente) VICTOR 6000 |
| Captura de imagem | Câmera 3-CCD 1920 x 1080 pixels |
| Velocidade de filmagem | 0,1 - 0,2 nós |
| Software | PIX4Dmapper CloudCompare |
| Área | 346m² |
| Fauna individual contada | 25.360 |
| Saídas | Reconstrução 3D Malha de superfície texturizada Vídeo Fly-through |
| GSD | 2.7mm |
Estrutura a partir do movimento: um mergulho profundo na videogrammetria
A fotogrametria, ou estrutura a partir do movimento, é a ciência e a arte de reconstruir o mundo real em 3D a partir de imagens. A videogrammetria é um subconjunto da disciplina que utiliza vídeos em vez de imagens. Suas vantagens incluem uma alta sobreposição de imagens por padrão, e um processamento mais rápido graças ao tamanho relativamente pequeno do arquivo.
A videogrammetria é utilizada com sucesso em canteiros de obras. Mas Gerdes e a equipe estavam interessados em ir fundo.
Embora a fotogrametria submarina tenha sido usada com sucesso para mapear recifes de coral, ela não é bem adequada para aberturas térmicas. Os autores de estudos anteriores admitem que fotos ainda não são a melhor maneira de alcançar estas pequenas e dinâmicas áreas. A videogrammetria oferece uma nova forma de trabalho.
Os vídeos são não-invasivos, econômicos e a estrutura da técnica de movimento pode ser usada com qualquer vídeo. Pode até ser possível utilizar vídeos que não foram feitos com modelagem 3D em mente, embora para melhores resultados a câmera deve ser calibrada e as diretrizes de aquisição de imagem devem ser seguidas.
Possibilitando a conservação marinha através de mapas e modelos
O projeto tinha uma série de objetivos. Em primeiro lugar, a equipe queria estudar o ambiente em torno das aberturas térmicas que poderiam ser usadas como base para o monitoramento e gerenciamento prospectivo do fundo do mar.
Isto envolveu a criação de uma reconstrução 3D e a contagem das dezenas de milhares de criaturas individuais que chamam os campos de ventilação de lar.
Um segundo objetivo era criar um modelo preditivo que pudesse estimar a vida em torno de aberturas similares, permitindo que o trabalho fosse extrapolado com o mínimo de investimento adicional. Gerdes e a equipe esperavam que isto pudesse ser usado para detectar áreas adequadas para áreas de proteção marinha em escalas espaciais maiores.
Um campo hidrotermais subaquático
Asaberturas hidrotermais submarinas são fissuras no fundo do mar que infiltram fluido aquecido geotermicamente, enriquecendo o ambiente ao seu redor.
Consiste em grupos de "chaminés" que vão de centímetros a vários metros de altura, inclinados até o fundo do mar. As chaminés são indicadas por fumaça preta ou água cintilante e crescimento denso da fauna.
3.000 metros sob o mar
Gerdes juntou-se à tripulação do navio de pesquisa francês Pourquoi pas? para uma expedição ao Oceano Índico.
O ROV (veículo subaquático operado à distância) Victor 6000 foi lançado do convés e mergulhou a mais de 3.000 metros abaixo da superfície enquanto os especialistas da equipe IFREMER pilotavam o ROV a partir da sala de controle do Pourquoi pas?
O Victor navegou até as águas cintilantes do campo de ventilação térmica no fundo do oceano.
O objetivo: capturar cada detalhe da área de 346m² em vídeo. O Victor deslizou lentamente pelo campo, a não mais que 0,2 nós (10cm por segundo) enquanto a câmera fotografava 25 quadros por segundo.
Todos os esforços foram feitos para manter o ROV a uma distância consistente das paredes da chaminé. Cada movimento - incluindo a profundidade, o passo e o rolo - foi registrado a cada segundo usando um Sistema de Linha de Base Ultra Curta (USBL - um método de posicionamento acústico subaquático).
A câmera fixa HD 3-CCD posicionada na parte frontal do Victor é rematada por um par de lasers fixos com 10cm de distância. Os feixes de laser estreitos eram visíveis nas garras da moldura e usados para otimizar a escala. Para perfurar a escuridão, um total de oito holofotes emitiu um total combinado de 5 kW de luz.
De volta ao centro de missão do Pourquoi pas?, os dados de posicionamento foram suavizados e as posições alocadas erroneamente foram removidas do conjunto de dados. Uma posição GPS foi adicionada para cada segundo de filmagem.
Um gêmeo digital em Pix4Dmapper
Gerdes e a equipe carregaram o vídeo no Pix4Dmapper. Pix4D extraiu automaticamente os quadros do vídeo e a equipe foi capaz de processar o projeto normalmente.
Não foi a primeira vez que a Gerdes usou o Pix4Dmapper. Como membros de uma instituição de pesquisa, a equipe do Instituto Senckenberg pôde acessar a tecnologia a uma taxa reduzida graças ao esquema de licenciamento educacional da Pix4D.
Eles desenvolveram um fluxo de trabalho que pode ser utilizado por outros pesquisadores ou mesmo por interesses comerciais que trabalham com inspeções subaquáticas.
Reconstruindo um mundo subaquático
Graças à alta sobreposição alcançada no vídeo, a equipe foi capaz de reconstruir com sucesso o campo de ventilação em Pix4Dmapper. Eles alcançaram uma distância de amostragem de solo (distância de amostragem de peixes?) de apenas 2,7mm.
Com a reconstrução completa, um membro da equipe contou cada criatura individual visível na reconstrução e no vídeo - todos os 25.360.
O Rimicaris kairei (uma espécie de camarão que só se encontra ao redor das aberturas térmicas) apareceu como pontos cinzentos no modelo. Ainda assim, a alta sobreposição garantiu bons resultados de qualidade, já que a equipe conseguiu se concentrar nas imagens mais claras. Os resultados foram cruzados por biólogos marinhos experientes.
Mapeamento, modelagem e matemática
Agora que a equipe compreendeu a vida no campo de ventilação, eles precisavam passar para o próximo objetivo: ver se os dados poderiam ser extrapolados para outras áreas.
Software de código aberto de terceiros foi utilizado para definir e calcular os descritores do terreno, tais como distância da ventilação, aspecto (a direção da bússola de uma superfície), inclinação, rugosidade e curvatura do modelo reconstruído.
Enquanto as águas quentes do respiradouro são o que atrai criaturas para a área, o terreno em si - sua aspereza, inclinação e aspecto - são mais importantes para a fauna do que o respiradouro em si. Por exemplo, alimentadores filtrantes como corais e esponjas florescem em declives íngremes e expostos.
Portanto, ao modelar a ventilação contra a fauna ali encontrada, a equipe foi capaz de criar um modelo preditivo.
Quando a fórmula foi testada contra a ventilação térmica reconstruída, os pesquisadores descobriram que ela previa a fauna com uma precisão de 84,97%.
Proteção a longo prazo da biodiversidade do mar profundo
Gerdes e a equipe detectaram a predação submarina que se jogava na abertura da chaminé. O camarão Rimicaris kairei de movimento rápido existe perto das aberturas, pois eles se alimentam exclusivamente das bactérias episibióticas que florescem na superfície de suas guelras. Mas eles caem presas das Maractis anêmonas do mar sp., que por sua vez competem por imóveis de primeira linha ao lado do calor - e uma fonte de alimento.
O rico ecossistema ao redor dos respiradouros térmicos suporta a vida desde microorganismos até mega-crabs. É a esperança da equipe que o modelo preditivo possa ser aplicado em áreas semelhantes no fundo do mar, e proteger a diversidade marinha para as gerações futuras.
