In uno studio pubblicato di recente in Barriere coralline , scienziati della Scripps Institution of Oceanography dell'UC San Diego hanno creato e analizzato fotomosaici dettagliati della barriera corallina dell'atollo di Palmyra, e ha fatto scoperte sorprendenti sull'ecologia spaziale dei coralli. Gli scienziati, guidato dallo studente laureato Clinton Edwards, cercato più di 17, 000 piedi quadrati di barriera corallina, e 44, 008 colonie di corallo, prendendo più di 39, 000 immagini che sono state poi unite per creare fotomosaici 3D che abbracciavano la barriera corallina.

Edwards e i suoi coautori hanno analizzato questi mosaici e hanno scoperto che le colonie di coralli sulla barriera corallina di Palmyra sono disposte in modo non casuale. Hanno dimostrato per la prima volta che i coralli tendono ad essere raggruppati insieme nel paesaggio della barriera corallina, e che la forza di questo raggruppamento è strettamente legata alla specifica strategia di crescita e riproduzione utilizzata da un dato corallo.

Edwards ha detto che in base a ciò che aveva osservato durante le molte ore trascorse ad analizzare i mosaici, aveva la sensazione che avrebbero visto alcune prove per il raggruppamento non casuale. "Ero, però, abbastanza sorpreso di trovare così poche prove di casualità, " ha detto. "C'è un livello di consistenza matematica che l'occhio proprio non riesce a catturare e non credo che nessuno si aspettasse risultati così coerenti".

Stuart Sandin, un professore di ecologia marina a Scripps, chi è il consulente di dottorato di Edwards e autore senior dell'articolo, afferma che la tecnologia del mosaico può aiutare gli scienziati a raggiungere la comprensione dell'ecologia marina con la loro conoscenza dell'ecologia terrestre.

Per comprendere gli ecosistemi sulla terra, "usiamo fotocamere montate sugli aerei per scattare foto da diecimila piedi, e puoi vedere dove vivono gli alberi e dove crescono. E ora i satelliti hanno una copertura ancora più completa, " ha detto Sandin. "Questa è una quantità enorme di dati, e il cielo è il limite di ciò che analizziamo e di ciò che abbiamo imparato sull'ecologia di base e applicata. Ora vai sott'acqua e i dati spaziali sono sostanzialmente assenti. Cosa possiamo fare? Devi iniziare cercando di mapparlo."

Avere una comprensione del paesaggio complessivo delle foreste e di altri ecosistemi terrestri è stato molto prezioso per la conservazione e la gestione di quegli ambienti. Ora, Sandin afferma che la mappatura dettagliata dei fotomosaici delle barriere coralline potrebbe essere utilizzata allo stesso modo per la gestione degli ecosistemi marini.

"Nelle barriere coralline, una delle grandi preoccupazioni è se una tempesta uccide un mucchio di coralli, come si recuperano i coralli? Uno degli strumenti che abbiamo è piantarli, " Sandin ha detto. "Un approccio che le persone hanno avuto è quello di dire, bene, ognuno di questi frammenti di corallo che pianto potrebbe diventare di cinque metri quadrati. Ciò significa che li spazierò in modo molto regolare, e disperderli ogni due metri."

Ma in base a ciò che ora capiscono sull'ecologia spaziale dei coralli, questo approccio potrebbe essere problematico. "Una foresta dove pianti alberi troppo distanti, arriva una tempesta di vento e tutti gli alberi cadono, perché dipendono l'uno dall'altro per la stabilità. La stessa identica cosa vale per i coralli, " disse. E non è l'unica considerazione. In una barriera corallina, come in un bosco, ci sono regole che descrivono come le specie densamente o scarsamente diverse amano crescere, quanto gli piace stare uno accanto all'altro, e spesso ottengono opportunità ecologiche vivendo vicini l'uno all'altro. I fotomosaici stanno aiutando gli ecologisti dei coralli a decodificare il modo in cui queste regole strutturano una barriera corallina.

La creazione dei fotomosaici e l'estrazione di informazioni utili da essi è un processo che richiede tempo. Durante la raccolta dei dati, gli scienziati generalmente fanno tre immersioni al giorno, e ci sono voluti più di cinque giorni interi di immersioni per raccogliere le immagini per i sedici grafici utilizzati in questo studio. Tornato in laboratorio, Edwards ha utilizzato un sistema informatico personalizzato ad alte prestazioni per unire insieme i 2, 500-3, 500 singole immagini che compongono ogni mosaico. Il software impiega diversi giorni per completare il rendering dell'immagine composita, e circa 100 ore per etichettare e classificare tutti i coralli in ogni immagine. Quindi il passaggio finale è estrarre le informazioni sulla specie e analizzarle, che richiede altri tre giorni circa per immagine.

La digitalizzazione delle immagini è chiaramente il passo limitante, Egli ha detto. Ma questo potrebbe cambiare presto. "Abbiamo ottimi collaboratori nel dipartimento di informatica e ingegneria della UC San Diego, e si stanno avvicinando ad avere un flusso di lavoro assistito da computer che accelererà notevolmente questo processo, " ha detto Edoardo.

Vid Petrovic, uno studente di dottorato nel laboratorio del professor Falko Kuester nel dipartimento di informatica della UC San Diego che ha creato il software che il team di Sandin utilizza per visualizzare i loro modelli 3D, sta lavorando alla creazione di un software personalizzato per questo scopo.

"Sempre più immagini vengono raccolte nel campo delle scienze marine, e il ritmo e la portata dello sforzo non faranno che aumentare, ma più dati non significano automaticamente di più, o meglio scienza, " ha detto Petrovic. "È un onore e una gioia lavorare così a stretto contatto con un gruppo di ecologisti marini per affrontare questo problema, sviluppare in modo collaborativo gli strumenti e i flussi di lavoro necessari per fare un uso produttivo delle immagini, sia per monitorare la salute della barriera corallina, o per far progredire la scienza di base."

Petrovic afferma che il team sta consentendo agli scienziati di esplorare virtualmente le barriere coralline in laboratorio, permettendo loro di viaggiare nel tempo di anno in anno e di seguire la crescita e il declino delle singole colonie, e studiare le relazioni spaziali e temporali attraverso la barriera corallina.

"Stiamo accelerando la digitalizzazione e l'annotazione, e aprendo un percorso per lasciare che le tecniche di apprendimento automatico portino più di questo onere, " disse Petrovic. "Tutto questo è terribilmente eccitante, e con molto altro in arrivo. Ma l'aspetto più gratificante per me è la collaborazione interdisciplinare che rende possibile in primo luogo, che ci consente di applicare un decennio di ricerca sulla visualizzazione a sostegno di un lavoro ecologico vitale."

Edwards, Sandin, e i loro collaboratori affermano di aspettarsi che la tecnologia del fotomosaico porti a molte più scoperte scientifiche, e continuare ad aiutare negli sforzi di conservazione. I dati raccolti sulla barriera corallina di Palmyra fanno parte della 100 Island Challenge, il cui obiettivo è creare una prospettiva globale su come le barriere coralline stanno cambiando nel tempo.

Il team della sfida delle 100 isole, composto da ricercatori post-dottorato, personale, e studenti laureati dei laboratori di Sandin e dell'ecologa di Scripps Jennifer Smith, sta collaborando con scienziati e comunità di tutto il mondo per visitare 100 isole diverse e utilizzare queste nuove tecniche di imaging 3D per creare mosaici fotografici che catturano ogni dettaglio della struttura e dell'ecologia della barriera corallina. Finora il team ha visitato quasi 70 delle isole per catturare mosaici, con un programma per riesaminare ogni sito dopo due anni. Tornato in laboratorio, analizzeranno i mosaici per vedere come le barriere coralline stanno cambiando nel tempo, e come la variazione delle condizioni oceaniche e delle attività umane influisca su ogni barriera corallina. Queste immagini diventeranno anche dati di base che le agenzie locali potranno utilizzare per studiare le proprie barriere coralline.

"Ciò che mi ha davvero entusiasmato dell'approccio del fotomosaico di grandi aree è che fondamentalmente ti consente di portare a casa la barriera corallina con te, "Ha detto Edwards. "Quando ti immergi ci sono così tanti vincoli pratici a ciò che puoi fare. Sei limitato dall'aria, correnti, condizioni della superficie, e a volte non hai l'opportunità di fermarti ad annusare le rose."

Ha detto che essendo in grado di passare ore a muoversi lentamente sulla barriera corallina, osservando attentamente migliaia di singoli coralli, lo aiuta a vedere cose che non avrebbe mai potuto osservare sul campo. "Ho imparato molto durante le immersioni e non scambierei mai queste esperienze, ma la maggior parte delle mie intuizioni è arrivata davanti a un computer durante la digitalizzazione di queste immagini, " Egli ha detto.

"È esattamente questa opportunità per nuove osservazioni e nuove intuizioni che è necessaria per spingere avanti la scienza, " ha aggiunto Edwards. "Sono davvero onorato ed entusiasta di farne parte".