Coral reef monitoring : Using structure from motion photogrammetry to evaluate reef complexity, coral cover and coral diversity at D'Arros Island and Saint Joseph atoll in Seychelles

Victor Gautier

http://hdl.handle.net/10400.1/20514

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Authors

Victor Gautier

Advisor(s)

Engelen, Aschwin

Bullock, Robert

Abstract(s)

Apesar de ocuparem menos de 0,2% da superfície oceânica mundial, os recifes de coral são o lar de mais de 25% das espécies marinhas. Representam um ecossistema crucial, servindo como habitat, refúgio e fonte de alimento para uma vasta gama de organismos marinhos. Contudo, os recifes de coral estão sob ameaça crescente a uma escala global, agravada pelo branqueamento dos corais, frequentemente associado às atividades humanas. Esta situação é alarmante, dada a importância dos corais na defesa contra a erosão costeira, na sustentabilidade económica de milhões de pessoas, onde se inclui o turismo e a pesca e na contribuição para os ciclos globais de carbono e azoto. Nos últimos 30 anos, as ameaças resultaram numa diminuição notável na cobertura de coral, na diversidade de espécies e na complexidade estrutural dos recifes. Embora não tenha sido claramente estabelecida uma relação direta entre estes três parâmetros, são necessários mais estudos de investigação. A monitorização contínua e aprofundada dos corais é, portanto, essencial para desenvolver conhecimento e identificar soluções eficazes para a sua conservação. O campo da monitorização de recifes de coral tem avançado de forma significativa. Desde técnicas tradicionais como o transecto de interceção de linha ou a técnica de quadratura, para métodos mais inovadores como a fotogrametria Structure from Motion (SfM). A fotogrametria Sfm envolve a modelação 3D dos recifes de coral, permitindo a análise de muitos parâmetros à distância. Esta técnica, que surgiu há cerca de dez anos, ainda se encontra num processo evolutivo e parece promissora. A SfM desempenha assim, um papel importante nos programas de monitorização, uma vez que o método pode ser repetido em qualquer intervalo de tempo para monitorizar as alterações ambientais. Este estudo tem como objetivo avaliar a complexidade dos recifes, a cobertura de corais, a diversidade e a forma como interagem, utilizando a fotogrametria Sfm na Ilha D'Arros e no Atol de Saint Joseph nas Seychelles. Explora-se a hipótese de que existem variações na cobertura bentónica, na diversidade de corais e na complexidade estrutural dos recifes, influenciadas pela diversidade dos parâmetros ambientais. A cobertura de corais e a diversidade de corais estão correlacionadas com a complexidade do recife. A técnica de fotogrametria Sfm fornece dados eficientes e precisos. Utilizam-se amostras recolhidas aleatoriamente em locais de pesquisa pré-determinados, selecionados com base no tipo de habitat e orientação geográfica. O protocolo de investigação abrange seis zonas distintas à volta das ilhas, três à volta de D'Arros e três à volta de São José, cada uma caracterizada por parâmetros ambientais variáveis. As zonas C e D estão viradas para sul, com condições de ondulação e correntes sólidas, tal como a zona E. As zonas A, F e B estão viradas para norte com mares mais calmos. A zona F é mais profunda do que as outras zonas. Estabeleceram-se cinco transectos de 100 m² (10x10 metros quadrados) dentro destas zonas, para a monotorização em profundidades pouco profundas com variações entre 5 e 12 metros, através de mergulho. A aquisição de dados, envolveu a utilização de uma configuração de câmara dupla, com o objetivo de atingir a melhor sobreposição possível e alargar o campo de visão com fotografias diferentes da mesma área. Foram tiradas fotografias automaticamente a cada segundo, para obter uma sobreposição substancial entre as imagens, tanto para a frente (>80%) como para o lado (>60%). Foram produzidas entre 400 e 800 fotografias durante o decorrer dos protocolos, dependendo do transecto. Foram utilizados vários programas: O Agisoft Metashape, para construir o modelo 3D, o Coral Point Count com extensões Excel para avaliar a cobertura e a diversidade dos corais, e o Gwyddion para analisar a complexidade dos recifes. O Primer e o Excel foram utilizados para as estatísticas. Através de um teste de pares, executou-se PERMANOVAs no Primer 7 para cada variável, a fim de determinar diferenças significativas entre zonas e transectos. Para complementar às PERMANOVAs, efectuou-se PERMDISPs deviation from centroid para comparação de pares para entender-se as diferenças de dispersão entre zonas e um teste de Kruskall Wallis com Mann Whitney de pares para a complexidade do recife. Os resultados obtidos revelam diferenças significativas entre as zonas e dentro dos transectos de cada zona para as três variáveis. De forma notável, as diferenças inter-zonas foram mais pronunciadas do que as variações intra-zonas, particularmente em algumas zonas que variam entre as variáveis. Curiosamente, não foi identificada qualquer correlação significativa entre a cobertura de corais, a diversidade e a complexidade dos recifes, com coeficientes de correlação próximos de zero. 0,07 entre a cobertura de corais e a diversidade, -0,03 entre a cobertura de corais e a complexidade dos recifes e 0,05 entre a complexidade dos recifes e a diversidade. As diferenças observadas na complexidade dos recifes são complexas e parecem resultar de uma vasta gama de parâmetros abióticos e biológicos. Os resultados adquiridos ressaltam a necessidade de estudos anuais contínuos para acompanhar a evolução e dinâmicas dos recifes. Além disso, a aplicação de soluções de software alternativas, como o Taglab apoiados pela Inteligência Artificial, podem oferecer insights mais profundos para a construção de soluções e avaliar a complexidade do recife.

Despite covering less than 0.2% of the world's oceans, coral reefs harbour over 25% of marine species. They are vital in offering countless marine organisms habitats, nursery grounds, and sustenance. Unfortunately, coral reefs worldwide face escalating threats, with coral bleaching linked to human activities. These threats have resulted in the loss of coral cover, species diversity, and reef complexity, although no direct link has been clearly established between these 3 parameters. Thus, continuous coral monitoring is imperative, offering insights and solutions for conservation. The field of coral reef monitoring has evolved significantly, leveraging advanced technologies like Structure from Motion (SfM) photogrammetry. This study aims to assess reef complexity, coral cover, and diversity and how they interact using the SfM photogrammetry at D'Arros Island and Saint Joseph Atoll in Seychelles. The research protocol encompasses six distinct zones around the islands, three around D'Arros and three around Saint Joseph, each characterized by varying environmental parameters. We established five 100 m² transects within these zones, monitoring shallow depths ranging from 5 to 12 meters through scuba diving. Our data acquisition involved using a dual-camera setup, with subsequent data processing employing multiple software tools. Agisoft Metashape was employed to construct 3D models, for coral cover and diversity assessments, and Gwyddion for analyzing reef complexity. Our findings reveal significant differences among the zones and within transects of each zone for all three variables. Notably, inter-zone differences were more pronounced than intra-zone variations, particularly in some zones. Intriguingly, our analysis did not identify any significant correlation between coral cover, diversity, and reef complexity, with correlation coefficients near zero. This research underscores the importance of annual studies to track reef evolution. Additionally, exploring alternative software solutions, such as the AI-powered Taglab, may offer enhanced capabilities for assessing reef complexity.