AIMS用数字孪生进行大堡礁的管理和恢复

我们来想象一下，不用沾水就可以以虚拟三维方式探索大堡礁会是什么样的体验。

摄影测量技术还真能将我们带入水下世界去探索各个微妙的角落，AIMS（澳大利亚海洋科学研究所）的科学家则利用摄影测量技术监测大堡礁的大片区域，这样做可以加快他们帮助脆弱的珊瑚礁恢复和适应气候变暖的能力。

什么是摄影测量技术？

摄影测量（Photogrammetry）技术是一门通过摄影照片测量物体的技术，摄影测量被广泛应用于许多学科和生态系统，主要用于生成重要事物的复杂图像重建（即数字孪生）。

重建过程利用安装在卫星、无人机、船只或手持设备等各种平台上的摄影传感器，可以生成二维和三维地形数字孪生模型。

摄影测量技术最早的开发始于1851年，当时是用于地表地形测量。本世纪初，水下照相机被广泛应用于研究领域，但在过去10年中，现代摄影测量技术在海洋生态系统监测和研究领域取得了令人瞩目的发展。摄影测量现在正在迅速成为海洋生态系统监测的标准，因为摄影测量的使用可以提高用于管理和保护数据的速度、精确度和准确性。

数字孪生是一个了不起的工具，能帮助我们以更好、更高效的方式了解世界以及世界变化的原因和方式。摄影测量技术的创新可以用于许多领域，其中之一是鲸类研究。研究人员利用数字孪生技术创建鲸鱼的数字模型，可以以非侵入性方式评估鲸鱼的体型、身体状况 和健康状况。

潜水、照相、分析数据——创建珊瑚礁的数字孪生

AIMS自2017年以来在多个项目中使用数字孪生技术“诊断”珊瑚礁的健康状况，并在支持珊瑚礁恢复和适应海洋变暖方面提供指导方法。

要生成珊瑚礁的数字孪生，研究人员首先需要对珊瑚礁进行成像操作，这主要是通过装在防水外壳中的水下相机完成的。在某些情况下，科研团队会从船上开几台相机或使用水下机器人来捕捉这些图像。潜水员可以潜入离珊瑚礁数厘米的范围内，对珊瑚礁的特定区域进行精确测量，进而获得最详细的数字孪生图像。

为了确保测量的精确性，还需要在珊瑚礁上放置一些标记物并拍照，标记物的大小和方向是已知的，因此有助于在处理过程中整合图像并提供重要的比例参考。

成功拍摄了几千张图像后，图像会在AIMS研究船上进行质量检查和备份。回到陆地后，超级计算机再对图像进行处理，生成一块72平方米的珊瑚礁数字孪生体通常需要6个小时，上文中Davies Reef孪生体的制作也一样，Davies Reef位于Townsville东北100公里处。

利用数字孪生了解珊瑚礁微小变化

珊瑚礁的结构极其复杂、精细，几十年来，科学家们一直在研究珊瑚礁，但却很难测量珊瑚如何变化、生长和应对干扰的细节，这些信息对于了解珊瑚礁群落从气候变化影响中恢复的潜力至关重要。

传统的方法需要大量人力，因此只能监测少数珊瑚群落或小部分珊瑚礁。

摄影测量技术改变了一切。科学家们现在利用摄影测量技术捕捉大堡礁和Torres海峡许多珊瑚礁群落的变化。珊瑚礁恢复和适应生态智能计划（EcoRRAP）于2021年开始使用摄影测量技术测量珊瑚礁群落的细微变化，目的是了解不同珊瑚礁栖息地和环境条件下不同珊瑚类型的动态变化。

该数据集还包括2022年的一次大规模白化事件，EcoRRAP研究人员得以了解白化的严重程度和范围如何随着珊瑚类型、珊瑚大小和环境的变化而变化。

所有这些信息可以帮助EcoRRAP计划的科学家们在未来的珊瑚礁恢复工作中更聪明地工作，而不是更辛苦地工作。如果我们知道珊瑚在哪些地方最容易受到白化影响以及在哪些环境中表现最好，科学家们就可以将珊瑚移植到白化程度最低、生长最快、繁殖最多的珊瑚礁上。这将有助于提高恢复干预措施的成功率。

做法和了解COVID-19对不同人群及其工作环境的影响一样。科学家和卫生官员能够利用这些信息，优先为最易受感染的人群（如老年人）和接触风险最高的人群（如医护人员）接种疫苗。

我们还可以如何使用摄影测量技术？

整个AIMS计划到目前为止已经制作了6000多个小时和1000个数字孪生体，AIMS团队研究珊瑚礁的能力因此得到了极大提高。

AIMS的长期监测计划（LTMP）是第一个使用现代摄影测量技术记录不同时期珊瑚礁结构复杂性的计划，目的是更深入地了解珊瑚礁的健康状况以及受到干扰后可能的发展轨迹。该项目生成的数据提高了我们预测环境干扰对珊瑚礁影响的能力。

其他AIMS项目包括了ReefScan和ReefSong团队，这些项目都使用了现代摄影测量技术。搭载在AIMS研究船上的自主驾驶车辆和光学成像系统为ReefScan项目创建一个 2.5D 模型，模型适用于对整个珊瑚礁、棘冠海星热点和海草草甸进行广泛监测。

ReefSong项目是澳大利亚珊瑚礁恢复能力计划的一部分，该项目现在正在Ningaloo礁和蜥蜴岛上构建高分辨率的3D实验区域模型。此举有助于研究鱼类如何影响珊瑚定居及个体珊瑚随时间的生长情况。

现代摄影测量技术的另一个应用是在恢复研究中跟踪几种不同形状和设计的珊瑚播种装置随时间推移的移动情况，结果可用于提高装置在珊瑚礁上的留存率。

未来：整合人工智能进行识别

摄影测量技术现在也开始整合人工智能，目的是加快从数字孪生体提取信息的速度，从而为管理和保护提供及时的信息。

AIMS也正在开发人工智能，这将提高我们将数字孪生转化为知识的速度，可以为珊瑚礁管理和保护提供信息。例如，人工智能已经可以在追踪单个珊瑚群和海底类别分类等重复性工作方面提供更高的效率。

Reefcloud提供的一个平台可以用于上传和分析来自世界各地的大量水下图像，具有极高的精度和速度。太平洋岛国经常借助它进行海洋管理决策，AIMS也经常利用它处理LTMP、EcoRRAP和ReefScan平台拍摄的大量高分辨率珊瑚礁图像。

LTMP和EcoRRAP正在与TagLab团队合作，大幅减少了人工追踪单个珊瑚群所需的人力。这使得各团队能够“训练”出程序，以高精度分类和追踪感兴趣的对象，大大减少了每个数字孪生体的处理时间和数据提取。

更多数据、更好地理解及有效的解决方案

摄影测量技术可以更快地提供有关珊瑚礁随时间变化的更详细信息，从而可以作出更明智、更及时的决策。

数字孪生技术使我们能够测量传统方法无法测量的新事物。现实世界中的大型问题往往需要多学科解决方案，数字孪生技术促进了数据标准化、信息共享和协作，这反过来又会带来更好的解决方案，帮助珊瑚礁恢复，或至少延缓崩溃时间，提高大规模适应的机会。

数字孪生技术还可以用于更好的沟通，可以为传统所有者、决策者、未来几代人和更广泛的公众提供一个互动平台，更好地讲述某个特定珊瑚礁的故事。