Die Rekonstruktion der Restaurierung: Wie die Fotogrammetrie mit Korallen funktioniert

„10 x 5 Meter mag sich erstmal nach nicht viel anhören, aber wenn man eine Fläche dieser Größe in allen Richtungen – vertikal und horizontal – abschwimmen muss, ist es nicht ohne“, erklärt Kate Craggs. Aber warum um alles in der Welt musste sie sich überhaupt im Zickzack bewegen? Die einfache Antwort ist „Fotogrammetrie“, doch wer unsere Partnerschaft mit Coral Spawning International und Nature Seychelles kennt, weiß, dass dahinter viel mehr steckt.

Lassen Sie sich von diesem Wortgebilde nicht abschrecken – denn Fotogrammetrie ist absolut faszinierend, ganz besonders, wenn es um die Korallenriffe der Seychellen geht. „Dabei werden sehr viele Fotos gemacht, die anschließend mithilfe einer Bildbearbeitungssoftware zusammengefügt werden“, erklärt Dr. Jamie Craggs vereinfachend. „Die Software legt die zweidimensionalen Bilder so übereinander, dass sie sich zu einer dreidimensionalen Ansicht kombinieren lassen.“

Schon diese kurze Erklärung zeigt, warum die Fotogrammetrie so wichtig für Dr. Craggs und ihr Team sind. Dadurch können sie die Arbeit, die sie unter Wasser vorgenommen haben, an Land holen, wo sie jeden einzelnen Aspekt der Riffe, die sie gerade restaurieren, analysieren, bewerten und – am wichtigsten – messen können. Damit können sie mehr als nur die oberflächliche Schönheit der nachwachsenden Korallen sehen. In der Praxis steht die Fotogrammetrie jedoch ganz am Ende des Prozesses, und wie Kate bereits sagte, kann sie herausfordernd sein.

„Für unsere Untersuchungen haben wir sechs Standorte im Naturschutzgebiet Cousin Island ausgewählt. Bei dreien davon haben wir eine Plane über das Riff gelegt und dann neue Korallenlarven darunter ausgesetzt, um deren Ansiedlung in diesem Bereich zu fördern“, erläutert Dr. Craggs. Anschließend maß Kate gemeinsam mit dem Team von Nature Seychelles jede einzelne Fläche sorgfältig aus und erstellte mithilfe von Seilen Transektlinien. Zudem setzte sie Messmarker, um Referenzpunkte für die Messung zu haben. „Jeder Marker hat ein einzigartiges kodiertes Muster, sodass die Fotogrammetriesoftware das 3D-Modell später erkennen und präzise skalieren kann“, ergänzt Dr. Craggs. Nach Abschluss der Tauchgänge zur Messung ging es dann erneut auf Tauchgang, um die Fläche abzufotografieren.

Es musste jeder Zentimeter der Fläche mit der Kamera erfasst werden, und das ist gar nicht so einfach, wie es vielleicht klingt. „Das Problem besteht darin, dass Strömung und Wellengang nicht vorhersehbar sind“, erklärt Kate. „Dadurch war es schwierig, eine gleichmäßige Geschwindigkeit und Höhe über dem Riff beizubehalten. Die Korallen sind nicht alle gleich hoch. Daher muss man ständig die Höhe der Kamera anpassen, wenn man darüber schwimmt.“ Und da es hier auf Genauigkeit ankommt, ist die richtige Ausrüstung entscheidend.

Sie entschied sich für eine Canon EOS R5 Mark II in einem wasserdichten Gehäuse, an die sie ein Weitwinkelobjektiv anbrachte. Damit sind die Bilder – ein Foto pro Sekunde –, die sie macht, wie zu erwarten gestochen scharf, farbgetreu und präzise. „Dadurch sehen wir unglaubliche Details“, ergänzt Dr. Craggs. „Und das ist wirklich spannend.“ Aber es geht nicht nur darum, dass sie schön anzusehen sind. Dank der gestochen scharfen Details sind zudem charakteristische Merkmale erkennbar, wodurch die Rekonstruktion noch genauer wird. „Zunächst werden alle zusammengefügt, sodass eine sogenannte ‚Sparse Point Cloud‘ entsteht“, erklärt sie. Das ist so etwas wie ein grober Entwurf aus Punkten, von denen jeder ein Merkmal des Riffs darstellt, das sich in mehreren sich überlappenden Bildern wiederholt. Damit kann die Software die Grundform der Fläche berechnen. Zu diesem Zeitpunkt fehlen allerdings noch die meisten Details. Daher „Sparse“ – spärlich.

„Dann filtern wir die Daten, um die ‚Dense Point Cloud‘ zu erzeugen, die viele – oft Millionen – weitere Punkte erzeugt und deutlich mehr Daten einfügt. Schließlich erstellen wir das sogenannte „Mesh“ (Netz), in dem Punktegruppen verbunden werden. Dadurch bekommt das gesamte 3D-Modell seine Oberflächenstruktur. Das erfordert einen enormen Rechenaufwand, aber wenn man hineinzoomt, kann man die Korallen in bemerkenswerter Detailgenauigkeit sehen. „Wir können bis auf wenige Millimeter für die gesamte Breite vergrößern, sodass wir eine unglaubliche Auflösung erhalten. Die Qualität ist sehr hoch und die Kanten sind klar definiert, was die Genauigkeit unserer Messmethoden verbessern wird.“

Wer nun denkt, dass es beim Messen des Korallenwachstums nur um eine kurze Überprüfung des Wachstums geht, täuscht sich gewaltig. Die Fotogrammetrie spielt eine wichtige Rolle bei Überwachung aller sechs Standorte. Damit können Dr. Craggs und die Meereswissenschaftler von Nature Seychelles genau nachvollziehen und verstehen, was gerade passiert – zum Beispiel, ob sich die Korallen in ihrer neuen Umgebung eingewöhnen konnten, wie hoch die Überlebensrate ist und wie es sich mit Form, Größe und Struktur des Riffs verhält. Dabei werden auch anderen Messungen wie zum Beispiel zur Wasserqualität, Temperatur oder Lichtdurchlässigkeit durchgeführt, um ein Gesamtbild vom Gesundheitszustand des Riffs im Lauf der Zeit zu bekommen.

Mithilfe von Fotogrammetrie lassen sich zudem Vergleiche im Zeitverlauf anstellen. Die 3D-Modelle können „abgeflacht“ und in ein sogenanntes „Orthomosaik“ umgewandelt werden. Hier kommen die kodierten Messmarker ins Spiel, die Kate und ihre Mitstreitenden innerhalb der einzelnen Bereiche gesetzt haben. „Sie sorgen dafür, dass alles korrekt ausgerichtet ist, um aus Hunderten von Fotos ein zweidimensionales Bild erstellen zu können“, erklärt Dr. Craggs. Die vermessenen Flächen bilden einen festen Punkt im Riff, mit deren Hilfe das Team periodische Reproduktionen der „flachen Karte“ anfertigen können. „Dann können wir sie übereinander legen und direkt messen, um wie viel ein Korallenfeld in sechs Monaten, einem Jahr oder in noch längerer Zeit gewachsen ist.“

Kate und das Team von Nature Seychelles müssen regelmäßig die Fläche in allen Richtungen abschwimmen – hin und her, von rechts nach links – und die sechs Korallenbereiche abfotografieren, von denen in einer Hälfte Larven ausgesetzt wurden. „Dann können wir hineinzoomen und sehen, wo sich unsere Babykorallen befinden, und mit dem Messen beginnen“, sagt Dr. Craggs. „Letztlich besteht das Ziel darin, Daten zu gewinnen, um sie zu analysieren, und bei Bedarf unseren Ansatz anzupassen.“ Es ist ein ewiger Zyklus aus Probieren, Testen, Anpassen und Verbessern.“

Verfolgen Sie hier unsere Arbeit mit Nature Seychelles und Coral Spawning International. Mehr zu Fotogrammetrielösungen von Canon finden Sie hier.