Identification of Marine Organisms using Chemotaxonomy and Hyperspectral Imaging

Abstract

In this study, pigment composition in marine organisms has been investigated for different purposes. The absorption spectra of pigments from a given organism give us an optical fingerprint for that particular organism when detected by a hyperspectral detector such as a spectrophotometer, spectroradiometer or a hyperspectral imager. The pigment composition in

water samples from the Atlantic and Arctic water masses surrounding the Svalbard archipelago was used to investigate the phytoplankton pigment group diversity. Investigation found that the pigment group diversity of phytoplankton has previously been underestimated.

Most marine benthic organisms have an unknown pigment composition and especially organisms remotely located and difficult to reach like organisms constituting the deep, cold water coral reefs. Pigment composition in corals is considered as important information as basis for future eco-physiological studies of coral dominated habitats, for bio- prospecting related to future medicine and anti-bacterial compounds and finally for in situ optical identification for mapping, monitoring and management purposes. The hexacorallia Lophelia pertusa (orange and white, Linnaeus 1758) and the two octocorallia Paragorgia arborea (Linnaeus 1758) and Primnoa resedaeformis (Gunnerus 1763) were subjected to pigment investigation and astaxanthin was found to be the main pigment in all species.

Further pigment studies were done on the two colour morphs of L. pertusa, on the spoon worm Bonellia viridis (Rolando 1821) and the sponges: Isodictya palmata (Ellis and Solander 1786), Hymedesmia paupertas (Bowerbank 1864) and Hymedesmia. sp. with the purpose of making a basis for in vivo and in situ bio- optical identification with Hyperspectral Imaging (HI) and Underwater Hyperspectral Imaging (UHI) respectively.

HI and UHI technique was investigated for the use as bio-optical taxonomic tools for the studied marine organisms using the species specific pigment absorbance spectra (OD(λ)) as a verification for the reflection (R(λ)) measurements. The R(λ) were found to be inversely related to the OD(λ) and can hence be used as a bio-optical taxonomical tool. When HI had been verified to be used as a bio-optical taxonomical tool under controlled conditions in the laboratory, the use of UHI as a mapping and surveillance tool was elucidated in situ.

UHI data were found useful for both supervised (separation of known Objects Of Interest (OOI) with different optical properties) and unsupervised classification (separation of unidentified OOI with different optical properties) of corals. With these results it was concluded that UHI has the potential to become a cost effective and time efficient method towards automated identification, mapping and surveillance on the marine seafloor. When mounted on underwater robots such as Remotely Operated Vehicle (ROV) and Autonomous Underwater Vehicles (AUV) the UHI can be carried to large depths covering large areas at high spatial and spectral resolution.

I dette studiet har pigmentsammensetningen i marine organismer blitt undersøkt for forskjellige formål. Absorpsjonsspekteret fra en gitt organisme gir oss et optisk fingeravtrykk spesifikt for den gitte organisme når det blir detektert med en hyperspektral detektor som et spektrofotometer, spektoradiometer eller en hyperspektral avbilder. Pigmentsammensetningen i Atlantiske og Arktiske vannprøver fra havområdene rundt Svalbard ble brukt til å undersøke diversiteten av pigmentgruppene i planteplankton. Resultatene viste at pigment gruppe diversiteten av planteplankton har tidligere vært underestimert. De fleste marine bunnlevende organismer har en ukjent pigmentkomposisjon og da spesielt organismer som lever på steder det er vanskelig å nå slik som organismene som utgjør de dypt liggende kaldtvannskorallrevene. Pigmentkomposisjonen i koraller er antatt og være viktig kunnskap for fremtidig oko‐fysiologiske studier av korall dominerte habitat, for bioprospektering relatert til fremtidige medisiner og antibakterielle komponenter og for in situ optisk identifisering med formål å kartlegge, overvåke og forvalte havbunnsområder.

Pigmentundersøkelser av korallene Paragorgia arborea (octocorallia, Linnaeus 1758), Primnoa resedaeformis (octocorallia, Gunnerus 1763) og oransje og hvit fargemorf av Lophelia pertusa (hexacorallia, Linnaeus 1758), viste at astaxanthin var hovedpigmentet ansvarlig for den visuelle fargen i alle artene. Pigmentundersøkelser ble også gjort på pølseormen Bonellia viridis (Rolando 1821) og på svampene Isodictya palmata (Ellis and Solander 1786), Hymedesmia paupertas (Bowerbank 1864) og Hymedesmia sp. med hensikt å lage en basis for in vivo og in situ bio‐optisk identifisering med henholdsvis Hyperspectral avbilding (HI) og Undervanns Hyperspektral avbilding (UHI). HI og UHI teknikken ble så undersøkt for bruk som et bio‐optisk taksonomisk verktøy for de

samme organismene ved å bruke deres art spesifikke pigment absorpsjon spekter (OD(λ)) som verifikasjon for refleksjons spektrene (R(λ)) fra HI og UHI. R(λ) ble funnet å være inverst relatert til OD(λ) og kan derfor brukes som et bio‐optisk taksonomisk verktøy.

Etter at HI hadde blitt verifisert til bruk som et bio‐optisk verktøy under kontrollerte omgivelser på laboratoriet begynte arbeidet med å verifisere bruken av UHI som et kartleggings‐ og overvåkningsverktøy in situ. Resultatene viste at UHI data kunne brukes til supervised klassifisering (separering av kjente objekter med forskjellige optiske egenskaper) og viste stort potensial for å bli brukt til unsupervised klassifisering (separering av uidentifiserte objekter) av koraller. På bakgrunn av disse resultatene ble det konkludert med at UHI har potensial til å bli en kost effektiv og tids besparende metode for automatisk identifisering, kartlegging and overvåkning av havbunnen. Ved

implementering av UHI på undervannsroboter som eksternt opererte fartøy (ROV) og autonomt opererte fartøyer (AUV), kan den bli frakter til store dyp og dekke store områder med høy rommelig og spektral oppløsning