Underwater Hyperspectral Imaging as a Tool for Benthic Habitat Mapping

Abstract

Since the 1950s, continuous technological advances have gradually improved our ability to map the seafloor and its associated benthic habitats. Historically, seafloor mapping has largely been carried out acoustically, using techniques such as echo sounding and sonar imaging. These techniques are able to cover large areas, and can provide valuable information related to bathymetry, sedimentology and the distribution of large biogenic structures. To provide insight into finer-scale benthic properties (e.g., species distribution and community composition), other techniques must, however, be employed in addition. Traditionally, physical sampling (e.g., trawling, dredging and grab sampling) has widely been employed for these purposes, but in recent times, optical remote sensing has emerged as a viable non-intrusive alternative. Examples of optical remote sensing techniques that can be applied in relation to seafloor mapping include video recording, digital photography, and most recently, underwater hyperspectral imaging (UHI). The goal of this thesis is to evaluate the potential of the latter as a mapping tool for benthic habitats.

As opposed to conventional digital cameras, which render colors using a red (R), a green (G) and a blue (B) waveband within the visible light spectrum, hyperspectral imagers quantify colors as contiguous spectra. This provides a substantially improved foundation for color-based identification and mapping of biogeochemical seafloor targets. In the presented work, it is demonstrated that a considerable biological color diversity can be found among benthic organisms. It is also shown that this diversity not necessarily is well represented in RGB imagery, and that particularly suitable targets for UHI surveys include a variety of echinoderms, arthropods, cnidarians, mollusks and sponges, as well as brown, green and red macroalgae.

Through a series of examples and papers, it is further demonstrated that underwater hyperspectral imagers can be deployed on a range of sensor-carrying platforms, all of which have associated benefits and limitations. Moreover, the thesis covers several relevant data processing steps related to optical correction, georeferencing and classification of underwater hyperspectral imagery. Although the focus of the thesis is on marine biological applications, the presented work also features case studies of archaeological wreck sites. These examples illustrate that UHI may be used interdisciplinarily, with actors from multiple scientific fields involved. Ultimately, the potential role of UHI in future marine research is discussed in context with other currently employed seafloor mapping techniques. Overall, the presented findings suggest that UHI may serve as a powerful tool for detailed studies of areas ≤1,000 m2, but that more user-friendly software solutions for hyperspectral data processing likely must be developed if the technique is to be adopted by end users without an extensive technological background.

Sammendrag

Undervanns-hyperspektral avbildning – en ny metode for havbunnskartlegging

Havbunnen og dens tilhørende fauna har sannsynligvis fascinert menneskeheten i årtusener. Det var imidlertid ikke før den andre halvdelen av 1900-tallet at vi fikk verktøyene til å kartlegge bunnhabitater på en tilfredsstillende måte. Historisk sett har akustiske verktøy som ekkolodd blitt mye brukt til havbunnskartlegging. I nyere tid har også digital fotografering blitt stadig mer anvendt takket være utviklingen av nye instrumentbærende plattformer som fjernstyrte og autonome undervannsfarkoster. Fordelen med digitalkameraer er at de kan skaffe detaljert habitatinformasjon i form av fargebilder med såkalte «RGB-verdier» (R = rød, G = grønn, B = blå). Dette korresponderer grovt sett til menneskeøyets fargesensitivitet. Men hva om vi kunne kvantifisert og differensiert mellom farger på en mer nyansert måte?

Målet med denne avhandlingen var å utforske potensialet til en ny avbildningsteknologi designet for havbunnskartlegging: undervanns-hyperspektral avbildning (UHI). I motsetning til tradisjonelle digitalkameraer, kvantifiserer hyperspektrale avbildere farger i form av sammenhengende lysspektre. Dette gjør det potensielt lettere å identifisere og kartlegge biogeokjemiske objekter av interesse basert på deres spektrale egenskaper.

I avhandlingen blir hyperspektrale avbildere brukt fra en rekke instrumentbærende plattformer. Arbeidet inkluderer blant annet eksempler fra skipsvrak utenfor Svalbard, gruntvannsområder utenfor Agdenes og kaldtvannskorallrev i Trondheimsfjorden. De presenterte funnene viser at det finnes en substansiell fargediversitet blant marine organismer i norske farvann. Funnene viser også at organismer som makroalger (brune, grønne og røde), pigghuder (f.eks. kråkeboller og sjøstjerner), nesledyr (f.eks. koraller), svamper og krepsdyr representerer gunstige mål for hyperspektral kartlegging.

Avslutningsvis blir den potensielle rollen til UHI i fremtidig marin forskning og forvaltning diskutert. Basert på det gjennomførte arbeidet, kan det konkluderes med at hyperspektral havbunnskartlegging representerer et nyttig verktøy for automatiserte detaljstudier av områder ≤1 000 m2. Funnene antyder også at bruk av UHI i kombinasjon med akustiske kartleggingsverktøy som multistråle-ekkolodd og side-søkende sonarer kan gi innsikt i bunnhabitater fra forskjellige perspektiver.