stazioni acustiche cablate in ambiente marino

Associazione Italiana di Acustica
41° Convegno Nazionale
Pisa, 17-19 giugno 2014
STAZIONI ACUSTICHE CABLATE IN AMBIENTE MARINO
PROFONDO PER LO STUDIO DEL CAPODOGLIO (PHYSETER
MACROCEPHALUS).
Francesco Caruso (1,2), Giorgio Bellia (2), Emilio De Domenico (1,2), Paola Inserra (1),
Rosaria Grasso (2), Giuseppina Larosa (2), Sara Pulvirenti (2), Giorgio Riccobene (2), Virginia
Sciacca (1,2), Danila Scandura (2), Francesco Simeone (3), Fabrizio Speziale (2), Salvatore
Viola (2), Gianni Pavan (4,2), per conto delle collaborazioni SMO, KM3NeT Italia ed EMSO.
1) Di.S.B.A (Dipartimento di Scienze Biologiche e Ambientali), Università degli Studi di
Messina, viale Ferdinando Stagno d’Alcontres 31, 98166 Messina, Italia.
2) INFN – LNS (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Laboratori Nazionali del Sud) via Santa
Sofia 62, 95125 Catania, Italia.
3) Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione Roma 1, P.le A. Moro 2, 00185 Roma, Italia.
4) CIBRA (Centro Interdisciplinare di Bioacustica e Ricerche Ambientali), Dipartimento di
Scienze della Terra e dell'Ambiente, Università degli Studi di Pavia, Via Taramelli 24, 27100
Pavia, Italia.
1. Introduzione
Dal 1998, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha iniziato un progetto di
ricerca oggi confluito nell’infrastruttura ESFRI KM3NeT [1], in collaborazione con
numerosi Istituti di ricerca Europei. Il gruppo di ricerca del progetto KM3NeT è impegnato nello sviluppo di tecnologie per la realizzazione di un telescopio astrofico in ambiente marino profondo. L’obiettivo finale di questa ricerca è la rilevazione di neutrini
astrofisici di elevata energia. L’idea della collaborazione è di installare numerosi sensori
ottici, acustici ed oceanografici in strutture meccaniche ancorate sul fondo marino e
connesse a terra con cavo elettro-ottico.
Il gruppo di ricerca italiano all’interno di KM3NeT, ha identificato, per la realizzazione del telescopio per neutrini, un sito localizzato 100 km a Sud-Est di Portopalo di
Capo Passero (SR – Sicilia), alla profondità di 3600 metri. Il 23 Marzo 2013 è stata installata una prima unità prototipale del grande telescopio sottomarino. La struttura è ancorata sul fondo marino a 3500 metri e appare come una torre costituita da 8 barre in alluminio, della lunghezza di 8 metri, interconnesse da cavi e con una boa che la tiene in
tensione. Ogni piano è perpendicolare al successivo e la lunghezza totale della struttura
è di circa 500 metri (Fig.1). La torre ospita 4 moduli ottici (fotomoltiplicatori) per piano, 2 idrofoni (trasduttori acustici sottomarini) per piano, 2 CTD (sonde Conductivity
Temperature Depth) a un correntometro Doppler.
La collaborazione KM3NeT ha proposto lo sviluppo di un sistema di posizionamento acustico per monitorare in real time la posizione dei sensori ottici sulla struttura meccanica. All’interno di KM3NeT, il progetto SMO (Submarine Multidisciplinary Observatory) si è occupato di sviluppare nuovi sistemi di analisi dei dati acustici per il monitoraggio della posizione della torre, del rumore ambientale e delle sorgenti acustiche rilevabili (cetacei, terremoti, navi, sonar etc…). Pertanto, il progetto SMO esegue indagini acustiche dell’ambiente sottomarino con approccio multidisciplinare [2]. Nell’ambito
di questo progetto - finanziato dal MIUR (Contratto FIRB-2008 n. RBFR08NRZE) -
1
41° Convegno Nazionale AIA
sono stati installati 10 idrofoni a larga banda (10 Hz ÷ 70 kHz) localizzati sulla torre
prototipale installata dalla collaborazione KM3NeT-Italia nel sito di Capo Passero.
Figura 1 – Rappresentazione grafica della prima torre KM3NeT-Italia installata nel sito
INFN di Capo Passero a 3500 metri di profondità.
Inoltre, in una fase preliminare del progetto KM3NeT-Italia, i ricercatori dell’INFNLNS hanno realizzato un Test Site a circa 25 km dalla costa di Catania, a 2100 metri di
profondità. In particolare il sito di Catania permette l’installazione di stazioni multidisciplinari per il monitoraggio dell’ambiente marino profondo in due siti denominati Test
Site North (TSN) e Test Site Sud (TSS). Questo grazie alla diramazione del cavo elettro-ottico che connette la stazione di terra localizzata al porto di Catania e i due siti sottomarini (Fig.2).
Figura 2 – Il Test Site di Catania dei Laboratori Nazionali del Sud – INFN utilizzato per
le fasi di test del progetto KM3NeT-Italia e per l’installazione di osservatori sottomarini
multidisciplinari in collaborazione con l’INGV.
2
41° Convegno Nazionale AIA
Oggi i dati ambientali ed acustici registrati dagli osservatori sottomarini multidisciplinari di Catania e di Capo Passero confluiscono anche nei database dell’infrastruttura
europea di ricerca chiamata EMSO (European Multidisciplinary Seafloor Observatory),
coordinata dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Lo scopo di
EMSO è il monitoraggio geofisico, ambientale e acustico dell’ambiente marino profondo in diversi siti europei.
I dati acustici acquisiti, grazie agli osservatori sottomarini multidisciplinari installati
già nel 2005 nelle infrastrutture abissali operate dall’INFN-LNS, hanno consentito di
monitorare per diversi anni la presenza di diverse specie di cetacei nell’area Ionica. In
questo lavoro vengono riferiti i risultati ottenuti dall’analisi dei segnali acustici emessi
dal Capodoglio (Physeter macrocephalus). L’installazione in ambiente marino profondo
di sensori acustici sottomarini consente di acquisire e registrare in condizioni ottimali ed
a lungo termine le vocalizzazioni di questa specie, che compie immersioni profonde per
scopo alimentare. Il capodoglio emette, per la ricognizione ambientale e per la comunicazione intraspecifica, un'unica tipologia di segnale acustico in diverse forme, il “click”.
Tale suono ha una durata totale che può raggiungere i 60 ms con una struttura a impulsi
multipli, secondo la teoria del bent-horn model [3]. Il suono prodotto nella parte frontale
del capo, viaggia riflettendosi tra sacche aeree presenti alle estremità, determinando impulsi con differenti tempi di emissione dovuti agli effetti di riverbero. Tramite lo studio
degli intervalli temporali degli impulsi che costituiscono il click, chiamati Inter Pulse
Interval (IPIs), è possibile risalire alla dimensione totale dell’esemplare registrato [4].
2. Materiali e Metodi
Nei Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN è in corso l’acquisizione di dati acustici
dagli osservatori multidisciplinari collocati in ambiente profondo in Mar Ionio
all’interno dei progetti KM3Net ed EMSO.
Il primo esperimento risale al 2005-2006 con l’installazione della stazione NEMOOnDE per il monitoraggio in real time del rumore acustico sottomarino (Fig.3). Il progetto ebbe un carattere altamente interdisciplinare e si basò sulla misura a lungo termine
dei segnali acustici rilevati nell’intervallo di frequenze tra 100 Hz e 40 kHz [5]. Gli idrofoni utilizzati in NEMO-OnDE erano del modello RESON TC4042-C, trasduttori
omnidirezionali ad alta sensibilità operativa di 2000 metri. La stazione OnDE è stata in
attività nel Test Site Sud di Catania dal Gennaio 2005 a Novembre 2006, acquisendo
dati da 4 idrofoni disposti in configurazione tetraedrica [6].
Figura 3 – Foto della stazione NEMO-OnDE durante la fase di trasporto per la posa in
mare (Test Site Sud – Catania, Gennaio 2005).
3
41° Convegno Nazionale AIA
Nel giugno 2012 è stata installata nel Test Site Nord la stazione EMSO-SN1 per
l’acquisizione e la trasmissione on-line di dati per il monitoraggio, a lungo termine, oceanografico, geofisico ed acustico dell’area del Golfo di Catania [7]. L’osservatorio
EMSO-SN1 (Fig.4) è composto da un modulo con installati sensori multi-parametrici,
connessi con cavo elettro-ottico sottomarino al laboratorio INFN-LNS del porto di Catania, sito di elaborazione e distribuzione dei dati acquisiti. In SN1, per gli studi di acustica sottomarina, sono installati quattro idrofoni a banda larga (96 kHz, 24 bit) e un idrofono digitale sismico (2 kHz, 12 bit, 2 canali) per lo studio dei segnali a bassa frequenza; entrambi i sensori sono stati prodotti dalla SMID Technology.
Figura 4 – Foto dell’osservatorio SN1 durante la fase di assemblaggio nel laboratorio
LNS-INFN del porto di Catania.
All’interno del progetto SMO è inoltre in corso l’acquisizione di dati acustici grazie
ai sensori installati a bordo della prima torre prototipale del grande telescopio per neutrini, nel sito INFN di Capo Passero.
La collaborazione tra i LNS-INFN di Catania, il CIBRA (Centro Interdisciplinare di
Bioacustica e Ricerche Ambientali) dell’Università di Pavia ed il Di.S.B.A (Dipartimento di Scienze Biologiche e Ambientali) dell’Università di Messina ha consentito
l’analisi dei dati con l’ascolto e la visualizzazione spettrografica dei segnali acquisiti. Il
lavoro si è sviluppato tramite l’ascolto di un campione statistico di dati (5min/ora), utilizzando SeaPro, un software di visualizzazione ed analisi spettrale realizzato dal
CIBRA. Tale analisi ha consentito di ottenere informazioni sulla tipologia dei suoni identificati, sulla loro durata, sulla qualità dei segnali biologici rilevati e sulla eventuale
presenza di rumori di origine antropica. Il protocollo di campionamento sistematico, che
prevede 5 minuti l’ora di registrazione, è stato scelto per ridurre la quantità di spazio disco necessaria per l’archiviazione dei dati.
Infine, all’interno della collaborazione SMO, è stato sviluppato, in ambiente
MATLAB, un algoritmo automatico per l’identificazione dei clicks emessi dai capodogli e per la misura delle dimensioni degli animali registrati [8]. Tale misura si basa
sull’individuazione dell’intervallo stabile (compreso tra 2 e 10 ms) presente tra gli impulsi che compongono un singolo click, detto Nominal IPI. L’individuazione
dell’intervallo stabile permette la stima delle dimensioni della testa dell’animale, e
quindi il calcolo della dimensione totale. L’algoritmo sviluppato seleziona i clicks tramite l’applicazione di una soglia in ampiezza del segnale nella banda in frequenza di interesse (3 kHz – 16 kHz). Per ogni click identificato l’intervallo considerato per la successiva analisi del segnale è di 60 ms (Fig. 5).
4
41° Convegno Nazionale AIA
Figura 5 – Oscillogramma (tempo – ampiezza) di un click di capodoglio. Si nota la
struttura a più impulsi del segnale.
La ricerca del Nominal IPI si basa sull’applicazione dell’analisi cepstrum ai vari intervalli di tempo identificati come clicks. I valori di picco cepstrale vengono mediati per
una lunga serie di clicks, secondo il modello proposto nel 2007 da Teloni et al. [9].
L’analisi cepstrum utilizzata ha come input la serie temporale x, nella seguente trasformazione non lineare:
C = | FFT-1 (log | FFT (x) |) |
(1)
dove:
FFT è la trasformata veloce di Fourier,
FFT-1 è l’inverso della FFT
x è la serie temporale analizzata [ms]
In questo caso l’analisi converte il logaritmo della potenza dello spettro in una rappresentazione temporale in cui i picchi appaiono come i tempi di ritardo che corrispondono agli intervalli temporali trascorsi tra i diversi impulsi costituenti il click.
La media dei risultati dell’analisi cepstrum, applicata alla forma d’onda e all’energia
(quadrato dell’ampiezza) dei vari intervalli temporali identificati, mostra il ritardo stabile - quando presente - come un picco evidente. Se il numero di clicks selezionati è >50,
l’applicazione di una soglia permette facilmente di identificare il ritardo stabile sia nella
forma d’onda che nell’energia del segnale (Fig.6).
Inoltre, l’algoritmo permette la visualizzazione della variazione del valore di picco
di cepstrum per i clicks identificati, in modo tale da confermare la stabilità del Nominal
IPI durante la registrazione (Fig. 7).
Per risalire dal valore del Nominal IPI alla dimensione dell’animale è stata utilizzata
la formula più recente presente in letteratura sull’argomento, quella di Growcott [10].
(1)
T = 1.258 IPI + 5.736
dove:
IPI è il valore del Nominal IPI [ms]
5
[m]
41° Convegno Nazionale AIA
Figura 6 – Media dell’analisi cepstrum per circa 300 clicks identificati in un registrazione di 5 minuti. Il Nominal IPI in questo caso è di 5,74 ms, equivalente ad un capodoglio
della dimensione di 12,95 metri (formula di Growcott).
Figura 7 – Variazione del valore di picco cepstrale dei clicks identificati nel file descritto in figura 6. Si nota la stabilità del Nominal IPI intorno a 5,74 ms.
3. Risultati
La disponibilità dei dati con i segnali acustici di capodoglio in tre differenti anni nello stesso sito, quello di Catania, si è rivelata un’opportunità per studiare la presenza della specie in quest’area, operando un confronto tra i diversi anni, grazie ai dati acquisiti
dalle stazioni NEMO-OnDE (2005-2006) e EMSO-SN1 (2012).
Nell’anno 2005 la stazione OnDE ha acquisito dati acustici dal mese di aprile fino al
mese di dicembre; in tale periodo non è stato possibile disporre dei 6600 file audio previsti (5min/ora), ma i file di registrazione disponibili sono 5009. La percentuale di dati
disponibili rispetto al periodo in analisi ammonta al 76%.
6
41° Convegno Nazionale AIA
Nell’anno 2006 la stazione OnDE ha acquisito dati dal mese di luglio fino al mese di
novembre; i file di registrazione disponibili sono 2042. La percentuale di dati disponibili rispetto al periodo in analisi ammonta al 56%.
Nell’anno 2012 la stazione SN1 ha acquisito dati dal mese di luglio fino al mese di
dicembre; i file di registrazione disponibili sono 3529. La percentuale di dati disponibili
rispetto al periodo di attività della stazione è dell’80%.
Per poter confrontare i dati acustici acquisiti nel corso del 2005, 2006 e 2012, si è
scelto di considerare solo i mesi in cui le stazioni risultano funzionanti nel corso di tutti
e tre gli anni. Di seguito facciamo riferimento ai dati relativi al semestre luglio–
dicembre.
Nei tre diversi anni considerati, è stata analizzata la percentuale di file con presenza
di segnali di capodoglio nei vari mesi, considerando il totale dei dati acquisiti nei singoli
mesi dei vari anni. Si osserva che non esiste una correlazione stagionale con la maggiore percentuale di rilevamenti di segnali emessi da capodogli.
Nell’anno 2005, la più alta percentuale di rilevamenti si riscontra nel mese di agosto;
per il 100% di file disponibili rispetto alle ore di attività di OnDE, i segnali acustici emessi dai capodogli sono presenti in circa il 40% dei file.
Nell’anno 2006, la più alta percentuale si riscontra nel mese di ottobre; per il 65% di
registrazioni disponibili rispetto alle ore di attività della stazione, nel 60% dei file sono
presenti capodogli.
Nell’anno 2012, il mese con la più alta percentuale di presenza di file con segnali di
capodogli è risultato essere dicembre; per l’80% di file disponibili rispetto alle ore di attività dell’osservatorio SN1, nel 30% dei file sono presenti capodogli (Fig. 8).
Figura 8 – Percentuale di file con presenza di segnali di capodoglio in relazione ai dati
disponibili nei vari mesi di acquisizione (2005-2006-2012, sito di Catania).
Infine, tramite l’algoritmo automatico sviluppato per l’analisi dei clicks di capodoglio, è stato possibile identificare e misurare automaticamente le dimensioni degli animali registrati su un ampio set di dati. Nel sito di Catania, per i dati acquisti nel corso
dell’anno 2005, il software sviluppato ha permesso di identificare una popolazione di
capodogli ben distribuita in dimensione (MAX: 13.78 m; MIN: 8.26 m).
7
41° Convegno Nazionale AIA
4. Conclusioni e Prospettive
I risultati ottenuti per gli anni 2005-2006-2012 sul capodoglio dimostrano che la
specie è presente nel Golfo di Catania e nelle acque dello Ionio Sud Occidentale.
E’ stato sviluppato un algoritmo automatico che ha permesso la misura delle dimensioni dei capodogli i cui segnali sono stati registrati dalla stazione e che permette
l’analisi in real-time dei dati acustici acquisti dal progetto SMO nel sito di Capo Passero. Tale sistema di analisi permette di studiare in real time la struttura di popolazione
della specie nell’area di rilevazione dell’osservatorio, caratterizzando gli animali in dimensione e sesso. Nel sito di Catania, per i dati acquisiti nel corso dell’anno 2005,
l’algoritmo automatico sviluppato ha permesso di identificare una popolazione di capodogli ben distribuita in dimensione e sesso.
Sulla base dei risultati scientifici ottenuti, sarebbe interessante investigare su quali
sono i parametri biologici e/o ambientali, la cui variazione può influenzare la presenza
di capodogli nell’area, con particolare attenzione alla presenza stagionale di cefalopodi
batipelagici, parte importante della dieta di questi mammiferi marini.
5. Ringraziamenti
Questo lavoro è stato svolto nell’ambito del progetto SMO (Submarine Multidisciplinary Observatory) supportato dal MIUR. Contratto FIRB-2008 n. RBFR08NRZE.
6. Bibliografia
[1]
http://www.km3net.org/
[2]
Simeone F., Viola S., (2011). The SMO Project: A Submarine Multidisciplinary
Observatory in Deep-Sea – Mobile Adhoc and Sensor Systems (MASS), 2011
IEEE 8th International Conference, 898-903.
[3] Zimmer W. et al., (2005). Three-dimensional beam pattern of regular sperm whale
clicks confirms bent-horn hypothesis. J. Acoust. Soc. A,. 117, 1473-1485.
[4] Goold J.C., (1996). Signal processing techniques for acoustic measurement of
sperm whale body lengths. J. Acoust. Soc. Am. 100(5): 3431–3441.
[5] Pavan G. et al., (2008). Short Term and Long Term Bioacoustic Monitoring of the
Marine Environment. Results from NEMO ONDE Experiment and Way Ahead.
Federal Agency for Nature Conservation, Bonn, Germany: 7-14.
[6] Riccobene G., (2009). Long-term measurements of acoustic background noise in
very deep sea. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:
Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 604: 149-157.
[7] Favali et al., (2013). NEMO-SN1 Abyssal Cabled Observatory in the Western Ionian Sea. IEEE Journal Of Oceanic Engineering, Vol. 38, No. 2, 358 – 374.
[8] Caruso F. et al., (2013). An algorithm to measure the size of sperm whales recorded by INFN deep-sea observatories in the Ionian Sea (Eastern Sicily). Erice
International School of Ethology, Erice (Italy).
[9] Teloni V. et al., (2007). Consistent acoustic size estimation of sperm whales using
clicks recorded from unknown aspects. J. Cetacean Res. Manage. 9, 127–136.
[10] Growcott A. et al., (2011). Measuring body length of male sperm whales from
their clicks: The relationship between inter- pulse intervals and photogrammetrically measured lengths. J. Acoust. Soc. Am. 130 (1).
8

Download Report