Il monitoraggio delle praterie di Posidonia in ambienti

IL MONITORAGGIO DELLE PRATERIE DI POSIDONIA IN
AMBIENTI SCARSAMENTE ANTROPIZZATI ED
INTEGRALMENTE TUTELATI: L’ISOLA DI PIANOSA
Aurelio Caligiore1, Federica Galeano1, Andrea Masini3, Pio Puri2, Vincenzo Ventra1.
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Reparto Ambientale Marino del Corpo delle Capitanerie di Porto - Tel: 06/57225639,
Fax. 06/57225679 e-mail: [email protected]
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Collaboratore esterno – Reparto Ambientale Marino del Corpo delle Capitanerie di Porto
e-mail: [email protected]
3
Flyby s.r.l. e-mail: [email protected]
Riassunto – La prateria di Posidonia oceanica costituisce un habitat marino mediterraneo
di grande importanza dal punto di vista ecologico. La presenza della Posidonia lungo le
coste insulari e peninsulari contribuisce tra l’altro ad attenuare i fenomeni erosivi, sia grazie
alla estensione delle foglie le quali attenuano l’impatto del moto ondoso verso riva, creando
una vera e propria barriera naturale, sia per la formazione di accumuli di foglie morte a riva,
le cosiddette “banquette”. La valenza ecologica delle praterie di Posidonia consiste nella
loro capacità di offrire “risorse” (substrato, nutrimento, riparo etc…) ad una moltitudine di
organismi marini realizzando un ambiente ad elevata biodiversità. Per tali caratteristiche la
presenza della prateria di Posidonia è considerata un buon indicatore dell’equilibrio
dell’ecosistema marino. Lo studio proposto ha come oggetto la mappatura ed il
monitoraggio della prateria presente sui fondali dell’Isola di Pianosa, nel Parco Nazionale
dell’Arcipelago Toscano. L’isola di Pianosa è riserva integrale, ai sensi del D.P.R. del 22
luglio 1996 e del Decreto del Ministero dell'Ambiente del 19.12.1997 che ha esteso tale
livello di protezione anche al miglio di mare circostante l'Isola stessa.
Con il presente lavoro si propone una metodologia relativamente poco onerosa e
molto meno invasiva rispetto ai campionamenti in situ di tipo tradizionale, finalizzata ad
aggiornare l’esistente mappatura e monitorare l’andamento delle praterie presenti.
Abstract – Posidonia oceanica represents an important food source for several species,
offers refuge for benthic communities and is a nursery area for commercial fish juveniles.
Moreover, meadows contribute to the prevention of erosion, mitigating the wave action on
the sea bottom by their leafs and on the shoreline by the “banquettes”. For these
properties, the presence of P. oceanica is considered as a good indicator of the ecological
status of marine ecosystem. The present study is carried out in Pianosa Island in the
Tuscan Archipelago National Park. This island is protected in accordance to the
Presidential Decree 22/07/1996 and to the Decree of the Ministry of the Environment
19/12/1997, which has extended the conservation of the island waters to 1 NM from the
coastline. The study focuses on charting and monitoring of the meadows by a not expensive
method which is less invasive than the usual sampling techniques.
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Introduzione
Oggigiorno tra i vari indicatori impiegati per la valutazione ed il monitoraggio
della qualità delle acque marino-costiere, lagunari e di estuario, spicca quello legato alla
densità delle praterie di fanerogame marine poiché, come noto, oltre a consentire
un’intrinseca biodiversità fungono da “nursery” per un gran numero di specie di pesci,
molluschi e crostacei d’interesse biologico oltre che commerciale.
Data la spiccata sensibilità delle praterie ai diversi eventi stressogeni si può
considerare la variazione dell’area colonizzata, di per se, un parametro utile a valutare lo
stato ecologico di un bacino o di un tratto di costa purché detta variazione passi attraverso il
vaglio del monitoraggio e del confronto con i dati spazio-temporali (Pergent et al., 1995).
Stante l’ultima mappatura delle praterie delle coste e isole toscane risalente agli
anni ’90 (Cinelli et al., 1995; Bedini et al., 2000; Piazzi et al., 2000) ed in considerazione
delle strumentazioni allora impiegate per le rilevazioni si è ritenuto di interesse operare una
nuova mappatura mediante sistemi di telerilevamento passivo da piattaforma aerea. Inoltre i
dati cosi ottenuti sono stati confrontati con dati analoghi acquisiti da piattaforma satellitare
per essere poi confrontati con le rilevazioni in situ effettuate in concomitanza con il sorvolo
aereo.
Materiali e metodi
Nell’ambito delle attività di monitoraggio ambientale in capo al Corpo delle
Capitanerie di porto Guardia Costiera è stata pianificata ed eseguita una missione di
telerilevamento – mediante sistema multispettrale Sensytech AA 1268 ATM – E imbarcato
su un velivolo ATR 42 MP in dotazione al Corpo delle Capitanerie di porto Guardia
Costiera - ed avente come finalità precipua la mappatura della posidonia oceanica nelle
acque circostanti l’isola di Pianosa dell’arcipelago toscano mediante l’algoritmo di
Lyzenga. Tale algoritmo, che può essere utilizzato in assenza del dato di profondità,
restituisce un “indice di fondale omogeneo” in funzione della riflettanza emergente dalla
superficie dell’acqua in due bande spettrali e del rapporto tra i coefficienti di attenuazione
diffusa a quelle lunghezze d’onda. L’indice è quindi funzione del tipo di fondale e risulta
essere indipendente dallo spessore della colonna d’acqua sovrastante, quindi dalla
profondità z mentre. Inoltre, la corretta quantizzazione del coefficiente di attenuazione
diffusa permette, in prima analisi, di stimare la trasparenza spettrale del corpo idrico
interessato dalla misurazioni oltre che consentire, in seguito, la correzione degli effetti della
colonna d’acqua sulla radiazione incidente.
La formula che porta a calcolare l’indice di fondale omogeneo deriva da una
semplificazione dell’equazione di trasferimento radiativo in acqua ed è la seguente:
indice ij= ln ρi – [(Ki/Kj)  ln ρj ]
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Dove
 indiceij è l’indice di fondale omogeneo nelle bande i e j;
 ln ρi e ln ρj sono i logaritmi naturali delle riflettanze nelle bande i e j;
 Ki e iKj sonoj i coefficienti di attenuazione diffusa nelle banda i e j.
Nell’architettura del progetto i punti di campionamento in situ sono stati localizzati secondo
il sistema di riferimento UTM WGS84 e sono state previste acquisizioni diversificate tra
terra, mare ed in volo:
- da terra in posizione - Lat: 42°35' N - Long: 010° 06’ E – è stato posizionato, su
apposito cavalletto di sostegno, un fotometro solare “Microtops II Mod. 540” che, nella
fascia oraria compresa tra le 10.00 e le 15.00 Local Time, ha rilevato la misura della
radiazione solare diretta a 440, 500, 675, 870, e 936 nm con una frequenza di 30 minuti
circa. Tali misure, hanno consentito la determinazione dello spessore ottico degli
aerosol e del vapore acqueo totale, onde poter procedere alla correzione atmosferica
delle immagini telerilevate.
- in mare mediante unità navali del Corpo (Motovedette CP 286 e CP 553) dalle quali
sono stati impiegate le seguenti strumentazioni:
o Spettroradiometro portatile tipo Fieldspect Handheld II mediante il quale sono
state effettuate rilevazioni superficiali e sub superficiali eseguite secondo il
protocollo del “Sea Viewing Wide Field of View Sensor” (Sea WiFS), che
hanno consentito l’acquisizione dei seguenti parametri finalizzati alla
determinazione della trasparenza spettrale della colonna d’acqua onde
ricavare i pertinenti coefficienti di attenuazione diffusa:
 radianza emergente al di sopra della superficie dell’acqua;
 radianza del cielo;
 radianza del pannello bianco di riferimento;
 irradianza totale discendente al di sopra della superficie dell’acqua;
 radianza del fondale
 irradianza discendente al di sotto la superficie dell’acqua a step di circa
50 cm.
o Batiscopio guarda fondo all’interno del quale è stata posizionata una macchina
fotografica digitale che ha consentito di fotografare, per ogni sito di rilevazione
spettroradiometrica, la relativa copertura e tipologia del fondale.
o GPS portatile con correzione differenziale per la geo-localizzazione dei rilievi;
o Termometro di precisione necessario per la rilevazione della SST (Sea Surface
Temperature) onde confrontare i valori di temperatura ottenuti
dall’elaborazione della banda TIR (Thermal Infra Red) del sensore
multispettrale imbarcato sul velivolo con i relativi valori in situ.
- In volo La pianificazione del vettore aereo è stata operata considerando che la
medesima fosse eseguita mediante sistema multispettrale [Sensytech AA 1268 ATM –
E] sebbene, per la tipologia di rilevazione da effettuarsi, sarebbe stato ottimale
l’impiego del sensore iperspettrale [CASI 1500] di nuova acquisizione ma all’epoca
delle rilevazioni non ancora pienamente operativo.
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Tab. 1 – Caratteristiche spettrali del sensore Sensytech AA 1268 ATM – E
Nella circostanza, si segnalano altresì alcune limitazioni del sistema multispettrale
delle quali si è dovuto tenere conto nella pianificazione dell’attività di che trattasi.
 Sun Glint: Per evitare o limitare tale effetto sono stati simulati diversi
orientamenti delle tratte ad orari differenziati onde poter scegliere
l’orientamento e la fascia oraria ottimale.
 Sovrapposizione delle tratte: Per ovviare ad un noto problema per cui lo
stesso target viene rilevato, dal punti di vista spettrale, in maniera
differente a seconda che si trovi sul lato destro o sinistro dell’immagine
telerilevata è stato necessario operare una sovrapposizione del 50 % tra
una tratta e quella ed essa contigua.
 Orientamento delle tratte: A seguito di quanto riportato al punto
precedente è stato necessario orientare le tratte tutte da Est verso Ovest
(rotta 270°);
 Quota di rilevazione: data la vetustà del sistema è stato più volte
accertato che immagini rilevate alla massima velocità di scansione sono
risultate affette da disturbi che ne inficiavano il dato acquisito. Pertanto al
fine di evitare tale problematica si è scelta la quota di 762 mt. che,
relazionata ad una velocità di 269,3 Km/h dell’aereo consente una
rilevazione ad uno scan rate di 50 scansioni al secondo.
 Georeferenziazione: Come noto il sistema multispettrale Sensytech non è
asservito ad una piattaforma girostabilizzata né ad un ricevitore GPS
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differenziale pertanto non sono state pianificate tratte interamente
ricadenti su mare poiché non georiferibili.
Tab. 2 – Tabella parametri di volo vettore aereo
In post processing l’attività di elaborazione dei dati raccolti con il sistema multispettrale
sopra citato ha seguito i seguenti step:
-
-
-
Calibrazione radiometrica.
I dati digitali registrati nei 12 canali sono stati convertiti in “radianza al sensore”
facendo uso dei coefficienti (gain e off-set) calcolati preliminarmente al volo
sull’apposito Test Bench in dotazione al pertinente reparto aereo che gestisce il sistema
multispettrale.
Correzione geometrica.
Le immagini acquisite sono state corrette, mediante procedure dedicate, dalle
distorsioni di tipo panoramico e da sovra scansione. La georeferenziazione delle
immagini è stata, invece, effettuata manualmente mediante il riconoscimento di GCP
(Ground Control Point) su immagini di riferimento.
Correzione atmosferica.
La correzione atmosferica nei canali delle bande comprese tra 400 e 2500 nm (canali
da 1 a 10) è stata operata mediante il modello di trasferimento radiativo 6S Code
(Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum) mentre la correzione
atmosferica della banda TIR, 8.5 – 14.0 µm, è stata effettuata mediante una procedura
empirica interna al Reparto e già validata nel corso degli ultimi anni.
Quest’ultima procedura prevede il sorvolo e l’acquisizione di dati sulla medesima area
ma a tre differenti quote di sorvolo. I dati così raccolti, opportunamente convertiti in
radianza di corpo nero al sensore, sono messi in regressione lineare con le rispettive
quote di acquisizione (J.R. Schott 2007).
Dall’esame dei rilievi effettuati dal velivolo a quote medio-basse (da 500 a 3.500 mt) si
è constatato, sperimentalmente, che la radianza al sensore nell’Infrarosso Termico
diminuisce all’aumentare della quota secondo una legge approssimativamente lineare.
Sfruttando tale caratteristica, è possibile correggere atmosfericamente le immagini
rilevate nell’infrarosso termico senza avvalersi di un programma di correzione
atmosferica e dei conseguenti parametri richiesti (modello atmosferico, contenuto
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-
-
colonnare di vapor acqueo, etc.). In tal modo si sono ottenute differenze dell’ordine del
decimo di grado tra la temperatura (SST) restituita dalle immagini nel termico e le
misurazioni in situ effettuate, contestualmente al sorvolo, mediante termometro di
precisione.
Mappatura dei fondali.
Preliminarmente si è proceduto, per ciascuna tratta, ad isolare il mare dal dominio
emerso attraverso una procedura di masking logico con il sw Envi 4.5. Come già
riferito per la caratterizzazione dei fondali è stato impiegato l’algoritmo di Lyzenga che
ha la caratteristica di poter essere impiegato anche in assenza del dato di profondità e
che restituisce un indice di fondale omogeneo in funzione della riflettanza emergente
dalla superficie dell’acqua in due bande spettrali (i j) nonché del rapporto tra i relativi
coefficienti di attenuazione diffusa. L’indice così ottenuto è quindi funzione del tipo di
fondale ed è indipendente dallo spessore della colonna d’acqua che lo sovrasta.
Classificazione
Sebbene siano stati esclusi i canali 1 e 6 giudicati l’uno eccessivamente disturbato dallo
scattering atmosferico e l’altro non congruo con le aspettative, sono stati ottenuti indici
di fondale omogeneo nei restanti canali (2, 3, 4 e 5), ottenendo, mediante le varie
combinazioni, 6 bande sintetiche, sufficienti per l’applicazione di algoritmi di
classificazione supervised come l’algoritmo SAM (Spectral Angle Mapper) onde
procedere alla tematizzazione dell’immagine. Si precisa che per l’applicazione
dell’algoritmo di classificazione supervised sono state utilizzate le osservazioni in situ effettuate con il batiscopio con annessa macchina fotografica - grazie alle quali è stato
possibile censire aree di fondale omogeneo sulle quali addestrare il classificatore.
Figura. 1 –
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a) Batiscopio guarda fondo con annessa macchina fotografica;
b) Foto fondale sabbioso in pos. 42°35’23”N – 010°05’42”E;
c) Foto fondale roccioso in pos. 42°35’20”N – 010°03’29”E;
d) Foto fondale con posidonia in pos. 42°35’57”N – 010°05’28”E
-
Confronto con immagini Rapid-Eye
Rapid-Eye è una costellazione satellitare (di proprietà della BlackBridge) unica nel
campo dell'osservazione della terra dallo spazio poiché è costituita da cinque satelliti
artificiali elio-sincroni, allineati sulla stessa orbita e perfettamente identici, che
permettono l'acquisizione di immagini alla risoluzione di 5 metri nelle seguenti bande
multi spettrali:
Tab. 3 – Caratteristiche spettrali Immagini Rapid-Eye
Le immagini elaborate sono state acquisiste in data 6 luglio 2013, ovvero circa un mese
prima delle rilevazioni aeree ma, stante la scarsa dinamicità del fenomeno da
monitorare (limite superiore della prateria di posidonia), le stesse sono state considerate
congruenti.
Sulle immagini in questione, corrette atmosfericamente mediante il modulo Flaash in
ENVI, è stato operato un resize spettrale mediante il quale sono state escluse le bande
B4 e B5 poiché eccessivamente interessate dal fenomeno di abbagliamento dovuto al
Sun Glint oltre che per l’opacità che il corpo idrico oppone alla penetrazione in tali
lunghezze d’onda.
Le restanti bande sono state elaborate analogamente alle immagini raccolte dal velivolo
e, successivamente poste a confronto.
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Figura 2 –
a) immagine RapidEye in composizione RGB colori veri;
b) immagine RapidEye classificata secondo l’algoritmo di Lyzenga;
c) carta bionomica risultante.
Dal confronto tra le immagini Rapid-Eye, Sensytech AA1268ATM-E, fotografiche (sia
dal velivolo che mediante batiscopio guarda fondo) ed in relazione alle acquisizioni
video operate a mezzo R.O.V. (Remote Operated Vehicle) disponibile sulla
motovedetta CP 286 è stato possibile realizzare una carta bionomica rappresentativa
delle seguenti classi di fondale:
 Sabbia;
 Non vegetato (fondale roccioso)
 Fondale vegetato_1 (posidonia mediante accertamento in situ);
 Fondale vegetato_2 (non censito compiutamente poiché a profondità in cui la
penetrazione della radiazione luminosa è ridotta a pochissime bande spettrali.
Sono state effettuate indagini spot mediante ROV che hanno rivelato la presenza
di posidonia sino alla profondità di 35 mt di fondale ma tali rilevazioni sono state
numericamente troppo esigue da poter essere generalizzate a tutto il fondale
circostante l’isola
-
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Serendipity
Con detto termine si indica, in inglese “lo scoprire qualcosa mentre si sta cercando
qualcos’altro”. Nel presente lavoro era, inizialmente prevista la rilevazione dei dati
mediante sistema iperspettrale CASI 1500. Tale apparato acquisisce i dati nel range
Visibile e Vicino Infrarosso.
Per una serie di circostanze le rilevazioni sono state invece effettuate con il sistema
Multispettrale Sensytech AA 1268 ATM-E anch’esso in grado di acquisire i dati nel
range Visibile e Vicino Infrarosso sebbene con una minore risoluzione spettrale. Tale
sistema è però in grado di acquisire dati anche nella banda dell’Infrarosso Termico con
la quale è stato possibile determinare la distribuzione della temperatura superficiale del
mare. Tale analisi ha posto in evidenza una anomalia termica ubicata ad ovest del
“Golfo della Botte” dell’isola di Pianosa compatibile con una sorgente di acqua dolce.
Sono attualmente in corso ulteriori indagini tese a validare la suddetta circostanza.
Figura 3 – particolare dell’immissione più fredda rilevata ad ovest del Golfo della
Botte;
Risultati
Nella presente attività è stato possibile rilevare con puntualità il limite superiore della
prateria di posidonia insistente nei fondali circostanti l’isola di Pianosa. È stato inoltre
possibile realizzare una carta bionomica con un dettaglio impensabile all’epoca delle ultime
campagne di monitoraggio operate, tra la fine degli anni ’90 e gli inizi del 2000, con metodi
tradizionali.
Inoltre la mappatura operata nella banda dell’infrarosso termico ha consentito di
evidenziare una immissione costiera che, stante la quasi assenza di attività antropica
sull’isola appare riconducibile ad una affioramento di acqua dolce di origine naturale. In
merito sono attualmente in corso attività di approfondimento finalizzate alla classificazione
dell’anomalia termica rilevata.
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Conclusioni
Le attività di monitoraggio condotte hanno confermato, qualora ce ne fosse ancora bisogno,
l’estrema rilevanza del telerilevamento quale tecnica fondamentale ed a basso impatto
ambientale per il monitoraggio degli indici di qualità delle acque marine e, nella fattispecie,
nell’attività di censimento delle praterie di posidonia oceanica. Tale risultato appare di
rilievo soprattutto in quanto il Corpo delle Capitanerie di porto, in virtù degli specifici
compiti connessi alla protezione dell’ambiente in generale, e di quello marino in particolare,
dispone di velivoli dotati di sistemi multi – iperspettrali che consentono risoluzioni
geometriche proibitive per molti satelliti. In più la versatilità del mezzo aereo rende
indipendenti le acquisizioni dalle più stringenti orbite dei satelliti consentendo risoluzioni
temporali molto spinte con direttrici di volo che, di volta in volta, possono essere variate in
funzione delle circostanze.
Completa il sistema di rilevazioni una pluralità di vettori navali e terrestri attrezzati per
effettuare campionamenti in situ sull’intera fascia marina di competenza nazionale.
Non v’è dubbio che il suddetto dispositivo aeronavale non può non essere inserito in
maniera sistemica con le acquisizioni satellitari che oggigiorno consentono risoluzioni
spaziali, spettrali e temporali impensabili sino a quale decennio fa.
Figura 4 – Confronto tra l’estratto della carta bionomica effettuata con metodi
tradizionali (a sinistra) e quella ottenuta con il telerilevamento (destra).
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Ringraziamenti
Si ringrazia il CF (CP) Andrea SANTINI Comandante della Capitaneria di porto di
Portoferraio per la preziosa opera di assistenza logista ed operativa fornita. Un analogo
ringraziamento è indirizzato al personale delle motovedette costiere CP 286 e CP 553 che ci
ha supportato nell’attività di raccolta dati;
Si ringrazia inoltre il Prof. Marco Marcelli ed il suo staff per i preziosi suggerimenti oltre
che per la costante collaborazione durante l’attività di acquisizione dati in situ e nella
successiva fase di processing.
Bibliografia
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