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Laurea Magistrale in Biologia MarinaLaurea Magistrale in Biologia Marina

Insegnamento diInsegnamento di

RICERCA SCIENTIFICA SUBACQUEARICERCA SCIENTIFICA SUBACQUEA

A.A. 2001/2011A.A. 2001/2011

Prof. Marco Prof. Marco AbbiatiAbbiati -- Dr. Massimo Dr. Massimo PontiPonti

Ricerca Scientifica SubacqueaRicerca Scientifica Subacquea

Sommario delle lezioniSommario delle lezioni1. Approccio descrittivo e cartografia

Descrizione, caratterizzazione e rappresentazione delle caratteristiche geomorfologiche, chimico-fisiche e biologiche dell’ambiente sommerso in una data area

2. Approccio quantitativoMisurazione di variabili ambientali e biologiche secondo

un preciso disegno di campionamento per verificare modelli ed ipotesi ecologiche

3. Approccio sperimentaleRealizzazione di esperimenti manipolativi in campo di

ipotesi biologiche ed ecologiche


Approccio descrittivoApproccio descrittivo1. Localizzazione del sito

• Sistemi di riferimento e posizionamento globale• Sistemi di riferimento e posizionamento locale

2. Rilievo geomorfologico e mappatura della caratteristiche di interesse• Sistemi indiretti strumentali (remote sensing)• Sistemi diretti in immersione

• Substrato e habitat• Popolamenti e specie

3. Restituzione grafica• Monodimensionale• Bidimensionale• Tridimensionale• Interattiva


LocalizzazioneLocalizzazione del del sitositoe e deidei puntipunti didi rilievo/misurarilievo/misura

• Sistemi di riferimento e posizionamento globale

• Sistemi di riferimento e posizionamento locale

Appropriata precisione ed accuratezza


LocalizzazioneLocalizzazione

Carta nautica Proiezione di Mercatore

Sistemi di riferimento e posizionamento globale

• Elissoide, geoide ed orientazioneceleste (Datum)

• Latitudine e longitudine• Sitemi di proiezione




Datum

• Nazionale -Roma ‘40

• Europeo - ED50

• Mondiale -WGS84



Sistemi di riferimento e posizionamento globale Latitudine (φ)

Si definisce latitudine di un luogo della Terra, l'angolo compreso tra il raggio terrestre che passa per quel luogo e il piano dell'Equatore. Tutti i luoghi che hanno la stessa latitudine stanno sullo stesso parallelo.

Longitudine (λ)Si definisce longitudine di un luogo l'angolo diedro compreso tra il piano del meridiano di riferimento ed il piano del meridiano del luogo. Storicamente sono stati assunti quali meridiani di riferimento i meridiani passanti per vari luoghi. Da circa 200 anni il meridiano di riferimento per tutti gli abitanti della Terra è quello passante per l'Osservatorio di Greenwich in Inghilterra. Tutti i luoghi che si trovano sullo stesso meridiano hanno la stessa longitudine.

Formato• DEG: DDD.xxx°• DM: DDD° MM.xxx’• DMS: DDD° MM’ SS.xxx”




Esempio di formati (datum WGS84)

Formato Latitudine LongitudineDEG 44.38608° N 12.58157° EDM 44° 23.165’ N 12° 34.894’ EDMS 44° 23’ 09.90” N 12° 34’ 53.67” E

Precisione

1’ latitudine = 1 nM = 1852 m

DEG: 4 decimali ± 11 m di latitudine

DM: 2 decimali ± 19 m di latitudine

DMS: nessun decimale 31 m di latitudine


LocalizzazioneLocalizzazioneProiezione cilindrica di Mercatore Carte nautiche (zero idrografico)

Isogonia e rettificazione delle lossodromie (nord geografico)Reticolo e coordinate geograficheDistanze e aree variabili con la latitudine (1’ lat. = 1852 m)


LocalizzazioneLocalizzazioneProiezione cilindrica inversadi Gauss-Boaga e UTM

Carte terrestri e topografiche (zero altimetrico)Orientazione locale (non nord geografico)Reticolo e coordinate chilometricheDistanze e aree costanti



Sistemi di proiezione• UTM 33 (ED 50)

• UTM 33 (WGS 84)

• GAUSS-BOAGA Ovest (ROMA 40)




Ottenere la posizione… il GPS

Strumenti GPS (Global Positioning System)

24 satelliti a 20’000 km di altezza

I ricevitori posti sulla superficie terrestre sono in grado di determinare la distanza dei satelliti misurando il tempo d’arrivo del segnale, ovvero il tempo impiegato nel viaggio tra il satellite e l’antenna del ricevitore.

Ricevendo contemporaneamente almeno 3 satelliti èpossibile definire la posizione. Maggiore è il numero di satelliti utilizzati in un dato momento e migliore è la precisione della posizione ottenuta.

Ricevitore GPS

Oggi, operando in condizioni ottimali, ovvero con un buono strumento, elevato numero di satelliti, lontano da ostacoli e in condizioni atmosferiche stabili, si può ottenere la propria posizione assoluta con un’accuratezza di circa 10 metri, circa 2 metri in modalità differenziale WAAS/EGNOS.



Ottenere la posizione… il GPS

24 satelliti

Digital cartography

Sistema “differenziale”

Ricevitore DGPS


LocalizzazioneLocalizzazioneGlobal Position System (GPS)

• Geodetic datum (e.g.: WGS84)

• Sistema di coordinate:• Geografiche (Latitudine and Longitudine)

• Unità di misura (DEG, DM, DMS)• Precisione dipende dai decimali e dalla zona (1 primo di latitude = 1’852 m)

• Proiezione (e.g.: Mercator, UTM, etc.)• Unità di misura (meter)

• Accuratezza (satellite coverage, DOP dilution of precision, differential correction)


LocalizzazioneLocalizzazioneRilevamento bussolae allineamenti di “cospicui”

Declinazionemagnetica

Ottenere la posizione

Carte nautiche in proiezione diMercatore

Isogonia e rettificazione dellelossodromie


d = declinazione magnetica

d’ = deviazione

Nord geografico

Nord magnetico

Nord bussolad

d’




Ottenere la posizione

Strumenti InternetInternet mette a disposizione diversi strumenti per il riferimento geografico. Tra i più noti vi sono Google Earth(http://earth.google.com) e Google Map(http://maps.google.com). Entrambi forniscono una rappresentazione grafica della Terra con immagini satellitari ad alta definizione per la maggior parte delle aree del pianeta che consentono una facile individuazione del punto di immersione facendo affidamento sul riconoscimento di punti cospicui presenti lungo la costa.

http://earth.google.com/http://maps.google.com/http://maps.google.com/mapshttp://itouchmap.com/http://earth.google.com/


Sistemi di riferimento e posizionamento locale

EsperimentiTransetti descrittivi

Profondità (tide correction)Distanza da un punto o da una linea (e.g.: liena di costa, bordo del reef, ecc.)



LocalizzazioneLocalizzazioneProfondità delle osservazioni

0.1 m ± 1%

marea


LocalizzazioneLocalizzazioneProfondità delle osservazioni

Mean Lower Low Water (MLLW) Mean Sea Level (MSL)

WXTide32 Astronomical predictor

Lo zero idrografico varia tra nazioni e carte usate


Alcocer et al., 2006



Sgorbiniet al., 2002


CartografiaCartografiatematicatematica

La cartografia tematica è la rappresentazione del posizionamento di elementi (temi) in uno spaziogeoreferenziato.

La cartografia ambientale riveste un ruolo di primariaimportanza sia per gli aspetti di ricerca di base legatialla conoscenza degli ecosistemi, sia per gli aspettifinalizzati, legati a necessità di intervento e gestione del territorio (Bianchi et al., 2003).


RilievoRilievo geomorfologico geomorfologico e e mappatura della mappatura della

caratteristiche di interessecaratteristiche di interesse

Remote Remote sensingsensing


RilievoRilievo dada satellite (satellite (sistemisistemi attiviattivi e e passivipassivi))Sea Surface Temperature Clorofilla e Red Tides

CorrentiSuperficiali

Inquinanti

Praterie difanerogame


RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensingDai sistemi satellitari radar-altimetrici per gli oceani…

… a quelli multispettrali e laser aviotrasportati per zone costiereLIDAR (Light Detection And Ranging) / LADAR (Laser Detection and Ranging)

Sistema LARA (CNR)

http://en.wikipedia.org/wiki/Bathymetry

General Bathymetric Chartof the Oceans

(GEBCO)

Generic Mapping Tools(GMT)


RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing

Single beam echo sounder



Single beam echo sounder

200 kHz 12° fino a 200 m di profondità



Side Scan Sonar

Range 10-150 mper lato


Side Scan Sonar




Multibeam echo sounder



Sistemi per profondità e risoluzioni diverse



Laser Line Scan System (LLSS)

Sharp boundary between sand waves (upper left corner) and smooth seafloor. Dark objects in the area of sand waves are

pieces of drift kelp (by: NOAA Research)


Remotely Operated Vehicle (ROV)Remotely Operated Vehicle (ROV)Eyeball

Workclass

Portable open frame

Eyeball


Un Un esempioesempio didi applicazioneapplicazioneclassicoclassico

MappatutaMappatuta delle praterie didelle praterie diPosidonia oceanicaPosidonia oceanica

La fotografia aereacostiera (


Side Scan Sonar (Bianchi et al., 2003)

PosidoniaPosidonia

PipePipe--lineline

SandSand

Marcare i limiti delle praterieper studiare l’evoluzionetemporale: il “Balisage”


TecnicheTecniche didi Visual Census Visual Census

• TRANSETTIRilievi lungo un percorso definito

• QUADRATIRilievi puntuali

RilevamentiRilevamenti subacqueisubacquei

““Transetti Transetti bionomicibionomici””


TransettiTransettiRicerca Scientifica SubacqueaRicerca Scientifica Subacquea

Lungo percorsi rettilinei

Verticali (da basso all’alto)depth transect

max -30mOrizzontali

max -20m


StrumentiStrumentiFibreglassmeasuring

tape20-100 m


Tipologie di informazioni raccolte• Profilo del fondo• Geo-mofologia (geologo, ambientologo)• Specie cospicue• Tipologia di popolamenti (biologo,

naturalista , ambientologo)• Specie protette (biologo, naturalista ,

ambientologo)• Altre caratteristiche di interesse …

Listefloro-faunistiche


Tipi di transetti

• Semplice linea di riferimento

• Descrittivi e bionomici

• Quantitativi


Bianchi et al., 2003

Metodo di campionamentoRegistrare sulla lavagnetta l’intercetta al centimetro in ogni punto in cui cambia la categoria di organismo, o di substrato, sotto la cima (max 25-50 m).

Adatto per mappature di molto dettagliate. Fornisce dati di abbondanza e ricoprimento percentuale.Fornisce anche informazioni sulla sequenza, le adiacenze/contatti, dimensioni organismi



Lx = lunghezza degli organismiT = lunghezza totale

Percentuale di ricoprimento degli organismi (percent cover)



Metodo di campionamentoViene identificato l’organismo, o il substrato, che si trova in corrispondenza di punti a distanza predeterminata (ogni 20-50 cm) lungo la cima (max 25-50 m).

Si usa una lavagnetta coi punti preimpostati.

Utilizzabile per sequenze video (time line intervals) … es.: 4 sec

Adatto per mappature. Fornisce dati di frequenza e ricoprimento percentuale.



Px = numero di punti in cui è presente l’organismo xPtot = numero totale di punti

Frequenza213- (sabbia)- (roccia)




Metodo di campionamentoSi usa una cima tesa tra 2 picchetti e una catenella adagiata sul fondo.

Si contando lungo il transetto il numero degli anelli di lunghezza conosciuta

Si ottengono per i diversi organismi dati di copertura percentuale, abbondanza, sequenza, e si può calcolare un indice spaziale (IS) che fornisce informazioni sulla complessità strutturale, o “rugosità” del substrato, in base al rapporto tra la lunghezza della catena usata (C) e del transetto (T).



Ax = numero di anelli in cui è presente l’organismo xAtot = numero totale di anelli




C = lunghezza della catenaT = lunghezza del transetto

Indice spaziale di rugosità (structural complexity or rugosity)


(Area di campionamento)


Ricostruzione del profilo del fondo

• Data e orario (per marea)• Coordinate del punto di inizio o fine (gps/caposaldo)• Direzione iniziale e verifica finale (bussola)• Distanze progressive (cordelle)• Profondità (eventuale correzione marea)


Ricostruzione del profilo del fondo(PIT)


Transetti lunghi e veloci• Videoripresa• Scooter subacquei / traino della superficie


Rilievi di relitti e strutture artificiali• Disponibilità di disegni di progetto• Rilievi geometrici in immersione:

• Lunghezze• Distanze• Profondità• Inclinazioni


Rilievi di grotte (Barbieri, Alvisi, Colantoni)


RilieviRilievi puntiformipuntiformi: : dalladalla superficiesuperficie o in o in immersioneimmersione

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RilieviRilievi puntiformipuntiformi: : dalladalla superficiesuperficie o in o in immersioneimmersionePermettono l’utilizzo di tecniche di interpolazione con tecniche lineari o geostatistiche (es.: kriging)

http://www.csc.noaa.gov/benthic/mapping/analyzing/spatial.htm


RestituzioneRestituzione cartograficacartografica• Scala (metodologie, dettagli, fenomeni rappresentati)• Codifiche e simbolismi (semplificazioni in funzione della scala)• Sistemi informativi geografici (Geographycal Information System, GIS)

“… è un insieme di strumenti per raccogliere, archiviare, trasformare e visualizzare dati spaziali e dati non spaziali, un sistema di sostegno alle decisioni che implica l’integrazione di dati spazialmente riferiti in un ambiente, orientato alla risoluzione di problemi ed all’analisi ed alla modellizzazione di fenomeni che avvengono sulla superficie terrestre. “ (Bianchi et al., 2003)


Tipologie di legende• Legenda bionomica con le unità di popolamento

• Zoocenosi (Vatova, 1949)• Associazioni• Formazioni • Comunità• Biocenosi-tipo (Pérès & Picard, 1964; Meinesz et al., 1983; Morri et al., 2003)

• Criteri fisionomici• Criteri di costanza-dominanza• Criteri di fedeltà (fitosolciolocia)

• Specie significative o “Focal species” (Zacharias & Roff, 2001)• indicators• keystones• umbrellas• flagships species

• Dicanmica• Fenomenologie e processi ecologici in atto• Fattori ecologici• Seriazioni e tendenze


Esempio di simboli per le “biocenosi” del Mediterraneo (Meinesz et al., 1983)


Esempio di simboli per specie significative del Mediterraneo (Di Camillo et al., 2010)


Esempio di simboli per fenomeni e processi ecologici del Mediterraneo (Bianchi et al., 1996)


EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: satellite e : satellite e batimetriebatimetrie

http://www.amptavolara.it/


EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : geomorfologiageomorfologia



EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : bionomicabionomica



EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : protezioneprotezione (SIC/ZPS)(SIC/ZPS)



EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : Patella Patella ferrugineaferruginea



EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: Posidonia in : Posidonia in zonazona A e BA e B



EsempiEsempi didi cartografiecartografie interattiveinterattive: : SeccheSecche didi Tor Tor PaternoPaterno

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