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Alma Mater Alma Mater StudiorumStudiorum –– UniversitUniversitàà didi BolognaBolognaFacoltFacoltàà didi Scienze Scienze Matematiche, Fisiche e NaturaliMatematiche, Fisiche e Naturali
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
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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
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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
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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
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LocalizzazioneLocalizzazione
Carta nautica Proiezione di Mercatore
Sistemi di riferimento e posizionamento globale
• Elissoide, geoide ed orientazioneceleste (Datum)
• Latitudine e longitudine• Sitemi di proiezione
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LocalizzazioneLocalizzazione
Sistemi di riferimento e posizionamento globale
Datum
• Nazionale -Roma ‘40
• Europeo - ED50
• Mondiale -WGS84
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LocalizzazioneLocalizzazione
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”
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LocalizzazioneLocalizzazione
Sistemi di riferimento e posizionamento globale
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
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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)
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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
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LocalizzazioneLocalizzazione
Sistemi di proiezione• UTM 33 (ED 50)
• UTM 33 (WGS 84)
• GAUSS-BOAGA Ovest (ROMA 40)
Sistemi di riferimento e posizionamento globale
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LocalizzazioneLocalizzazione
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.
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LocalizzazioneLocalizzazione
Ottenere la posizione… il GPS
24 satelliti
Digital cartography
Sistema “differenziale”
Ricevitore DGPS
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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)
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LocalizzazioneLocalizzazioneRilevamento bussolae allineamenti di “cospicui”
Declinazionemagnetica
Ottenere la posizione
Carte nautiche in proiezione diMercatore
Isogonia e rettificazione dellelossodromie
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d = declinazione magnetica
d’ = deviazione
Nord geografico
Nord magnetico
Nord bussolad
d’
LocalizzazioneLocalizzazione
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LocalizzazioneLocalizzazione
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/
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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.)
LocalizzazioneLocalizzazione
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LocalizzazioneLocalizzazioneProfondità delle osservazioni
0.1 m ± 1%
marea
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LocalizzazioneLocalizzazioneProfondità delle osservazioni
Mean Lower Low Water (MLLW) Mean Sea Level (MSL)
WXTide32 Astronomical predictor
Lo zero idrografico varia tra nazioni e carte usate
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Alcocer et al., 2006
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LocalizzazioneLocalizzazione
Sgorbiniet al., 2002
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LocalizzazioneLocalizzazione
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LocalizzazioneLocalizzazione
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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).
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RilievoRilievo geomorfologico geomorfologico e e mappatura della mappatura della
caratteristiche di interessecaratteristiche di interesse
Remote Remote sensingsensing
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RilievoRilievo dada satellite (satellite (sistemisistemi attiviattivi e e passivipassivi))Sea Surface Temperature Clorofilla e Red Tides
CorrentiSuperficiali
Inquinanti
Praterie difanerogame
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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)
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RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
Single beam echo sounder
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RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
Single beam echo sounder
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RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
Single beam echo sounder
200 kHz 12° fino a 200 m di profondità
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RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
Side Scan Sonar
Range 10-150 mper lato
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Side Scan Sonar
RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
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RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
Multibeam echo sounder
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RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
Sistemi per profondità e risoluzioni diverse
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RilievoRilievo geomorfologico: geomorfologico: remote sensingremote sensing
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)
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Remotely Operated Vehicle (ROV)Remotely Operated Vehicle (ROV)Eyeball
Workclass
Portable open frame
Eyeball
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Un Un esempioesempio didi applicazioneapplicazioneclassicoclassico
MappatutaMappatuta delle praterie didelle praterie diPosidonia oceanicaPosidonia oceanica
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La fotografia aereacostiera (
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Side Scan Sonar (Bianchi et al., 2003)
PosidoniaPosidonia
PipePipe--lineline
SandSand
Marcare i limiti delle praterieper studiare l’evoluzionetemporale: il “Balisage”
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TecnicheTecniche didi Visual Census Visual Census
• TRANSETTIRilievi lungo un percorso definito
• QUADRATIRilievi puntuali
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RilevamentiRilevamenti subacqueisubacquei
““Transetti Transetti bionomicibionomici””
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TransettiTransettiRicerca Scientifica SubacqueaRicerca Scientifica Subacquea
Lungo percorsi rettilinei
Verticali (da basso all’alto)depth transect
max -30mOrizzontali
max -20m
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StrumentiStrumentiFibreglassmeasuring
tape20-100 m
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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
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Tipi di transetti
• Semplice linea di riferimento
• Descrittivi e bionomici
• Quantitativi
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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
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Bianchi et al., 2003
Lx = lunghezza degli organismiT = lunghezza totale
Percentuale di ricoprimento degli organismi (percent cover)
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Bianchi et al., 2003
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.
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Bianchi et al., 2003
Px = numero di punti in cui è presente l’organismo xPtot = numero totale di punti
Frequenza213- (sabbia)- (roccia)
Percentuale di ricoprimento degli organismi (percent cover)
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Bianchi et al., 2003
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).
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Bianchi et al., 2003
Ax = numero di anelli in cui è presente l’organismo xAtot = numero totale di anelli
Percentuale di ricoprimento degli organismi (percent cover)
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Bianchi et al., 2003
C = lunghezza della catenaT = lunghezza del transetto
Indice spaziale di rugosità (structural complexity or rugosity)
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(Area di campionamento)
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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)
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Ricostruzione del profilo del fondo(PIT)
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Ricostruzione del profilo del fondo(PIT)
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Transetti lunghi e veloci• Videoripresa• Scooter subacquei / traino della superficie
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Rilievi di relitti e strutture artificiali• Disponibilità di disegni di progetto• Rilievi geometrici in immersione:
• Lunghezze• Distanze• Profondità• Inclinazioni
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Rilievi di grotte (Barbieri, Alvisi, Colantoni)
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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
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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)
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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
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Esempio di simboli per le “biocenosi” del Mediterraneo (Meinesz et al., 1983)
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Esempio di simboli per specie significative del Mediterraneo (Di Camillo et al., 2010)
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Esempio di simboli per fenomeni e processi ecologici del Mediterraneo (Bianchi et al., 1996)
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EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: satellite e : satellite e batimetriebatimetrie
http://www.amptavolara.it/
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EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : geomorfologiageomorfologia
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EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : bionomicabionomica
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EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : protezioneprotezione (SIC/ZPS)(SIC/ZPS)
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EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: : Patella Patella ferrugineaferruginea
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EsempiEsempi didi cartografiecartografie tematichetematiche: Posidonia in : Posidonia in zonazona A e BA e B
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EsempiEsempi didi cartografiecartografie interattiveinterattive: : SeccheSecche didi Tor Tor PaternoPaterno