A new paradigm in coastal ecosystem assessment: linking ecology and geomorphology implementing the FHyL approach

Abstract

To contribute in understanding remote sensing technologies to monitor and maintain quality of life on this biosphere, this thesis, by moving from biological ecology to geomorphology within a variety of Earth Science and related observation approaches, develop an holistic understanding of how complex spatial patterns can be investigated by means of innovative remote sensing application and how spatial vegetation pattern can influence and describe trends in coastal habitat distribution. An overall approach in terms of methodology and knowledge has been developed and named FHyL, Field measurements, Hyperspectral imagery and LiDAR altimetry. FHyL is a set of modular processes that moving through the path of fixed procedures produces descriptive and detailed biophysical maps of complex coastal ecosystems. At the base of the innovative approach are both the new sub-pixel target detection algorithm that integrates linear mixing models with multisensory analysis and the use of existing techniques to obtain new ways of analyzing feedback from ecology and geomorphology in coastal ecosystem assessment. This PhD thesis begin with an introduction that focus the specific context of feedbacks between ecology and geomorphology and the increasing interests in remote sensing application for environmental studies and monitoring in coastal areas. An overview of the principles at the base of the implemented methodology is included with a brief description of the three cases studies. The chapters ends with a the aims and purposes of the research. The second chapter faces up with the methodology and shows in a schematic view the FHyL approach applied to different typology of coastal areas. Then, three chapters identify the three study cases developed through the FHyL approach: - Coastal complex seabed; - Coastal beach dune systems; - Shallow muddy lake; Each chapter is organized as a scientific paper with the introduction, methods, results and discussion, so that, for each of the three chapters, the state of the art and reference are provided, as well as the names of collaborators. Conclusions take in account challenges and opportunity that recent advances in remote sensing offered to this research for accurate biophysical mapping and then the dissemination activities that supported the development of this thesis are listed at the end of the volume. They represented the end to end way used during thesis developments to test the scientific achievements.

Per contribuire alla comprensione dell’utilità delle tecnologie di telerilevamento per il monitoraggio e il supporto al mantenimento della vita nella biosfera, questa tesi, muovendosi tra l’ecologia biologica e la geomorfologia attraverso una varietà di approcci delle scienze della Terra e della sua osservazione, sviluppa una comprensione olistica e tenta di comprendere come i complessi pattern spaziali possono essere indagati attraverso applicazioni innovative del telerilevamento. Essa si propone inoltre di contribuire a comprendere come i pattern spaziali della vegetazione possono influenzare e descrivere i trend di distribuzione degli habitat costieri attraverso lo sviluppo di un approccio analitico descrittivo. Tale approccio di analisi combina quindi il telerilevamento alla conoscenza dei sistemi ambientali complessi ed è stato nominato FHyL, Field measurements, Hyperspectral imagery and LiDAR altimetry poiché esso è costituito da un set di procedure modulari che producono mappature biofisiche descrittive e dettagliate di complessi ecosistemi costieri da tre specifiche tipologie di dato. Alla base dell’approccio innovativo c’è un algoritmo d’indagine per target anche più piccoli di un singolo pixel che integra l’analisi della mistura spettrale con l’analisi multi sensore. In particolare la tesi si articola in un’introduzione che focalizza il contesto di feedback tra ecologia e geomorfologia ed il crescente interesse per le applicazioni del telerilevamento nel monitoraggio ambientale. Dopo una definizione dei principi alla base della metodologia implementata e una sinossi dei tre casi di studio (fondi marino costieri, sistemi spiaggia duna e laghi con acque basse) il capitolo termina definendo gli scopi e i propositi di questa ricerca. Il secondo capitolo riguarda l’algoritmo e la metodologia sviluppata. I tre capitoli successivi rappresentano i tre casi di studio e sono organizzati come articoli scientifici con un’introduzione, la metodologia, i risultati e la discussione e ciascuno include una specifica bibliografia e i nomi dei collaboratori. Le conclusioni si confrontano con le questioni e le opportunità che il telerilevamento ha fornito a questo lavoro che si inserisce nel settore dei monitoraggi e della conoscenza degli ecosistemi costieri. Infine sono riportate le attività di divulgazione scientifica che hanno rappresentato un’importante sorgente di feedback durante il percorso di ricerca.