Study of Coastal Ecosystems Through New Remote Sensing Techniques

Abstract

L'utilizzo dei satelliti a supporto degli studi oceanografici è consolidato ormai da anni, mediante l'impiego di sistemi remoti operativi a risoluzioni spaziali intermedie (SeaWifs, MODIS, MERIS), incentrati principalmente sull'acquisizione di dati di Ocean Color, che permettono di ottenere come prodotto finale la distribuzione di temperatura superficiale, clorofilla e solido sospeso, sulla base di algoritmi già sviluppati per le acque di largo. I recenti progressi nella progettazione di sensori satellitari ad alta risoluzione spaziale e spettrale e nelle tecniche di analisi dati, hanno reso i sistemi di telerilevamento più efficaci e utili anche per lo studio degli ambienti marino-costieri, dimostrandosi quindi un valido strumento di indagine a supporto delle misure di politica ambientale della Comunità europea (Cristina et al., 2015). Tali misure mirano ad ottenere il "Buono stato ecologico" GES delle acque costiere europee secondo la Direttiva Quadro sulla Strategia Marina (MSFD) (2008/56/ Commissione Europea). La MSFD indica e descrive Descrittori ed indicatori ambientali da considerare ai fini delle misure di monitoraggio per la valutazione del GES nelle aree costiere europee. Le immagini multispettrali da satellite, opportunamente corrette per i rumori atmosferici e calibrate utilizzando le misurazioni in situ, sono riconosciute come efficaci strumenti multiscala per il monitoraggio della qualità dei mari e delle acque poco profonde (Dazhao et al., 2010, Blondeau-Patissier et al., 2014). In linea con tali riferimenti, questo progetto di dottorato si pone l'obiettivo di valutare, in maniera tempestiva, efficace e a scala sinottica lo stato di qualità ecologica degli ecosistemi marino-costiero, attraverso nuove tecniche di remote sensing (RS) secondo le linee guida della Direttiva Marine Strategy. In questo contesto, sono oggetto di studio alcuni indicatori, riferiti principalmente al Descittore 1 MSFD per la Biodiversità Biologica, che prevede la stima dello stato qualitativo delle praterie di fanerogame marine e misure sulla Torbidità dell’acqua marina identificabile con il solido sospeso superficiale; infine, la clorofilla è stata osservata in riferimento al Descrittore 5 MSFD per il fenomeno dell’Eutrofizzazione. Tali variabili possono essere rilevate e mappate mediante telerilevamento per ottenere stime quantitative di distribuzione superficiale al fine di valutare l'integrità ecologica e lo stato di salute degli ecosistemi marino-costieri (Shetty et al., 2015). I sensori RS devono necessariamente soddisfare determinati requisiti per il loro utilizzo in ambiente costiero, soprattutto in termini di risoluzione radiometrica e spazio-temporale, diversi rispetto a quelli per gli studi in mare aperto. Questo è dovuto a vari fattori: l’elevata variabilità delle scale spazio-temporali dei processi ecologici costieri richiede un’alta risoluzione spaziale del sensore satellitare (1-30 m); le acque sono otticamente più complesse, acque di Caso 2 (Morel and Prieur,1977) e richiedono numerose bande spettrali per discriminare i vari tipi di segnali, legati alle diverse componenti otticamente attive dell’acqua marina e dei bassi fondali; il segnale dell’acqua che viene rilevato dal satellite è maggiormente influenzato dagli strati atmosferici rispetto al segnale terrestre e quindi è 2 richiesta un’accurata correzione atmosferica; infine la vicinanza di superfici terrestri altamente riflettenti, come le spiagge, può indurre un ulteriore disturbo (denominato “fattore di adiacenza”) al segnale uscente dall’acqua. Sulla base di queste problematiche, le piattaforme satellitari utilizzate in questo studio sono state Landsat 8 Operational Land Imagery (L8OLI) per uno studio ad alta risoluzione (30 m- High Resolution HR) per la mappatura della prateria di PO (Caso Studio 1) e della distribuzione di clorofilla a (Caso Studio 3) e MODIS (Caso Studio 2) con la media risoluzione (250 m) per un’indagine su scala regionale e a lungo termine delle dinamiche di distribuzione del solido sospeso, attraverso un approccio multidisciplinare. La metodologia affrontata in tutti e tre i casi studio presentati, ha previsto l’abbinamento temporale dei dati raccolti per la verità a mare con le immagini satellitari scaricate dal sito NASA, che rende liberamente accessibili i dati satellitari compresi nel suo sistema osservativo globale della Terra. Questi dati spettrali sono stati corretti adeguatamente per il rumore atmosferico per mappare su opportune scale spaziali/temporali la distribuzione dei parametri biofisici discreti e continui (associati all'ambiente acquatico o del fondo marino) per valutare adeguatamente le distribuzioni delle variabili in esame, sulla base di diversi approcci di modellazione. In particolare, Landsat 8 OLI ha permesso di stimare le condizioni di qualità delle praterie di Posidonia oceanica lungo più di 40 km della costa settentrionale tirrenica, a sostegno di un metodo innovativo d’indagine non invasiva e quindi in linea con una gestione sostenibile delle risorse marino-costiere. Questo sensore è stato anche utilizzato per mappare la distribuzione della clorofilla a, per una caratterizzazione efficace della distribuzione del fitoplancton nelle acque del Mar Piccolo di Taranto, attraverso modelli statistici regressivi e algoritmi bio-ottici. Da questi due studi, è emersa quindi, la validità dei dati multispettrali HR, forniti dalla nuova generazione di sensori della famiglia NASA Landsat (cioè Landsat 8 OLI, Sentinel 2 MSI) per un’osservazione efficace, integrata ed operativa degli ecosistemi marino-costieri. Per quanto riguarda la media risoluzione con MODIS, questo sensore ha permesso di raccogliere 630 immagini dal 2013 al 2017 nel golfo di Gaeta, per ottenere informazioni sinottiche e continue sulla componente della colonna d'acqua superficiale di solido sospeso, strettamente connessa alle dinamiche meteo-marine su scala regionale anch’esse studiate. La risoluzione media delle immagini RS è risultata un valido strumento di supporto, all’interno di un approccio integrato per lo studio marino costiero, al fine di migliorare la strategia di gestione ambientale a lungo termine dal punto di vista delle attività umane sostenibili per gli ecosistemi costieri. Come prospettiva futura, si può considerare di pianificare una più ampia raccolta di misure in situ per i dati di colonna d’acqua, per implementare il dataset necessario all’applicazione di un modello di inversione bio-ottica, utile alla rimozione più efficace dei disturbi della componente otticamente attiva della colonna d'acqua sul segnale spettrale del fondale marino oggetto di studio. Questo fattore apporterebbe anche ulteriori informazioni a sostegno di una maggiore comprensione degli ambienti acquatici otticamente complessi e, di conseguenza, la mappatura degli ecosistemi bentonici costieri risulterebbe ancora più accurata. Sulla base delle considerazioni e dei risultati soddisfacenti ottenuti in questo lavoro di tesi, tradotti nello specifico in tre pubblicazioni, si può affermare che le nuove tecniche di telerilevamento si mostrano efficaci per lo studio operativo degli ecosistemi marini di basso fondale e della biodiversità in ambiente costiero, fornendo un utile contributo alle misure indicate dalle Direttive comunitarie per arrestare il declino della biodiversità e per garantire la conservazione degli ecosistemi marini.

The use of satellites to support oceanographic studies has been consolidated for years, through the use of remote systems operating at intermediate spatial resolutions (SeaWifs, MODIS, MERIS), mainly focused on the acquisition of Ocean Color data, which to obtain as a final product the distribution of chlorophyll and suspended solid, based on algorithms already developed for the offshore waters. Recent advances in the design of satellite sensors with high spatial and spectral resolution and in data analysis techniques, have more effective remote sensing systems also useful for the study of marine-coastal environment, thus proving to be a valid investigation tool to support policy measures. Environment of the European Community (Cristina et al., 2015). These measures aim to achieve the "Good ecological status" GES of European coastal waters according to the Marine Strategy Framework Directive (MSFD) (2008/56/European Commission). The MSFD indicates and describes Environmental descriptors and indicators to be considered for the purpose of monitoring measures for the evaluation of the GES in the European coastal areas. Multispectral satellite images, appropriately corrected for atmospheric noise and calibrated using in situ measurements, are recognized as effective multiscale instruments for monitoring the quality of seas and shallow waters (Dazhao et al., 2010, Blondeau-Patissier et al., 2014). In line with these references, this PhD project aims to evaluate, in a timely, effective and synoptic way, the ecological quality status of marine-coastal ecosystems, through new remote sensing (RS) techniques according to the guidelines of the Marine Strategy Directive. In this context, some indicators are being studied, mainly referring to the MSFD Descriptor 1 for Biological Biodiversity, which provides for the estimation of the qualitative status of marine phanerogams and measures on the turbidity of the marine water that can be identified with the surface suspended solid; finally, the chlorophyll has been observed with reference to the MSFD Descriptor 5 for the phenomenon of Eutrophication. These variables can be detected and mapped by remote sensing to obtain quantitative estimates of surface distribution in order to evaluate the ecological integrity and health status of marine-coastal ecosystems (Shetty et al., 2015). RS sensors must necessarily meet certain requirements for their use in coastal environments, especially in terms of radiometric and spatio-temporal resolution, different from those for offshore studies. This is due to poor factors: the high variability of the spatio-temporal scales of coastal ecological processes requires a high spatial resolution of the satellite sensor (1-30 m); the waters are optically more complex, Case 2 waters (Morel and Prieur, 1977) and require numerous spectral bands to discriminate the various types of signals, linked to the different optically active components of sea water and shallow waters; the water signal that is detected by the satellite is more influenced by the atmospheric layers than the terrestrial signal and therefore an accurate atmospheric correction is required; finally, the proximity of highly reflective terrestrial surfaces, such as beaches, can induce a further disturbance (called "adjacency factor") to the signal coming out of the water. Based on these issues, the satellite sensors used in this study were Landsat 8 Operational Land Imagery (L8OLI) for a high resolution study (30 m- High Resolution HR) for mapping the PO prairie (Case Study 1) and of the chlorophyll a distribution (Case Study 3) and MODIS (Case Study 2) with the average resolution (250 m) for a regional and long-term investigation of the distribution dynamics of the suspended solid, through a multidisciplinary approach. In all three case studies presented, it provided for the combination of temporal data collected for the sea truth with satellite images downloaded from the NASA site, which makes freely available the satellite data included in its global observational system of the Earth. These spectral data have been adequately corrected for atmospheric noise to map the distribution of discrete and continuous biophysical parameters (associated with the aquatic environment or the seabed) to suitably assess the distributions of the variables under examination, on different bases. modeling approaches. Landsat 8 OLI has allowed to estimate the quality conditions of seagrass meadows supporting an innovative method of non-invasive investigation based on the sustainable management of marinecoastal resources. Using its acquisition channels, improved in terms of spectral and radiometric features and with the introduction of the new coastal band, it was possible to produce suitable PO LAI and sea beds substrate distribution maps in a significant portion of the middle Tyrrhenian coast: more than 40 km along the coast. The effectiveness of the use of new remote sensors was demonstrated for an ecological study of seagrass grasslands with various advantages: limitation of destructive sampling for PO; cost reduction with respect to sea-truth measurement campaigns; evaluation of the plant distribution on a synoptic scale to estimate the ecological quality, and a potentiality for classifying substrate types of the seafloor in the entire study area. The results achieved by the Landsat OLI sensor suggest their effectiveness for seabed/PO/chlorophyll mapping and monitoring in the optically complex shallow water, evidencing also the specific atmospheric correction relevance for reflectance data pre-processing. The complexity and variability of coastal marine environments highlights, in fact, the need to apply appropriate investigation tools and methodologies to develop an integrated and multidisciplinary study method that allows an effective assessment of the good environmental status of marine ecosystems. As a future perspective, we can consider setting up a larger collection of in situ measurements for water column and seabed data, to apply the bio-optical inversion model, which can more effectively remove the disturbances of the water column on the spectral signal of the seabed. It is also needed for continuous progress in the understanding of complex optical aquatic environments and, as a result, the mapping of benthic coastal ecosystems may be more accurate. On the basis of all these considerations and the satisfactory results achieved in this work, it can be stated that innovative and effective remote sensing technique for the operational study of the seabed coastal ecosystems could significantly contribute to the attempts of Community legislation, to halt the decline of biodiversity and to ensure the marine ecosystems preservation. Functioning ecosystems are essential for maintaining the oceans in a healthy state (Tett et al., 2013) and while being healthy, they provide numerous and diverse goods and services that contribute “for free” to the general well-being and health of humans (Van Den Belt and Costanza, 2012).