Monitoraggio Ittico 3D: Videoanalisi

Il documento descrive il Visual Census come un metodo di monitoraggio non distruttivo della fauna ittica, particolarmente adatto per ambienti delicati come le barriere coralline. La sua applicazione, ampiamente diffusa a partire dagli anni '60 negli Stati Uniti e in Australia, si è poi estesa al Mediterraneo negli anni '80 grazie agli studi di Mireille Harmelin-Vivien. Il metodo consiste nel conteggio visivo delle specie ittiche da parte di operatori subacquei specializzati, che operano su un tratto di fondale o lungo un transetto, suddividendo gli organismi in classi di taglia per una stima più precisa. L'indagine si sviluppa in diverse zone dell'area di studio e a varie fasce batimetriche, garantendo una maggiore copertura spaziale e temporale delle conoscenze. Nonostante la sua efficacia, il Visual Census presenta delle limitazioni: può essere soggetto a errori soggettivi da parte dell'operatore, come sottostima o sovrastima della densità e della lunghezza dei pesci, a causa della risposta degli organismi all'operatore, delle capacità di identificazione e dell'affaticamento. Inoltre, l'impossibilità di effettuare riprese notturne comporta la perdita di informazioni su specie crepuscolari o notturne.

Come evoluzione del metodo tradizionale, il documento introduce la stereo-videogrammetria, una tecnica di video monitoraggio metrico che utilizza sistemi di videocamere 3D calibrate per effettuare misurazioni in campo ambientale di organismi e oggetti. Le origini della fotogrammetria risalgono alla metà dell'Ottocento, ma lo sviluppo tecnologico recente ha portato all'utilizzo di videocamere, consentendo una visione stereoscopica simile a quella umana. La stereo-videogrammetria sfrutta la triangolazione iterativa, un metodo che permette di stimare la distanza e le dimensioni degli oggetti tramite l'analisi di due o più videocamere che riprendono la scena in modo sincrono. Questo approccio offre vantaggi significativi rispetto al Visual Census tradizionale: permette misurazioni precise di posizione, lunghezza e velocità degli organismi, anche in caso di specie difficili da catturare. Inoltre, la possibilità di rivedere i video e di effettuare analisi ripetute da più osservatori aumenta l'affidabilità dei dati, consentendo misurazioni più complete e dettagliate del comportamento degli organismi. Lo studio si concentra sull'utilizzo di due sistemi: uno ad assi paralleli (AP) e uno ad assi convergenti (AC), entrambi testati con diverse tipologie di videocamere (GoPro e COOAU SPC06).

Per garantire l'accuratezza delle misurazioni tramite stereo-videogrammetria, è fondamentale la calibrazione del sistema. Il documento descrive l'utilizzo del software VidSync, un programma per Mac che integra un sistema di calibrazione semi-automatico. Questo sistema include la correzione della distorsione delle lenti e la calibrazione 3D, quest'ultima eseguita tramite l'inserimento manuale di punti di riferimento su un frame appositamente progettato. VidSync utilizza algoritmi avanzati, come la funzione “cvGoodFeaturesToTrack” di OpenCV per il rilevamento dei punti e il calcolo delle plumblines (linee di connessione tra i vertici), permettendo la correzione della distorsione. Il processo di calibrazione richiede attenzione e può necessitare di essere ripetuto in caso di cambiamenti significativi nelle condizioni ambientali (luce, torbidità dell'acqua, indice di rifrazione). L'utilizzo di tre diverse distanze di calibrazione (breve, media, lunga) ha permesso di valutare l'accuratezza del sistema in diverse condizioni. VidSync offre poi la possibilità di esportare file in diversi formati e di visualizzare le misurazioni direttamente sul video finale. Il software richiede una certa potenza di calcolo da parte del computer e presenta compatibilità limitata al sistema operativo MacOS.

Lo studio confronta il Visual Census e la stereo-videogrammetria per il monitoraggio della fauna ittica in diversi ambienti marini. Sono stati scelti siti eterogenei per massimizzare la diversità delle condizioni: l'Acquario di Genova, offrendo un ambiente controllato con organismi noti (come la medusa Phyllorhiza punctata) in diverse vasche, ha permesso di testare entrambi i sistemi in condizioni di illuminazione e ambientazione variabili. L'ambiente portuale, rappresentato dal Porto Antico di Genova e dal Porto di Santa Margherita Ligure, ha presentato una significativa torbidità dell'acqua, creando difficoltà nel riconoscimento degli organismi. Infine, la Baia di San Fruttuoso, area marina protetta (AMP) a Camogli, ha offerto un ambiente con maggiore trasparenza delle acque e una ricca biodiversità, con abbondanza di specie come Oblada melanura e praterie di Posidonia oceanica. In questi diversi contesti, il Visual Census, con operatori subacquei che effettuano conteggi e classificano gli organismi per taglia, è stato confrontato con due sistemi di stereo-videogrammetria: uno ad assi paralleli (AP) e uno ad assi convergenti (AC), entrambi utilizzando videocamere GoPro e COOAU SPC06.

I risultati del confronto tra Visual Census e stereo-videogrammetria evidenziano differenze significative in termini di accuratezza e precisione delle misurazioni. Nell'Acquario di Genova, in particolare nella vasca di calibrazione (Vasca T), entrambi i sistemi di stereo-videogrammetria hanno fornito misurazioni comparabili della pinna di una tartaruga, ma il sistema AC ha mostrato una migliore accuratezza e precisione, soprattutto a distanze maggiori. La calibrazione a media distanza si è rivelata ottimale per entrambi i sistemi. In ambienti portuali, caratterizzati da elevata torbidità, il sistema AC, pur utilizzato, ha incontrato difficoltà nel riconoscimento della fauna ittica a livello di classe, permettendo solo misurazioni di oggetti di dimensioni note. Nella Baia di San Fruttuoso, invece, il sistema AC ha permesso di ottenere dati utili e confrontabili con quelli del Visual Census tradizionale, con una buona accuratezza per il sistema AC (<2,8 cm) rispetto al sistema AP (3,8 cm). L'analisi evidenzia la correlazione tra le due metodologie, ma anche le limitazioni del sistema AC in aree confinate di piccole dimensioni e il maggiore impatto della torbidità sulla precisione delle misurazioni tramite stereo-videogrammetria.

Il confronto tra le due metodologie evidenzia che il sistema AC di stereo-videogrammetria offre risultati generalmente più accurati e precisi rispetto al sistema AP, soprattutto in ambienti spaziosi e con buona visibilità. Il sistema AP risulta più efficiente in spazi ristretti, mentre il sistema AC è ottimale in ambienti più ampi come vasche grandi o mare aperto. L'analisi dei dati, che include la misura di oggetti di dimensioni note per il controllo dell'errore, ha permesso di valutare l'accuratezza e la precisione dei sistemi in diverse condizioni ambientali. Sebbene entrambi i sistemi presentino limitazioni, la stereo-videogrammetria, grazie alla possibilità di rianalisi dei video e alla possibilità di registrazioni più lunghe, offre vantaggi significativi rispetto al Visual Census tradizionale, soprattutto per la raccolta di dati quantitativi e qualitativi più completi. In particolare, si evidenzia come il Visual Census, pur rimanendo un metodo efficace e non invasivo, soprattutto per le aree marine protette, si riveli limitato in condizioni di scarsa visibilità e per le riprese notturne, aspetti in cui la stereo-videogrammetria, con l'aggiunta di sistemi di illuminazione, potrebbe offrire un miglioramento significativo.

L'analisi dei risultati si concentra sull'accuratezza e la precisione dei sistemi di stereo-videogrammetria (assi paralleli - AP e assi convergenti - AC) confrontati con il Visual Census tradizionale. In ambienti controllati come le vasche dell'Acquario di Genova, l'accuratezza è stata valutata misurando oggetti di dimensioni note (lati di un quadrato 40x40 cm) e confrontando le misurazioni ottenute con quelle reali. Il sistema AC ha mostrato una maggiore accuratezza e precisione rispetto al sistema AP, soprattutto a distanze maggiori dall'obiettivo. In ambienti naturali, come la Baia di San Fruttuoso e le aree portuali di Genova e Santa Margherita Ligure, l'accuratezza è stata influenzata dalle condizioni ambientali. La torbidità dell'acqua nelle aree portuali ha limitato il riconoscimento degli organismi, rendendo impossibile un'analisi completa. Nella Baia di San Fruttuoso, invece, con acque più limpide, il sistema AC ha fornito risultati soddisfacenti. I valori di accuratezza ottenuti sono stati generalmente inferiori a 2.8 cm per il sistema AC e a 3.8 cm per il sistema AP, con una certa variabilità in relazione al sito e alle condizioni ambientali. Il confronto diretto tra i due sistemi (nella Vasca T e nel sito Secca Gonzatti) conferma la superiorità del sistema AC in termini di accuratezza, soprattutto in ambienti aperti.

L'analisi approfondisce il confronto tra i conteggi effettuati con il Visual Census tradizionale e quelli ottenuti tramite il sistema AC di stereo-videogrammetria. Nello specifico, sono state considerate diverse specie ittiche, tra cui Coris julis, Oblada melanura, Diplodus sargus, Diplodus vulgaris, Chromis chromis, e Sarpa salpa. L'analisi mostra una buona correlazione tra i due metodi per la maggior parte delle specie, anche se sono emerse alcune differenze. Nel caso di Chromis chromis, i conteggi del sistema AC si avvicinano ai massimi valori stimati dall'operatore subacqueo. Al contrario, per Sarpa salpa, il sistema AC non ha rilevato alcun individuo, a differenza del Visual Census in alcune repliche. Questa discrepanza è probabilmente dovuta alla differenza nel campo visivo tra l'operatore subacqueo e le videocamere. L'analisi statistica (indice di correlazione R²) conferma l'affidabilità dei dati raccolti, evidenziando una buona corrispondenza tra i due metodi, sebbene con alcune differenze attribuibili alle caratteristiche specifiche di ogni tecnica e alle condizioni ambientali.

In conclusione, lo studio dimostra che sia il Visual Census che la stereo-videogrammetria rappresentano metodi validi per il monitoraggio della fauna ittica, ognuno con punti di forza e di debolezza. Il Visual Census, metodo non invasivo ed economicamente accessibile, si rivela particolarmente efficace in aree marine protette (AMP) per conteggi e classificazione per taglia. Tuttavia, presenta limiti in condizioni di scarsa visibilità e per le riprese notturne. La stereo-videogrammetria, in particolare il sistema AC, offre maggiore precisione e accuratezza nella misurazione, fornendo anche dati qualitativi sul comportamento degli organismi. Richiede però un setup più complesso e una calibrazione accurata. La scelta del metodo più adatto dipende dall'ambiente di studio e dalle risorse disponibili. Lo studio suggerisce l'integrazione delle due tecniche per ottenere un monitoraggio ambientale più completo ed efficace. La possibilità di automatizzare l'analisi dei video, ottenuti tramite la stereo-videogrammetria, offre nuove prospettive per migliorare l'efficienza e l'affidabilità del monitoraggio, anche in ambienti difficili o pericolosi per l'operatore. L'aggiunta di sistemi di illuminazione alle videocamere potrebbe superare il limite delle riprese notturne.