Assembly processes of invertebrate communities in springs across different spatial scales

Il presente lavoro ha lo scopo di comprendere i processi sottesi ai pattern di coesistenza tra le specie di invertebrati sorgentizi, distinguendo tra dinamiche stocastiche e deterministiche. Le sorgenti sono ecosistemi complessi e alcune loro caratteristiche (ad esempio l’insularità, la stabilità termica, la struttura ecotonale “a mosaico”, la frequente presenza di specie rare ed endemiche, o l’elevata diversità in taxa) le rendono laboratori naturali utili allo studio dei processi ecologici, tra cui i processi di assembly. Al fine di studiare queste dinamiche è necessario un approccio multi-scala, per questo motivi sono state prese in considerazione tre scale spaziali. A scala locale è stato compiuto un campionamento stagionale su sette sorgenti (quattro temporanee e tre permanenti) del Monte Prinzera, un affioramento ofiolitico vicino alla città di Parma. In questa area sono stati valutati l’efficacia e l’impatto ambientale di diversi metodi di campionamento e sono stati analizzati i drivers ecologici che influenzano le comunità. A scala più ampia sono state campionate per due volte 15 sorgenti della regione Emilia Romagna, al fine di identificare il ruolo della dispersione e la possibile presenza di un effetto di niche-filtering. A scala continentale sono state raccolte informazioni di letteratura riguardanti sorgenti dell’area Paleartica occidentale, e sono stati studiati i pattern biogeografici e l’influenza dei fattori climatici sulle comunità. Sono stati presi in considerazione differenti taxa di invertebrati (macroinvertebrati, ostracodi, acari acquatici e copepodi), scegliendo tra quelli che si prestavano meglio allo studio dei diversi processi in base alle loro caratteristiche biologiche e all’approfondimento tassonomico raggiungibile. I campionamenti biologici in sorgente sono caratterizzati da diversi problemi metodologici e possono causare impatti sugli ambienti. In questo lavoro sono stati paragonati due diversi metodi: l’utilizzo del retino con un approccio multi-habitat proporzionale e l’uso combinato di trappole e lavaggio di campioni di vegetazione. Il retino fornisce dati più accurati e completi, ma anche significativi disturbi sulle componenti biotiche e abiotiche delle sorgenti. Questo metodo è quindi raccomandato solo se il campionamento ha come scopo un’approfondita analisi della biodiversità. D’altra parte l’uso delle trappole e il lavaggio della vegetazione sono metodi affidabili che presentano minori impatti sull’ecosistema, quindi sono adatti a studi ecologici finalizzati all’analisi della struttura delle comunità. Questo lavoro ha confermato che i processi niche-based sono determinanti nello strutturare le comunità di ambienti sorgentizi, e che i driver ambientali spiegano una rilevante percentuale della variabilità delle comunità. Infatti le comunità di invertebrati del Monte Prinzera sono influenzate da fattori legati al chimismo delle acque, alla composizione e all’eterogeneità dell’habitat, all’idroperiodo e alle fluttuazioni della portata. Le sorgenti permanenti mostrano variazioni stagionali per quanto riguarda le concentrazioni dei principali ioni, mentre la conduttività, il pH e la temperatura dell’acqua sono più stabili. È probabile che sia la stabilità termica di questi ambienti a spiegare l’assenza di variazioni stagionali nella struttura delle comunità di macroinvertebrati. L’azione di niche-filtering delle sorgenti è stata analizzata tramite lo studio della diversità funzionale delle comunità di ostracodi dell’Emilia-Romagna. Le sorgenti ospitano più del 50% del pool di specie regionale, e numerose specie sono state rinvenute esclusivamente in questi habitat. Questo è il primo studio che analizza la diversità funzionale degli ostracodi, è stato quindi necessario stilare una lista di tratti funzionali. Analizzando il pool di specie regionale, la diversità funzionale nelle sorgenti non è significativamente diversa da quella misurata in comunità assemblate in maniera casuale. Le sorgenti non limitano quindi la diversità funzionale tra specie coesistenti, ma si può concludere che, data la soddisfazione delle esigenze ecologiche delle diverse specie, i processi di assembly in sorgente potrebbero essere influenzati da fattori stocastici come la dispersione, la speciazione e le estinzioni locali. In aggiunta, tutte le comunità studiate presentano pattern spaziali riconoscibili, rivelando una limitazione della dispersione tra le sorgenti, almeno per alcuni taxa. Il caratteristico isolamento delle sorgenti potrebbe essere la causa di questa limitazione, influenzando maggiormente i taxa a dispersione passiva rispetto a quelli a dispersione attiva. In ogni caso nelle comunità emiliano-romagnole i fattori spaziali spiegano solo una ridotta percentuale della variabilità biologica totale, mentre tutte le comunità risultano influenzate maggiormente dalle variabili ambientali. Il controllo ambientale è quindi prevalente rispetto a quello attuato dai fattori spaziali. Questo risultato dimostra che, nonostante le dinamiche stocastiche siano importanti in tutte le comunità studiate, a questa scala spaziale i fattori deterministici ricoprono un ruolo prevalente. I processi stocastici diventano più influenti invece nei climi aridi, dove il disturbo collegato ai frequenti eventi di disseccamento delle sorgenti provoca una dinamica source-sink tra le diverse comunità. Si è infatti notato che la variabilità spiegata dai fattori ambientali diminuisce all’aumentare dell’aridità del clima. Disturbi frequenti potrebbero provocare estinzioni locali seguite da ricolonizzazioni di specie provenienti dai siti vicini, riducendo la corrispondenza tra gli organismi e le loro richieste ambientali e quindi diminuendo la quantità di variabilità spiegata dai fattori ambientali. Si può quindi concludere che processi deterministici e stocastici non si escludono mutualmente, ma contribuiscono contemporaneamente a strutturare le comunità di invertebrati sorgentizi. Infine, a scala continentale, le comunità di ostracodi sorgentizi mostrano chiari pattern biogeografici e sono organizzate lungo gradienti ambientali principalmente collegati altitudine, latitudine, temperatura dell’acqua e conducibilità. Anche la tipologia di sorgente (elocrena, reocrena o limnocrena) è influente sulla composizione delle comunità. La presenza di specie rare ed endemiche inoltre caratterizza specifiche regioni geografiche.

Designing a Computer Vision System for Underwater Robotic Interventions

This thesis deals with the challenging problem of designing systems able to perceive objects in underwater environments. In the last few decades research activities in robotics have advanced the state of art regarding intervention capabilities of autonomous systems. State of art in fields such as localization and navigation, real time perception and cognition, safe action and manipulation capabilities, applied to ground environments (both indoor and outdoor) has now reached such a readiness level that it allows high level autonomous operations. On the opposite side, the underwater environment remains a very difficult one for autonomous robots. Water influences the mechanical and electrical design of systems, interferes with sensors by limiting their capabilities, heavily impacts on data transmissions, and generally requires systems with low power consumption in order to enable reasonable mission duration. Interest in underwater applications is driven by needs of exploring and intervening in environments in which human capabilities are very limited. Nowadays, most underwater field operations are carried out by manned or remotely operated vehicles, deployed for explorations and limited intervention missions. Manned vehicles, directly on-board controlled, expose human operators to risks related to the stay in field of the mission, within a hostile environment. Remotely Operated Vehicles (ROV) currently represent the most advanced technology for underwater intervention services available on the market. These vehicles can be remotely operated for long time but they need support from an oceanographic vessel with multiple teams of highly specialized pilots. Vehicles equipped with multiple state-of-art sensors and capable to autonomously plan missions have been deployed in the last ten years and exploited as observers for underwater fauna, seabed, ship wrecks, and so on. On the other hand, underwater operations like object recovery and equipment maintenance are still challenging tasks to be conducted without human supervision since they require object perception and localization with much higher accuracy and robustness, to a degree seldom available in Autonomous Underwater Vehicles (AUV). This thesis reports the study, from design to deployment and evaluation, of a general purpose and configurable platform dedicated to stereo-vision perception in underwater environments. Several aspects related to the peculiar environment characteristics have been taken into account during all stages of system design and evaluation: depth of operation and light conditions, together with water turbidity and external weather, heavily impact on perception capabilities. The vision platform proposed in this work is a modular system comprising off-the-shelf components for both the imaging sensors and the computational unit, linked by a high performance ethernet network bus. The adopted design philosophy aims at achieving high flexibility in terms of feasible perception applications, that should not be as limited as in case of a special-purpose and dedicated hardware. Flexibility is required by the variability of underwater environments, with water conditions ranging from clear to turbid, light backscattering varying with daylight and depth, strong color distortion, and other environmental factors. Furthermore, the proposed modular design ensures an easier maintenance and update of the system over time. Performance of the proposed system, in terms of perception capabilities, has been evaluated in several underwater contexts taking advantage of the opportunity offered by the MARIS national project. Design issues like energy power consumption, heat dissipation and network capabilities have been evaluated in different scenarios. Finally, real-world experiments, conducted in multiple and variable underwater contexts, including open sea waters, have led to the collection of several datasets that have been publicly released to the scientific community. The vision system has been integrated in a state of the art AUV equipped with a robotic arm and gripper, and has been exploited in the robot control loop to successfully perform underwater grasping operations.