The Application of Structure from Motion Photogrammetry as Innovative Method to Assess Marine Benthic Habitats and Support their Management

Global environmental changes and human activities are having significant effects on the composition of marine benthic habitats, disturbing the ecological functioning of many ecosystems. Yet, quantifying ecological responses to habitat changes is challenging because of limitation of current field methods and technology. The aim of this research is to improve the characterization of benthic marine communities by using Structure for Motion (SfM)-based methods. The objectives are (i) to provide a SfM framework to assess the spatial composition of benthic communities and uncover the scale-specific effects that determine sample representativeness; (ii) to apply and test the framework to study the effects of human and environmental pressures on coral reefs; and (iii) to propose a new method for investigating the population structure and biomass of benthic tree-shaped species. The research was carried out at the Partial Marine Reserve of Ponta do Ouro (PPMR, Mozambique) and at the Marine Protected Area of Portofino (Italy). At PPMR, the findings show that the best sampling size is 25 m2. This size allowed capturing the diversity, abundance, structural complexity and morphological functions of reefs' organisms, and investigating changes driven by anthropic activities (i.e. scuba diving). Highly dove sites had low taxa diversity and density, and were characterized by mainly resistant-to-physical-impact organisms (i.e. sponges and algae) of big sizes and with complex shapes. On the contrary, low or moderately dove sites presented fragile-to physical- impact organisms (i.e. Acropora spp.). This research also demonstrated that in addition to abundance and morphological information, the use of SfM point clouds over tree-shaped organisms allows to have accurate prediction of biomass, avoiding to conduct destructive sampling and supporting the calculation of secondary production. To support marine management using SfM to investigate benthic communities, this research emphasizes the need to (i) recognise the need of standardised approaches of SfM method to identify relevant scales for conservation; (ii) develop better approaches to derive quantitative information on marine organisms biodiversity, biomass and on their structural habitat, and (iii) establish further knowledge on the spatial variation of benthic communities as a result of human pressure.

I Cambiamenti climatici e le attività antropiche hanno un ruolo nel determinare la composizione degli habitat bentonici ed interferiscono nel funzionamento di molti processi ecosistemici. La quantificazione dei cambiamenti a livello di habitat è ad oggi limitata da tradizionali metodi di campionamento e tecnologie impiegate.Lo scopo di questa ricerca è di ottimizzare la caratterizzazione di habitat marini bentonici utilizzando metodi fotogrammetrici basati sulla Structure for Motion (SfM). Gli obiettivi sono (i) standardizzare una metodologia per lo studio della composizione spaziale di comunità bentoniche ed individuare l’effetto della scala del campione nel determinare la sua rappresentatività; (ii) applicare e testare la metodologia sviluppata per studiare l’effetto di pressioni antropiche e naturali su comunità bentoniche di barriere coralline; e (iii) di proporre nuovi metodi per lo studio della struttura di popolazione e biomassa si organismi bentonici a portamento eretto. La ricerca è stata condotta presso la Riserva Marina Parziale di Ponta do Ouro (PPMR, Mozambico) e l’Area Marina Protetta di Portofino (Italia). Presso la PPMR è emerso che l’area ottimale di campionamento è di 25 m2. Questa superficie di campionamento permette di descrivere diversità, abbondanza, complessità strutturale e morfologica degli organismi della barriera corallina e di studiare gli effetti dei delle attività antropiche (i.e. immersioni subacquee ricreative). Siti di immersione altamente frequentati presentano una bassa densità e diversità di taxa, e sono principalmente popolati da organismi resistenti- a- impatti- di- natura- fisica (i.e. spugne ed alghe) di grandi dimensioni e forme complesse. Al contrario, siti di immersione scarsamente frequentati presentano organismi fragili- a- impatti- di- natura- fisica (i.e. Acropora spp.). Questa ricerca ha dimostrato che nuvole di punti generate da SfM possono essere utilizzate non solo per il calcolo di metriche dimensionali ed abbondanza di organismi a portamento eretto, ma anche per accurate stime della loro biomassa. Il medoto proposto quindi supporta studi di per il calcolo della produttività secondaria ed evita campionamenti distruttivi. Questa tesi sottolinea come SfM possa essere impiegata in supporto alla gestione di aree marine protette ed enfatizza sulla necessità di (i) standardizzare l’impiego di metodi basati sulla SfM a scale spaziali rilevanti per la conservazione degli habitat; (ii) migliorare gli approcci per la stima di biodiversità, biomassa di organismi bentonici e della struttura dei loro habitat, and (iii) provvedere a nuove conoscenze sulla variabilità spaziale delle comunità bentoniche come risultato di pressione antropiche.