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Sonar e computer vision per la ricerca di antichi naufragi. Il caso Fiskardo (Cefalonia)

Negli ultimi decenni un numero rilevante di antichi relitti di navi con il loro carico è stato individuato nel Mar Mediterraneo. La maggior parte dei rinvenimenti è avvenuto nel corso di immersioni mentre una piccolissima parte è stato dovuta a ricerche sistematiche con ausilio di strumentazione.

La maggior parte dei relitti rimane infatti di difficile identificazione dato che i resti degli antichi scafi emergono solitamente dal fondale con profili altimetrici poco accentuati, la loro struttura in legno essendosi generalmente sfaldata quasi completamente nel corso dei millenni trascorsi sott'acqua, e con il carico, principalmente anfore, disperso attorno al relitto.

In genere dunque impronte sottomarine non chiaramente visibili e distinguibili nelle immagini del Sonar a scansione laterale (SSS) lo strumento prezioso e indispensabile che consente di discriminare le differenze dei materiali e la consistenza dei fondali e per questo utilizzato nelle ricerche dell’archeologia subacquea. Insieme al Sonar il profilatore di sedimenti (Sub Bottom Profiler) che consente di identificare la sequenza litostratigrafica presente sul fondale marino. Il loro corretto utilizzo per la realizzazione di una carta batimetrica e morfologica dei fondali e per le ricerche archeologiche non è affatto semplice.

Uno studio apparso sul numero 113 (gennaio 2020) del Journal of Archaeological Science dimostra soprattutto l’importanza cruciale dell’utilizzo integrato delle tecniche di telerilevamento del Sonar a scansione laterale ad alta risoluzione, dei sistemi di profilatura dei fondali Chirp, in grado di produrre “fette” bidimensionali attraverso il fondale con immagini risultanti analoghe a quelle del Ground Penetrating Radar,  e, fattore decisivo, delle tecniche di visione artificiale, un sottocampo dell’Intelligenza Artificiale,  come la classificazione delle immagini per la rilevazione degli oggetti.

chirp.jpg

Questo approccio integrato ha dato risultati straordinari che hanno permesso di discriminare efficacemente la presenza di relitti antichi da altre caratteristiche dell’ambiente sottomarino che pure possono rispondere a questo tipo di strumenti con firme acustiche simili come affioramenti rocciosi sparsi e habitat presenti, comunità coralligene, Posidonia e praterie di erba marina.

E quello che è accaduto  a largo di Cefalonia nel Mar Ionio  e che ha portato nel  2013  all'individuazione di quello che è risultato essere uno dei quattro più grandi naufragi di un’imbarcazione romana tra la tarda Repubblica  e l'inizio del periodo imperiale (I secolo a.C. - I secolo d.C.) nel Mar Mediterraneo e più precisamente, il più grande sino ad oggi nella sua parte orientale.

Il rinvenimento è avvenuto più precisamente nello specchio di mare antistante l’incantevole baia di Fiskardo, poco più di un miglio nautico a largo, nel corso di un'indagine subacquea di caratterizzazione del patrimonio ambientale e culturale, nell'ambito del programma "Interreg GR-IT 2007-2013", svoltasi tra luglio 2013 e novembre 2014.

Si stima che l’imbarcazione romana stesse trasportando al momento dell’affondamento circa 6.000 anfore (Dressel 6/A). Il carico, forse proveniente dall’Italia settentrionale,dal Piceno o dall’Istria, visibile sul fondo del mare, è in ottimo stato di conservazione e ha un rilevante potenziale di informazioni da fornire sulle rotte di navigazione, i commerci, lo stivaggio dello scafo e la stessa tecnica costruttiva nautica.

Fiskardo3.jpg

I dati forniti dagli strumenti usati hanno permesso di ricostruire le dimensioni dell’imbarcazione. Era lunga circa 34 m e larga 13 m, con un altezza dello scafo di circa 3,3 m. Navi di queste dimensioni erano in grado di trasportare un carico di circa 400 tonnellate con una capacità di carico stimata tra 6.000 e le 8.000 anfore probabilmente stivate nello scavo  in cinque strati. Nel caso di Fiskardo le dimensioni abbastanza omogenee delle anfore (0,8 m di altezza e 0,4 di larghezza) indiziano un carico di circa 6.000 anfore probabilmente vinarie.

Gli autori della ricerca del laboratorio di Geologia marina dell’università di Patrasso insieme a sub dell’Aquatic Scuba Diving Club di Agia Efimia (Cefalonia) (George Ferentinos, Elias Fakiris, Dimitrios Christodoulou, Maria Geraga, Xenophontas Dimas, Nikos Georgiou, Stavroula Kordella, George Papatheodorou, Michalis Prevenios, Makis Sotiropoulos) spiegano dettagliatamente nel loro articolo i parametri di acquisizione dei dati per ottenere dal sonar immagini ottimali  del fondo marino massimizzando la separazione dei potenziali target di naufragio dalle altre caratteristiche del fondo marino.

La prospezione marina nelle acque circostanti Cefalonia si era concentrato su quattro aree classificate  come siti di interesse comunitario Natura per la presenza di informazioni generiche sull'esistenza di relitti sul fondo del mare. Effettivamente nel corso delle ricerche sono stati trovati tre relitti quasi intatti risalenti alla Seconda Guerra Mondiale, due navi e un aereo, ma soprattutto un naufragio romano e il suo carico di anfore. 

Quasi sono state le strategie e gli accorgimenti di acquisizione dei dati per l'imaging dei relitti con il loro carico di anfore e la loro procedura di elaborazione per separare i relitti di imbarcazioni antiche da altre caratteristiche del fondale?

Per raggiungere gli obiettivi generali del progetto, la prospezione dei fondali è stata condotta in due fasi: una ricognizione di primo riconoscimento con lo scopo di caratterizzare l’area individuando i potenziali bersagli sul fondo marino e una prospezione di dettaglio di questi ultimi. In entrambe le fasi operative è stata utilizzata la nave per il rilevamento costiero“ Socrate ”e una varietà di sonar, con parametri di acquisizione dati diversi in ogni fase.

Il posizionamento e la navigazione della nave da ricognizione è stata effettuata utilizzando un sistema GPS Hemisphere VS101,con una precisione inferiore a 0,2 m.

il primo passo è stato la caratterizzazione morfologica dei fondali intorno all'isola di Cefalonia con  l’utilizzazione di un ELAC Nautik Seabeam 185, ecoscandaglio multifascio,, un sonar a scansione laterale Edge-Tech 4200,  (SSS), che fornisce immagini sonar prospettiche del fondale marino, operato a 100 e 400 kHz per stabilire la tessitura del sedimento e i dati bati-morofologici del substrato  con l’individuazione di potenziali bersagli di importanza archeologica e un profiler sub-bottom Geopulse tecnologia Chirp (Chirp SBP), per stabilire la stratigrafia del fondale marino e l’identificazione di bersagli sommersi e / o sepolti. I dati SSS sono stati acquisiti con un veicolo  trainato a circa 40 m sopra il fondo del mare a una velocità di 3 nodi (1,5 m / s.

Le immagini raccolte dal sonar sono state elaborate con una procedura image based di classificazione automatica con l’uso del pacchetto software Matlab denominato Sonar Class.

Sonar Class si basa su un approccio che comprende  l'estrazione e l'analisi delle caratteristiche della tessitura in 3 fasi principali ciascuna grazie a 3 algoritmi diversi: la  selezione delle aree campione di addestramento, la  selezione e calibrazione delle caratteristiche in base ai campioni di addestramento e infine la classificazione supervisionata dell'immagine SSS usando le caratteristiche selezionate e una varietà di classificatori. L'originalità del metodo risiede nel fatto che vengono applicate la selezione automatica della migliore combinazione di parametri  attraverso un processo di ottimizzazione iterativa e l’esecuzione della calibrazione dei parametri offset che controllano l’ efficienza della matrice di co-occorrenza (o anche GLCM Gray - Level Co-occurrence Matrix) che misura la tessitura dell’immagine. L'utente ha il pieno controllo del processo di classificazione.

Per la procedura di “rilevazione automatica del bersaglio” (ATD)  è stato utilizzata l'analisi delle componenti indipendenti (ICA), e l'uso dell'indice di curtosi, potente approccio di decomposizione dei dati, che consente di separare un segnale multivariante nelle sue sotto-componenti additive, assumendo che esista una mutua indipendenza statistica della sorgente dei segnali non Gaussiani, nello specifico eventuali antichi relitti, anche di piccole dimensioni, da altre caratteristiche del fondo marino. Differentemente invece l'analisi delle componenti principali  riduce il numero più o meno elevato di variabili che descrivono un insieme di dati e  quindi prende in considerazione quelle dominanti.

Nella successiva  fase di dettaglio si sono acquisiti  i dettagli visivi degli obiettivi evidenziati nella prospezione generale, studiati con l'utilizzo di undici serie di immagini dei fondali marini acquisite da tre diversi modelli SSS., i parametri di acquisizione dei dati SSS più adatti per massimizzare la separazione tra potenziali target di antichi naufragi e altre caratteristiche del fondale marino e infine, da ultimo, messe a punto le linee guida in merito ai parametri di acquisizione SSS di dati più adatte per la ricerca futura di antichi relitti e del loro carico. L'ispezione visiva del bersaglio è stato realizzato utilizzando un ROV e subacquei per scattare fotografie.

La ricerca ha permesso di individuare tra i parametri per  l'acquisizione ottimale dei dati l'angolo di incidenza, che ha rivelato una significativa correlazione positiva, l'altitudine del veicolo SSS al di sopra del fondale marino con una forte correlazione negativa e  il ground range, che ha correlazione piuttosto debole.

Le ricerche hanno permesso di ricostruire le modalità dell’affondamento e individuato i rischi per la conservazione del sito. La circostanza che il carico si sia mantenuto entro quella che era la sagoma della nave e oggi la riveli suggeriscono che la nave affondò molto lentamente, si posò sulla sua chiglia e poi gradualmente si inclinò su un lato mantenendo intatta la struttura generale dello scafo. L’ipotesi degli studiosi è che la nave sia affondata in condizioni meteo buone.

L'immagine del sonar e il mosaico ortofotografico mostrano che l’ammasso

delle anfore è attraversato da una trincea lineare larga circa 1 m dalle anfore. Una circostanza che desta allarme l’integrità del sito dato che va riportata in tutta evidenza alle manovre di ancoraggio di yacht  all'ingresso dell’approdo di Fiskardo. 

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