Remote Sensing Survey and Material Characterization of Coastal and Underwater Cultural Heritage Sites in the Apulia Region

The Adriatic coast of Apulia contains many coastal and underwater archaeological sites whose visibility and preservation are strongly influenced by rapid shoreline change, sand cover, and relative sea-level rise. These dynamic conditions make systematic documentation difficult and require approaches that can record sites repeatedly and at different scales. This thesis presents and tests a complex, integrated methodology for the identification, documentation, and interpretation of submerged and coastal cultural heritage. The workflow combines: (1) analysis of written sources and historical cartography; (2) multi-sensor remote sensing and geophysical survey in coastal and shallow-water environments (UAV and underwater photogrammetry, satellite and historical imagery, GNSS-RTK positioning, side-scan sonar, multibeam bathymetry, sub-bottom profiling, GPR, and magnetometry); (3) GIS-based integration of all datasets for spatial analysis and monitoring; and (4) archaeometric characterization of building materials using optical microscopy, quantitative XRPD, and SEM-EDS. Fieldwork was carried out during three archaeological expeditions in different areas of Apulia (2024–2025), including Porto Cesareo, Leuca, Le Cesine, and San Cataldo. While these surveys provided a regional framework and comparative data, the main focus of the thesis is the submerged structure at Le Cesine (Chiesa Sommersa / possible Roman lighthouse). This site was selected as the key case study because it allowed the full application of the integrated approach: repeated remote sensing and geophysical mapping, detailed 3D documentation, and targeted sampling of construction materials. Mortar samples from the Le Cesine structure were analysed to clarify construction technology and material provenance. Results show a lime–pozzolana marine mortar with volcanic feldspars, extensive secondary zeolites (especially phillipsite), and a high proportion of amorphous and smectite-proxy M-A-S-H / C-A-S-H gels, indicating long-term hydraulic reactions in seawater. SEM–EDS mineral chemistry suggests a Campanian/Phlegraean origin of part the volcanic aggregate. Overall, the thesis demonstrates that a complex methodological integration of remote sensing, GIS, and archaeometric analyses is effective for studying submerged coastal heritage in rapidly changing environments. The Le Cesine case study provides new evidence for Roman hydraulic construction along the Lupiae (ancient name of Lecce) coastline and establishes a solid baseline for future excavation, conservation, and provenancing research in Apulia.

La costa adriatica della Puglia ospita numerosi siti archeologici costieri e subacquei la cui visibilità e conservazione sono fortemente influenzate dai rapidi cambiamenti del litorale, dalla copertura sabbiosa e dall'innalzamento relativo del livello del mare. Queste condizioni dinamiche rendono difficile la documentazione sistematica e richiedono approcci in grado di registrare e studiare i siti in modo costante e su scale diverse.Questa tesi presenta e verifica una metodologia complessa e integrata per l'identificazione, la documentazione e l'interpretazione del patrimonio culturale sommerso e costiero. La ricerca si è avvalsa di: (1) analisi di fonti scritte e cartografia storica; (2) telerilevamento multisensoriale e indagini geofisiche in ambienti costieri e in acque poco profonde (UAV e fotogrammetria subacquea, immagini satellitari e storiche, posizionamento GNSS-RTK, sonar a scansione laterale, batimetria multibeam, profilatura del fondale, GPR e magnetometria); (3) integrazione basata su GIS di tutti i set di dati per l'analisi spaziale e il monitoraggio; e (4) caratterizzazione archeometrica dei materiali da costruzione mediante microscopia ottica, analisi quantitativa delle fasi da dati XRPD, e analisi SEM-EDS. Il lavoro sul campo è stato condotto durante tre campagne di indagini archeologiche in diverse zone della Puglia (2024-2025), tra cui Porto Cesareo, Leuca, Le Cesine e San Cataldo. Sebbene queste indagini abbiano fornito un quadro regionale e dati comparativi, l'argomento principale della tesi è la struttura sommersa a Le Cesine (Chiesa Sommersa / ipotetico faro romano). Questo sito è stato selezionato come caso di studio chiave perché ha consentito la piena applicazione dell'approccio integrato: telerilevamento ripetuto e mappatura geofisica, documentazione 3D dettagliata e campionamento mirato per l’analisi dei materiali da costruzione. Sono stati analizzati campioni di malta provenienti dalla struttura Le Cesine per chiarire la tecnologia di costruzione e la provenienza dei materiali utilizzati. I risultati mostrano una malta idraulica a base di calce-pozzolana con feldspati vulcanici, abbondanti zeoliti secondarie (in particolare phillipsite) e un'alta percentuale di gel M-A-S-H / C-A-S-H amorfi e smectite-proxy, che indicano reazioni idrauliche in acqua di mare. Le analisi microchimiche al SEM-EDS sulle fasi minerali suggerisce un'origine campana/flegrea di parte dell'aggregato vulcanico, mescolato con calcare localmente disponibile. Nel complesso, la tesi dimostra come l’integrazione metodologica di telerilevamento, GIS e analisi archeometriche sia efficace per lo studio del patrimonio costiero sommerso in ambienti in rapida evoluzione. Il caso studio di Le Cesine fornisce nuove prove della presenza di costruzioni idrauliche romane lungo la costa di Lupiae (antico nome di Lecce) e stabilisce una solida base di riferimento per futuri scavi, interventi di conservazione e ricerche sulla provenienza dei reperti in Puglia.