Programme Operationnel regional feder fse / region provence alpes cote d’azur





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Annexe 3 : Description détaillée du projet

Programmation 2014-2020

MEUST BIOACOUSTIQUE

Programme Operationnel regional FEDER - FSE / REGION PROVENCE ALPES COTE D’AZUR
Cette annexe est à renseigner dans le cadre du dossier de demande de FEDER présenté par le porteur de projet.

Période d’exécution : du |__|__| / |__||__| / |__||__|__||__| au |__|__| / |__||__| / |__||__|__||__|

Objectifs visés, résultats attendus :

L'action MEUST BIOACOUSTIQUE (MB) consiste en l'élaboration de détecteurs et indexeurs automatiques temps-réels de cétacés clefs de l'écosystème méditerranéen, à partir des signaux de N lignes hydrophones Haute et Basse Fréquence de MEUST. Il s'agira également de produire des modèles le localisation affinée des sources bioacoustiques (cétacés ou autre) dans ce milieu. Et d'autre part d'en donner des lois allométriques encore inconnues.

MB a pour objectif d'extraire de nouvelles connaissances des cétacés pour la plupart classés vulnérables, dont le rorqual commun, le plus grand animal (25m, 65 tonnes) de la Terre après la grande bleue, le Globicephale mela, Tursiops truncatus, et notamment les grands plongeurs Physeter macrocephalus (Pm) et Ziphius cavirostris (Zc), qui visitent les abysses au delà de -2000 m durant plus d'une heure.

Les corrélations entre pollution acoustique sous marine et comportement des cétacés seront établies, notamment Zc est très sensible aux bruits anthropiques et Pm et le rorqual sont soumis au risque croissant de collision avec les navires notamment au large de Toulon où le trafic se densifie exponentiellement. Des collaborations nationales et internationales sur ce domaine seront intensifiées par MB. Enfin des applications sont visées sur le DAS sécurité pour l'évitement de collision avec les grands cétacés. Les brevets internationaux de Glotin et al. en trajectographie passive de ces sources, dont l'un publié au USA, seront appliqués dans MB.

L'équipe Dyni de l'université de Toulon complétera ses détecteurs automatiques de cétacés performants, sur la base de son savoir faire (pilotage de 3 projets Pelagos), en détection et classification automatique de cétacés (Boussole 2008-2010, DECAV 2011-2013 [16,30-32,34,35] et DECAN 2013 [31a]).



Cachalot respirant non loin de MEUST en face de Toulon (2013, crédit Prévot JM – univ Toulon)


Description détaillée (contenu et montant prévisionnel si besoin, par phase et par action)

MEUST BIOACOUSTIQUE couple de manière originale des observations acoustiques sur une zone bien équipée en observatoires abyssaux, et des mesures visuelles géolocalisées :
a) observations acoustiques de MEUST (à noter que le LSIS Toulon connait Antares qui fut relié au laboratoire LSIS par fibre et internet),
b) observations acoustiques de BOMBYX (nouvelle station bioacoustique mise en place au sud Port-Cros sous la direction de H. Glotin), Notre analyse bioacoustique utilisera les deux observations pour la mesure des déplacement de la faune. Ces deux instruments (MEUST et Bombyx) sont distant de 10 km, et il sera donc aisé de déterminé si les passage notamment des cachalots sont Est Ouest ou Ouest Est, ce qui est à ce jour une inconnue. Cette analyse et donc prédiction des routes des grands cétacés est utile à l'évitement de collision avec l'intense trafic du port de Toulon,
c) observations acoustiques et visuelles depuis des embarcations du PNPC ou autre en coordination avec PNPC et l'équipe DYNI du LSIS, ce qui représente un effort d'environ une sortie par mois.
d) observations visuelles depuis un quadricoptère (éventuellement vues sous-marines depuis la surface, car le drône flotte, ce qui renseignerait sur les tailles et comportement des cétacés sans les déranger par une approche de bateau.
Nos plus récents détecteurs sont basés notamment sur des représentations efficaces à faible Rapport Signal sur Bruit (RSB). Ces méthodes ont été démontrées dans le projet DECAN [31a] Pelagos 2013-14 comme plus fiables que les analyses classiques de Fourrier, et donc plus adaptées en condition de terrain (bruit de récif, de bateau...).
1. Modèles bioacoustiques

Les modèles acoustiques seront notamment ceux de Glotin et Doh et al. pour estimer la distance de la source d'émission de transitoires [1,9,10]. Ils ont été exposés au centre scientifique du PNPC et à la direction bioacoustique de la DGA lors de la soutenance de thèse de Y. Doh en déc 2014.

Les méthodes de mesures d'intervalle inter pulse pour le cachalot seront celles mises au point par Dyni, notamment pour la thèse de R. Abeille [2]. Ces méthodes fines estiment l'Intervalle Inter Pulse (IPI) invariant à l'angle ( hydrophone, axe de l'animal) [2,11,44,46].

Enfin des tests seront faits pour localiser les animaux, au travers du brevet Glotin et al. [3,12-18,20-23,29,42] publié aux USA depuis 2013. Il fonctionne en temps-réel dès une distance inter-hydrophones de 3 mètres, et est robuste au cas 'Whale Cocktail Party' d'une pluralité de cétacés émetteurs.

Globalement les méthodes du projet MEUST BIOACOUSTIQUE reposeront sur le savoir faire du groupement de chercheurs SABIOD.ORG que pilote H. Glotin. Sabiod est l'un des 12 programmes nationaux 2012-2017 de la mission interdisciplinaire Masse de Données Scientifiques du CNRS, (SABIOD: bioacoustique à l'échelle et surveillance d'écosystème http://sabiod.org ).

MEUST profitera de notre approche de calcul pour le passage à l'échelle d'algorithmes précis pour l'indexation et le suivi automatique sur masses de données bioacoustiques sur de longue durée d'enregistrement à faible RSB.
2. Détecteurs bioacoustiques sur MEUST
L'équipe DYNI UTLN de l'UMR LSIS élabore des modèles robustes de classification d'événements bioacoustiques appliqués à l'identification TR des cétacés. Le verrou scientifique du projet repose sur la souplesse des modèles de détection / classification, leur rapidité et précision. Nous avons développé des réseaux de neurones efficaces pour la classification [4] des cétacés. Les résultats très encourageant obtenus dans DECAN [31a] permettent de penser que des méthodes hypoparamétriques soient suffisantes (à confirmer sur la durée de ce projet et suivant des contraintes de très bonnes performance).


En effet les scalogrammes des enregistrements seront réalisés par décomposition TR en ondelette, peu coûteuse en ressource (complexité n.log(n) comme la transformée de Fourier rapide (FFT)). Leur représentation temps-fréquence multi-échelle est plus fine que celle de la FFT et moins sensible au bruit de fond, donc exploitable pour déclencher des alertes de présence de cétacés. En optimisant les caractéristiques de l'ondelette (forme, taille...), nous capturons / ciblons des émissions caractéristiques de chaque espèce comme montré dans DECAN PELAGOS 2013 [31a].


Par exemple, les cachalots émettent des clics d'une fréquence plus faible que les dauphin bleu-blanc, et que les Baleines à bec, nous calculons donc une ondelette de support plus large pour les détecter. Nous proposons ici un détecteur très simple: après décomposition sur différents types d'ondelettes, chaque espèce est détectée par la somme seuillée de bandes de fréquences distinctes (Fig 1).

Les autres méthodes acoustiques sont celles développées dans DECAV Pelagos 2012. Il faudra développer / adapter nos méthodes de localisation à la géométrie de MEUST, et nous avons montré des compétences dans ce domaine [12-16].


A noter que l'ensemble de nos traitements sur 3 mois de fin 2012 d'ANTARES sont disponibles sur http://sabiod.univ-tln.fr/workspace/ANTARESV3_21/ .








a) Signal d'1 sec., enregistré à Toulon à 192 kHz de fréquence d'échantillonnage, 16 bits, par l'hydrophone 21 d'Antares (066496 sept. 2012), & détections binarisées (rouge:Physeter, vert:Stenella).


b) Détecteur de Physeter Macrocephalus (rouge) par somme sur (e).

c) Détecteur de Stenella (vert) par somme sur (f).


                  1. Le spectrogramme de Fourrier (FFT) de référence (on y discerne peu les événements). Ordonnées 0-125 kHz.

e) Scalogramme ondelette de Gabor passe bas pour le Physeter.
f) Le scalogramme passe haut pour le Stenella.

e) Scalogramme total avec les deux espèces entrelacées en temps-fréquence. L'intervalle inter-clic (ICI) du Physeter=0.4 sec., ICI Stenella=0.12 sec., comme attendu.



Figure 1 : Exemples de nos classifications Physeter macrocephalus versus Stenella sur les signaux ANTARES extraites du rapport DECAN [31a] Pelagos 2013 montrant la faisabilité de l'usage d'ANTARES pour le suivi bioacoustique, et donc de MEUST.
Une statistique intéressante produite par ANTARES et qui sera complétée par MEUST concerne le comportement des cétacés se nourissant dans les abysses et qui ont un comportement de chasse peu connu. MEUST permettra de continuer des travaux originaux initiés par l'équipe du Pr Glotin à l'Université de Toulon, notamment sur la relation entre activité de chasse (activité bioacoustique des 'buzz' de predation) et cycle lunaire, lien induit par la migration de la chaîne trophique vers la surface en pleine lune. Ainsi les grand plongeurs chassent en moindre profondeur en pleine lune, pour donc plus de proies potentielles à chaque sonde (cf fig 2 d'après Glotin et al. 2014).

Fig 2. Corrélation établie grace à ANTARES entre la phase lunaire et l'activité de prédation du cachalot (Glotin et al 2014, DECAN [31a])

3.Détails sur méthodes de détection et de localisation
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