En Alaska, l’Intelligence Artificielle au secours des phoques et des bélugas en voie de disparition

Beluga

Quand Erin Moreland a entrepris de devenir chercheuse en zoologie, elle s’imaginait passer sa journée assise sur une falaise, à dessiner phoques et autres mammifères marins, afin de comprendre leurs habitudes et ainsi mieux protéger leurs habitats.

A sa grande surprise, Erin Moreland s’est retrouvée coincée devant un écran d’ordinateur, cliquant sur des milliers de photographies aériennes de glace flottante, cherchant des signes de vie animale dans les eaux de l’Alaska, à l’extrême nord-ouest des Etats-Unis. Le tri par son équipe de chaque cliché, comparable à la recherche d’une aiguille dans une botte de foin, était si chronophage que les résultats de leur recherche étaient déjà dépassés dès leur publication.

« Il doit y avoir une meilleure façon de procéder », se souvient-elle avoir pensé. « Les scientifiques devraient être libérés de ce type de tâches pour contribuer davantage à l’étude des animaux et aux défis qu’ils rencontrent. »

Il existe une meilleure façon de procéder, c’est certain ! L’idée a germé, de façon assez inattendue, lorsqu’Erin Moreland observait le paysage depuis la fenêtre de son bureau au Marine Mammal Laboratory de la NOAA à Seattle et regardait l’autre rive du lac Washington, en direction du siège de Microsoft. Elle était convaincue qu’il y avait une solution technologique à sa frustration, mais ne connaissait personne ayant les bonnes compétences pour l’aider.

Tout a changé le jour où, participant à une réunion municipale, elle entend deux inconnus discuter d’Intelligence Artificielle et se joint à leur conversation pour évoquer son travail et ses besoins. L’un d’eux la met ensuite en contact avec Dan Morris du programme AI for Earth de Microsoft. Ce dernier lui conseille de partager son défi au prochain Hackathon organisé par Microsoft, un concours d’une semaine où développeurs de logiciels, programmeurs et ingénieurs collaborent sur différents projets. Quatorze ingénieurs de Microsoft se sont alors portés volontaires pour trouver une solution à son problème.

« Dans l’univers de la conservation de la faune, de nombreux scientifiques prennent du temps à réaliser des tâches répétitives telles qu’examiner des images et des sons », explique Dan Morris. « Les équipements positionnés à distance, nous permettent de collecter toute sorte de données mais les scientifiques doivent trouver des solutions pour bien les utiliser. Annoter des images pendant un an est une mauvaise utilisation de leur temps et les réponses à leurs problématiques arrivent souvent trop tardivement. »

L’idée d’Erin Moreland n’était cependant pas aussi simple à régler qu’une analyse rapide pouvait le laisser penser. Bien qu’il existe de nombreux modèles pour reconnaître les personnes sur les images, aucun – jusqu’à présent – n’était destiné à trouver de phoques, en particulier en temps réel sur des photographies aériennes. Toutefois, les centaines de milliers d’exemples que les scientifiques de la NOAA avaient classés dans les enquêtes précédentes ont aidé les équipes Microsoft, qui les ont utilisés pour former des modèles d’IA à reconnaître quelles photographies et quels enregistrements contenaient des mammifères et lesquels n’en contenaient pas.

« Un des défis était l’ampleur de la tâche : il y avait 20 téraoctets de données d’images de glace à analyser. Travailler sur un ordinateur portable avec autant de données n’est vraiment pas idéal. », précise Dan Morris.

« Nous avons transféré quotidiennement des disques durs entre Seattle et notre siège de Redmond pour y parvenir. Mais le cloud permet de travailler avec toutes ces données et de former des modèles d’IA. C’est grâce à Azure que nous avons pu réaliser ce travail. »

C’est ainsi qu’elle et ses collègues scientifiques de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) vont, dès l’arrivée du printemps prochain, utiliser l’intelligence artificielle pour surveiller les bélugas en voie de disparition, les phoques menacés ou encore les ours polaires, et réduire ainsi le temps nécessaire à l’obtention des données utiles à la protection des animaux.

Les équipes entraînent des outils d’IA pour distinguer, par exemple, un phoque d’un rocher dans une image, ou le chant des baleines du bruit émis par une drague. Cela leur permet ainsi de mieux comprendre le comportement de ces mammifères pour les aider à survivre dans un contexte où la fonte des glaces et l’activité humaine s’intensifient.

Le projet développé par Erin Moreland combinera la technologie de l’IA à des caméras embarquées sur un avion à turbopropulseur NOAA qui survolera la mer de Beaufort, au nord de l’Alaska, en avril et mai 2020. Balayant et classant les images, cette technologie produira un décompte de la population de phoques et d’ours polaires, prêt à être analysé en quelques heures au lieu de plusieurs mois. Son collègue Manuel Castellote, un scientifique affilié à la NOAA, appliquera un algorithme similaire aux enregistrements qu’il récupérera à partir d’équipements dispersés au fond du Golfe de Cook en Alaska, l’aidant ainsi à décrypter plus rapidement la manière dont la population de bélugas en voie de disparition, s’est comportée pendant l’hiver.

Les données seront confirmées par des scientifiques, analysées par des statisticiens puis communiquées à des personnes telles que Jon Kurland, administrateur régional adjoint de la NOAA pour les espèces protégées en Alaska.

L’équipe de Jon Kurland à Juneau est chargée de superviser les programmes de conservation des mammifères marins autour de l’État d’Alaska et de guider les agences fédérales qui délivrent des permis de chasse ou mènent des actions qui pourraient affecter les espèces menacées ou en danger.

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Erin Moreland a effectué sa première étude de phoques en 2007 via un vol en hélicoptère basé sur un brise-glace. Les scientifiques ont collecté 90 000 images et passé des mois à les numériser, mais n’ont trouvé que 200 bélugas : un processus fastidieux et imprécis. (Photo fournie par la NOAA)

 

L’équipe de Jon Kurland à Juneau est chargée de superviser les programmes de conservation des mammifères marins autour de l’État d’Alaska et de guider les agences fédérales qui délivrent des permis de chasse ou mènent des actions qui pourraient affecter les espèces menacées ou en danger.

Parmi les quatre types de phoques de la mer de Bering – barbu, annelé, tacheté et rubané – les deux premiers sont classés comme menacés : ils sont susceptibles d’être en voie d’extinction dans un avenir proche. Les bélugas du Golfe de Cook sont déjà en voie de disparition, ayant diminué de manière régulière pour atteindre le nombre de 279 lors du relevé de 2018, contre environ un millier il y a une trentaine d’années.

Ces groupes de bélugas vivent de manière isolée : ils ne se reproduisent pas avec d’autres types de bélugas ou ne quittent pas leur lieu de vie. « Si cette population disparaît, aucune autre ne la remplacera ; elle disparaît pour de bon », précise Manuel Castellote. « D’autres types de bélugas ne survivraient pas dans cet environnement car ils ne le connaissent pas. On perdrait donc cette biodiversité pour toujours. »

Mais les recommandations du bureau de Jon Kurland visant à atténuer l’impact des activités humaines telles que la construction et le transport sur l’équilibre de ces mammifères marins, en évitant par exemple leurs périodes et lieux de reproduction et d’alimentation, sont contraintes par le manque de données actualisées.

« Il n’y a tout simplement pas d’informations de base à l’heure actuelle. Les obtenir nous donnerait une image beaucoup plus claire des actions à mettre en œuvre nécessaires pour protéger ces populations », explique Jon Kurland. « Pour les baleines comme pour les phoques, ce type d’analyse de données est une science de pointe, comblant des lacunes importantes. »

La première étude d’Erin Moreland sur les phoques des glaces remonte à 2007, à la suite d’un vol en hélicoptère depuis un brise-glace. Les scientifiques ont alors collecté 90 000 images et passé des mois à les numériser, mais n’ont trouvé que 200 phoques. Ce fut un processus fastidieux et imprécis.

Les phoques de glace vivent en grande partie des vies solitaires, ce qui les rend plus difficiles à repérer que les animaux qui vivent en groupe. Les clichés sont également compliqués à réaliser : l’avion doit voler assez haut pour ne pas effrayer les phoques et assez bas pour obtenir des photos haute résolution qui permettent aux scientifiques de différencier un phoque annelé d’un phoque tacheté, par exemple. Sans parler du temps en Alaska – souvent pluvieux et nuageux – qui complique encore les prises de vue.

Les relevés ultérieurs se sont améliorés en associant des caméras thermiques et couleur qui permettent de voler plus haut et d’être plus silencieux, et en utilisant des avions modifiés avec une plus grande portée pour étudier plus de zones. Pour autant, les interférences thermiques liées aux saletés ou aux réflexions de la lumière sur la glace ont tout de même compliqué la tâche.

En parallèle, le problème du manque de main d’œuvre s’est également posé. L’étude de 2016 a généré un million de paires d’images thermiques et couleur, réduit à 316 000 points chauds par un logiciel, que les scientifiques ont dû ensuite trier et classer manuellement : une mission qui a pris six mois et mobilisé trois personnes.

Lorsqu’Erin Moreland a parlé à ses collègues du projet d’Intelligence Artificielle, elle a découvert que Manuel Castellote faisait face à des défis similaires.

Chaque printemps et chaque automne, Manuel Castellote se rend à Anchorage en Alaska, prend un bateau, récupère les microphones disposés dans 15 endroits dans les eaux du Golfe de Cook, télécharge les données et repositionne l’équipement. Lui et son équipe passent le reste de l’année à classer chaque son enregistré les six mois précédents, en déterminant quels sifflements proviennent de bélugas, de baleines à bosse ou d’orques, quels rugissements proviennent d’un avion ou d’un navire, et quels bruits sourds sont issus de travaux de construction ou de glaces qui se brisent.

Tout cela ne lui laissant que très peu de temps pour de l’analyse, l’étude de la communication des baleines par exemple. En effet, ces dernières se déplacent grâce au son, tout particulièrement dans le Golfe de Cook où les sédiments de la fonte des glaciers rendent l’eau trouble et où la luminosité est trop faible pour y voir. Cela signifie que le bruit, qui est amplifié sous l’eau, peut désorienter les mammifères, les empêcher de trouver le fond ou la surface de l’océan, d’attraper des proies ou d’être alertés de la présence d’un prédateur tel qu’une orque. Si les baleineaux n’entendent pas les chants et les sifflements de leur mère, par exemple, ils peuvent s’en séparer et mourir.

« Le bruit humain pourrait masquer les signaux clés que les baleines utilisent pour se regrouper et trouver de la nourriture, ce qui pourrait affecter leur reproduction. Sans nourriture et dans l’incapacité de s’accoupler, la population de baleines ne peut pas augmenter », explique Manuel Castellote. « Nous pensons donc que le bruit est un véritable enjeu, et nous nous concentrons sur ce point. »

Un autre défi réside dans le fait qu’Anchorage soit une plaque tournante importante pour les cargos tout comme les vols militaires et commerciaux. Le port s’agrandit, nécessitant de faire descendre des pieux pour créer de nouveaux quais. Il existe 17 plateformes pétrolières avec des pipelines dans le Golfe de Cook, et les dépôts des glaciers nécessitent un dragage continu pour garder les canaux de navigation ouverts. Chacune de ces activités crée un bruit qui étouffe les sifflements et chants des baleines.

Manuel Castellote vise donc à fournir aux équipes de Jon Kurland des données sur la façon dont l’habitat des baleines s’adapte aux bruits extérieurs afin d’orienter les mesures d’atténuation de nuisances sonores, en s’efforçant, par exemple, de réduire l’activité des navires à proximité des zones d’alimentation principales ou le bruit des constructions à certains endroits pendant la saison de reproduction.

En s’associant avec Microsoft, Manuel Castellote a pu obtenir un ensemble d’algorithmes robuste à l’automne dernier montrant une correspondance de 99% avec les registres que son équipe avait précédemment classés manuellement. Et le groupe développe de nouvelles technologies qui rendront le processus encore plus efficace.

Comme le changement climatique permet à l’activité humaine de se déplacer plus au nord, le travail de Manuel Castellote aidera à étendre ces mesures de protection à d’autres populations de baleines qui pourraient être soumises aux mêmes types de nuisances dans les prochaines décennies, précise-t-il.

« Les bélugas du Golfe de Cook sont une très petite population, concentrée près de la plus grande population humaine de l’Alaska, de sorte que les activités liées au développement peuvent être une menace », explique Jon Kurland. « Les phoques, en revanche, sont plus largement répartis sur une zone plus vaste avec moins d’activité humaine, et sont principalement menacés par le changement climatique », ce qui est plus difficile à maîtriser.

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Les phoques barbus se nourrissent au fond de la mer et le fer y tache leur visage. (Photo fournie par la NOAA)

Les phoques étudiés dépendent des glaces flottantes pour se reproduire, allaiter leurs petits et passer par leur mue annuelle, un processus qui remplace leur pelage chaque printemps. Les phoques rubanés ne descendent que rarement à terre – lorsque la glace fond chaque été, ils nagent dans l’océan Arctique jusqu’à ce que la banquise se forme à nouveau à l’automne. Il n’y a donc, selon Dan Morris, nulle part où le réchauffement climatique a un impact plus prononcé que les régions arctiques et subarctiques.

L’étude des données démographiques des phoques au fil du temps fournira de premiers éléments pour comprendre comment ils font face à un environnement changeant et ce dont ils ont besoin, indique quant à elle Erin Moreland.

« Notre monde est en profonde mutation et nous avons besoin de mobiliser notre écosystème pour protéger nos ressources », explique Tom Gray, un représentant tribal qui chasse les bélugas de la mer de Béring orientale avec des filets et qui a utilisé ses connaissances pour aider l’équipe de Manuel Castellote à capturer, très brièvement, les baleines en voie de disparition du Golfe de Cook afin de leur fixer des capteurs audios via des ventouses.

Lorsque Tom Gray grandissait à Nome, en Alaska, « aucun navire ne nous dépassait vers le passage du Nord-Ouest. Maintenant, il y en a des centaines par an et il est prévu que d’ici peu il y en ait mille », explique-t-il.

« L’Alaska est le lieu de vie des bélugas, des élans et des caribous. Des animaux uniques dont nous parlons et que nous aimons. Nous sommes au beau milieu de leur territoire », dit-il. « Je ne pense pas que notre peuple dispose des outils nécessaires pour maintenir ces espèces en bonne santé. Nous perdons la bataille, et une fois qu’ils seront partis, ce sera trop tard. Nous avons besoin de scientifiques et d’innovations pour protéger ces animaux et leur environnement. »

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