L'IA protégera les phoques et les bélugas

Dans les eaux froides de l'Alaska, l'intelligence artificielle (IA) aide les chercheurs à sauver des animaux en voie de disparition. Les scientifiques s'associent avec les écologistes et la population locale pour lutter pour la survie des baleines et des phoques dans le cadre de l'augmentation des expéditions et de l'expansion de la construction du port.

Quand Erin Moreland rêvait simplement de devenir zoologiste, elle a imaginé combien de temps elle resterait assise sur les rochers, faisant des croquis de phoques et d'autres animaux marins. C'était censé l'aider à mieux comprendre leur vie et à protéger leur environnement.

Au lieu de cela, elle s'est assise devant un écran d'ordinateur tout le temps, forcée de voir des milliers de photographies aériennes de glace de mer pour tenter de trouver des signes de vie dans les eaux de l'Alaska. Beaucoup de temps a été passé avec elle et son équipe pour classer les données reçues, donc au moment de la publication, ces informations étaient déjà dépassées.

«Il doit exister un moyen plus efficace de travailler avec les informations», se souvient-elle à ce moment-là. - Les scientifiques devraient être libérés de cette routine afin de pouvoir se concentrer sur l'étude des animaux et les défis auxquels leurs populations peuvent être confrontées. La nécessité de consacrer énormément de temps à ces tâches à forte intensité de main-d'œuvre rend difficile la tâche principale. »


Erin Moreland. Photos de NOAA

Un moyen plus efficace a été trouvé. L'idée est née d'une manière complètement inattendue - elle est apparue en raison de la vue depuis la fenêtre du bureau de Moreland à Seattle et de ses responsabilités devant un jury. Ce printemps, avec d'autres scientifiques de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), elle utilisera l'intelligence artificielle pour surveiller les espèces menacées de bélugas, de morses, d'ours polaires et d'autres animaux. Désormais, cela permettra d'économiser des années de travail sur l'analyse des informations et de veiller à ce que ces informations tombent entre de bonnes mains pour protéger les animaux.

Les équipes de recherche entraînent des outils d'IA pour distinguer les phoques des roches et les sifflets des baleines du bruit des machines. Cela fournira l'occasion de comprendre le comportement des mammifères marins, ce qui signifie qu'il augmentera leurs chances de survie dans la fonte des glaces et l'activité croissante des humains.

Le projet de Moreland combine la technologie de l'IA, des caméras avancées sur des turbopropulseurs NOAA volant autour de la mer de Beaufort dans le nord de l'Alaska en avril et mai, la numérisation et la classification des photographies pour compter les individus dans les populations de phoques et d'ours polaires. Maintenant, les données peuvent être ajustées en quelques heures, plutôt que des mois comme auparavant. Son collègue, Manuel Castellot, un associé de la NOAA, pourra appliquer des algorithmes similaires aux enregistrements d'équipements dispersés au fond de la baie de Cook. Cela permettra de comprendre rapidement comment la population déclinante de bélugas a passé l'hiver.

Les données seront validées par des scientifiques, analysées statistiquement et envoyées à des spécialistes tels que John Courland, administrateur régional adjoint de la NOAA Alaska Resource Protection.


Le scientifique Manuel Castellot (à droite) se rend dans la baie de Cook en Alaska chaque printemps et chaque automne pour collecter des microphones du fond de la mer. Avec leur équipe, ils ont été les premiers à tester l'équipement, en l'ajustant en conséquence pour que le microphone flotte à la surface. Ensuite, ils l'emmènent à bord, téléchargent des données de lui et le renvoient au fond de l'océan, où le microphone écoutera pendant les six prochains mois. (Photo de Daniela Huson avec Ocean Conservation Research).

Le bureau Juneau de Courland supervise les programmes de conservation et de restauration des mammifères marins dans tout l'État et dans les eaux environnantes. Il aide également à instruire les agences fédérales qui délivrent divers permis ou prennent toute mesure qui pourrait affecter les moyens de subsistance des mammifères en voie de disparition.

Des quatre espèces de phoques qui existent dans la mer de Béring - lahtak, phoque annelé, phoque tacheté (larga) et phoque rayé (poisson-lion) - les deux premières sont des espèces dont le nombre diminue, c'est-à-dire que, dans un avenir proche, elles peuvent tomber dans la catégorie des animaux menacés d'extinction. La baleine qui vit dans le détroit de Cook est déjà une espèce en voie de disparition; sa population ne compte que 279 individus, alors qu'il y a 30 ans, il y en avait environ un millier.

La baleine vit dans des groupes séparés qui sont isolés les uns des autres; ces groupes ne se croisent pas et ne quittent pas leurs habitats. Par conséquent, comme le prévient Castellot, la possibilité qu'une autre population remplace plus tard l'extinction est nulle. «D'autres bélugas n'y survivront pas, car ils ne connaissent pas la région. Nous pouvons perdre cette biodiversité pour toujours », dit-il.

Le Bureau du Kurland a élaboré des recommandations pour réduire l'impact négatif de l'activité humaine sur les populations, par exemple, la construction de territoires ou l'activité de transport. Ils consistent en le refus d'effectuer de tels travaux à certains endroits pendant les périodes de croisement de ces mammifères et d'allaitement, mais ces exigences manquent souvent de données opportunes.

«Nous n'avons parfois même pas d'informations de base, donc l'obtention de ces données nous donnera une image beaucoup plus claire des types de réponses possibles pour protéger ces populations», a déclaré Kurland. «Dans les deux cas, qu'il s'agisse de baleines ou de phoques, ce type d'informations est représenté par la science la plus avancée, capable de combler les lacunes de nos connaissances.»


Erin Moreland a effectué sa première exploration en 2007, volant dans un hélicoptère à partir d'un brise-glace. Les scientifiques ont collecté 90 000 photographies et ont passé des mois à les déchiffrer juste pour obtenir des photos de 200 sceaux. C'était une tâche extrêmement fastidieuse et laborieuse, donnant des données inexactes. (Photo gracieuseté de NOAA).

Le projet d'IA a commencé il y a de nombreuses années lorsque Moreland était assis devant un écran d'ordinateur au NOAA Seattle Marine Mammal Laboratory et à travers le lac Washington, envisageait le siège de Microsoft à Redmond, Washington. Elle estimait qu'il devait y avoir une solution technologique à son problème, mais elle ne savait pas vers qui se tourner pour obtenir de l'aide.

La chance est venue quand en tant que membre du jury en 2018, elle a accidentellement entendu deux juges du jury parler d'IA. Elle leur a parlé de son travail et a donc communiqué avec Dan Morris de Microsoft AI for Earth. Il a suggéré de mettre cette tâche sur le hackathon d'été, quand pendant une semaine, les développeurs de logiciels et les ingénieurs rivalisent avec des équipes travaillant sur des projets spécifiques. Quatorze ingénieurs Microsoft se sont inscrits pour travailler sur ce problème.

"Dans le domaine de la conservation de la faune, des milliers de scientifiques sont engagés dans une routine, en regardant des photos et en écoutant des enregistrements", a déclaré Morris. - Les appareils distants vous permettent de collecter une variété de données, mais les scientifiques doivent encore se demander comment les utiliser. Les années passées à annoter les images ne sont pas seulement une perte de temps, mais aussi une perte de pertinence de ces données. »

L’idée de Moreland s’est avérée plus compliquée qu’elle n’était apparue. Bien qu'il existe de nombreux modèles pour reconnaître les personnes sur les photos, aucun d'entre eux n'a pu trouver de phoques, en particulier lors de la photographie aérienne en temps réel. Néanmoins, des centaines de milliers d'échantillons qui ont été classés par des experts de la NOAA ont précédemment aidé à former le modèle à reconnaître quelles photos et enregistrements audio se rapportent aux mammifères.

«Une partie du problème était qu'il y avait déjà 20 téraoctets de données de photographie de glace accumulées et qu'il n'était pas possible de travailler avec une telle matrice sur un ordinateur portable», explique Morris. «Nous avons transféré quotidiennement les disques durs à Seattle et à Redmond.» Mais le cloud nous a permis de travailler avec tout ce tableau à la fois et de former des modèles d'IA. Ainsi, avec l'aide de la technologie Azure, nous avons résolu le problème des données. »


Pouvez-vous distinguer sur cette photo aérienne des phoques (à gauche)? Regardez l'image thermique (à droite) puis revenez à la première photo - les voyez-vous maintenant? L'IA aide les scientifiques de la NOAA à démonter les images (photo fournie par la NOAA, basée sur des observations dans la baie de Kotzebue sur la côte de l'Alaska pendant la fonte des glaces, ce qui oblige les phoques à se regrouper plus que d'habitude).

La première reconnaissance par hélicoptère des phoques a été effectuée par hélicoptère en 2007. Les scientifiques ont collecté environ 90 000 images et ont passé des mois à les numériser pour découvrir seulement 200 sceaux. Le processus a été très laborieux et les résultats inexacts.

Les phoques vivent séparément, ce qui les rend difficiles à reconnaître sur les photos. La reconnaissance n'est pas non plus une tâche facile, car l'avion doit voler assez haut pour que les animaux ne soient pas effrayés et ne plongent pas dans l'eau, mais d'un autre côté, assez bas pour obtenir des tirs à haute résolution qui permettent aux scientifiques, par exemple, de distinguer les phoques annelés des phoques communs. Le temps pluvieux et nuageux de l'Alaska rend la collecte de données encore plus difficile.

Les observations ultérieures ont été considérablement améliorées par l'utilisation simultanée de caméras thermiques et couleur sur des avions modifiés à des altitudes plus élevées. Mais même dans cette situation, l'influence de la glace sale et des reflets de celle-ci rendait difficile la distinction des animaux individuels sur la photo.

Un autre problème était les ressources humaines. À la suite de la surveillance en 2016, un million de paires d'images thermiques et couleur ont été obtenues, que le logiciel précédent a réduites à 316 000 sites actifs. Les scientifiques devaient les trier et les classer manuellement. Pour trois employés qui y travaillaient, cela a pris six mois.


Le phoque rayé, ou poisson-lion, arrive rarement à terre. Lorsque la fonte des glaces d'été commence, elles flottent dans l'océan Arctique jusqu'à ce qu'un champ de glace se forme à nouveau en automne (photo fournie par la NOAA).


Les Lahtaks gagnent leur vie au fond de la mer et des dépôts de fer tachent leur visage (photo fournie par la NOAA).


Le phoque annelé construit des grottes de glace pour cacher ses oursons aux ours polaires; l'accès à ces abris n'est possible que depuis l'eau (photo fournie par la NOAA).


Larga, ou le phoque hétéroclite, est similaire à un phoque insulaire, mais contrairement à ce dernier, ils produisent une progéniture et passent du temps à muer sur des glaces flottantes, et non sur le sol (photo fournie par la NOAA).

Lorsque Moreland a partagé avec ses collègues des informations sur les capacités du projet à utiliser l'IA pour résoudre ses problèmes, il s'est avéré que Castellot était confronté à des problèmes similaires.


, . , : , , . , : , -. ( Daniela Huson with Ocean Conservation Research).

Chaque printemps et automne, Castellot vole de Seattle à Anchorage, prend un bateau pour la mer, sort des microphones montés à 15 points au fond de Cook Bay, en décharge les données et rejette cet équipement dans la mer. Le reste de l'année, l'équipe et lui-même passent leur temps à essayer de classer chaque son, à déterminer quels sifflets et cris appartiennent aux bélugas, quels rorquals à bosse et quels orques, que le rugissement provienne d'un avion volant ou d'un voilier, et des crépitements de bris de glace ou des travaux de construction.

Naturellement, il ne reste presque plus de temps pour l'analyse et le décodage de la communication des baleines elle-même.
Les baleines sont guidées par le son, utilisant l'écholocation pour se déplacer, en particulier dans la baie Cook, où il fait sombre la plupart de l'année et la fonte des glaciers rend l'eau encore plus trouble. Le son, qui est amplifié plusieurs fois sous l'eau, peut désorienter les animaux et entraîner une incapacité à déterminer où se trouve le fond, à suivre le troupeau, à attraper des proies ou à entendre un prédateur, par exemple un orque. Si le petit n'entend pas les clics et les sifflements émis par la mère, il risque de prendre du retard et de mourir.

«Les sons résultant des activités humaines masquent les signaux clés que les baleines utilisent pour chercher de la nourriture ou entre elles. Cela affecte également négativement la reproduction, et s’ils ne peuvent pas manger, s'accoupler et produire une progéniture, il est impossible d’augmenter la population », explique Castellot.

Le problème est qu'Anchorage est une plaque tournante importante pour les cargos, ainsi que pour les vols militaires et commerciaux. L'expansion du port signifie également de pénétrer au fond des pieux pour de nouveaux quais. Il y a maintenant dix-sept oléoducs annulaires à Cook Bay; De plus, les sorties des glaciers doivent être nettoyées pour que les canaux de navigation soient opérationnels. Le bruit étouffe les sifflets et les cris des baleines.


Les bélugas sont parfois appelés canaris marins en raison de la large gamme vocale des sons qu'ils produisent. (Photo par David Merron Photography / Getty Images).

En collaboration avec Microsoft, Castellot a réussi à développer un ensemble fiable d'algorithmes qui ont montré une correspondance de 99% avec la classification manuelle dans les journaux d'enregistrement. Le groupe développe une nouvelle technologie qui devrait rendre ce processus encore plus efficace.
Comme le changement climatique permet aux activités humaines de s'étendre plus au nord, selon Castellot, de tels travaux seront nécessaires pour mettre en œuvre des mesures de protection pour d'autres populations de baleines qui sont également susceptibles de rencontrer des nuisances sonores dans les prochaines décennies.

«Les bélugas de Cook constituent une très petite population, concentrée près de l'endroit où les gens vivent en Alaska. Par conséquent, les activités liées au développement et au développement peuvent constituer une grande menace pour eux, explique Kurland. «Les phoques vivent dans des espaces ouverts plus larges où l'impact de l'activité humaine est moindre, de sorte que le changement climatique constitue le principal danger pour eux, ce qui, bien sûr, est plus difficile à réduire.» 

«Les espèces de phoques étudiées se nourrissent et prennent soin de leur progéniture sur les glaces flottantes, où elles passent la mue chaque printemps là-bas, de sorte que ces animaux dépendent fortement de l'état de la glace. Les poissons-lions, ou phoques à rayures, vont rarement à terre, et lorsque la glace fond en été, ils nagent dans l'océan jusqu'à ce que la glace se forme à nouveau en automne. Ainsi, le réchauffement climatique a l'impact le plus négatif sur les régions arctiques et subarctiques », explique Morris.

À son avis, une analyse des données sur la population de phoques et sa répartition permettra de faire le premier pas pour comprendre comment ils essaient de faire face aux changements environnementaux et ce dont ils ont besoin pour survivre.


La baleine-baleine ne vit que dans l'océan Arctique et les mers voisines, par exemple, dans la mer de Béring (photo de David Merron Photography / Getty Images).

«Nous vivons à une époque de changement et nous avons besoin de toutes les forces pour protéger nos ressources naturelles», explique Tom Gray, un représentant d'une tribu locale qui attrape des baleines blanches dans l'est de la mer de Béring à travers des filets. Fort de ses connaissances et de son expérience, il a apporté une aide substantielle à l'équipe de Castellot pour capturer les baleines dans la baie de Cook et y installer des capteurs à ventouse.

Quand Gray était petit et vivait à Nome (Alaska), il a dit: «Il n'y avait aucun navire qui passait devant nous dans le passage du Nord-Ouest. "Des centaines de navires passent dans un an, et très probablement il y en aura des milliers dans un avenir proche."

«En Alaska, nous avons le béluga, l'orignal, le cerf canadien, tous ces animaux uniques dont nous parlons souvent. Mais je ne suis pas sûr que notre peuple ait tout le nécessaire pour maintenir la santé des populations de ces animaux. Maintenant, nous perdons la bataille, et il est probable que ces espèces disparaîtront à jamais. Nous avons besoin de scientifiques et d'innovateurs pour protéger ces animaux et les empêcher de disparaître de la surface de la terre. »