Estimation de la biodiversité Les points forts des méthodes acoustiques. Amandine Gasc

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1 Estimation de la biodiversité Les points forts des méthodes acoustiques Amandine Gasc

2 Biodiversité: définition Première publication (Wilson, Biodiversity, 1988)

3 Biodiversité: définition Première publication (Wilson, Biodiversity, 1988) «La variabilité des organismes vivants de toute origine y compris, entre autres, les écosystèmes terrestres, marins et autres écosystèmes aquatiques et les complexes écologiques dont ils font partie; cela comprend la diversité au sein des espèces et entre espèces ainsi que celle des écosystèmes.» Article.2 de la Convention sur la diversité biologique, 1992, Sommet de la terre à Rio de Janeiro

4 Biodiversité: enjeu actuel Convention sur la diversité biologique -> «2010 Biodiversity Target» Balmford et al., 2005

5 Biodiversité: enjeu actuel Convention sur la diversité biologique -> «2010 Biodiversity Target» Balmford et al., Convention sur la diversité biologique -> 2020 «Grand Plan» Objectif 19 : D ici à 2020, les connaissances, la base scientifique et les technologies associées à la diversité biologique, ses valeurs, son fonctionnement, son état et ses tendances, et les conséquences de son appauvrissement, sont améliorées, largement partagées et transférées, et appliquées.

6 Biodiversité: enjeu actuel Convention sur la diversité biologique -> «2010 Biodiversity Target» Balmford et al., Convention sur la diversité biologique -> 2020 «Grand Plan» Objectif 19 : D ici à 2020, les connaissances, la base scientifique et les technologies associées à la diversité biologique, ses valeurs, son fonctionnement, son état et ses tendances, et les conséquences de son appauvrissement, sont améliorées, largement partagées et transférées, et appliquées. Estimer la biodiversité

7 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Population Communauté Paysage Ecosystème

8 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Inventaires par capture Inventaires par observation Population Communauté Paysage Ecosystème

9 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Inventaires par capture Inventaires par observation Population Communauté Paysage Ecosystème

10 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Milieux difficile d accès Pas de capture ou d observation possible Population Communauté Paysage Ecosystème

11 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Population Inventaire acoustique Dans des milieux difficiles d accès Communauté Paysage Ecosystème

12 Inventaires classiques inventaires acoustiques Accès dans des milieux difficiles: La canopée Modified from Riede,1997

13 Inventaires classiques inventaires acoustiques Accès dans des milieux difficiles: La canopée Les milieux aquatiques marins 700 fish species known to produce sounds from at least 30 families Luczkovich and Mann, 2008

14 Inventaires classiques inventaires acoustiques Accès dans des milieux difficiles: La canopée Les milieux aquatiques marins Les milieux aquatiques terrestres

15 Inventaires classiques inventaires acoustiques Accès dans des milieux difficiles: La canopée Les milieux aquatiques marins Les milieux aquatiques terrestres Le sol ou les structures vivantes Eavesdropping on Insects Hidden in soil and Interior Structures of Plants Mankin et al., 2000 Cephus cinctus Norton Cephus cinctus Norton (Hymenoptera: Cephidae) larvae could be detected in small pots of wheat in the laboratory by taking moderate precautions to eliminate background noise.

16 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Collection de données =travail sur le terrain très long Inventaires par capture Inventaires par observation Population Communauté Paysage Ecosystème

17 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Collection de données =enregistreur automatique Inventaire acoustique Population Communauté Paysage Ecosystème Etudes à grandes échelles spatiales et temporelles Suivi sur plusieurs saisons Suivi simultanée sur plusieurs sites

18 Inventaires classiques inventaires acoustiques Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Inventaire acoustique Espèce Population Communauté Paysage Ecosystème Identification des sons Par un spécialiste Par des méthodes acoustiques

19 Identification des sons par un spécialiste Reconnaissance à l oreille Simple comptage des espèces Exemple du STOC Point d écoute 5 minutes

20 Identification des sons par un spécialiste Reconnaissance à l aide d outil d analyse du signal Critère de description sur le spectre, le spectrogramme, l oscillogramme Exemple du suivi national chiroptère Christophe Rousseau

21 Identification des sons par des méthodes automatiques Par taxon Oiseaux Chiroptères Cétacés Insectes (Lee et al., 2006; ) (Skowronski and Harris, 2006; Parsons and Jones, 2000; ) (Marques and Thomas, 2009; Brown et al., 2006; ) (Ganchev et al.,2007; ) Amphibiens (Hann et al., 2010;..) Mammifères terrestres (Clemins et al., 2005; )

22 Identification des sons par des méthodes automatiques Acoustic classification of Australian anurans based on hybrid spectral-entropy approach 9 espèces de grenouille Australiennes Utilisation de mesures globales du son Taux de réussite 98%. Spectrogram examples of complete call for four species in this study. (a) Cophixalus hosmeri, (b) Cophixalus infacetus, (c) Cophixalus neglectus and (d) Cophixalus saxatilis. Hann et al., 2010

23 Identification des sons par des méthodes automatiques Par taxon Oiseaux Chiroptères Cétacés (Lee et al., 2006; ) (Skowronski and Harris, 2006; Parsons and Jones, 2000; ) (Marques and Thomas, 2009; Brown et al., 2006; ) Insectes (Ganchev et al.,2007; ) Amphibiens (Hann et al., 2010;..) Mammifères terrestres (Clemins et al., 2005; ) Multi-taxa Oiseaux et amphibiens: Acevedo and Villanueva-Riviera, 2006; Acevedo_et_al_2009 Oiseaux, amphibien, orthoptères et mammifères: Chesmore, 2001

24 Identification des sons par des méthodes automatiques Automated classification of bird and amphibian calls using machine learning: A comparison of methods 9 espèces de grenouilles and 3 espèces d oiseaux Trois méthodes 94.95% avec la méthode vector machine 89.20% avec la méthode decision tree 71.45% avec la méthode linear discriminant analysis Acevedo et al., 2009

25 Inventaire acoustique méthode globale Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Population Communauté Paysage Ecosystème Inventaire acoustiques Identification des sons Par un spécialiste Travail en laboratoire très long Par des méthodes acoustiques Problèmes «overlap»

26 Inventaire acoustique méthode globale Plusieurs échelles écologiques Gène Individu Espèce Population Communauté Paysage Accès direct à la diversité de la communauté par l acoustique Ecosystème

27 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Rapid acoustic survey for biodiversity appraisal. PloS ONE, 3(12): e4065 Sueur J, Pavoine S, Hamerlynck O, Duvail S, 2008 Une vision globale de la diversité biologique Indices de diversité acoustique

28 Méthode globale: l entropie acoustique index Alpha Amplitude Amplitude Oscillogramme Temps (s) Transformée de Hilbert p i Enveloppe Indice de Shannon & Simpson Entropie temporelle H H H n 1 t pi log 2 pi (log 2 n) avec H t 0, 1 1 t t 1 i n Temps (s) augmente avec l hétérogénéité de l enveloppe augmenterait avec le nombre d espèces

29 Méthode globale: l entropie acoustique index Alpha Amplitude Amplitude Oscillogramme Temps (s) Transformée de Fourier p i Spectre fréquentiel Indice de Shannon & Simpson Entropie spectrale H f 1 i n Temps (s) n 1 H f pi log 2 p i (log 2n) avec H f 0,1 1 H f augmente avec l hétérogénéité de l enveloppe augmenterait avec le nombre d espèces

30 Amplitude Méthode globale: l entropie acoustique index Alpha Amplitude p i p i 1 i n Temps (s) Fréquence (khz) 1 i n H avec H 0, 1 H f H t

31 Amplitude Méthode globale: l entropie acoustique index Alpha Indice H Amplitude p i p i 1 i n Temps (s) Fréquence (khz) 1 i n H avec H 0, 1 H f H t H Nombre d espèces dans le chœur S augmente avec le nombre d espèces (Sueur et al., 2008; Depraetere et al., 2011)

32 Amplitude Méthode globale: la dissimilarité acoustique indice Béta Amplitude Amplitude Fréquence (khz) Fréquence (khz) p i n 1 Df pi q 2 i 1 avec i Df 0,1 q i i Fréquence (khz)

33 Amplitude Méthode globale: la dissimilarité acoustique indice Béta Amplitude Amplitude Temps (s) Temps (s) D t 1 2 i n 1 p i q i p i D t avec 0,1 q i i Temps (s)

34 Amplitude Méthode globale: la dissimilarité acoustique indice Béta Amplitude Fréquence (khz) Fréquence (khz) D avec D 0, 1 D f D t

35 Amplitude Méthode globale: la dissimilarité acoustique indice Béta Index D Amplitude Fréquence (khz) Fréquence (khz) D avec D 0, 1 D f D t Number of species that are not shared D augmente avec le nombre d espèces non partagées (Sueur et al., 2008; Depraetere et al., 2011)

36 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Rapid acoustic survey for biodiversity appraisal. PloS ONE, 3(12): e4065 Sueur J, Pavoine S, Hamerlynck O, Duvail S, 2008 Monitoring animal diversity using acoustic indices: implementation in a temperate woodland. Ecological Indicators, (13) Depraetere M., Pavoine S., Jiguet F., Gasc A., Duvail S., Sueur J., 2011.

37 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Rapid acoustic survey for biodiversity appraisal. PloS ONE, 3(12): e4065 Sueur J, Pavoine S, Hamerlynck O, Duvail S, 2008 Monitoring animal diversity using acoustic indices: implementation in a temperate woodland. Ecological Indicators, (13) Depraetere M., Pavoine S., Jiguet F., Gasc A., Duvail S., Sueur J., Mise en évidence d une trop forte sensibilité de Hf au bruit ambiant Intégration de l énergie du signal (M) AR=Ht*M

38 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse La diversité acoustique est un indicateur de la diversité fonctionnelle et phylogénétique

39 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse La diversité acoustique est un indicateur de la diversité fonctionnelle et phylogénétique Protocole Calcul d indices de diversité acoustique, phylogénétique et fonctionnelle sur la base de données STOC communautés décrites sur 196 espèces d oiseaux 2001 à 2010 Df and 1-Rv

40 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse La diversité acoustique est un indicateur de la diversité fonctionnelle et phylogénétique Protocole Calcul d indices de diversité acoustique, phylogénétique et fonctionnelle sur la base de données STOC communautés décrites sur 196 espèces d oiseaux 2001 à 2010 Df and 1-Rv Analyses et premiers résultats Résultats à venir

41 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse Le micro-endémisme de ces sites se manifestera par des différences acoustiques mesurables plus fortes entre les sites qu au sein d un même site

42 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse Le micro-endémisme de ces sites se manifestera par des différences acoustiques mesurables plus fortes entre les sites qu au sein d un même site Protocole Période du 10 Avril au 01 Mai, 3 sites, 4 enregistreurs 21 jours d enregistrements, 1min toutes les 10min Températures, force du vent, pluviométrie fichiers Mandjélia Aoupinié Koghis

43 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse Le micro-endémisme de ces sites se manifestera par des différences acoustiques mesurables plus fortes entre les sites qu au sein d un même site Protocole Période du 10 Avril au 01 Mai, 3 sites, 4 enregistreurs 21 jours d enregistrements, 1min toutes les 10min Températures, force du vent, pluviométrie fichiers Analyses et premiers résultats Indices de dissimilarité acoustique Dissimilarité inter-sites plus fortes qu intra-sites Mandjélia Aoupinié Résultats à venir Koghis

44 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse L acoustique permet de mettre en évidence une organisation spatiale de la diversité animale

45 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse L acoustique permet de mettre en évidence une organisation spatiale de la diversité animale Protocole Quadrillage d une parcelle de forêt tropicale en Guyane avec des enregistreurs En surface et en hauteur Pendant 3 semaines

46 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse L acoustique permet de mettre en évidence une organisation spatiale de la diversité animale Protocole Quadrillage d une parcelle de forêt tropicale en Guyane avec des enregistreurs En surface et en hauteur Pendant 3 semaines Analyse et Résultats attendus Calcul des indices de diversité acoustique Cartographie dynamique de l organisation de cette diversité

47 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse L effet de la conservation d arbres natifs dans des agro-forêts a un effet positif sur la biodiversité dans les caféières des Western Ghats (Inde).

48 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse L effet de la conservation d arbres natifs dans des agro-forêts a un effet positif sur la biodiversité dans les caféières des Western Ghats (Inde). Protocole 3 types d habitats le long d un gradient 4 enregistreurs par type d habitat 2 microphones: 1m50 et 20m Forêt non dégradée Agro-forêt avec arbres natifs Agro-forêt avec arbres non natifs

49 Indice de diversité acoustique d une communauté animale Hypothèse L effet de la conservation d arbres natifs dans des agro-forêts a un effet positif sur la biodiversité dans les caféières des Western Ghats (Inde). Protocole 3 types d habitats le long d un gradient 4 enregistreurs par type d habitat 2 microphones: 1m50 et 20m Analyse et Résultats attendus Comparaison des diversité acoustiques et botaniques Forêt non dégradée Agro-forêt avec arbres natifs Agro-forêt avec arbres non natifs Un gradient de diversité acoustique suit le gradient de diversité végétale

50 Conclusion Les avantages des méthodes acoustiques Peu couteuse, non invasive Automatisable, répétable Importante quantité de données Exploration de milieux difficilement accessibles Large échelle spatiale Large échelle temporelle

51 Conclusion Les avantages des méthodes acoustiques Peu couteuse, non invasive Automatisable, répétable Importante quantité de données Exploration de milieux difficilement accessibles Large échelle spatiale Large échelle temporelle Méthode globale Accès direct au niveau communautaire Complémentaire à des méthodes plus qualitatives Rapide

52 Conclusion Les Limites des méthodes acoustiques Ecoute Identification automatique Méthode globale Traitement des données Problème d «overlap» Peu précise Sensible au bruit

53 Conclusion Les Limites des méthodes acoustiques Ecoute Identification automatique Méthode globale Traitement des données Problème d «overlap» Peu précise Sensible au bruit Détection de la biodiversité Biodiversité animale Biodiversité acoustique Biodiversité détectée Quel pourcentage?

54 Bernard Fort Merci de votre attention