Observatoires Sous-marins Bio-acoustiques Passifs : Etat de l’art et Challenges H. Glotin, F. Bénard, S. Paris Equipe DYNamiques de I’Information LSIS-USTV, UMR CNRS & Univ. Sud-Toulon Var http://www.lsis.org/dyni avec O. Adam LAM - UMR CNRS & Univ Paris VI glotin@univ-tln.fr Séminaire DGA Mourillon – GIS acoustique -21 septembre 2010

Objectifs : observer pour comprendre et protéger Collection de données biologiques (espèces méconnues) Estimation présence - Modèles migratoires Modèles bio-population Estimation de l’impact des perturbations anthropiques Analyse des comportements de chasse, des groupes,… Problématiques / Challenge scientifiques Détection robuste, filtrage adaptatif Détection multi-espèce Trajectographie fine simultanée multi-cible : dénombrement,… Système temps-réel Modèles joints de : DETECTION & CLASSIFICATION & TRAJECTOGRAPHIE

Observations acoustiques instantanées 1. Observations occasionnelles Hydrophones à partir d'un bateau disposés en surface ou sur le fond marin credits: isns Matériels Hydrophones (B&K, Reson, ColmarItalia, CRT, Nauta…) AURAL (Multi-Electronique) OBH & OBS Objectifs Enregistrements limités dans le temps (< 3-6 mois) Détection Suivi de trajectoires Routes migratoires Autonome, opportuniste credits: ipgp Enregistrements de cachalots, baleines franches, baleines bleues, baleines grises, baleines à bosse…

credits:Tyack&Johnson Observations acoustiques occasionnelles 2. DTAG Module électronique avec 1 capteur de pression 1 capteur de température 1 accéléromètre 3D 1 gyroscope 3D 2 hydrophones 1 processeur et 1 carte mémoire 1 batterie credits:Tyack&Johnson Objectifs Analyses des sons Suivi de trajectoires Analyse comportementale Enregistrements de courte durée (< 1 jour) Système d'attache à l'animal Enregistrements de cachalots, baleines franches, baleines à bec, baleines à bosse

Observations acoustiques permanents Des projets scientifiques pluridisciplinaires ! MBARI/MARS (www.mbari.org/mars) Monterey Bay Aquarium Research Institute Monterey Accelerated Research System credits: Monterey Bay Aquarium Monterey Bay, sud de San Francisco 52km de câble sous-marin 900m de profondeur Système modulaire NEPTUNE (www.neptune.washington.edu) Canada Nord-ouest de l'Amerique/Canada 200 000 km2 3000 km cable (fibre optique et câble électrique) VENUS (www.venus.uvic.ca) Victoria Experimental Network Under the Sea Southern British Columbia, Canada Camera vidéo, réseau d'hydrophones credits: Venus

Observations acoustiques permanents ESONET (www.esonet-emso.org/) European Seafloor Observatories Network Multidisciplinary European Network of Excellence (NoE) De l'océan arctique à la mer noire – 15000 km ESMO (www.esonet-emso.org/) European Multidisciplinary Seas Observation ANTARES (antares.in2p3.fr/) Détecteur de neutrinos credits: Antares ANTARES est inclus dans ESONET-ESMO. Il s'agit d'un noeud régional. Sismologie marine Caractéristiques de la colonne d'eau Changements climatiques Écologie marine

Suivi acoustique 2008-2010 des populations de cétacés au nord du sanctuaire Pelagos LSIS – NOA - MARINELAND 2008 - 2010 hydrophone autonome installé à 60 km au large de Nice Cet équipement a détecté avec le système PIMC-DETECT du LSIS la présence de rorquals communs, de cachalots, de dauphins bleu et blanc,… Oct. Nov. Dec. Jan. Fev. Mars Avril Mai Juin PROGRAMME DE RECHERCHE 2007/2009 de PELAGOS France

Déploiement d’une station acoustique en Guadeloupe objectifs Recensement des cétacés de Guadeloupe Complémentaire aux observations visuelles Avoir plus d’observations sur des zones plus difficiles d’accès (côte au vent) Possibilité de déplacer cette bouée sur différentes zones d’étude caractéristiques Enregistrements continus 192kHz, 24 bits Fixé sur un DCP Haute capacité mémoire Transmission wifi Panneau solaire

PLK Marine Déploiement d’une station acoustique en Guadeloupe CeSigma Partenaires Dynecar (Université des Antilles et de la Guyane) NAMC – CNRS (Université Paris 11) DIREN Guadeloupe Port Autonome de Guadeloupe Société CeSigma Comité régional des pêches Société PLK Marine Société Axians Société Balimar CeSigma Signals & Systems PLK Marine

Observations acoustiques permanentes Installation civile Par exemple: satellite buoy network for real-time acoustic localization of whales in the St. Lawrence credits: Y. Simard 10 10

Premier challenge de localisation proposé workshop DLMMPAC MONACO 2005 Observations acoustiques permanentes Premier challenge de localisation proposé workshop DLMMPAC MONACO 2005 Installation militaire du Atlantic undersea Test & Evaluation Center (AUTEC) / Tongue of The Ocean (TOTO) credits:AUTEC credits:AUTEC Challenge : localiser sur deux jeux de 20 minutes les n cachalots enregistrés à 4*48 Khz 11 11

Stratégie du LSIS = Localiser pour ségréger et intégrer projet PIMC « Plateforme d’Intégration Multimodale pour la Cétologie » Blind Source Separation Behavior data Semiotics analysis Dialect & Group Id. Age & Sex Id. Population & Migration dynamic Species identification Counting Voicing pattern and transient analysis 4D tracking Hydrophone array records Labelling

RESULTATS PIMC (officiels MONACO2005, dataset à 1 baleine) LSIS PIMC TRACK Publié dans [4] en 2006

Résultats sur data set à plusieurs cachalots PIMC-DYNI comparés au SOEST Hawaï (abandon US Navy) Vitesses obtenues cohérentes V ~= 10 km/h. Publié dans [2] Droite : résultats LSIS en noirs comparés au SOEST (Hawaï) en bleu ayant des V > 100km/h

Nouveau modèle PIMC 2009 [réf. 3] plus précis PIMC-DYNI (rouge) versus SOEST Hawaï contenant des fausses détections) Vue 3D des localisations PIMC :

Démonstrations en ligne DEMO du système PIMC-multi-TRACK (Trajectoires 3D en temps-réel) sur data AUTEC / Bahamas disponibles sur : http://glotin.univ-tln.fr/PIMC/DEMO

Le challenge international 2010 : localisation 4D par base courte (2m de côté) Résolution de Trajectographies simultanées de cétacés par filtrage particulaire Système LSIS PIMC-multitrack

Challenge sur NEutrino Mediterranean Observatory (NEMO) Tétraèdre (4 hydrophones), profondeur 2000m 25km offshore de la Sicile clics de cachalot H3 au sommet du tetraèdre à 1.2 m Fe=96 kHz, 24 bits 30 Hz–50 kHz Passe-haut >1 kHz, 6 dB par octave sur 2 hydrophonesPériode de juin à Décembre sur 2005/2006, 2To Crédit des data : Challlenge PAVI 2010 NEMO [1] au CIBRA - G. Pavan - Italie

Estimation de l’angle azimut α et de l’élévation φ. Y Z α φ X X

Détection et Modélisation des TDOA Détecteur énergétique sur les 4 hydrophones. Les TDOA sont calculés par inter-corrélation pour chaque paire d’hydrophones. Les coordonnées des hydrophones sont connues. c*TDOA(i,j)=c*(ti-tj)= w.HiHj avec w=[cos(α)*cos(φ) ; sin(α)*cos(φ) ; sin(φ) ], and || w ||=1 c=1530m/s

Algorithme en deux étapes : Couplage RBMCDA (Rao-Blackwell Monte Carlo Data Association) et filtrage particulaire hiérarchique. Estimation des angles et positions par filtrage particulaire hiérarchique pour les problèmes d’observabilité. 2. Association de données par filtrage particulaire.

Observabilité de la distance Précision: environ 0.5 degré en azimut et élévation.

Résultats LSIS sur NEMO (challenge workshop de Pavi 2010 – candidat final) 1. Fichier dati_fondo_20050817_160000_4CH_1X_3200 (probablement une baleine) N=1 Azimut lissé Elevation lissé

Vue de dessus

Profil de plongée

2. Fichier dati_fondo_20050818_180000_4CH_1X_3200 (probablement deux/trois baleines) N=3 Elevation lissée Azimut lissée

Vue de dessus V2=9km/h V1=7km/h V3=11km/h Direction Sud-Est

Profil de plongée

3. Fichier dati_fondo_20050818_220000_4CH_1X_3200 (probablement une baleine) N=1 Azimut lissée Elevation lissée

Vue de dessus

Profil de plongée

Conclusion sur le système LSIS d’observation base courte Clics étiquetés et associés à chaque individu Analyse comportementale possible : chasse, migration,… Possibilité d’analyser la composition des groupes (grand, moyen, petit) : via les Inter-Pulse-Interval (IPI) une porte d’entrée vers une nouvelle biologie des populations de cétacés

Analyse du comportement de chasse et ntervalles Inter Cliques (ICI)‏ du biosonar (Bénard, Giraudet, Glotin 2007 - AUTEC Bahamas ) [réf 2] Capture / ingestion

Autre exemple résultat éthologique (Monnin & Glotin 2010 – data Boussole, en cours de publication) => Démontration de l’influence de la lune sur prédation (remontée biomasse)

Sortie du système PIMC : “Online Automatic Database Structuration” entraînement militaire, cétologie... [réf. 3] Balisage type MPEG => recherche d’information efficace

Les observatoires en projets Data biologiques enregistrées par le Levan ? Projet CEPPM Projet Antares - MEUST Projet VAPAC et DECAV avec le Parc National de Port-Cros et DYNI-LSIS Projet propre USTV – DYNI-LSIS & Valor PACA: maturation de brevet “trajectographie temps-réel multi-cible” Une thèse (F. Bénard) financement PACA et Chrisar-Software

Déploiement d’une station acoustique à Port-Cros Partenaires : DYNI-LSIS Parc National de Port-Cros Valor-Paca Base courte, 4 hydro, transfert et analyse temps-réel sur serveur du laboratoire détection, trajectographie de plusieurs cétacés, données pour le PNPC / Pelagos

L’USTV aux portes d’un sanctuaire de cachalots : projet LSIS d’un mini-observatoire temps-réel

Autre projet : ANR Brume Bruits de la Mer – 2010-2011 Porteur du projet : JY Royer, DR, directeur du Laboratoire Domaines Oceaniques (LDO, CNRS Brest) Objectifs : enregistrer, traiter et classer tous les sons (biologiques et anthropogéniques) de tous les océans que ce soit au niveau côtier (mer d’iroise) qu’en plein océan (océan austral, océan indien) Partenaires : Laboratoire de Physiques des Océans (Brest), Ensieta (Brest), Shom (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine, Brest), Gipsa (Grenoble), CNPS (Paris), LSIS (Toulon), Irenav (Institut de recherche de l’école navale, Brest), CEBC (Niort), Oceanopolis (Brest), Lemar (Laboratoire des sciences de l’environnement marin, Brest) Budget demandé à l’ANR : 730 k€ - budget total : 3 000 000 euros Soutien : Pole Mer Déposé en janvier 2010 Avis : refus de financer car trop méthodologique et pas assez appliqué Décision : redéposer l’année prochaine 39 39

Bibliographie citée [1] Frédéric Bénard – Hervé Glotin - GIRAUDET P. "Whale 3D monitoring using astrophysic NEMO ONDE two meters wide platform with state optimal filtering by Rao-Blackwell Monte Carlo data association" , in : Journal of Applied Acoustics, Vol. 71 (2010), pp. 994-999, nov 2010  [2] Frédéric Bénard – Hervé Glotin, "Automatic indexing and content analysis of whale recordings and XML representation" , in : EURASIP Special Issue, Advances in Signal Processing for Maritime Applications, Vol. 2010 (2010), pp. 8, 2010  [3] Frédéric Bénard – Hervé Glotin, "WHALES LOCALIZATION USING a LARGE HYDROPHONE ARRAY: PERFORMANCE RELATIVE to CRAMER-RAO BOUNDS and CONFIDENCE REGIONS" , in : Springer-Verlag, e-Business and Telecommunications, sep 2009 [4] Giraudet.Pascale - Hervé Glotin "Real-time 3D tracking of whales by precise and echo-robust TDOAs of clicks extracted from 5 bottom-mounted hydrophones records of the AUTEC" , in : Applied Acoustics, Vol. 6711-12, pp. 1106-1117, 2006 PS : Nous remercions CHRISAR SOFTWARE et la région PACA, co-financeurs de la thèse de doctorat de F. Bénard

Annexe – Présentation DYNI DYNamiques de l’information DYNI LSIS - UMR CNRS Univ Toulon http://www.lsis.org/dyni Axe scientifique de l’équipe DYNI = Interfacer / Coupler Traitement du signal Détection Classification automatique Trajectographie multi-cible robuste Applications en détection / indexation de «cibles» Sur signaux Bio-acoustique, Parole, Vidéo, Image, Texte, … Modélisation et Validation Participation à des challenges internationaux, Dépôt de brevets (PCT USA, Canada, Japon, NVZ,…) Publications internationales Boîtes à outils, …