Conference

Ecology and Acoustics – Ecologie et Acoustique

Voici un petit compte-rendu du symposium « Ecologie et Acoustique » qui s’est tenu à Paris du 16 au 18 juin 2014, sous l’égide des chercheurs du musée national d’histoire naturelle (MNHN). Les résumés des interventions sont disponibles en pdf (en anglais).

Cette conférence a rassemblé une centaine de chercheurs du monde entier et issus de branches différentes de la biologie et de l’ingénierie. Elle se voulait le témoin de l’essor d’une nouvelle discipline qui n’a pas encore vraiment de nom mais que les organisateurs ont proposé d’appeler écoacoustique. Il a également été proposé de fonder une nouvelle société scientifique dédiée au sujet. Concrètement, l’écoacoustique rassemble toutes les tentatives d’utiliser le son pour répondre à des questions sur la biodiversité. Elle a trois grands sujets (J. Sueur) :

–          L’impact du bruit (anthropogénique) sur la faune sauvage ;

–          Le monitoring passif des espèces (écouter la bande-son de l’environnement pour y détecter la présence de certaines espèces) que l’on abrège en PAM (Passive Acoustic Monitoring);

–          L’étude des paysages sonores et la manière dont ils évoluent par exemple lorsque l’environnement est dégradé.

 

Spectrogramme d'un paysage sonore - spectrogram of a soundscape (Brandon Keim/Bernie Krause)

Spectrogramme d’un paysage sonore – spectrogram of a soundscape (Brandon Keim/Bernie Krause)

  • Paysages sonores :

R. Shafer a popularisé la notion de paysages sonores dans son livre de référence (Le paysage sonore, le monde comme musique). A. Farina s’est concentré sur leur étude dans le contexte de l’écologie (voir son récent livre Soundscape Ecology chez Springer). Il a notamment développé un indice, l’ACI (indice de complexité acoustique), qui permet de traduire la richesse d’un environnement sonore naturel. L’ACI est devenu un indice de base et a bien sûr été utilisé dans de nombreux travaux présentés lors du symposium.

Les paysages sonores ont trois composantes : la géophonie (le vent, les vagues, une chute d’eau…), la biophonie (les sons produits par les animaux) et l’anthropophonie (les sons produits par les humains ou par des engins opérés par des humains). Au sein de la biophonie, les animaux se sont répartis l’espace (sonore) disponible au cours de leur évolution ; le résultat fonctionne comme une partition d’orchestre ou chacun a son intervalle de fréquence ou son moment choisi pour vocaliser (B. Krause). Chaque écosystème a son assortiment d’espèces et donc sa propre partition. Dans l’écosystème, chaque espèce possède sa propre niche sonore qui lui permet d’assurer la communication vitale entre ses individus : appeler un partenaire, prévenir d’un danger, défendre son territoire, etc. Aujourd’hui, les écoacousticiens s’attachent à diagnostiquer la santé des écosystèmes en analysant les dégradations ou les enrichissements de la partition.

Par exemple, S. Fuller a établi une corrélation entre des indices sonores et l’état de zones forestières dans la région de Brisbane. J. Anso utilise les paysages sonores pour détecter la présence d’espèces invasives de fourmis en Nouvelle-Calédonie. Le son peut également être utilisé pour évaluer la production benthique, soit des organismes vivant au fond de la mer tels que les crabes, crevettes, etc. (L. Di Iorio).

 

  • Impact du bruit sur la faune :

K. Fristrup a réalisé de belles simulations de propagation du bruit des véhicules dans les grands parcs américains. Les résultats montrent que le bruit des motos est le plus élevé et se répand loin dans les vallées. En outre, les touristes qui visitent le Grand Canyon signalent que le bruit des hélicoptères qui survolent la région en permanence ruine la paix du site. Ces plaintes sont à l’origine d’une évaluation des niveaux de bruits et des paysages sonores dans tous les parcs américains. L’évaluation est en train de s’étendre au milieu marin (D. Risch, baie de Boston) pour contrôler la cohabitation des bancs de poisson, des cétacés et du trafic maritime, notamment récréatif en été. Les bateaux de plaisance peuvent également avoir un impact sur la vie aquatique d’un lac (A. Nousek, Loch Lomond). Le bruit des activités humaines peut masquer la communication animale ; par exemple, dans l’océan, de nombreuses espèces de poisson consommées par l’homme (aiglefin, cabillaud…) appellent les femelles à l’aide de signaux acoustiques – si le son est masqué, la reproduction et donc les stocks de poisson sont en péril (A. Hawkins, M. Amorim). Il y a des zones géographiques préférentielles pour la reproduction et elles devraient être protégées. Le problème du bruit anthropogénique dans les océans fait l’objet de conférences bisannuelles dédiées. Les oiseaux terrestres quant à eux souffrent du bruit du trafic automobile ; pour éviter le masquage, ils adaptent tout ou partie de leur chant – voir le cas de Pipilo erythrophthalmus (R. Ernstes). D. Bormpoudakis a réalisé des cartographies de bruit des camions à l’échelle de l’Europe et a proposé que les camions qui transportent des marchandises d’un pays à l’autre modifiaient significativement les paysages sonores du continent.

 

  • PAM (attention, paragraphe très technique):

Ma propre contribution au symposium (reconnaissance des espèces de pics européens par leurs tambourinements) se range dans cette catégorie et fera l’objet d’un autre billet.

Sur le sujet des algorithmes de reconnaissance des espèces d’oiseaux par leurs chants, il y a eu deux contributions récentes d’importance, toutes deux suite à des compétitions internationales organisées avec les bases de données du MNHN parisien ou de Xeno-Canto. I. Potamitis a publié ses résultats sur Plos One et D. Stowell sur Peer J. Il est dorénavant proposé que les MFCC ne constituent pas des indicateurs acoustiques fiables dans ce domaine (H. Glotin) ; l’évolution se situe vers les indicateurs non supervisés. Les algorithmes cherchent à présent à classifier des enregistrements dans lesquels plusieurs espèces sont présentes simultanément (multi-labels). Les travaux d’O. Dufour avec des données du MNHN et de Tierstimme Berlin vont dans ce sens. Les classificateurs utilisés sont un réseau de neurones RBF (O. Dufour) et un random forest (J.F. Julien, pour des chauves-souris).

P. Linhart a présenté des travaux de monitoring d’individus chouettes chevêches mâles (80% des vocalisations correctement identifiées, soit 13 mâles sur 13 ; 40% et 5/10 l’année suivante). Le but est d’éviter les procédures intrusives de capture et baguage. La méthode est moins performante pour les pouillots véloces.

Le déploiement de programmes PAM s’accompagne encore de questions sur la quantité de données à enregistrer pour un monitoring efficace (N. Pieretti). M. Towsey a fait la démonstration de l’utilisation de spectrogrammes en fausses couleurs qui permettent de visualiser d’un seul bloc la richesse d’un paysage sonore sur une durée d’un jour ou même d’un mois. Ces spectrogrammes sont calculés en combinant des indices tels que l’ACI.

 

Spectrogramme en fausses couleurs - False color spectrogram - Towsey et al. 2014

Spectrogramme en fausses couleurs – False color spectrogram – Towsey et al. 2014

 

Dans l’ensemble une très bonne conférence !

 

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Here is a summary of the « Ecology and Acoustics » symposium held in Paris 16-18 June 2014, which was organized by the Musée Nationale d’Histoire Naturelle (MNHN) researchers. The abstracts are available online in pdf.

This conference gathered about a hundred researchers from around the world, and from various branches of biology and engineering. It was meant to witness the rise of a new discipline which does not yet have a stable name; the organizers proposed to call it Ecoacoustics. It was also suggested to start a new scientific society dedicated to this discipline. The field has three main topics (J. Sueur):

–          The impact of (anthropogenic) noise on wild fauna;

–          Passive acoustic monitoring (PAM) of species, i.e. listening to the soundtrack of the wild to detect the presence of species;

–          The study of soundscapes and the way they evolve for example when the environment is compromised.

 

  • Soundscapes:

R. Shafer spread the notion of soundscapes in his reference book (The Soundscape – The Tuning of the World). A. Farina focused on their study in the ecological context (see his recent book, Soundscape Ecology, published by Springer). Most notably, he developed an index, the ACI (Acoustic Complexity Index) which translates the richness of a natural sonic environment. The ACI became a standard and was of course used in many works presented at the symposium.

Soundscapes have three components: the geophony (the wind, waves, a waterfall…), the biophony (sounds produced by animals) and the anthropophony (sounds produced by humans or their various machines). Within biophony, animals have split the available sonic space through evolution; the results works like the music sheet of an orchestra. Everyone has their own frequency range or appropriate moment to vocalize (B. Krause). Each ecosystem has its own assortment of species and thus its own music sheet. Within the ecosystem, each specie has its own sonic niche to establish vital communication within individuals: to call a partner, warn of a danger, defend a territory, etc. Today, ecoacousticians try to assess the health of ecosystems by listening to the alterations of the music ensemble.

For example, S. Fuller established a correlation between sound indices and the state of forest zones in the Brisbane region. J. Anso uses soundscapes to detect the presence of invasive ant species in New Caledonia. Sound can also be used to evaluate benthic production, i.e. the development of organisms living at the bottom of the sea such as crabs, shrimps, etc. (L. Di Iorio).

  • Impact of noise on fauna:

K. Fristrup made some neat animations of the propagation of vehicle noise in American national parks. The results show that motorcycle noise is the loudest and spreads far into the valleys. In addition, tourists at the Grand Canyon have been complaining about the noise of helicopters that constantly fly over the site and ruin its peace. This complaints triggered an evaluation of noise levels and soundscapes in all American national parks. The procedure is being extended to the marine environment (D. Risch, Boston bay) to control the impact of boat traffic on fishes and cetaceans, with a particular interest on the many recreational boats in the summer. Recreational boats can also affect aquatic life in lakes (A. Nousek, Loch Lomond). The noise of human activities can mask animal communication; for example, in the ocean, many fish species eaten by man (haddock, cod…) call females using acoustic signals. If the sound is masked, reproduction and thus fish stocks are in jeopardy (A. Hawkins, M. Amorim). There are some preferred geographic zones for the reproduction of fishes and they should be protected. The issue of anthropogenic noise in oceans is covered in dedicated biennial conferences. Back on the continents, birds suffer from car traffic noise. To avoid masking, they might alter part or all of their songs – see the case of Pipilo erythrophthalmus (R. Ernstes). D. Bormpoudakis made truck noise maps for the whole of Europe and proposed that trucks that convey goods from one country to the next modify soundscapes significantly.

 

Carte de détection PAM de cétacés au NE des USA - Cetacean PAM detection map in the NE of the USA - NOAA Fisheries Services

Carte de détection PAM de cétacés près de Boston – Cetacean PAM detection map near Boston – NOAA Fisheries Services

 

  • PAM (caution, technical paragraph):

My own contribution to the symposium (recognition of European woodpecker species through their drumming) belongs to this category and will be developed in another post.

On the topic of algorithms which recognize bird species using their songs, there has been two recent contributions of some importance. They are both outputs of international competitions organized with databases from the MNHN in Paris or from Xeno-Canto. I. Potamitis published his results on Plos One and D. Stowell on Peer-J. It is now proposed that MFCC are not suitable acoustic features for the bird problem (H. Glotin); the evolution is towards unsupervised features. Algorithms now attempt classification of recordings where several species of birds are simultaneously present (multi-label). The work of O. Dufour with data from the MNHN and Tierstimme Berlin go in that direction. Classifiers heard of at the symposium were RBF neuron network (O. Dufour) and random forest (J.F. Julien with bats).

P. Linhart presented a monitoring study of little owl individual males (80% of calls correctly identified, meaning 13 males our of 13; 40% and 5/10 the following year). The purpose is to avoid intrusive procedures of capture and ringing. The method is less efficient for chiffchaffs.

The deployment of PAM schemes still goes along with questions about the appropriate quantity of data to record for a good monitoring (N. Pieretti). M. Towsey demonstrated the use of false color spectrograms which allow visualizing at once the richness of a soundscape on an entire day or month. These spectrograms are calculated using indices such as the ACI.

 

Overall a great conference!

 

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