L’apprentissage automatique peut-il aider à sauver les baleines? Comment les chercheurs de PNW utilisent les outils technologiques pour surveiller les orques

Image aérienne d’épaulards résidents du sud, en voie de disparition, dans le K pod. L’image a été obtenue à l’aide d’un drone octocoptère télépiloté qui a été piloté lors de recherches en santé par le Dr John Durban et le Dr Holly Fearnbach. (Image Vulcain)

Être une orque n’est pas facile. Malgré le manque de prédateurs naturels, ces étonnants mammifères font face à de nombreuses menaces sérieuses – la plupart d’entre elles étant provoquées par leurs voisins humains. Il est essentiel de comprendre les pressions que nous exercons sur les populations d’épaulards pour prendre des décisions en matière de politique environnementale qui, nous l’espérons, contribueront à leur survie.

Heureusement, des chercheurs sur les mammifères marins comme Holly Fearnbach de Sealife Response + Rehab + Research (SR3) et John Durban de l’Oregon State University travaillent d’arrache-pied pour surveiller régulièrement l’état de la population d’épaulards résidents du sud de la mer des Salish (SKRW). Identifiées comme J pod, K pod et L pod, ces communautés d’orques ont migré à travers la mer des Salish pendant des millénaires. Malheureusement, ces dernières années, leur nombre est tombé à seulement 75 baleines, avec un nouveau veau né en 2021. Il s’agit du chiffre de population le plus bas pour le SRKW en 30 ans.

Depuis plus d’une décennie, Fearnbach et Durban ont effectué des relevés photographiques pour capturer des images aériennes des orques. À partir de 2008, des relevés d’images ont été réalisés à l’aide de vols d’hélicoptères habités. Puis à partir de 2014, l’équipe est passée aux drones sans pilote.

Lorsque le drone télécommandé vole à 100 pieds ou plus au-dessus des baleines, des images sont capturées de chacun des membres de la nacelle, soit individuellement, soit en groupes. Le drone étant également équipé d’un altimètre laser, la distance exacte est connue, ce qui rend les calculs des dimensions de la baleine très précis. Les images sont ensuite analysées dans ce qu’on appelle une «évaluation photogrammétrique de la santé». Cette évaluation permet de déterminer l’état physique de chaque baleine, y compris toute preuve de grossesse ou de perte de poids importante due à la malnutrition.

«En tant qu’outil de recherche, le drone est très rentable et il nous permet de faire nos recherches de manière très non invasive», a déclaré Fearnbach. «Lorsque nous détectons des baisses de santé chez les individus, nous sommes en mesure de fournir aux agences de gestion ces mesures de santé quantitatives.»

Le Dr John Durban (à droite) et le Dr Holly Fearnbach (SR3) tiennent un drone de recherche personnalisé utilisé pour collecter des images aériennes afin de mesurer l’état corporel des épaulards résidents du Sud en voie de disparition. (Photo gracieuseté d’Eric Guth)

Mais alors que l’étape de collecte d’images est relativement peu coûteuse, le traitement des données a été coûteux et prend du temps. Chaque vol peut capturer 2000 images avec des dizaines de milliers d’images capturées pour chaque enquête. Après le travail du drone, il faut généralement environ six mois pour terminer manuellement l’analyse sur le lot d’images de chaque saison.

Évidemment, six mois, c’est très long si vous êtes affamé ou enceinte, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles le nouveau partenariat de SR3 avec Vulcan est si important. En travaillant ensemble, les organisations ont développé une nouvelle approche pour traiter les données plus rapidement. L’outil de photogrammétrie des mammifères aquatiques (AMPT) utilise l’apprentissage automatique et un outil de l’utilisateur final pour accélérer le processus laborieux, raccourcissant considérablement le temps nécessaire pour analyser, identifier et catégoriser toutes les images.

Image aérienne d’une femelle adulte (J35) avec son petit nouveau-né (J57) d’une population d’épaulards résidents du sud en voie de disparition. (Image Vulcain)

L’application de techniques d’apprentissage automatique au problème a déjà donné d’énormes résultats, réduisant un processus de six mois à seulement six semaines avec possibilité d’améliorations supplémentaires. L’apprentissage automatique est une branche de l’informatique qui peut améliorer ses performances grâce à l’expérience et à l’utilisation des données. Le délai d’exécution plus rapide permettra «d’identifier plus rapidement les baleines préoccupantes et de fournir des mesures de santé aux groupes de gestion pour permettre une prise de décision adaptative», selon Vulcan.

«Nous essayons de faire et de laisser le monde meilleur, principalement grâce à la santé et à la conservation des océans», a déclaré Sam McKennoch, responsable de l’équipe d’apprentissage automatique chez Vulcan. «Nous nous sommes connectés à SR3 et avons réalisé qu’il s’agissait d’un excellent cas d’utilisation, où ils avaient une grande quantité de données existantes et avaient besoin d’aide pour automatiser leurs flux de travail.»

AMPT est basé sur quatre modèles d’apprentissage automatique différents. Tout d’abord, le détecteur d’orques identifie les images contenant des orques et place une boîte autour de chaque baleine. Le prochain modèle ML décrit entièrement le corps de l’orque, un processus connu dans le domaine de l’apprentissage automatique sous le nom de «segmentation sémantique». Après cela vient le détecteur de repère qui détecte le rostre (ou le museau) de la baleine, les nageoires dorsales, l’évent, la forme des plaques oculaires, l’encoche de la douve et ainsi de suite. Cela permet au logiciel de mesurer et de calculer la forme et les proportions de diverses parties du corps.

Il est particulièrement intéressant de savoir si les dépôts de graisse du visage de la baleine sont si bas qu’ils entraînent des indentations de la tête que les biologistes marins appellent «tête d’arachide». Cela n’apparaît que lorsque l’orque a perdu une quantité importante de graisse corporelle et est en danger de famine.

Enfin, le quatrième modèle d’apprentissage automatique est l’identifiant. La forme de la tache de selle grise derrière la nageoire dorsale de la baleine est aussi unique qu’une empreinte digitale, permettant d’identifier chacun des individus de la gousse.

De nombreux types d’informations sont nécessaires pour ce type d’automatisation. Heureusement, Vulcan a pu tirer parti de certains des travaux manuels antérieurs de SR3 pour amorcer leurs modèles d’apprentissage automatique.

«Nous voulions vraiment comprendre leurs points faibles et comment nous pourrions leur fournir les outils dont ils avaient besoin, plutôt que les outils que nous pourrions vouloir leur donner», a déclaré McKennoch.

Aussi réussi qu’AMPT ait été, il y a beaucoup de connaissances et d’informations qui n’ont pas encore été incorporées dans ses modèles d’apprentissage automatique. En conséquence, il est toujours nécessaire d’avoir des utilisateurs dans la boucle de manière semi-supervisée pour une partie du traitement ML. L’interface accélère la saisie de l’utilisateur et normalise les mesures effectuées par différents utilisateurs.

McKennoch pense qu’il y aura des gains avec chaque lot traité pendant plusieurs cycles à venir. Pour cette raison, ils espèrent continuer à améliorer les performances en termes de précision, de flux de travail et de temps de calcul au point que l’ensemble du processus prendra finalement des jours, au lieu de semaines ou de mois.

Ceci est très important car l’AMPT fournira des informations qui guideront les décisions politiques à plusieurs niveaux. L’impact humain sur l’environnement de l’orque ne diminue pas et, au contraire, augmente. La surpêche réduit les sources de nourriture, en particulier le saumon quinnat, le repas préféré des orques. La navigation commerciale et les bateaux de plaisance continuent de causer des blessures et leur bruit excessif nuit à la capacité de l’orque à chasser le saumon. Les produits chimiques toxiques provenant du ruissellement des eaux pluviales et d’autres pollutions nuisent à la santé des mammifères marins. La surveillance continue de chaque baleine individuelle sera essentielle pour maintenir leur bien-être et la santé de l’écosystème marin local.

Vulcan prévoit d’ouvrir AMPT, lui donnant une vie propre dans la communauté de recherche sur les mammifères marins. McKennoch a déclaré qu’ils espéraient étendre l’outil afin qu’il puisse être utilisé pour d’autres populations d’épaulards, différentes grandes baleines et avec le temps, peut-être des dauphins plus petits et des phoques communs.