L'approche GAIA i³ : Créer un système d'alerte précoce alimenté par l'IA pour les perturbations de l'écosystème

Les vautours sont des oiseaux très intelligents qui fournissent d'importants services écosystémiques. Pourtant, les populations de vautours de l'ancien monde ont diminué de façon spectaculaire au cours des dernières décennies en raison de facteurs anthropogéniques. Il est nécessaire de développer des stratégies de conservation efficaces pour faire face aux menaces critiques telles que l'empoisonnement aveugle ou l'épuisement des sources de nourriture. En même temps, leur comportement, y compris leurs interactions sociales, est encore mal compris. En s'appuyant sur des équipements de suivi de haute technologie et des outils analytiques basés sur l'IA, GAIA vise à mieux comprendre comment les vautours communiquent, interagissent et coopèrent, s'alimentent, se reproduisent et élèvent leurs petits. En outre, les scientifiques de GAIA étudient les stratégies sociales de recherche de nourriture des vautours à dos blanc et le transfert d'informations au sein des communautés de carnivores et de charognards. Dans le règne animal, il est courant que la recherche de nourriture soit entreprise non seulement par des individus, mais aussi par des groupes. Les animaux recherchent ensemble de la nourriture ou s'appuient sur les connaissances d'autres individus pour trouver de la nourriture. Cette recherche sociale de nourriture est probablement bénéfique, par exemple en ce qui concerne la quantité de nourriture trouvée, la taille des proies qui peuvent être chassées ou le temps nécessaire pour accéder à la nourriture. GAIA étudie les mécanismes de comportement et de communication propres à chaque espèce, ainsi que les incitations, les avantages et les inconvénients éventuels pour les individus.

En comprenant mieux ces connexions et interactions intra et interspécifiques, GAIA contribue également à une meilleure compréhension des racines des conflits entre l'homme et la faune (qui sont souvent liés au comportement des carnivores) et à la gestion des espèces. En Namibie par exemple, la recherche sur les communautés de lions permet de comprendre leur comportement spatial et d'atténuer les contacts avec la population locale (par exemple les éleveurs de bétail) afin de gérer les conflits entre l'homme et la faune (objectif 4 du GBF). Ces connaissances sont également utilisées pour observer et gérer durablement les populations locales de lions au profit des populations (objectif 9 du GBF), en équilibrant l'atténuation des conflits et le tourisme.

Les satellites et les avions jouent un rôle crucial dans la collecte de données environnementales à distance, ce qui nous aide à mieux comprendre notre climat et nos écosystèmes. La télédétection, souvent réalisée à partir d'avions, de ballons ou de satellites, nous permet de surveiller de vastes zones et des régions éloignées sur de longues périodes. Ces "yeux dans le ciel" sont un complément inestimable aux observations terrestres et nous aident à comprendre les courants océaniques et aériens, les modifications de l'occupation des sols et le changement climatique. Cependant, les animaux possèdent également des sens extraordinaires et une capacité unique à détecter les changements dans leurs habitats. En combinant les capacités des animaux avec les technologies de télédétection, GAIA vise à améliorer notre capacité à surveiller et à comprendre notre planète. Les animaux ont des capacités sensorielles et des stratégies comportementales supérieures qui leur permettent de percevoir des changements subtils et spectaculaires dans leurs écosystèmes, ainsi que de détecter des incidents critiques. Les vautours, par exemple, agissent comme des "espèces sentinelles" et peuvent élever le concept de télédétection à de nouveaux sommets. Ils patrouillent régulièrement de vastes zones à la recherche de nourriture, fonctionnant sans émissions, sans ressources supplémentaires et sans réparations. En outre, leurs patrouilles sont guidées par leur vision exceptionnelle et la mission de trouver des carcasses. La façon dont ils patrouillent, ce qu'ils recherchent et les incidents auxquels ils nous conduisent peuvent être liés à des changements environnementaux spécifiques et à des événements écologiques.

Pour exploiter pleinement le potentiel de la télédétection embarquée par les vautours, GAIA se concentre sur deux aspects essentiels. Premièrement, de puissants dispositifs de suivi sont fixés sur les vautours afin de surveiller leurs mouvements et leur comportement à des échelles temporelles et spatiales détaillées. Deuxièmement, de nouvelles solutions technologiques sont développées pour mieux comprendre ce que les animaux observent et font. Il s'agit notamment d'une nouvelle balise dotée d'une caméra intégrée, d'algorithmes d'intelligence artificielle pour la détection des comportements et la reconnaissance des images, et d'une liaison montante par satellite pour une couverture en temps réel dans les régions éloignées. Grâce à ces outils, les animaux peuvent capturer des images et fournir des données sur leur environnement plus rapidement, avec une résolution et une spécificité supérieures à celles de l'imagerie satellitaire. Cette approche innovante nous permet de voir la nature à travers les yeux des animaux.

GAIA a adopté une stratégie de minimisation des déchets : Seuls les équipements techniques absolument indispensables sont utilisés et développés. Les colliers et les balises restent en place pendant de longues périodes (par exemple, pour les vautours) ou sont collectés régulièrement (par exemple, pour les lions) afin d'extraire des données. Aucun émetteur ne reste dans le paysage : si un émetteur tombe ou si l'animal portant la balise meurt, il est localisé et retiré du paysage. Ainsi, le système GAIA est un système "sans trace" qui présente des avantages significatifs pour les écosystèmes.

Pour la recherche écologique ainsi que pour les cas d'utilisation de GAIA, il est nécessaire de reconnaître de manière fiable et précise le comportement de différentes espèces animales sur une longue période de temps dans des régions sauvages éloignées. Pour ce faire, les scientifiques de GAIA ont développé et formé une intelligence artificielle (IA) capable d'effectuer une classification comportementale à partir des données GPS et d'accélération et de nous dire exactement ce que font, par exemple, les vautours à dos blanc équipés de balises animales à un moment et à un endroit donnés. Cette IA fonctionnera finalement directement sur les balises GAIA et générera des informations comportementales à partir des données des capteurs. Dans un deuxième temps, les scientifiques ont combiné le comportement ainsi classifié avec les données GPS des balises. À l'aide d'algorithmes de regroupement spatial, ils ont identifié les endroits où certains comportements étaient plus fréquents. Ils ont ainsi obtenu des emplacements spatialement et temporellement finement résolus où les vautours se nourrissaient. Enfin, GAIA développe une IA pour la reconnaissance d'images qui analysera les photos prises par l'appareil photo intégré du nouveau système de marquage. Tous ces algorithmes fonctionneront directement sur l'étiquette et pourront effectuer un traitement efficace des données intégrées. L'IA de reconnaissance d'images doit donc répondre à des exigences très particulières, puisqu'elle doit fonctionner de manière particulièrement économe et avec de petites quantités de données. À cette fin, les équipes de GAIA développent des stratégies et des modèles appropriés pour l'IA éparse.

Ce nouveau pipeline de détection des carcasses est un atout essentiel pour enrayer l'extinction des espèces et gérer les conflits entre l'homme et la faune sauvage, et s'inscrit donc dans le cadre de l'objectif 4 du GBF. Le pipeline permet de détecter rapidement soit la mort des vautours, soit la mort de l'animal dont les vautours se nourrissent. Ces deux scénarios sont importants pour enrayer l'extinction des espèces : L'empoisonnement des carcasses contribue de manière significative au déclin des populations de nombreuses espèces de vautours. Comme les vautours utilisent des stratégies sociales dans leur recherche de nourriture, une carcasse empoisonnée peut tuer des centaines d'oiseaux. Les scientifiques de l'initiative GAIA ont montré que le marquage des vautours permet de détecter rapidement les décès et de retirer la carcasse. Le marquage des vautours et l'utilisation des pipelines d'intelligence artificielle décrits ici peuvent réduire considérablement la mortalité. Deuxièmement, la détection précoce des cas de braconnage d'espèces menacées peut mettre un terme au braconnage au niveau local et contribuer de manière significative à la lutte contre l'extinction.

Pour atteindre l'objectif de l'initiative GAIA, qui est de développer et de mettre en pratique un système d'alerte précoce de haute technologie pour les changements environnementaux, une nouvelle génération d'étiquettes pour animaux est un élément clé. Les équipes de GAIA travaillent sur le développement matériel et logiciel d'étiquettes miniaturisées pour animaux, dotées d'une technologie de capteur à faible consommation d'énergie, d'une caméra et d'un système de traitement d'images. Les balises seront autonomes en énergie, adaptées de manière optimale à l'anatomie des vautours et constitueront la base d'autres caractéristiques technologiques en cours de développement, telles que des intelligences artificielles embarquées pour la détection des comportements et la reconnaissance des images, ainsi qu'un système de communication IoT basé sur des satellites.

En outre, GAIA développe des concepts d'intelligence artificielle distribuée et des réseaux de microprocesseurs - des balises animales qui agissent comme un essaim. Analogue à l'intelligence naturelle en essaim, l'initiative GAIA cartographie l'intelligence numérique en essaim dans un réseau ad hoc de microprocesseurs. Ces réseaux qui se forment spontanément constituent la base de l'analyse distribuée et basée sur les capteurs de grandes quantités de données. En suivant cette voie, il sera possible pour les balises de vautours, par exemple, qui sont présentes au même endroit lors des événements de nourrissage, de se relier et de partager des tâches telles que les analyses d'intelligence artificielle et la transmission de données.

Les processus et incidents écologiques pertinents qui intéressent la recherche sur les changements environnementaux se produisent généralement dans des régions éloignées, hors de portée des infrastructures de communication terrestres. Les données générées sur le terrain à l'aide de balises animales dans ces régions ne peuvent souvent être transmises qu'avec un retard de plusieurs jours, voire de plusieurs semaines. Pour remédier à ce retard et garantir l'efficacité du système d'alerte précoce, GAIA développe un module de communication par satellite pour les balises ainsi qu'un nanosatellite fonctionnant en orbite terrestre basse (LEO) : Afin de pouvoir transmettre les données et les informations collectées directement du nœud de transmission au satellite LEO (Low Earth Orbit), un module radio IoT par satellite très performant sera intégré dans les nouvelles étiquettes. Cela garantit une transmission immédiate, sécurisée et économe en énergie des données extraites. Le système de communication est basé sur la technologie terrestre mioty® et sera adapté aux bandes de fréquences typiques des satellites, telles que les bandes L et S, pour le projet. Les protocoles de communication typiques, qui sont parfois utilisés dans le secteur de l'IdO, sont généralement conçus pour des paquets de petite taille. Le développement ultérieur du système mioty® visera donc également à augmenter le débit de données et la taille des messages pour permettre des scénarios d'application tels que les transmissions d'images.

Le système IoT par satellite sera essentiel pour une communication sans délai et donc pour un système d'alerte précoce. Il contribue grandement à ce que le système GAIA atteigne l'objectif 4 du GBF, à savoir "stopper l'extinction, protéger la diversité génétique et gérer les conflits entre l'homme et la faune".

Les jardins zoologiques et les aquariums modernes du monde entier offrent des possibilités uniques en apportant leur expertise en matière de soins aux animaux, de conservation des espèces et d'éducation du public, constituant ainsi une base solide pour la conservation moderne et la recherche scientifique. En travaillant en étroite collaboration avec ces institutions et en utilisant les données et les connaissances qu'elles génèrent, l'initiative GAIA vise à combler le fossé entre les efforts de conservation in situ et ex situ. Les animaux sous la garde de l'homme peuvent servir de modèles précieux pour comprendre la biologie, le comportement et les réactions des espèces aux changements environnementaux. En outre, les conditions contrôlées des jardins zoologiques permettent de développer et de tester des technologies avancées, telles que des capteurs et des systèmes d'intelligence artificielle transportés par des animaux, dans des conditions plus prévisibles et plus accessibles avant de les déployer dans la nature.

Les principaux domaines d'intérêt de ce module sont les suivants

• Générer des données de référence et d'entraînement pour le développement du pipeline d'IA pour les données des capteurs. En déployant les balises sur des vautours en captivité dans une grande volière et en enregistrant leur comportement simultanément, nous avons pu créer un ensemble de données appariées pour l'entraînement de l'IA. Avec l'IA entraînée, il n'est plus nécessaire d'observer les animaux pour détecter les comportements pertinents, par exemple l'alimentation ; l'IA peut prédire de manière très fiable le comportement à partir des données des capteurs, ce qui nous donne un aperçu du comportement des animaux cibles tout au long de leur vie.
• Éducation et engagement du public : Le Zoo de Berlin intègre les résultats de GAIA dans ses programmes éducatifs et collabore aux relations avec les médias et à la sensibilisation du public, en encourageant la prise de conscience et la participation du public à la conservation de la biodiversité et aux innovations technologiques. Les visiteurs sont initiés aux outils de pointe et à leur impact sur la conservation de la faune et de la flore.

L'un des principaux objectifs de l'initiative GAIA est d'avoir un impact minimal et strictement nécessaire sur les animaux. Pour les lions et les vautours, des procédures de test approfondies ont été menées (dans le cadre du système allemand d'expérimentation animale et de bien-être des animaux) au zoo de Berlin et au Tierpark de Berlin. Les techniques ont été développées et testées par des experts vétérinaires pour les animaux de zoo et les animaux sauvages et sont considérées comme sûres et compatibles avec des considérations strictes de bien-être animal. En outre, GAIA et d'autres groupes de recherche disposent d'une expérience et de données à long terme sur les effets du marquage et du colletage des différentes espèces. Il a été prouvé, par exemple, que le marquage des vautours n'a aucun effet néfaste sur le bien-être, la santé ou la reproduction des oiseaux. On a constaté que les vautours vivaient de nombreuses années avec des balises, qu'ils avaient des mouvements et un comportement de recherche de nourriture similaires et qu'ils avaient une progéniture.

Le partenariat entre GAIA et le zoo de Berlin met également l'accent sur les objectifs de communication et de transfert de connaissances de l'initiative au sens de l'objectif 21 du cadre stratégique pour l'environnement (GBF) : "Veiller à ce que les connaissances soient disponibles et accessibles pour guider l'action en faveur de la biodiversité". Ce domaine d'activité vise non seulement à sensibiliser le grand public à la conservation de la biodiversité et aux innovations technologiques, mais aussi les décideurs politiques aux niveaux national et international. GAIA a été très actif dans la consultation des acteurs politiques en Allemagne et en Namibie par exemple, et a participé au Forum régional de conservation 2024 de l'UICN à Bruges, en Belgique.

L'initiative GAIA met en œuvre d'importantes mesures de renforcement des capacités à mesure que le système d'alerte précoce développé est mis en pratique avec les parcs et les autorités locales dans de nombreux pays africains tels que la Namibie, le Mozambique et l'Ouganda. Le personnel des parcs, les fonctionnaires des autorités compétentes et des ministères sont formés à la mise en œuvre du système. Il s'agit notamment de donner aux communautés locales les moyens de procéder au marquage, à l'étiquetage et au suivi à l'aide du système GAIA, ainsi que de mettre en œuvre le système d'alerte précoce à l'aide de l'interface désignée.

En outre, le personnel de GAIA forme activement des étudiants dans diverses disciplines et domaines de recherche afin de soutenir les nouvelles technologies pour la conservation et les sciences de la vie. Au cours des six dernières années, plus de 250 étudiants ont participé avec succès aux cours dispensés par le personnel de GAIA à l'Université de Namibie en sciences vétérinaires et en biologie de la faune, avec un accent particulier sur, par exemple, les conflits entre l'homme et la faune, le suivi des animaux ainsi que le comportement des vautours, des lions et des hyènes.

Le renforcement des capacités professionnelles et la formation des étudiants ciblent directement les communautés locales afin de leur permettre de gérer le système d'alerte précoce GAIA en grande partie grâce aux connaissances et aux ressources locales. Ce bloc de construction place l'objectif 20 du GBF "Renforcer le renforcement des capacités, le transfert de technologie et la coopération scientifique et technique pour la biodiversité" au cœur de l'initiative GAIA, car ce bloc n'est pas un addendum à la partie recherche et développement de l'initiative, mais un domaine d'action clé dès le début.