Traitement et Reconnaissance Automatique des Cris et Chants des Oiseaux

Il y a environ 10000 espèces d’oiseaux dans le monde. Des pôles aux forêts équatoriales, des déserts aux centres des océans et des plus hautes montagnes au coeur de nos villes, partout les oiseaux sont parmi les formes les plus visibles de la vie animale. Les oiseaux ont un rôle majeur dans la biodiversité. La consommation d’insectes nuisibles à l’agriculture, la dispersion des graines pour le reboisement et la pollinisation des plantes, voici quelques faits essentiels démontrant l’utilité des oiseaux.

Les zones humides d’Annaba et El Taref, sont parmi les zones humides les plus importantes de l’Algérie. Situées dans la voie de migration du Paléarctique occidental, ils sont des sites spéciaux pour des dizaines de milliers d’oiseaux pour hiverner ou faire un arrêt temporaire. Les zones humides d’Annaba et El Taref, sont des sites de reproduction et d’hivernages essentiels pour plusieurs espèces rares, menacées ou restreintes selon l’UICN, y compris l’Erismature à tête blanche (Oxyura leucocephala) et le Fuligule nyroca (Aythya nyroca).

Les premières méthodes de collecte de données dans les populations d’oiseaux étaient d’identifier manuellement les informations sur le comportement des individus par des observateurs sur le terrain. Cependant, dans certains cas, cette technique est soumise au problème de la différenciation des individus d’une même espèce. En effet, il est difficile de garantir que deux individus observés à différents moments sont identiques ou non. C’est à cet écueil que sont confrontés les spécialistes qui étudient les oiseaux. Les travaux de [McIlraith 1997] ont été parmi les premiers à appliquer la classification automatique à un grand nombre d’espèces d’oiseaux en utilisant leurs sons (cris ou chants). Au cours des dernières années, les approches de reconnaissance de formes et de la parole humaine ont été proposées pour la classification automatique des sons d’oiseaux.

Dans la majorité de ces études, les bases de données utilisées dans les expériences (par exemple des CDROM commerciaux) sont constitués d’enregistrements sonores pré-traités de différentes espèces d’oiseaux. Cependant, dans le cas réel de surveillance de l’habitat, les sons d’oiseaux sont soumis à d’innombrables bruits ambiants faussant ainsi le reconnaissance exacte de l’individu. Pour cette raison, la surveillance continue des oiseaux, utilisant des capteurs audio sans fil déployés dans leur habitat, est la solution appropriée. Compte tenu de la présence de bruit dans le monde réel, de nombreuses études sur la classification des sons des oiseaux ont pensé à tirer parti des approches de réduction du bruit existantes. Cependant, ces méthodes ne sont pas conçues pour être utilisés dans les noeuds de capteurs sans fil.

Aperçus sur l’avifaune des zones humides d’Annaba & El Taref

L’Algérie abrite une grande diversité de zones humides qui sont d’importants sites d’hivernage et de halte migratoire pendant la migration des oiseaux du Paléarctique [Boulkhssaim 2013]. L’Algérie comprend également d’importants sites de reproduction de plusieurs espèces rares, en voie de disparition ou restreintes à un biome limité comme le Goéland d’Audouin, l’Erismature à tête blanche, le Fuligule Nyroca, la Sarcelle marbrée et le Faucon d’Eléonore [Chettibi 2014]. Cependant, l’absence de données sur la répartition, l’écologie de reproduction et la tendance des populations ont rendu difficile l’élaboration de conclusions sur l’état de conservation de certaines espèces ainsi que la rédaction de plans d’action pour les espèces menacées par la pression humaine sur les zones humides algériennes.

Zones humides de la Wilaya d’Annaba

Mare Boussedra 

La mare Boussedra (36° 50’ 45″ N, 7° 43’ 47″ E) fait partie des zones humides de la Wilaya d’Annaba, commune d’El Bouni. La mare Boussedra, distante de 10 km du chef-lieu de la ville d’Annaba, s’étend sur une superficie d’environ 55 ha (en fonction de la pluviométrie) et n’est pas protégée. Depuis 2003, elle est utilisée comme décharge, perdant 30% de sa superficie jusqu’à 2011 [Paracuellos 2008] et donnant progressivement la place à des lotissements. Cette zone humide est un exemple typique de fragment des zones humides méditerranéennes [Aissaoui 2011]. Elle est un vestige d’un ancien grand complexe de zones humides autour de la ville d’Annaba. Elle est désormais intégrée dans un paysage urbain. Elle est située dans une agglomération urbaine. Elle est limitée sur toute sa partie Est par les bidonvilles (Figure 1.1.a). La rive Sud est limitée par des usines d’industries agro-alimentaire et traversée par un chemin de fer. Sur ses limites Nord et Ouest les agglomérations urbaines sont un peu plus loin (quelques dizaines de mètres).

La mare Boussedra est le site d’hivernage et de reproduction privilégié de nombreuses espèces d’oiseaux d’eau dont certaines sont menacées ou en voie de disparition dans leurs aires de répartition [Chettibi 2014]. Le Grèbe castagneux, le Grèbe Huppé, le Héron Blongios, le Crabier chevelu, le Héron garde-boeufs, le Canard colvert, le Fuligule Nyroca, l’Erismature à tête blanche, la Gallinule poule-d’eau, le Talève Sultane, le Foulque macroule et le Phragmite des joncs sont toutes des espèces nicheuses à la mare Boussedra [Samraoui 2013].

Lac Fetzara

Le lac Fetzara (36° 47’ 33″ N, 72° 29’ 11″ E) est un site Ramsar  . Il s’allonge sur 17 kilomètres d’Est en Ouest de la ville d’Annaba et sur 13 kilomètres dans sa partie la plus large (Figure 1.1.b). Le plan d’eau libre, dont l’eau douce est relativement temporaire selon l’intensité de la saison des pluies dont il dépend presque exclusivement, est généralement d’une étendue de plus de 5.800 hectares, auxquelles se rajoutent 4.000 hectares de terres inondables en saison hivernale constituant ainsi de vastes prairies humides [Medjelekh 2012]. Cette dépression reçoit des eaux en provenance des montagnes environnantes et de trois principaux oueds en l’occurrence Oued El Hout au Sud, Oued Mellah à l’Ouest et Oued Zied au Nord-Est lesquels se jettent dans l’Oued Medjouba qui se déverse au niveau de l’Oued Seybouse débouchant dans la mer Méditerranée.

Le lac Fetzara est d’une importance internationale vu qu’il abrite, habituellement, 1% de la population mondiale de Canard siffleur, de l’Oie cendrée, de Canard souchet et de Canard Chipeau en 1999 [Lazli 2011]. D’autre part, la moyenne des effectifs des oiseaux d’eau et particulièrement des Anatidés et de la Foulque macroule hivernants recensés au niveau du site dépasse habituellement 20 000 oiseaux par an. Un effectif record de 42 000 a été atteint en 1990 [Lazli 2011]. Cette zone humide, sur le plan ornithologique, était au début du 20e siècle le site de nidification et d’hivernage le plus important de l’Est. Après des travaux d’assèchement effectués durant l’époque coloniale, le lac s’est asséché durant de longues années et, de ce fait, a perdu ses qualités de site de nidification le plus important notamment pour la nidification de 12 espèces d’Anatidés, dont accidentellement, l’oie cendrée.

Zones humides de la Wilaya d’El Taref

Le Parc National d’El Kala (PNEK) (36° 52 N, 8° 27 E) situé à l’extrême NordEst algérien au niveau de la Wilaya d’El Taref, a été créé en 1983 par le décret n° 83 462, classé réserve de biosphère en 1990, regroupe neuf communes entièrement contenues dans la Wilaya d’El Taref (Figure 1.2). Cette réserve intégrale s’étend sur une superficie de 76 438 ha, soit 26% de l’espace de la Wilaya. La région est délimitée à l’est par la frontière algéro-tunisienne, au nord par la mer, à l’ouest par le Cap Rosa et au sud par les contreforts du « Jebel El Ghorra » [Bouazouni 2004]. Le PNEK est considéré comme le site le plus important pour les oiseaux d’eau nicheurs en Algérie et l’un des plus importants de la Méditerranée. Sa mission est d’assurer la conservation du patrimoine naturel précieux et doit sa renommée à ses zones humides, en lui donnant le titre du principal centre de la biodiversité en Méditerranée.

Fortement boisé (plus de 69% de sa superficie), Le PNEK s’étend sur une bande côtière de 40 km et longe la frontière tunisienne sur 98 km. Plus de 120 000 habitants vivent sur ce territoire. Cette pression humaine sur les espèces faunistiques et floristiques les rend très vulnérables. Les ressources économiques présentes sur l’espace du PNEK montrent que l’agriculture, le tourisme et la pêche demeurent les principales activités. Cependant, leur organisation dans l’espace et dans le temps laisse apparaître des incohérences défavorables à la conservation de ce milieu naturel : surpâturage, pêche non contrôlée, tourisme balnéaire non régulé et beaucoup d’activités illicites.  Le PNEK représente un réservoir de la biodiversité méditerranéenne, on y trouve 1264 espèces végétales, soit 32% de la flore algérienne et 878 espèces animales. Il renferme de nombreuses espèces rares ou menacées selon les listes UICN. Le PNEK dispose de plusieurs sites de zones humides classées par la Convention de Ramsar de 1971 et ZICO  (le marais de Mekhada, le lac des Oiseaux, le lac Oubeira et le lac Tonga), caractérisé par une grande diversité d’écosystème avec une richesse biologique inestimable .

Table des matières

Introduction générale
0.1 Contexte général du travail et problématique
0.2 Objectifs de la thèse
0.3 Principales contributions de la thèse
0.4 Organisation de la thèse
1 Aperçus sur l’avifaune des zones humides d’Annaba & El Taref
1.1 Introduction
1.2 Zones humides de la Wilaya d’Annaba
1.2.1 Mare Boussedra
1.2.2 Lac Fetzara
1.3 Zones humides de la Wilaya d’El Taref
1.3.1 Marais de Mekhada
1.3.2 Lac Tonga
1.3.3 Lac des Oiseaux
1.3.4 Oiseaux d’eau nicheurs et hivernant d’El Taref
1.4 Production sonore chez les oiseaux
1.4.1 Mécanisme de production sonore
1.4.2 Organisation et structure des sons d’oiseaux
1.4.3 Relation entre la vocalisation des oiseaux et la parole humaine
1.5 Conclusion
2 Réseaux de capteurs sans fil pour la surveillance d’habitat
2.1 Introduction
2.2 Surveillance d’habitat et collecte d’information en milieu sauvage
2.2.1 Méthode d’observation classique
2.2.2 Dispositifs mobiles
2.2.3 Dispositifs fixes
2.2.4 Comparaison
2.3 Réseaux de capteurs sans fil (RCSF)
2.3.1 Qu’est-ce qu’un nœud-capteur
2.3.2 Architecture d’un RCSF
2.3.3 Exemples d’applications des RCSF
2.3.4 Contraintes de conceptions des RCSF
2.3.5 Systèmes basés sur les RCSF pour la surveillance d’habitat
2.4 Reconnaissance automatique des sons d’oiseaux
2.4.1 Segmentation
2.4.2 Caractérisation acoustique
2.4.3 Classification
2.5 Conclusion
3 Méthodologie
3.1 Introduction
3.2 Problématique
3.2.1 Bruit d’environnement
3.2.2 Atténuation de la puissance du signal sonore
3.2.3 Capacité énergétique des nœuds-capteurs sans fil
3.3 Méthodologie adoptée
3.3.1 Segmentation
3.3.2 Extraction des caractéristiques
3.3.3 Réduction du bruit
3.3.4 Classification
3.4 Conclusion
4 Résultats et expérimentations
4.1 Introduction
4.2 Base de données et paramètres de configuration
4.3 Résultats et discussion
4.3.1 Performance des méthodes de segmentation proposées
4.3.2 Performances de classification
4.3.3 Complexité calculatoire
4.4 Expérimentations et implémentation en temps réel
4.4.1 Définition du TMS320C6713 DSP
4.4.2 Programmation du TMS320C6713 DSP
4.5 Conclusion
5 Conclusions

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