Evaluation of Deep Species Distribution Models using Environment and Co-occurrences

International audienceThis paper presents an evaluation of several approaches of plantsspecies distribution modeling based on spatial, environmental and co-occurrences data using machine learning methods. In particular, we re-evaluate the environmental convolutional neural network model that ob-tained the best performance of the GeoLifeCLEF 2018 challenge but on arevised dataset that fixes some of the issues of the previous one. We alsogo deeper in the analysis of co-occurrences information by evaluating anew model that jointly takes environmental variables and co-occurrencesas inputs of an end-to-end network. Results show that the environmentalmodels are the best performing methods and that there is a significantamount of complementary information between co-occurrences and envi-ronment. Indeed, the model learned on both inputs allows a significant performance gain compared to the environmental model alone

Modeling macroalgal forest distribution at Mediterranean scale : present status, drivers of changes and insights for conservation and management

Macroalgal forests are one of the most productive and valuable marine ecosystems, but yet strongly exposed to fragmentation and loss. Detailed large-scale information on their distribution is largely lacking, hindering conservation initiatives. In this study, a systematic effort to combine spatial data on Cystoseira C. Agardh canopies (Fucales, Phaeophyta) was carried out to develop a Habitat Suitability Model (HSM) at Mediterranean scale, providing critical tools to improve site prioritization for their management, restoration and protection. A georeferenced database on the occurrence of 20 Cystoseira species was produced collecting all the available information from published and grey literature, web data portals and co-authors personal data. Data were associated to 55 predictor variable layers in the (ASCII) raster format and were used in order to develop the HSM by means of a Random Forest, a very effective Machine Learning technique. Knowledge about the distribution of Cystoseira canopies was available for about the 14% of the Mediterranean coastline. Absence data were available only for the 2% of the basin. Despite these gaps, our HSM showed high accuracy levels in reproducing Cystoseira distribution so that the first continuous maps of the habitat across the entire basin was produced. Misclassification errors mainly occurred in the eastern and southern part of the basin, where large gaps of knowledge emerged. The most relevant drivers were the geomorphological ones, followed by anthropogenic variables proxies of pollution and urbanization. Our model shows the importance of data sharing to combine a large number of spatial and environmental data, allowing to individuate areas with high probability of Cystoseira occurrence as suitable for its presence. This approach encourages the use of this modeling tool for the prediction of Cystoseira distribution and for supporting and planning conservation and management initiatives. The step forward is to refine the spatial information of presence-absence data about Cystoseira canopies and of environmental predictors in order to address species-specific assessments.peer-reviewe

Location-Based Plant Species Prediction Using A CNN Model Trained On Several Kingdoms - Best Method Of GeoLifeCLEF 2019 Challenge

International audienceThis technical report describes the model that achieved the best performance of the GeoLifeCLEF challenge, the objective of which was to evaluate methods for plant species prediction based on their geographical location. Our method is based on an adaptation of the Inception v3 architecture initially dedicated to the classification of RGB images. We modified the input layer of this architecture so as to process the spatialized environmental tensors as images with 77 distinct channels. Using this architecture, we did train several models that mainly differed in the used training data and in the predicted output classes. One of the main objective, in particular, was to compare the performance of a model trained with plant occurrences only to that obtained with a model trained on all available occurrences, including the species of other kingdoms. Our results show that the global model performs consistently better than the plant-specific model. This suggests that the convolutional neural network is able to capture some inter-dependencies among all species and that this information significantly improves the generalisation capacity of the model for any species

Análise de redes da paisagem submarina de canhão : implicações para o planeamento e gestão da biodiversidade

Submarine canyons are complex and heterogeneous geomorphologic structures highly relevant for the biodiversity and productivity of continental margins. These marine ecosystems play a key role providing invaluable goods and services for human well-being but are also increasingly subjected to the effects of anthropogenic pressure and climate change. The natural isolation of canyons may act synergistically with these changes with implications for population connectivity and the maintenance of biodiversity. The understanding of the causes and ecological consequences of such changes requires holistic and interdisciplinary approaches. I mapped the landscape of submarine canyon research based on a comprehensive bibliographic data set and using data mining techniques and network analysis. The existing knowledge clusters, historical trends, emergent topics and knowledge gaps in canyon research were identified and characterized. Topics such as “Geology & Geophysics”, “Oceanographic Processes” and “Biology & Ecology” were among the most studied while, for instance, “Biogeochemistry” and ecological modelling were among the less explored. Topics regarding anthropogenic impacts and climate-driven processes were only detected on publication of the last decade. The knowledge network reflects a latent interdisciplinarity in canyon research that developed mostly in the new millennium, supported by a well implemented and international collaboration network. The research efforts have been mainly directed towards only a few canyon systems and a thematic bias was identified, with specific topics addressed preferentially in particular canyons. This spatial and thematic bias, together with the paucity of truly inter-disciplinary studies, may be the most important limitation to the integrated knowledge and development of canyon research and hinders a global, more comprehensive understanding of canyon patterns and processes. The scientific landscape mapping and the complementary results are made available online as an open and interactive platform. In order to assess the importance of submarine canyons for the conservation and management on the deep sea, a study area and a modelling species were selected: the Mediterranean Sea and Lophelia pertusa, a cold-water coral species. The Mediterranean Sea encompasses several submarine canyon systems and L. pertusa is an ecosystem engineering species that occurs frequently in these geomorphological features and provides refuge, nursery grounds and physical support for a remarkable diversity of other life forms. Considering that the distribution of L. pertusa in the Mediterranean Sea is probably underestimated and that this information is crucial to assess the relevance of canyons in the Mediterranean seascape, I estimated the habitat suitability and draw uncertainty maps for this region based on environmental predictors and an ensemble approach of three machine-learning algorithms. The results suggest that in the Mediterranean Sea, L. pertusa encounters environmental settings close to its physiological limits but, despite the highly variable quality of the seascape, submarine canyons were identified as high suitability areas, especially across the Western and Central Mediterranean margins. In addition to the environmental suitability, the ecosystem connectivity determines the species distribution, the metapopulation dynamics and population resilience. I simulated the transport of L. pertusa larvae in the Mediterranean Sea using a biophysical model to estimate their potential dispersal as well as a network analysis to evaluate the habitat availability based on parameters such as suitability, spatial configuration of the seascape and the oceanographic conditions variability. The results suggest that connectivity among Mediterranean ecoregions is weak and that the intensification of climate-driven events (e.g., dense shelf water cascading) may worsen this scenario. However, the potential exchange of larvae between colonies within the same ecoregion was significant, favoring population resilience to local disturbances. Habitat areas with high quality and larval flux were identified as a priority for the conservation of L. pertusa, and subsequently also for their associated fauna. Once again, I showed that habitat areas on submarine canyons may play an important role in the connectivity of L. pertusa Mediterranean populations. However, these habitat areas are subjected to intense anthropogenic pressures, which allied to the effects of climate change, may impose greater challenges to their conservation. Apart from three French marine protected areas in the Gulf of Lion, the development of conservation efforts considering submarine canyon in the Mediterranean Sea is negligible. The knowledge produced in this thesis provides scientific evidence to support decision-making in conservation and planning of marine protected areas networks in the Mediterranean Sea and illustrates the relevance of submarine canyon for the management and conservation of deep-sea biodiversity.Os canhões submarinos são estruturas geomorfológicas complexas localizadas nas margens continentais. São reconhecidos como zonas importantes de biodiversidade no mar profundo onde os níveis de produtividade biológica são de modo geral superiores às áreas adjacentes. Estes ecossistemas marinhos desempenham um papel fundamental na prestação de bens e serviços essenciais ao bem-estar humano. Não obstante, estes ecossistemas estão cada vez mais sujeitos a efeitos nefastos que advêm de ações diretas das atividades humanas, mas também, resultantes de alterações climáticas. O isolamento natural dos canhões submarinos em conjunto com estas mudanças, pode ter implicações para a conectividade das populações biológicas que os habitam, bem como para a manutenção da biodiversidade associada. Avaliar as causas e efeitos ecológicos de tais mudanças só será possível através de uma abordagem holística e interdisciplinar. Partindo de uma base de dados bibliográfica abrangente de publicações dedicadas ao estudo de canhões submarinos, usei técnicas de data mining e de análise de redes para mapear o conhecimento reunido até agora. Foram identificados clusters de conhecimento, a evolução histórica da investigação em canhões submarinos, bem como, os tópicos emergentes e lacunas no conhecimento sobre estas estruturas. Os tópicos mais desenvolvidos dizem respeito a áreas associadas à “Geologia e Geofísica”, “Processos Oceanográficos” e “Biologia e Ecologia”. Por outro lado, temas como “Biogeoquímica” e modelação ecológica estão entre os menos explorados. Estudos referentes a impactos antropogénicos nestes ecossistemas e alterações induzidas por processos climáticos foram detetados apenas em publicação datadas da última década. A rede de tópicos gerada reflete uma interdisciplinaridade latente na investigação associada a canhões que se desenvolveu principalmente durante o século XXI, apoiada por colaborações internacionais da comunidade científica. No entanto, a investigação científica em canhões submarinos apresenta uma tendência clara direccionada para determinados temas e áreas geográficas. Tópicos específicos são abordados preferencialmente em determinados canhões, enquanto que um número muito pequeno destas estruturas concentra a maior parte dos trabalhos desenvolvidos. Este resultado juntamente com o número reduzido de estudos interdisciplinares, foi a mais importante limitação detetada que poderá dificultar a integração do conhecimento já reunido sobre estas estruturas, impedido uma compreensão mais abrangente dos padrões e processos associados aos canhões submarinos. Os resultados alcançados foram disponibilizados numa plataforma online aberta para exploração interativa e direcionada dos conteúdos. No sentido de avaliar a importância dos canhões para a conservação e gestão da biodiversidade no mar profundo, foi definida como área de estudo o Mar Mediterrâneo e selecionada como espécie modelo, um coral de água fria: Lophelia pertusa. O Mar Mediterrâneo engloba vários sistemas de canhões submarinos enquanto que L. pertusa é uma espécie engenheira de ecossistemas que cria refúgio, áreas de berçário e habitat para uma panóplia de outras espécies, ocorrendo frequentemente em canhões. Uma vez que a distribuição de L. pertusa no Mar Mediterrâneo está provavelmente subestimada e que esta informação é fundamental para avaliar a relevância dos canhões na área de estudo, desenvolvi um modelo de nicho ecológico baseado em variáveis ambientais e uma abordagem conjunta de três algoritmos. Os resultados obtidos foram mapas de adequação ambiental, bem como, de avaliação da capacidade de previsão do modelo. Os resultados sugerem que no mar Mediterrâneo, esta espécie de coral encontra condições ambientais próximas dos seus limites fisiológicos. Apesar disso, áreas com condições favoráveis à ocorrência de L. pertusa foram detetadas em canhões submarinos, principalmente no Mediterrâneo Ocidental e Central. A par da qualidade dos habitats, a distribuição dos organismos, a dinâmica metapopulacional e a resiliência das populações a perturbações estão fortemente relacionadas com a conectividade dos ecossistemas. Neste contexto, simulei o transporte de larvas de L. pertusa no Mar Mediterrâneo usando um modelo biofísico para estimar o seu potencial de dispersão. Com os resultados do modelo e usando análises de rede, avaliei a disponibilidade de habitat com base em parâmetros como a qualidade, configuração espacial da paisagem marinha e variabilidade oceanográfica. Os resultados sugerem que a conectividade entre as eco-regiões do Mar Mediterrâneo é baixa e que a intensificação de eventos impulsionados por condições climáticas (por exemplo, dense shelf water cascading) pode agravar este cenário. No entanto, a potencial troca de larvas entre colónias dentro da mesma eco-região foi significativa, podendo favorecer a resiliência das populações a perturbações locais. Áreas de habitat com boa qualidade e com fluxo de larvas foram identificadas como prioritárias para a conservação de L. pertusa, com benefícios eventuais também para a fauna associada a este coral. Mais uma vez, áreas de habitat incluídas em canhões submarinos foram identificadas como as mais relevantes no Mar Mediterrâneo, devendo desempenhar um papel importante na conectividade de populações desta espécie. Contudo, estas áreas estão igualmente sujeitas de forma intensa a atividades humanas com efeitos prejudiciais nos ecossistemas, e que, aliadas aos efeitos das alterações climáticas, podem dificultar a implementação de medidas de conservação eficazes. Com a exceção de três áreas marinhas protegidas francesas no Golfo do Leão, o desenvolvimento de esforços de conservação no Mar Mediterrâneo que incluam áreas com canhões submarinos é ainda negligenciável. Os resultados apresentados nesta tese fornecem evidências científicas que poderão apoiar medidas de conservação e gestão com vista à criação de redes de áreas marinhas protegidas no Mar Mediterrâneo. Neste sentido, proponho os canhões submarinos como áreas prioritárias para a conservação da biodiversidade de mar profundo na área de estudo.PEst-C/MAR/LA0017/2013 e UID/AMB/50017/2013Programa Doutoral em Biologia e Ecologia das Alterações Globai