Advancement of methods for passive acoustic monitoring : a framework for the study of deep-diving cetacean

Marine mammals face numerous anthropogenic threats, including fisheries interactions, ocean noise, ship strikes, and marine debris. Monitoring the negative impact on marine mammals through the assessment of population trends requires information about population size, spatiotemporal distribution, population structure, and animal behavior. Passive acoustic monitoring has become a viable method for gathering long-term data on highly mobile and notoriously cryptic marine mammals. However, passive acoustic monitoring still faces major challenges requiring further development of robust analysis tools, especially as it becomes increasingly used in applied conservation for long-term and large-scale studies of endangered or data deficient species such as sperm or beaked whales. Further challenges lie in the translation of animal presence into quantitative population density estimates since methods must control for variation in acoustic detectability of the target species, environmental factors, and for species-specific vocalization rates. The main contribution of this thesis is the advancement of the framework for long-term quantitative monitoring of cetacean species, applied to deep-divers like sperm and beaked whales. Fully-automated methods were developed and implemented to different populations of beaked whales in different conditions. This provided insight into generalization capabilities of these automatic techniques and best practices. However, implementing these tool kits is not always practical, and alternative methods for additional data processing were developed to expeditiously serve multiple purposes including annotation of individual sounds, evaluation of data in order to provide a highly dynamic technique, and classification for quantitative monitoring studies. This work also presents the longest time series of sperm whale presence using passive acoustic monitoring for over seven years in the Gulf of Mexico. Echolocation clicks were detected and discriminated from other sounds to understand the spatiotemporal distribution and structure of the population. A series of steps were implemented to provide adequate parameters and characteristics of the target population for density estimation using an echolocation click-based method. This allowed for the study of the Gulf of Mexico’s sperm whale population, providing significant progress towards the understanding of the population structure, distribution, and trends, in addition to potential long-term impacts of the well-known catastrophic Deepwater Horizon oil spill and other anthropogenic activities. The emergence of innovative approaches for detecting the presence of marine mammals and documenting human interactions can provide insight into ecosystem change. These species can be used as sentinels of ocean health to ensure the conservation of their marine environment into the next epoch.Els mamífers marins s'enfronten a nombroses amenaces antropogèniques, incloses les interaccions pesqueres, la contaminació acústica als oceans, les coalicions amb vaixells i els residus marins. El seguiment de l'impacte d’aquestes amenaces en els mamífers marins mitjançant l'avaluació de les tendències poblacionals requereix informació sobre la mida i l’estructura poblacional, la distribució espaciotemporal i el comportament dels animals. El seguiment amb sistemes d’acústica passiva s'ha convertit en un mètode viable per recollir dades a llarg termini de mamífers marins altament mòbils i críptics. Tanmateix, el seguiment acústic passiu encara ha d’afrontar reptes importants en el desenvolupament d'eines d'anàlisi robustes, especialment de cara al recent increment en el seu ús en la conservació aplicada a seguiments a llarg termini i a gran escala d'espècies en perill d'extinció o amb dades insuficients com ara el catxalot o els zífids. Altres reptes són traduir la presència d’animals a estimacions quantitatives de densitat poblacional, degut a que els mètodes han de controlar la variabilitat en la detecció acústica de les espècies en qüestió, els factors ambientals i les freqüències de vocalització específiques de cada espècie. La principal contribució d'aquesta tesi és l'avanç en els mètodes de seguiment quantitatiu a llarg termini de les espècies de cetacis, aplicat a espècies que viuen a grans profunditats com el catxalot i els zífids. Durant aquesta tesi, s’han desenvolupat i aplicat mètodes totalment automatitzats per detectar zífids de diferents poblacions i en diferents condicions. Aquests mètodes han proporcionat informació sobre la capacitat de generalització d'aquestes tècniques automàtiques i han permès fer recomanacions de bones pràctiques. Tanmateix, degut a que la implementació d’aquestes eines no és sempre pràctic, s’han desenvolupat mètodes per al processament de dades de forma expeditiva, que tenen diversos propòsits, que inclouen l’anotació de sons individuals, l’avaluació de dades per proporcionar una tècnica més dinàmica i la classificació per a estudis de seguiment quantitatiu. Aquest treball també presenta la sèrie temporal més llarga documentada de la presència de catxalots obtinguda mitjançant tècniques de seguiment acústic passiu durant més de set anys al Golf de Mèxic. S’han detectat i discriminat les senyals d'ecolocalització d'altres sons per tal de comprendre la distribució i l'estructura espaciotemporal d’aquesta població de catxalots. S’han implementat una sèrie de passos per proporcionar paràmetres i característiques de la població amb l’objectiu d'estimar la densitat mitjançant un mètode basat en senyals d’ecolocalització. Aquesta implementació ha permès l'estudi de la població de catxalots del Golf de Mèxic i ha suposat un progrés significatiu per la comprensió de l'estructura, la distribució i les tendències poblacionals, així com dels potencials impactes a llarg termini del catastròfic vessament de petroli de la plataforma Deepwater Horizon i altres activitats antropogèniques.Postprint (published version

Advancement of methods for passive acoustic monitoring : a framework for the study of deep-diving cetacean

Marine mammals face numerous anthropogenic threats, including fisheries interactions, ocean noise, ship strikes, and marine debris. Monitoring the negative impact on marine mammals through the assessment of population trends requires information about population size, spatiotemporal distribution, population structure, and animal behavior. Passive acoustic monitoring has become a viable method for gathering long-term data on highly mobile and notoriously cryptic marine mammals. However, passive acoustic monitoring still faces major challenges requiring further development of robust analysis tools, especially as it becomes increasingly used in applied conservation for long-term and large-scale studies of endangered or data deficient species such as sperm or beaked whales. Further challenges lie in the translation of animal presence into quantitative population density estimates since methods must control for variation in acoustic detectability of the target species, environmental factors, and for species-specific vocalization rates. The main contribution of this thesis is the advancement of the framework for long-term quantitative monitoring of cetacean species, applied to deep-divers like sperm and beaked whales. Fully-automated methods were developed and implemented to different populations of beaked whales in different conditions. This provided insight into generalization capabilities of these automatic techniques and best practices. However, implementing these tool kits is not always practical, and alternative methods for additional data processing were developed to expeditiously serve multiple purposes including annotation of individual sounds, evaluation of data in order to provide a highly dynamic technique, and classification for quantitative monitoring studies. This work also presents the longest time series of sperm whale presence using passive acoustic monitoring for over seven years in the Gulf of Mexico. Echolocation clicks were detected and discriminated from other sounds to understand the spatiotemporal distribution and structure of the population. A series of steps were implemented to provide adequate parameters and characteristics of the target population for density estimation using an echolocation click-based method. This allowed for the study of the Gulf of Mexico’s sperm whale population, providing significant progress towards the understanding of the population structure, distribution, and trends, in addition to potential long-term impacts of the well-known catastrophic Deepwater Horizon oil spill and other anthropogenic activities. The emergence of innovative approaches for detecting the presence of marine mammals and documenting human interactions can provide insight into ecosystem change. These species can be used as sentinels of ocean health to ensure the conservation of their marine environment into the next epoch.Els mamífers marins s'enfronten a nombroses amenaces antropogèniques, incloses les interaccions pesqueres, la contaminació acústica als oceans, les coalicions amb vaixells i els residus marins. El seguiment de l'impacte d’aquestes amenaces en els mamífers marins mitjançant l'avaluació de les tendències poblacionals requereix informació sobre la mida i l’estructura poblacional, la distribució espaciotemporal i el comportament dels animals. El seguiment amb sistemes d’acústica passiva s'ha convertit en un mètode viable per recollir dades a llarg termini de mamífers marins altament mòbils i críptics. Tanmateix, el seguiment acústic passiu encara ha d’afrontar reptes importants en el desenvolupament d'eines d'anàlisi robustes, especialment de cara al recent increment en el seu ús en la conservació aplicada a seguiments a llarg termini i a gran escala d'espècies en perill d'extinció o amb dades insuficients com ara el catxalot o els zífids. Altres reptes són traduir la presència d’animals a estimacions quantitatives de densitat poblacional, degut a que els mètodes han de controlar la variabilitat en la detecció acústica de les espècies en qüestió, els factors ambientals i les freqüències de vocalització específiques de cada espècie. La principal contribució d'aquesta tesi és l'avanç en els mètodes de seguiment quantitatiu a llarg termini de les espècies de cetacis, aplicat a espècies que viuen a grans profunditats com el catxalot i els zífids. Durant aquesta tesi, s’han desenvolupat i aplicat mètodes totalment automatitzats per detectar zífids de diferents poblacions i en diferents condicions. Aquests mètodes han proporcionat informació sobre la capacitat de generalització d'aquestes tècniques automàtiques i han permès fer recomanacions de bones pràctiques. Tanmateix, degut a que la implementació d’aquestes eines no és sempre pràctic, s’han desenvolupat mètodes per al processament de dades de forma expeditiva, que tenen diversos propòsits, que inclouen l’anotació de sons individuals, l’avaluació de dades per proporcionar una tècnica més dinàmica i la classificació per a estudis de seguiment quantitatiu. Aquest treball també presenta la sèrie temporal més llarga documentada de la presència de catxalots obtinguda mitjançant tècniques de seguiment acústic passiu durant més de set anys al Golf de Mèxic. S’han detectat i discriminat les senyals d'ecolocalització d'altres sons per tal de comprendre la distribució i l'estructura espaciotemporal d’aquesta població de catxalots. S’han implementat una sèrie de passos per proporcionar paràmetres i característiques de la població amb l’objectiu d'estimar la densitat mitjançant un mètode basat en senyals d’ecolocalització. Aquesta implementació ha permès l'estudi de la població de catxalots del Golf de Mèxic i ha suposat un progrés significatiu per la comprensió de l'estructura, la distribució i les tendències poblacionals, així com dels potencials impactes a llarg termini del catastròfic vessament de petroli de la plataforma Deepwater Horizon i altres activitats antropogèniques

Acoustics in water: synergies with marine biology

This paper presents some of the bioacoustics related analysis that was performed on the ANTARES data, focussing on the year 2014. The data was processed for sperm whale, dolphin and shipping presence and grouped by hour of the day. It seemed that dolphins were more socially active during the day and foraging during the night. Sperm whales were mostly foraging during the day, but they may have been moving to other areas during the night. The most intense shipping noise came from a ferry that passed the platform twice a day. Although beaked whales were expected to be present in the area, so far their biosonar signal has not been conclusively found.Postprint (published version

Spatio-Temporal Patterns of Beaked Whale Echolocation Signals in the North Pacific

Postprint (author's final draft

Spatio-temporal patterns of beaked whale echolocation signals in the North Pacific.

At least ten species of beaked whales inhabit the North Pacific, but little is known about their abundance, ecology, and behavior, as they are elusive and difficult to distinguish visually at sea. Six of these species produce known species-specific frequency modulated (FM) echolocation pulses: Baird's, Blainville's, Cuvier's, Deraniyagala's, Longman's, and Stejneger's beaked whales. Additionally, one described FM pulse (BWC) from Cross Seamount, Hawai'i, and three unknown FM pulse types (BW40, BW43, BW70) have been identified from almost 11 cumulative years of autonomous recordings at 24 sites throughout the North Pacific. Most sites had a dominant FM pulse type with other types being either absent or limited. There was not a strong seasonal influence on the occurrence of these signals at any site, but longer time series may reveal smaller, consistent fluctuations. Only the species producing BWC signals, detected throughout the Pacific Islands region, consistently showed a diel cycle with nocturnal foraging. By comparing stranding and sighting information with acoustic findings, we hypothesize that BWC signals are produced by ginkgo-toothed beaked whales. BW43 signal encounters were restricted to Southern California and may be produced by Perrin's beaked whale, known only from Californian waters. BW70 signals were detected in the southern Gulf of California, which is prime habitat for Pygmy beaked whales. Hubb's beaked whale may have produced the BW40 signals encountered off central and southern California; however, these signals were also recorded off Pearl and Hermes Reef and Wake Atoll, which are well south of their known range

Advancement of methods for passive acoustic monitoring : a framework for the study of deep-diving cetacean

Marine mammals face numerous anthropogenic threats, including fisheries interactions, ocean noise, ship strikes, and marine debris. Monitoring the negative impact on marine mammals through the assessment of population trends requires information about population size, spatiotemporal distribution, population structure, and animal behavior. Passive acoustic monitoring has become a viable method for gathering long-term data on highly mobile and notoriously cryptic marine mammals. However, passive acoustic monitoring still faces major challenges requiring further development of robust analysis tools, especially as it becomes increasingly used in applied conservation for long-term and large-scale studies of endangered or data deficient species such as sperm or beaked whales. Further challenges lie in the translation of animal presence into quantitative population density estimates since methods must control for variation in acoustic detectability of the target species, environmental factors, and for species-specific vocalization rates. The main contribution of this thesis is the advancement of the framework for long-term quantitative monitoring of cetacean species, applied to deep-divers like sperm and beaked whales. Fully-automated methods were developed and implemented to different populations of beaked whales in different conditions. This provided insight into generalization capabilities of these automatic techniques and best practices. However, implementing these tool kits is not always practical, and alternative methods for additional data processing were developed to expeditiously serve multiple purposes including annotation of individual sounds, evaluation of data in order to provide a highly dynamic technique, and classification for quantitative monitoring studies. This work also presents the longest time series of sperm whale presence using passive acoustic monitoring for over seven years in the Gulf of Mexico. Echolocation clicks were detected and discriminated from other sounds to understand the spatiotemporal distribution and structure of the population. A series of steps were implemented to provide adequate parameters and characteristics of the target population for density estimation using an echolocation click-based method. This allowed for the study of the Gulf of Mexico’s sperm whale population, providing significant progress towards the understanding of the population structure, distribution, and trends, in addition to potential long-term impacts of the well-known catastrophic Deepwater Horizon oil spill and other anthropogenic activities. The emergence of innovative approaches for detecting the presence of marine mammals and documenting human interactions can provide insight into ecosystem change. These species can be used as sentinels of ocean health to ensure the conservation of their marine environment into the next epoch.Els mamífers marins s'enfronten a nombroses amenaces antropogèniques, incloses les interaccions pesqueres, la contaminació acústica als oceans, les coalicions amb vaixells i els residus marins. El seguiment de l'impacte d’aquestes amenaces en els mamífers marins mitjançant l'avaluació de les tendències poblacionals requereix informació sobre la mida i l’estructura poblacional, la distribució espaciotemporal i el comportament dels animals. El seguiment amb sistemes d’acústica passiva s'ha convertit en un mètode viable per recollir dades a llarg termini de mamífers marins altament mòbils i críptics. Tanmateix, el seguiment acústic passiu encara ha d’afrontar reptes importants en el desenvolupament d'eines d'anàlisi robustes, especialment de cara al recent increment en el seu ús en la conservació aplicada a seguiments a llarg termini i a gran escala d'espècies en perill d'extinció o amb dades insuficients com ara el catxalot o els zífids. Altres reptes són traduir la presència d’animals a estimacions quantitatives de densitat poblacional, degut a que els mètodes han de controlar la variabilitat en la detecció acústica de les espècies en qüestió, els factors ambientals i les freqüències de vocalització específiques de cada espècie. La principal contribució d'aquesta tesi és l'avanç en els mètodes de seguiment quantitatiu a llarg termini de les espècies de cetacis, aplicat a espècies que viuen a grans profunditats com el catxalot i els zífids. Durant aquesta tesi, s’han desenvolupat i aplicat mètodes totalment automatitzats per detectar zífids de diferents poblacions i en diferents condicions. Aquests mètodes han proporcionat informació sobre la capacitat de generalització d'aquestes tècniques automàtiques i han permès fer recomanacions de bones pràctiques. Tanmateix, degut a que la implementació d’aquestes eines no és sempre pràctic, s’han desenvolupat mètodes per al processament de dades de forma expeditiva, que tenen diversos propòsits, que inclouen l’anotació de sons individuals, l’avaluació de dades per proporcionar una tècnica més dinàmica i la classificació per a estudis de seguiment quantitatiu. Aquest treball també presenta la sèrie temporal més llarga documentada de la presència de catxalots obtinguda mitjançant tècniques de seguiment acústic passiu durant més de set anys al Golf de Mèxic. S’han detectat i discriminat les senyals d'ecolocalització d'altres sons per tal de comprendre la distribució i l'estructura espaciotemporal d’aquesta població de catxalots. S’han implementat una sèrie de passos per proporcionar paràmetres i característiques de la població amb l’objectiu d'estimar la densitat mitjançant un mètode basat en senyals d’ecolocalització. Aquesta implementació ha permès l'estudi de la població de catxalots del Golf de Mèxic i ha suposat un progrés significatiu per la comprensió de l'estructura, la distribució i les tendències poblacionals, així com dels potencials impactes a llarg termini del catastròfic vessament de petroli de la plataforma Deepwater Horizon i altres activitats antropogèniques

Advancement of methods for passive acoustic monitoring : a framework for the study of deep-diving cetacean

Marine mammals face numerous anthropogenic threats, including fisheries interactions, ocean noise, ship strikes, and marine debris. Monitoring the negative impact on marine mammals through the assessment of population trends requires information about population size, spatiotemporal distribution, population structure, and animal behavior. Passive acoustic monitoring has become a viable method for gathering long-term data on highly mobile and notoriously cryptic marine mammals. However, passive acoustic monitoring still faces major challenges requiring further development of robust analysis tools, especially as it becomes increasingly used in applied conservation for long-term and large-scale studies of endangered or data deficient species such as sperm or beaked whales. Further challenges lie in the translation of animal presence into quantitative population density estimates since methods must control for variation in acoustic detectability of the target species, environmental factors, and for species-specific vocalization rates. The main contribution of this thesis is the advancement of the framework for long-term quantitative monitoring of cetacean species, applied to deep-divers like sperm and beaked whales. Fully-automated methods were developed and implemented to different populations of beaked whales in different conditions. This provided insight into generalization capabilities of these automatic techniques and best practices. However, implementing these tool kits is not always practical, and alternative methods for additional data processing were developed to expeditiously serve multiple purposes including annotation of individual sounds, evaluation of data in order to provide a highly dynamic technique, and classification for quantitative monitoring studies. This work also presents the longest time series of sperm whale presence using passive acoustic monitoring for over seven years in the Gulf of Mexico. Echolocation clicks were detected and discriminated from other sounds to understand the spatiotemporal distribution and structure of the population. A series of steps were implemented to provide adequate parameters and characteristics of the target population for density estimation using an echolocation click-based method. This allowed for the study of the Gulf of Mexico’s sperm whale population, providing significant progress towards the understanding of the population structure, distribution, and trends, in addition to potential long-term impacts of the well-known catastrophic Deepwater Horizon oil spill and other anthropogenic activities. The emergence of innovative approaches for detecting the presence of marine mammals and documenting human interactions can provide insight into ecosystem change. These species can be used as sentinels of ocean health to ensure the conservation of their marine environment into the next epoch.Els mamífers marins s'enfronten a nombroses amenaces antropogèniques, incloses les interaccions pesqueres, la contaminació acústica als oceans, les coalicions amb vaixells i els residus marins. El seguiment de l'impacte d’aquestes amenaces en els mamífers marins mitjançant l'avaluació de les tendències poblacionals requereix informació sobre la mida i l’estructura poblacional, la distribució espaciotemporal i el comportament dels animals. El seguiment amb sistemes d’acústica passiva s'ha convertit en un mètode viable per recollir dades a llarg termini de mamífers marins altament mòbils i críptics. Tanmateix, el seguiment acústic passiu encara ha d’afrontar reptes importants en el desenvolupament d'eines d'anàlisi robustes, especialment de cara al recent increment en el seu ús en la conservació aplicada a seguiments a llarg termini i a gran escala d'espècies en perill d'extinció o amb dades insuficients com ara el catxalot o els zífids. Altres reptes són traduir la presència d’animals a estimacions quantitatives de densitat poblacional, degut a que els mètodes han de controlar la variabilitat en la detecció acústica de les espècies en qüestió, els factors ambientals i les freqüències de vocalització específiques de cada espècie. La principal contribució d'aquesta tesi és l'avanç en els mètodes de seguiment quantitatiu a llarg termini de les espècies de cetacis, aplicat a espècies que viuen a grans profunditats com el catxalot i els zífids. Durant aquesta tesi, s’han desenvolupat i aplicat mètodes totalment automatitzats per detectar zífids de diferents poblacions i en diferents condicions. Aquests mètodes han proporcionat informació sobre la capacitat de generalització d'aquestes tècniques automàtiques i han permès fer recomanacions de bones pràctiques. Tanmateix, degut a que la implementació d’aquestes eines no és sempre pràctic, s’han desenvolupat mètodes per al processament de dades de forma expeditiva, que tenen diversos propòsits, que inclouen l’anotació de sons individuals, l’avaluació de dades per proporcionar una tècnica més dinàmica i la classificació per a estudis de seguiment quantitatiu. Aquest treball també presenta la sèrie temporal més llarga documentada de la presència de catxalots obtinguda mitjançant tècniques de seguiment acústic passiu durant més de set anys al Golf de Mèxic. S’han detectat i discriminat les senyals d'ecolocalització d'altres sons per tal de comprendre la distribució i l'estructura espaciotemporal d’aquesta població de catxalots. S’han implementat una sèrie de passos per proporcionar paràmetres i característiques de la població amb l’objectiu d'estimar la densitat mitjançant un mètode basat en senyals d’ecolocalització. Aquesta implementació ha permès l'estudi de la població de catxalots del Golf de Mèxic i ha suposat un progrés significatiu per la comprensió de l'estructura, la distribució i les tendències poblacionals, així com dels potencials impactes a llarg termini del catastròfic vessament de petroli de la plataforma Deepwater Horizon i altres activitats antropogèniques

Echolocation repetition rate as a proxy to monitor population structure and dynamics of sperm whales

Abstract Characterizing population structure and dynamics is critical for the conservation of endangered species. Monitoring sperm whales Physeter macrocephalus is especially difficult because it requires monitoring different latitudes to capture the dynamics of most populations. Since their remarkable sexual dimorphism in body size is reflected in their sounds, passive acoustic monitoring presents an opportunity to capture contiguous patterns in time, space, and over large scales. We show that the echolocation repetition rate (measured as inter‐click interval, ICI) as a proxy for body length is a suitable approach for large‐scale acoustic monitoring. Body length has previously been estimated from the time interval between pulses (IPI) within sperm whale echolocation clicks. These estimates can only be achieved when whales are oriented toward the recorder or directly facing away, resulting in sparse data. A representative subsample of data demonstrated that ICI and IPI are linearly correlated, allowing conversion of ICI distributions into likely body length categories. This approach was applied to three monitoring sites in the Gulf of Mexico (2010–2017), where sperm whale population structure and male movements were poorly understood. We identified three classes: large animals between 12–15 m (ICI between 0.72 and 1 sec), presumed to correspond to adult males, and small animals below 12 m (ICI between 0.44 and 0.64 sec) likely pertaining to social groups (mixed groups with adult females and their offspring), and the third class with mid‐sized animals (ICI between 0.64 and 0.83 sec) believed to contain adult females or sub‐adult males. Our results revealed spatial and seasonal variability of the population structure including possible male presence throughout the year and migratory patterns of the population. This approach provides a means to efficiently characterize the putative population structure of sperm whales to understand the population's geographical dynamics and population status, which is relevant under rapidly changing habitat conditions