The combined use of remote sensing and spatial modelling for animal movement - Application to the study of wildlife/livestock contacts and the risk of pathogen transmission in Southern Africa

Rumiano Florent. 2021. The combined use of remote sensing and spatial modelling for animal movement - Application to the study of wildlife/livestock contacts and the risk of pathogen transmission in Southern Africa. Montpellier : Université de Montpellier, 277 p. Thèse de doctorat : Ecologie : Université de Montpellier

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Titre français : L'utilisation combinée de la télédétection et de la modélisation spatiale pour la mobilité animale : application à l'étude des contacts entre espèces animales sauvages et domestiquées afin d'appréhender le risque de transmission de pathogènes en Afrique Australe

Encadrement : Tran, Annelise ; Caron, Alexandre

Résumé : Interface areas in Southern Africa that consist of communal lands located at the edge of protected areas face a growing number of human/wildlife coexistence related issues and among them, the risk of pathogen transmission between wild and domesticated species.In this context, the present thesis aims to 1) Characterize the environmental variables, at a landscape scale at three different interfaces located in Southern Africa (hwange National park, Gonarezhou National Park, North Kruger National Park), that potentially influence the movements of two focal species, one wild ungulates species (the buffalo – Syncerus caffer caffer) and one domesticated ungulates species (the cattle – Bos taurus & Bos indicus) 2) Simulate the movements of the focal species, at the individual and herd scales, in relation with their respective environments, 3) Determine the nature, frequency and localization of the contacts between the focal species to better apprehend the risks of pathogen transmission.A temporal series of Sentinel-2 satellite images have been classified to produce monthly surface water and landcover maps at 10 meters spatial resolution. These environmental variables have then been integrated into a spatialized mechanistic movement model based on a collective motion of self-propelled individuals to simulate buffalo and cattle movements and contacts in response to the surface water seasonality and the type of landcover. To spatialized the movements and contacts models, the domain specific language Ocelet has been used. Telemetry data collected in previous studies have been used as reference data to design, calibrate and validate the movement and contact models.Results highlighted strong space and time variabilities of water availability in the three study areas. Landcover classified maps accurately reproduced the specificities in landscape compositions of the three study areas. By only taking surface water into account, the mechanistic movement models showed a positive and significant correlation between observations/simulations movements and space-use of buffalo's and cattle herds despite overestimating the presence of buffalo individuals at proximity of the surface water. The addition of the landcover increased the overall accuracy of the movement models. Contacts patterns and their accuracies have been reproduced but their respective accuracy differed according to the study area.Overall, combining remote sensing and spatial modeling offers possibilities to develop simple models to simulate animal movements and contacts in direct relation with the environment. This methodology has the advantage of being scalable and reproducible. It subsequently offers the possibility of integrating an epidemiological model to estimate the risk of pathogen transmission in direct link with the movements and contacts of animal species.

Résumé (autre langue) : Les zones d'interface en Afrique australe, constituées de terres communales situées en bordure d'aires protégées, sont confrontées à un nombre croissant de problèmes liés à la coexistence entre l'homme et la faune sauvage et parmi eux, le risque de transmission de pathogènes entre espèces animales sauvages et domestiques.Dans ce contexte, la présente thèse vise à 1) Caractériser les variables environnementales, à l'échelle paysagère à trois interfaces différentes situées en Afrique australe (parc national de hwange, parc national de Gonarezhou, parc national de Kruger Nord), qui influencent potentiellement les mouvements de deux espèces cibles, une espèce d'ongulés sauvages (le buffle - Syncerus caffer caffer) et une espèce d'ongulés domestiques (le bétail - Bos taurus & Bos indicus) 2) Simuler les mouvements des espèces cibles, à l'échelle de l'individu et du troupeau, en relation avec leurs environnements respectifs, 3) Déterminer la nature, la fréquence et la localisation des contacts entre les espèces cibles pour mieux appréhender les risques de transmission de pathogènes.Des classifications à partir d'une série temporelle d'images satellitaires Sentinel-2 ont été réalisées pour produire des cartes mensuelles des eaux de surface et de la couverture végétale à une résolution spatiale de 10 mètres. Ces variables environnementales ont ensuite été intégrées dans un modèle de mouvement mécaniste spatialisé basé sur un mouvement collectif d'individus autopropulsés pour simuler les mouvements et les contacts des buffles et des bovins en réponse à la saisonnalité des eaux de surface et au type de couverture végétale. Pour spatialiser les modèles de mouvements et de contacts, le langage spécifique Ocelet a été utilisé. Les données télémétriques collectées dans le cadre d'études précédentes ont été utilisées comme données de référence pour concevoir, calibrer et valider les modèles de mouvements et de contacts.Les résultats ont mis en évidence de fortes variabilités spatiales et temporelles de la disponibilité en eau dans les trois zones d'étude. Les cartes de classification de la couverture végétale ont reproduit avec précision les spécificités des compositions paysagères des trois zones d'étude. En ne prenant en compte que les eaux de surface, les modèles mécanistes de mouvement ont montré une corrélation positive et significative entre les observations/simulations de mouvements et l'utilisation de l'espace par les troupeaux de buffles et de bovins, malgré une surestimation de la présence d'individus de buffles à proximité des eaux de surface. L'ajout de la couverture végétale a augmenté la précision globale des modèles de mouvement. Les modèles de contacts et leurs précisions ont été reproduits mais leurs précisions respectives ont montré des divergences selon la zone d'étude.Dans l'ensemble, la combinaison de la télédétection et de la modélisation spatiale permet de développer des modèles simples pour simuler les mouvements et les contacts des animaux en relation directe avec l'environnement. Cette méthodologie a l'avantage d'être évolutive, générique et reproductible. Elle offre la possibilité d'intégrer par la suite un modèle épidémiologique pour estimer le risque de transmission de pathogènes en lien direct avec les mouvements et les contacts des espèces animales.

Mots-clés Agrovoc : télédétection, modélisation environnementale, couverture du sol, eau superficielle, savane, animal sauvage, transmission des maladies, buffle africain, bovin, interactions biologiques, santé animale, migration animale, gestion du risque, bétail