# Projet CORA(i)L: revisiter la santé des coraux pour de nouveaux outils non invasifs de surveillance des récifs coraliens à l'aide de modèles d'analyse d'image basés sur l'Intelligence Artificielle

Megan Clampitt, Marco Milanesio, Rila Hilma, Ryan Mcminds, Florentin Remot, Paulus Boli, Virly Yuriken, Ayub Markus, Eric Röttinger, Eric Gilson

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Megan Clampitt, Marco Milanesio, Rila Hilma, Ryan Mcminds, Florentin Remot, et al. Projet CORA(i)L: revisiter la santé des coraux pour de nouveaux outils non invasifs de surveillance des récifs coraliens à l'aide de modèles d'analyse d'image basés sur l'Intelligence Artificielle. Les Cahiers Espace, Environnement, Risques et Résilience, 2025, 2. hal-05127606

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# Projet CORA(i)L : revisiter la santé des coraux pour de nouveaux outils non invasifs de surveillance des récifs coraliens à l'aide de modèles d'analyse d'image basés sur l'Intelligence Artificielle

Megan Clampitt<fnref n="1" />, Marco Milanesio<fnref n="2" />, Rila Hilma<fnref n="1" />, Ryan McMinds<fnref n="1" />, Florentin Remot<fnref n="1" />, Paulus Boli<fnref n="3" />, Virly Yuriken<fnref n="4" />, Ayub Markus<fnref n="4" />, Eric Röttinger<fnref n="1" /> and Eric Gilson<fnref n="1" />

Reçu le 2 février 2025, publié le 24 juin 2025

## Résumé

Les récifs coralliens se dégradent à une vitesse vertigineuse, il est donc essentiel de développer des systèmes de surveillance rapides et efficaces pour évaluer leur état de santé. La santé des coraux, comme la santé humaine, est complexe et multifactorielle, ce qui rend difficile, voire impossible, de la décrire à partir d'une seule variable. Il est donc nécessaire de prendre en compte d'autres facteurs que la présence/absence de maladie pour définir la santé des coraux. L'objectif de notre projet de recherche est de revisiter nos concepts sur l'état de santé des coraux par une approche intégrative associée à des attributs visuels pouvant etre facilement détectés par des algorithmes basés sur des outils de l'intelligence artificielle. Au-delà de l'état de santé d'une colonie donnée, nous étudions si ces attributs analysés au niveau d'un ensemble de colonies coralliennes peuvent être utilisée pour définir l'état de santé « global » de leur récif corallien d'origine.

Pour cela, nous utilisons comme jeux de données des photos de colonies de coraux prises a) lors de l'expédition Tara-Pacific parcourant 32 îles de l'océan Pacifique mais aussi b) des photographies prises dans des récifs contrastés (intactes, endommagés, restaurés et pollués) d'Indonésie autour de l'île de Misool (Raja Ampat, Papua Barat Daya) et Manokwari (Baie de Doreri, Manokwari, Papua Barat). Les résultats de cette étude devraient donner lieu à de nouveaux outils de surveillance efficaces, simples et peu coûteux au bénéfice global de la protection des récifs mais aussi de l'économie et du bien-être des communautés locales et d'un tourisme de qualité.

## Introduction

Les coraux sont essentiels à la vie des récifs car ils fournissent un abri et servent de nurserie et de lieu d'alimentation à des milliers d'espèces marines (Manderson et al., 2017). Les récifs coralliens jouent également un rôle essentiel dans la survie humaine en fournissant de nombreux biens et services écologiques tels que la protection côtière, les composés médicinaux, les réserves alimentaires, les moyens de subsistance du tourisme et des loisirs, ainsi qu'en fournissant une valeur esthétique, spirituelle et culturelle (Moberg & Folke, 1999).

<footnote n="1">¹ University Côte d'Azur, CNRS, INSERM - IRCAN, Nice, France</footnote>

<footnote n="2">² University Côte d'Azur, MSI, Nice, France</footnote>

<footnote n="3">³ Universitas Papua. FPIK, Manokwari, Indonesia</footnote>

<footnote n="4">⁴ Misool Foundation, Raja Ampat, Indonesia</footnote>
Malgré leur importance, environ 14 % des récifs coralliens du monde ont disparu depuis 2005 (GCRM, 2020), et certaines prévisions indiquent que tous les récifs pourraient disparaître d'ici la fin du siècle (Manderson et al., 2017). Le changement climatique anthropique associé à la surpêche et à la pollution sont quelques-unes des principales menaces qui détruisent ces écosystèmes (Hughes et al., 2017). Selon certaines prévisions, même si le réchauffement climatique reste inférieur à 2 °C, tous les récifs coralliens continueront de régresser par rapport à leur état actuel, ce qui entraînera des conséquences destructrices pour les services qu'ils fournissent (Bindhoff et al., 2019).

La surveillance des récifs coralliens est essentielle non seulement pour évaluer l'état de ces écosystèmes, mais aussi pour comprendre l'impact des changements environnementaux, évaluer leur résilience et mieux éclairer les décisions de gestion (Flower et al., 2017). Cependant, le suivi classique de la santé des récifs coralliens (couverture corallienne, indices de biodiversité, échantillonnage des coraux pour analyse physiologique et moléculaire...) entraîne des dépenses substantielles en termes de temps et d'argent À titre d'exemple concret, González-Rivero et al. (2020) ont estimé que l'analyse par un expert d'une seule image de corail coûte environ 5$ AUD, ce qui entraînerait des coûts d'analyse élevés pour de grands ensembles de données. Il est donc essentiel d'adopter des approches scientifiques innovantes pour assurer un suivi facile et peu couteux de la santé des récifs coralliens afin de faire face aux défis de la préservation des coraux face aux changements globaux.

La santé des coraux, tout comme la santé humaine, est complexe et multifactorielle, ce qui la rend difficile, voire impossible, à décrire sur la base d'une seule variable. Actuellement, les mesures de la santé des coraux restent incomplètes et se concentrent sur la définition négative de la santé, c'est-à-dire l'absence de pathologie (Breslow, 1972) (López-Otin & Kroemer, 2020). En pratique, cela signifie que les coraux malades ou blanchis sont souvent définis uniquement sur ces critères comme étant en mauvaise santé, tandis que les coraux ne présentant aucun signe de blanchissement ou de maladie sont considérés comme sains. Cependant, la santé a été définie plus globalement par l'Organisation mondiale de la santé (OMS) comme « le bien-être physique, mental et social, et pas seulement l'absence de maladie » (Constitution de l'Organisation mondiale de la santé, 1948). Ainsi, une approche intégrative qui prend en compte d'autres facteurs que la présence/absence de pathologie est nécessaire pour définir la santé des coraux (Figure 1).

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**Figure 1 :** Ensemble d'éléments pouvant influencer la santé d'une colonie de corail. Ces éléments incluent le fond (épi-)génétique (personnel potential), les aspects temporels (p.ex., l'âge de la colonie, évènements historiques) les interactions avec d'autres organismes du récif (social), l'effet de l'environnement (ex. changement climatique) ainsi que l'état physiologique (ex. réaction immunitaire). Les cadres vert (Social), rouge (Physical) et bleu (Environnement) indiquent des aspects reconnaissables sur des colonies de coraux à partir de simple photographies (cf. Figure 2).

## Revisiter la santé des coraux comme fondement du projet CORAL(i)L

Nous avons émis l'hypothèse qu'une combinaison d'attributs de colonies de coraux qui peuvent être facilement extraits de photographies de colonies, peut servir à évaluer l'état de santé d'une colonie
donnée (Figure 2). En faisant écho au concept de fragilité utilisé en géroscience (Fried et al., 2021), nous souhaitons développer des outils simples à utiliser pour évaluer les états de réserve physiologique des coraux dont la diminution entraînerait une vulnérabilité accrue aux maladies et aux facteurs de stress même en l'absence de blanchissement ou de maladie visible au moment de l'inspection de la colonie. Nous avons donc défini les dix attributs visibles suivants liés à la santé des coraux comme suffisant pour donner une vision intégrée de l'état de santé d'une colonie.

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**Figure 2 :** Vue d'ensembles des dix attributs liés à la santé d'une colonie de corail. A) État de blanchissement, B) présence de sédiment, C) prédation (ici poisson perroquet), D) contact avec algue, E) prolifération d'algues filamenteuses, F) présence de CCA, G) présence d'organismes foreurs (ici bivalve), H) perte de tissue, I) pigmentation et J) présence de maladies. Les codes couleurs correspondent à la Figure 1.

**Blanchissement (Figure 2A) :** Le blanchissement des coraux est une réponse au stress qui peut résulter d'une multitude de facteurs, mais qui est le plus souvent attribuée à l'augmentation de la température de l'eau (Hoegh-Guldberg, 1999). Le blanchissement peut être défini comme la perte de couleur en réponse à l'élimination (totale ou partielle) de la population de dinoflagellés photosymbiotiques (zooxanthelles) ou à la dégradation du pigment photosynthétique de l'algue (Douglas, 2003). Les zooxanthelles favorisent la calcification, régulent le flux de nutriments élémentaires et fournissent du carbone aux coraux (Glynn, 1996). Les coraux blanchis peuvent perdre entre 60 et 90 % de leurs zooxanthelles, ce qui affecte considérablement leur condition physique. Il a également été démontré que le blanchissement entraîne une réduction de la fécondité et de la croissance, une inhibition de la régénération due aux blessures, une réduction de la vitalité, une perte de tissus et la mort (Glynn, 1996) (Ward, Harrison, Hoegh-Guldberg, 2000).

**Contact avec le sédiment (Figure 2B) :** La sédimentation, qu'elle soit due à des processus naturels ou à des activités humaines telles que le dragage, peut être préjudiciable aux colonies de coraux ; les particules peuvent rester en suspension dans la colonne d'eau, entraînant une réduction des niveaux de lumière ou s'accumuler à la surface de la colonie et blesser et/ou étouffer les polypes (Rogers, 1990). Cela conduit ainsi à une réduction du recrutement, de la croissance et de l'efficacité photosynthétique, ainsi qu'à l'induction de changements morphologiques et à l'augmentation de la respiration et de la mortalité des colonies (Rogers, 1990).

**Prédation (Figure 2C) :** La prédation/consommation de corail vivant affecte directement les coraux via des lésions tissulaires, ayant comme effet une réduction des taux de croissance et une diminution du potentiel reproducteur. De plus, la prédation facilite indirectement la colonisation par les algues et autres
compétiteurs, en diminuant les réponses immunitaires, la dispersion des symbiontes et en augmentant la transmission de maladies (Rotjan & Lewis 2008). La prédation affecte directement le microbiome corallien, rendant les colonies plus vulnérables aux facteurs de stress (Ezzat et al., 2020).

La compétition entre les coraux et les algues est une caractéristique fondamentale qui aide à déterminer l'état des récifs coralliens, les deux organismes sessiles étant en compétition pour les ressources limitées d'espace et de lumière (McCook, Jompa et Diaz-Pulido, 2001). Le résultat de cette compétition peut avoir des conséquences importantes sur la survie et la croissance à long terme des colonies de coraux. Les interactions entre les coraux et les macroalgues et/ou les algues filamenteuses sont généralement considérées comme ayant des effets négatifs tandis que les effets des algues coralligènes (CCA) sont généralement considérés comme positifs (Cetz-Navarro et al., 2013). Ainsi, nous avons distingué les trois types de contact avec les algues suivants dans nos attributs visuels.

**Macroalgues (Figure 2D)** : L'augmentation des macroalgues est souvent associée à une diminution de la santé des récifs, les récifs dominés par les coraux se transformant en récifs dominés par les macroalgues en raison d'influences anthropiques telles que la surpêche (en particulier des espèces herbivores) et l'eutrophisation (McCook, 1999). Le contact avec les macroalgues augmente non seulement la mortalité des tissus, mais réduit également la croissance et la fécondité des coraux (Lirman, 2001). De plus, le contact avec certains types de macroalgues pourrait entraîner la transmission de maladies et l'augmentation des macroalgues au cours des 30 dernières années pourrait expliquer la récente augmentation des maladies des coraux (Nugues et al., 2004).

**Algues filamenteuses (Figure 2E)** : De même, il a été démontré que le contact avec les algues filamenteuses entraîne une perturbation des tissus, un blanchissement, une diminution de la fécondité, des performances photosynthétiques et des taux de croissance, ainsi qu'une augmentation de la mortalité des tissus (Cetz-Navarro et al. 2013). L'élimination des algues filamenteuses en contact avec les coraux peut réduire le stress (Cetz-Navarro et al., 2013). De plus, il a été démontré que le contact corail-gazon modifie le microbiome corallien avec une augmentation des bactéries associées aux maladies au point de contact (Pratte et al., 2017).

**Algues coralligènes (CCA - Crustose coralline algae; Figure 2F)** : Les coraux entourés de CCA ont montré moins de stress (épaisseur accrue des tissus, densité de chlorophylle et de zooxanthelles et indice mitotique inférieur) que les colonies entourées d'algues filamenteuses (Cetz-Navarro et al., 2013) et le contact avec le CCA ne semble pas affecter négativement ou perturber la colonie (Barrot et al., 2009).

**Organismes foreurs (Figure 2G)** : Les organismes foreurs sont des invertébrés qui vivent sur ou dans le squelette du corail et sont visibles à la surface de la colonie, et peuvent avoir un impact sur la physiologie de la colonie. Par exemple, il a été démontré que les bivalves du genre *Lithophaga* affaiblissent la résistance du squelette des coraux, affectant en particulier le genre *Porites* qui possède un squelette très poreux et de faible densité (Risk & Scott, 1988). Il a également été constaté que les vers polychètes, un autre organisme foreur, peuvent étouffer les coraux et entraîner leur mortalité (Smith & Harriot, 1998).

**Pigmentation (Figure 2H)** : La réponse pigmentaire est associée aux tissus morts, mourants ou en régénération et s'est avérée être une réponse immunitaire activée par le corail en réponse au stress (Palmer, Mydlarz et Willis, 2008). Les protéines fluorescentes, responsables des couleurs vives observées chez les coraux, sont responsables de ce phénomène et agissent comme des antioxydants, renforçant davantage la réponse pigmentaire en jouant un rôle dans le stress des coraux et la réponse immunitaire (Palmer, Chintan et Mydlarz, 2009).

**Tissues morts et maladies et tissus morts (Figure I, J)** : Les maladies et les tissus morts sont identifiées macroscopiquement par la couleur des tissus, l'exposition du squelette et l'étendue de la perte de tissus (Ainsworth et al., 2007).

Développement de machine d'IA pour l'extraction automatique des attributs de santé à partir d'images de coraux
Puisqu'une définition intégrée de la santé des coraux fait encore défaut empêchant ainsi des approches simples de surveillance des récifs, notre objectif est de développer des machines d'intelligence artificielle (IA) pour détecter les attributs liés à la santé que nous avons déterminés selon notre analyse intégrée de la santé des coraux (voir ci-dessus).

Tout d'abord, nous avons analysé les attributs visuels liés à la santé dans plus de 1000 colonies échantillonnées à travers le Pacifique lors de l'expédition Tara-Pacific (2016-2018) (Planes et al, 2019) pour laquelle nous disposons d'une vaste collection de données moléculaires et -omiques ainsi que les annotations des attributs de santé extraits des photos des colonies analysées (Lombard et al, 2023). Dans deux genres différents (*Pocillopora* et *Millepora*), les attributs peuvent expliquer des signatures transcriptionnelles spécifiques liées à la santé et aux maladies des coraux (immunité, matrice extracellulaire, transduction du signal...), montrant qu'ils peuvent servir de marqueurs de substitution de la santé des colonies de coraux (F. Remot et al, en préparation). En analysant la répartition des attributs dans trois genres (*Pocillopora*, *Porites* et *Millepora*) pour les îles visitées lors des expéditions Tara Pacific, nous avons trouvé une association avec l'île d'origine, nous permettant de regrouper les îles en fonction de la répartition des attributs (F. Remot et al, en préparation). Ces résultats amènent la preuve de principe que l'analyse des attributs liés à la santé des coraux peut être utilisée pour caractériser les sites récifaux.

Afin d'inclure une variété d'états de récifs coralliens à notre étude, nous avons étendu ces analyses à des sites en Indonésie dont l'état de santé est connu (intacte, endommagé, pollué, en restauration) en collaboration avec l'Université de Papouasie (UNIPA) et en partenariat avec la Fondation Misool. A cette fin, nous avons conçu un protocole rigoureux d'acquisition de photos et sommes en train de constituer un large corpus de photos de coraux (13000+) combinant celles prises lors de l'expédition Tara-Pacific et celles prises en Indonésie. Pour l'ensemble de ces photos nous avons également les informations sur la présence / absence des attributs de santé décrits ci-dessous et qui sont la base pour le développement des machines d'IA.

En prenant en compte nos données actuelles, la définition multifactorielle de la santé et nos premières analyses de la pertinence des attributs liés à la santé extraits des images de coraux pour caractériser l'état des sites récifaux, nous sommes dans une position unique non seulement pour obtenir de nouvelles connaissances fondamentales sur la santé des coraux et des récifs coralliens, mais aussi pour offrir de nouvelles opportunités pour des outils de surveillance rapide, économique et efficace des coraux/récifs coralliens.

Par conséquent, notre objectif est désormais : 1) de valider ces attributs liés à la santé pour évaluer l'état de santé des récifs coralliens en étendant leur analyse à un spectre encore plus large de récifs (y compris les sites à forte pression touristique), 2) d'utiliser ces résultats pour définir un indice de santé des coraux qui peut être utilisé pour suivre et comparer l'état de santé des coraux des sites récifaux, 3) de finaliser l'obtention de machines d'IA performantes pour analyser automatiquement et rapidement un grand ensemble de photos et calculer l'index de santé, 4) d'étudier la faisabilité de la mise en œuvre d'actions de science citoyenne utilisant ces machines d'IA pour les études de récifs coralliens de nouvelle génération et pour promouvoir le « tourisme régénératif ».

## Discussion

Ce projet interdisciplinaire développé avec le soutien de l'Académie 3 devrait fournir de nouveaux outils pour les programmes de conservation et de restauration des récifs impliquant des partenaires universitaires, des organismes non-gouvernementaux et des communautés locales.

Le développement de modèles d'IA pour déterminer les attributs liés à la santé pertinents pour caractériser la santé d'un récif corallien donné entraînera une diminution des coûts et du temps et un outil accessible pour un grand nombre d'acteurs impliqués dans la conservation et la surveillance des récifs. Ces modèles fourniront à l'utilisateur des informations visuelles sur la colonie qui devraient autrement être surveillées de manière coûteuse en temps et en argent. Ils permettent non seulement de gagner du temps lors de la collecte de données en prenant de simples photographies au lieu d'une inspection individuelle de chaque colonie, mais également de gagner du temps après la collecte de
données grâce à l'analyse par machine au lieu d'une analyse humaine. L'ensemble de ces données permettra de réduire les coûts en minimisant le temps passé sur le terrain et les coûts associés. Ainsi, CORA(i)L devrait pouvoir proposer un outil qui capitalise sur l'efficacité de la surveillance photographique sans l'engagement coûteux et chronophage d'une annotation manuelle.

Notre exploitation de l'ensemble des attributs visuels liés à la santé à partir de photographies de colonies conduira au développement d'un modèle intégratif pour déterminer l'état de santé avec des mesures spécifiques pour les évaluations ou indice de santé des coraux. Cette manière de revisiter la santé des coraux conduira à de nouvelles questions de recherche. Par exemple, comment l'interaction entre les organismes (corail, poisson, éponge, mollusque...) détermine la santé des récifs coralliens ou pour comprendre la résilience aux changements globaux et à l'environnement de différentes espèces de coraux ou de différents sites géographiques. De plus, la santé des coraux étant au premier plan de la recherche sur les fonctions du microbiote (Rosenberg et al, 2007), l'indice de santé développé dans ce projet permettra de réévaluer le rôle du microbiote dans un écosystème complexe tel que le récif corallien.

En conclusion, ce projet ouvrira la voie au développement d'une machine qui évalue la santé des coraux pour une meilleure surveillance et protection des récifs coralliens.

## Remerciements

Nous remercions l'Académie 3 de l'Idex UCA Jedi pour financer ce projet, ainsi que la Fondation Tara Océan, l'équipage du R/V Tara, et les participants de l'expédition Tara Pacific (https://doi.org/10.5281/zenodo.3777760), particulièrement Serge Planes, Denis Allemand, et le consortium Tara Pacific. Nous remercions également Jean-Christophe GAY (URMIS, UniCA), Gede HENDRAWAN (UNUD, Udayana University - Indonésie), Rili DJOHANI (CTC, Sanur - Indonésie), Nyoman SUNARTA (UNUD, Udayana University - Indonésie), Laetitia HEDOUIN (CRIOBE, Mo'orea), qui nous permettront de développer les aspects mentionnés dans la discussion. De plus, nous remercions chaleureusement Aldine AMIEL (IRCAN, UNICA / Kahi Kai) pour le développement d'un volet Science et Société associé au projet, ainsi que l'ensemble des rangers de la Misool Foundation (Raja Ampat), Alex de Ketapang Dive Community (Manokwari), Claire et Mawi de Ikandive (Bali), pour leur aide et soutiens lors des missions sur le terrain.

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