An agent-based model for the sustainable management of navigation activities in the Saint Lawrence Estuary

Chion, Clément (2011). An agent-based model for the sustainable management of navigation activities in the Saint Lawrence Estuary. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Natural resource managers of protected areas are concerned with the management of human activities potentially harmful to ecosystems’ health and/or integrity. These systems where human interact with natural resources are called social-ecological systems (SES) and possess the characteristics of complex adaptive systems (e.g. co-evolution). The SES of navigation activities and whales interacting within the Saguenay–St. Lawrence Marine Park (SSLMP) and the projected St. Lawrence Estuary Marine Protected Area in Quebec, Canada, has been investigated and modelled using the agent-based modelling (ABM) technology: The resulting Marine Mammal and Maritime Traffic Simulator (3MTSim) is designed to support marine protected area managers in their effort to reduce the frequency and intensity of boat-whale co-occurrences within the St Lawrence Estuary and mitigate the risks of vessel strikes. This dissertation presents the building process of the 3MTSim’s boat ABM.

The knowledge extracted from analyses of gathered and collected data relative to all forms of sailing and motorized navigation supported the decision to first focus on the modelling of commercial excursions (including whale-watching trips), cargo ships, and cruise liners. Data analyses allowed, for the first time, to draw a comprehensive portrait of navigation activities throughout the region where whales congregate in great numbers during the summer season. Among others, a quantitative analysis led to an accurate estimate of the total navigation time within each separate ecosystem of the region. This study identified areas intensively used by maritime traffic such as the mouth of the Saguenay River and offshore Les Escoumins.

Several field campaigns carried out in the context of this project allowed to link some undesirable collective patterns of whale-watching excursions (regarding both whale conservation and SSLMP visitors’ experience) with contextual factors including whale species’ abundance and distribution, management gaps, and companies and captains’ decisions. The bounded rationality framework was chosen to investigate captains’ decision making and more generally the dynamics of the whole whale-watching SES. A portrait of the decision strategies followed by whale-watching captains has been drawn. The results will lead to a set of recommendations regarding the sustainable management of whale-watching excursions in and around the SSLMP.

Results from field investigations and data analyses have fed the model building process, including an explicit representation of the whale-watching captains’ decision making. Data analyses revealed that cargo ships and ocean liners tend to follow predictable routes with low variability. Consequently, a complex behavioural modelling approach was deemed unnecessary in favour of a statistical approach, justified by the large volume of high-quality historical data available for both components.

The pattern-oriented modelling approach proved appropriate for selecting a valid model of whale-watching excursions. Model simulations confirmed that whale-watching captains do favour the observation of a few rare rorqual species (e.g. humpback whales), leaving aside the most abundant one, namely the minke whales. Therefore, 3MTSim was run to quantify the impact that whale-watching captains changing their decision strategy could have on both whale exposure to boats (conservation concern) and excursion content (commercial concern). It was found that captains willing to avoid crowded observation sites and/or seeking to increase the diversity of species observed could have statistically significant benefits regarding conservation issues without affecting important features of their excursions. Finally, the convincing performance of the 3MTSim’s boat ABM ensures its safe use as a decision-support tool for management insofar as model limitations are understood and accounted for in the results and discussion.

Titre traduit

Un système multi-agents pour favoriser l'utilisation durable de l'estuaire du Saint-Laurent par les activités de navigation

Résumé traduit

Les gestionnaires de ressources naturelles dans les aires protégées se doivent d’encadrer les activités humaines susceptibles de menacer la santé et/ou l’intégrité des écosystèmes à protéger. Ces systèmes physiques où des humains interagissent avec des ressources naturelles sont appelés systèmes socio-écologiques (SSE) et possèdent les caractéristiques de systèmes complexes adaptatifs (p. ex. coévolution). L’investigation du SSE constitué des activités de navigation et des baleines interagissant dans le parc marin du Saguenay–Saint-Laurent (PMSSL) et la zone de protection marine Estuaire du Saint-Laurent au Québec, Canada, ainsi que sa représentation sous forme d’un système multi-agents sont présentées dans cette thèse. Le simulateur implémenté, appelé 3MTSim (pour Marine Mammal and Maritime Traffic Simulator), est conçu pour aider les gestionnaires des aires marines protégées dans leur objectif de réduire la fréquence et l’intensité des cooccurrences bateau-baleine dans le Saint-Laurent et incidemment les risques de collision.

Les connaissances extraites des analyses de données (relatives aux activités de navigation à moteur et à voile), existantes ou recueillies dans le cadre de ce projet, ont justifié de concentrer l’effort de modélisation sur les excursions commerciales (incluant les excursions d’observation de baleines), les navires de la marine marchande et les paquebots de croisière.

Les analyses ont permis pour la première fois de dresser un portrait complet des activités de navigation sur l’ensemble de la région où les baleines se rassemblent en grand nombre pendant la saison estivale. Entre autres résultats, une analyse quantitative a abouti sur une estimation précise du temps total de navigation dans chaque écosystème marin de la région.

Cette étude a permis d’identifier les zones utilisées intensivement par les activités de navigation, telles que l’embouchure de la rivière Saguenay et le secteur au large de Les Escoumins.

Plusieurs campagnes d’acquisition de données menées dans le cadre de ce projet ont permis d’identifier des facteurs (p. ex. abondance et distribution des espèces de baleines, lacunes de gestion, décisions des compagnies et des capitaines) favorisant une dynamique collective des « croisières aux baleines » indésirable, tant du point de vue de la conservation que de l’expérience des visiteurs du PMSSL. La rationalité limitée a été choisie comme cadre conceptuel pour étudier la prise de décision des capitaines, et plus généralement comprendre la dynamique du SSE des « croisières aux baleines » au complet. L’éventail des stratégies utilisées par les capitaines de « croisières aux baleines » a été décrit et les résultats de cette investigation vont conduire à un ensemble de recommandations relatives à la gestion durable de ces activités à l’intérieur et aux alentours du PMSSL.

Les résultats des investigations de terrain et de l’analyse des données sur la navigation ont
alimenté le processus de construction du modèle, incluant une représentation explicite de la prise de décision des capitaines de « croisières aux baleines ». Les analyses ont démontré que les navires de la marine marchande et les paquebots de croisière suivent des routes prévisibles avec peu de variabilité. Par conséquent, une approche de modélisation complexe basée sur le comportement des pilotes a été écartée au profit d’une approche statistique, justifiée par la quantité importante de données historiques de grande qualité disponibles pour ces deux composantes.

L’approche de modélisation par patrons (« pattern-oriented modelling ») s’est avérée performante pour sélectionner un modèle valide des excursions d’observation des baleines lorsque couplé à un modèle à l’échelle de l’individu des mouvements de baleines. Les simulations effectuées ont confirmé que les capitaines d’excursion privilégient l’observation de quelques rares espèces de rorquals (p. ex. baleines à bosse), boudant l’espèce la plus abondante, à savoir le petit rorqual. Par conséquent, des simulations ont été effectuées avec 3MTSim visant à quantifier l’impact d’un changement de stratégie décisionnelle des capitaines d’excursions, tant sur la nature de l’exposition des baleines aux bateaux (intérêt pour la conservation) que sur le contenu des excursions (intérêt commercial). Les résultats ont montré que des capitaines virtuels soucieux d’éviter les zones d’observation surencombrées et/ou cherchant à augmenter la diversité des espèces observées entraînait des gains statistiquement significatifs relativement aux aspects de conservation sans affecter les caractéristiques importantes des excursions. Enfin, les bonnes performances du modèle des déplacements de bateaux assurent une utilisation sécuritaire de 3MTSim comme un outil d’aide à la décision pour la gestion, dans la mesure où ses limites sont comprises et considérées dans l’interprétation des résultats.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr. : f. [329]-354.
Mots-clés libres:	Développement durable Saint-Laurent, Golfe du. Développement durable Québec (Province) Parc marin du Saguenay-Saint-Laurent. Transports maritimes Statistiques. Mammifères marins. Baleines Observation. Prise de décision. 3MTSim, Bateau-Baleine, Cooccurrence, Limité, Modélisation, Multi-Agents, Patron, Rationnalité, Socio-écologique, Système
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Landry, Jacques-André
Codirecteur:	Codirecteur Parrott, Lael
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 mai 2011 20:13
Dernière modification:	20 févr. 2017 20:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/879

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