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Identifying stationary phases in multivariate time series for highlighting behavioural modes and home range settlements

Authors :
Simon Chamaillé-Jammes
Emilie Lebarbier
Marie-Pierre Etienne
Simon Benhamou
Rémi Patin
Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (CEFE)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École pratique des hautes études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UPVM)
Département de mathématiques - Université de Rennes 1
Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)
Mathématiques et Informatique Appliquées (MIA-Paris)
AgroParisTech-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UPVM)-École Pratique des Hautes Études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)
Institut de Recherche Mathématique de Rennes (IRMAR)
Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
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Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-AgroParisTech
Modélisation aléatoire de Paris X (MODAL'X)
Université Paris Nanterre (UPN)
ANR-16-CE02-0001,LANDTHIRST,Les paysages de la soif: changement climatique et ajustements comportementaux face au manque d'eau(2016)
ANR-11-LABX-0020,LEBESGUE,Centre de Mathématiques Henri Lebesgue : fondements, interactions, applications et Formation(2011)
Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UM3)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-École pratique des hautes études (EPHE)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)
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AGROCAMPUS OUEST
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Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Source :
Journal of Animal Ecology, Journal of Animal Ecology, Wiley, 2020, 89, pp.44-56. ⟨10.1111/1365-2656.13105⟩, Journal of Animal Ecology, 2020, 89 (1), pp.44-56. ⟨10.1111/1365-2656.13105⟩, Journal of Animal Ecology, Wiley, 2019, ⟨10.1111/1365-2656.13105⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
HAL CCSD, 2020.

Abstract

International audience; Recent advances in biologging open promising perspectives in the study of animal movements at numerous scales. It is now possible to record time series of animal locations and ancillary data (e.g. activity level derived from on‐board accelerometers) over extended areas and long durations with a high spatial and temporal resolution. Such time series are often piecewise stationary, as the animal may alternate between different stationary phases (i.e. characterized by a specific mean and variance of some key parameter for limited periods). Identifying when these phases start and end is a critical first step to understand the dynamics of the underlying movement processes. We introduce a new segmentation‐clustering method we called segclust2d (available as a r package at cran.r-project.org/package=segclust2d). It can segment bivariate (or more generally multivariate) time series and possibly cluster the various segments obtained, corresponding to different phases assumed to be stationary. This method is easy to use, as it only requires specifying a minimum segment length (to prevent over‐segmentation), based on biological rather than statistical considerations. This method can be applied to bivariate piecewise time series of any nature. We focus here on two types of time series related to animal movement, corresponding to (a) at large scale, series of bivariate coordinates of relocations, to highlight temporary home ranges, and (b) at smaller scale, bivariate series derived from relocations data, such as speed and turning angle, to highlight different behavioural modes such as transit, feeding and resting. Using computer simulations, we show that segclust2d can rival and even outperform previous, more complex methods, which were specifically developed to highlight changes of movement modes or home range shifts (based on hidden Markov and Ornstein–Uhlenbeck modelling), which, contrary to our method, usually require the user to provide relevant initial guesses to be efficient. Furthermore, we demonstrate it on actual examples involving a zebra's small‐scale movements and an elephant's large‐scale movements, to illustrate how various movement modes and home range shifts, respectively, can be identified.

Details

Language :
English
ISSN :
00218790 and 13652656
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of Animal Ecology, Journal of Animal Ecology, Wiley, 2020, 89, pp.44-56. ⟨10.1111/1365-2656.13105⟩, Journal of Animal Ecology, 2020, 89 (1), pp.44-56. ⟨10.1111/1365-2656.13105⟩, Journal of Animal Ecology, Wiley, 2019, ⟨10.1111/1365-2656.13105⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....45e362c3cec9c3e2c952436891f4437f