Reference : Cattle grazing dynamics under contrasted pasture characteristics at temporal and spat...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Life sciences : Agriculture & agronomy
Life sciences : Animal production & animal husbandry
http://hdl.handle.net/2268/209464
Cattle grazing dynamics under contrasted pasture characteristics at temporal and spatial scales
English
Andriamandroso, Andriamasinoro mailto [Université de Liège > Agronomie, Bio-ingénierie et Chimie (AgroBioChem) > Zootechnie >]
24-Apr-2017
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Docteur en sciences agronomiques et ingénierie biologique
122
Bindelle, Jérôme mailto
Lebeau, Frédéric mailto
Fauconnier, Marie-Laure mailto
Beckers, Yves mailto
Froidmont, Eric mailto
Mahmoudi, Saïd mailto
[en] Grassland ; Precision Livestock Farming ; Sensors ; Inertial Measurement Unit ; cattle ; behaviors ; grazing ; ruminating
[en] Grassland constitutes an important and a low-cost food source for grazing livestock. Optimal management should consider both forage resource productivity and animal needs. For cattle, grazing is a normal behavior displayed in an attempt to eat the amount of forage to fulfill their nutritive requirements for maintenance and production. It is the most time-consumed activity of cows reared in pasture-based systems. With the increase of herd size, on one hand, farmers have been constrained to integrate innovative tools and techniques, such as milking robot, to improve the production system in particular to reduce the labor cost. On the other hand, such change might reduce time allocated for grazing on pasture. However pasture-based systems constitute a real pillar for sustainability as they are socially acceptable and environmentally profitable as they play an important role on ecosystem services and biodiversity provision. Studying grazing processes at individual level, which finally is the key point of animal-plant interactions, is a valuable research domain to enhance the knowledge about this mechanism and to feed decision support tools.
This thesis aimed to link the changes in pasture characteristics to the grazing behavior of cattle in order to better understand the grazing strategy under different pasture characteristics and forage allowances. To allow an individual monitoring, sensor technology has integrated within farms and livestock researches to monitor many physical variables, inducing the emergence of precision livestock farming approach. Different types of sensors were designed, and already commercialized for some, primarily for physiological status detections such as heat, parturition or diseases. Grazing behaviors could be monitored using pressure, electromyography, acoustic or accelerometric sensors by classifying posture and movements of the animal into unitary behaviors (grazing, ruminating, resting, walking, etc.) and finer behavior such as chews and bites through jaw movements’ detection. When compared to real observation, detection accuracies of these behaviors were variable according to the type of sensor, its position on the animal during data acquisition on pasture, the data recording frequency, the time-window and the method dedicated to the post-recording data analysis. State-of-the-art analysis demonstrated a great performance of accelerometers for unitary behaviors and bites detection.
An inertial measurement unit, integrating accelerometer, gyroscope and location sensors, was used for recording cattle movements during grazing at high sampling rate (100Hz). It allows a correct detection of grass intake and rumination behaviors with an average accuracy of 91% using 1-second time-window when calibrating and validating the detection algorithm.
Deeper analysis of accelerometric signal allowed us to detect bites and chews performed during grazing and ruminating. Effects of pasture heights on grazing bites characteristics were differentiated by a higher frequency when pasture is at a lower height. Finally when combined to geographical information, a similar pattern was observed for cattle grazing on the same spot confirming their herd movement during grazing in terms of bites location. Differences were visible under different pasture heights but not significant.
Such bites location, combined with continuous monitoring of cattle behaviors, through use of sensors, should be furtherly linked with more pasture characteristics, if possible with the same accuracy, and monitored on longer period in order to obtain a complete coverage of cattle grazing strategy and the effect of contrasted environment in order to purpose valuable tool for a better grazing management.
[fr] La prairie constitue une importante ressource alimentaire, et à moindre coût, pour les ruminants. Une gestion optimale de cette ressource doit considérer à la fois la productivité du fourrage et les besoins des animaux. Pour les bovins, le pâturage est un comportement normal d’ingestion de fourrage dans le but de satisfaire leurs besoins nutritionnels d’entretien et de production. Il s’agit du comportement qui occupe le plus de temps parmi les activités journalières des bovins en prairie. Avec l’augmentation de la taille des troupeaux, d’une part, les éleveurs ont été contraints d’intégrer des pratiques innovantes, telles que le robot de traite, par exemple, pour améliorer le système de production et notamment pour diminuer le coût en main d’œuvre. D’autre part, de tels changements ont eu tendance à réduire le temps alloué au pâturage des animaux. Cependant les systèmes de production à base de pâturage sont actuellement perçus comme un pilier du développement durable. En effet, ils suscitent un regain d’intérêt au niveau de la société et surtout sont bénéfiques pour l’environnement sachant que la prairie joue un rôle important dans la fourniture de services écosystémiques et de biodiversité.
Etudier le processus de pâturage à l’échelle de l’individu, qui est un point-clé dans l’interaction plante-animal, constitue un domaine de recherche d’intérêt pour approfondir les connaissances à propos de ce mécanisme et pour développer des outils d’aide à la décision.
La présente thèse a pour but de déterminer les liens entre les changements des caractéristiques du pâturage et le comportement des bovins afin de mieux comprendre les stratégies adoptées par les vaches dans un environnement prairial contrasté. Pour permettre un suivi individuel des animaux, diverses technologies de capteurs ont été utilisées à des fins pratiques en ferme et au niveau de la recherche scientifique pour contrôler différentes variables physiques, induisant notamment l’émergence du domaine de l’élevage de précision. Plusieurs dispositifs ont été conçus, dont certains ont déjà été commercialisés, principalement pour la détection de paramètres relatifs au statut physiologique ou à la santé de l’animal, notamment la détection de la chaleur, des signes de la mise-bas ou des maladies telles de la boiterie et les mastites. Les comportements liés au pâturage peuvent être détectés avec des capteurs de pression, acoustiques (microphone), électromyographiques ou accélérométriques en classifiant la posture et les mouvements adoptés par les animaux lorsqu’ils expriment des comportements unitaires (pâturage, rumination, repos, marches, etc.) et des comportements plus fins tels que la mastication ou la bouchée en classifiant les mouvements de la mâchoire. En comparaison avec les observations réelles, les précisions de détection de ces comportements varient selon le type de capteur, sa position sur l’animal, la fréquence d’acquisition des données, la méthode d’analyse des données ainsi que la fenêtre de calcul y afférente. L’état de l’art a notamment montré la performance des accéléromètres pour la détection des comportements unitaires et des bouchées.
Une centrale inertielle composée d’accéléromètre, de gyroscope et de capteur de localisation, a été utilisée pour enregistrer les mouvements et les postures des vaches en prairie avec une fréquence de 100Hz. Un algorithme booléen a été élaboré afin de détecter les comportements d’ingestion de fourrage et de rumination et une précision moyenne de 91% a été obtenue en utilisant une fenêtre de calcul d’une seconde lors de la validation de celui-ci. Une analyse approfondie des signaux accélérométriques a permis de détecter les mouvements de la mâchoire effectués lors du pâturage et de la rumination.
Confrontées à différentes hauteurs de prairie, les vaches présentaient des fréquences de bouchée supérieures lorsque la hauteur est basse. Enfin, grâce à l’exploitation des données de localisation, il a été observé que le comportement de pâturage des vaches présentait des modèles similaires en termes de mouvement confirmant un mouvement de troupeau existant au sein d’un groupe de vaches présentes sur une même prairie. Cependant les vaches présentaient des stratégies différentes en termes d’occupation de l’espace selon qu’elles entrent dans une prairie à modalité haute ou basse.
Le suivi continu des comportements des vaches en prairie utilisant des capteurs et conduisant à de telles localisations des bouchées, doit être combiné avec des données sur la distribution spatiale des plantes au niveau de la prairie, en termes d’espèce, de densité et de qualité, si possible avec les mêmes précisions, pour permettre de couvrir totalement le processus de pâturage et les stratégies des animaux quand ils sont confrontés à des environnements contrastés et de proposer des outils déterminants pour optimiser la gestion des prairies.
TERRA - AgricultureIsLife, Gembloux Agro-Bio Tech, ULg
Researchers ; Professionals ; Students ; General public
http://hdl.handle.net/2268/209464

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