夜光遥感技术在灯光渔业上的应用

黄微 于杰 李永振 陈国宝

摘要 对夜光遥感在渔业中的研究进展进行了回顾，概述了夜光遥感应用于渔业研究中的理论和方法，包括夜光遥感数据特点、渔业灯光提取方法、渔业信息拟合及应用，重点介绍了DMSP-OLS数据和VIIRS/DNB数据及其优缺点，渔业灯光识别及渔船信息提取，以及夜光数据在灯光渔业中的应用，为夜光遥感数据应用于灯光渔业的相关研究提供参考。

关键词 夜光遥感；灯光渔业；渔船

中图分类号 S972.9文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）16-0020-04

Abstract This paper reviewed the researching progress of applying luminous remote sensing to fishery，and briefly outlined the theory and method of applying luminous remote sensing to fishery research，included the characteristics of luminous remote sensing data，extraction method of lightfishing vessels，fishery information application，and focused on DMSPOLS data and VIIRS / DNB data （ the advantages and disadvantages），recognition and information detected methods of lightfishing vessels，the application and research status of luminous remote sensing data in light fallingnet fishery.This summary will provided a reference for researching of applying luminous remote sensing data to light fallingnet fishing

Key words Luminous remote sensing；Light fallingnet fishery；Fishing vessels

夜间，卫星接收到的可见光辐射信息主要来自人类活动灯光，陆地上的灯光以城市照明和工业照明为主，海面上的灯光主要是渔船灯光、商船灯光和钻井平台照明等。与其他光源（如城市灯光和海上天然气平台）位置长时间保持不变不同，渔船和商船灯光随着船只航行，其在空间和时间上是变化的，船只照明灯光通常是移动且短暂的，在晴空条件下，单个渔船灯光在遥感影像中以单个照明点出现，但通常情况下，作业渔船会以船队形式结伴出行，作业时会保持一定距离，形成松散的灯光密集区，商船灯光一般孤立存在，可见渔船灯光影像特征与其他类型灯光差异显著，易于识别[1]。

灯光渔业是根据某些鱼类的趋光习性，在夜间使用集鱼灯将鱼群诱集到光照区进行捕捞的作业方式。早期，人们在夜间进行捕捞作业时发现，某些鱼类经常在灯下聚集，逐渐发展为有目的地利用灯光诱集鱼群[2]。随着科技进步，新光源的应用和渔具渔法的改进创新，灯光渔业技术水平大大提高，已成为高效的捕鱼方式[3]。大型鱿钓船一般在船上安装 100～150 套灯具[4]，小型船一般安装 30～50 套集鱼灯[5]。渔船的数量与作业强度一定程度上反映了作业海域的资源特点。卫星搭载的可见光和近红外探测器可以捕捉到夜晚海面上的渔船灯光。早在20 世纪 70 年代，Croft[6]利用夜间灯光遥感技术对使用大功率照明设备进行集鱼、诱鱼的灯光渔船进行监测。

夜间灯光遥感影像通过作业渔船灯光确定漁船位置及作业强度，实现渔船的空间分布和作业强度的可视化，用于分析海洋渔场时空分布及变化，以及灯光渔业与海洋环境响应关系；另外，它不受区域限制，可以作为渔业管理和信息系统的有效数据来源，有助于实现跨区域作业海域渔业监督与管理。Liu等[7]发现渔民报告渔船数量总少于夜光监测的渔船数量，进一步表明夜光数据可更全面地描述捕鱼活动。笔者综述了夜光遥感技术在灯光渔业上的应用，为深入开展海洋灯光渔业研究提供有效手段。

1 夜光遥感传感器

目前，夜光遥感传感器（或平台）有美国国防部的气象卫星（defense meteorological satellite program/operational linescan system，DMSP/OLS）、国家极轨运行环境系统卫星（national polar-orbiting operational environmental satellite system preparatory project/visible infrared imaging radiometer suite，NPP/VIIRS）、科学应用卫星（satélite de aplicaciones científicas-C，SAC-C/HSTC；satélite de aplicaciones científicas-D/high sensitivity camera，SAC-D/HSC）、地球远程观测系统卫星（earth remote observation system-B，EROS-B），其中，SAC-C /HSTC、SAC-D/HSC和 EROS-B数据不对普通用户开放，DMSP/OLS和NPP/VIIRS已应用于科学研究中。夜光遥感对地观测平台的基本参数见表1。

1.1 DMSP-OLS

DMSP在约830 km高度的太阳同步轨道上运行，扫描条带宽度为3 000 km，隶属于美国国防部极轨卫星项目， 1971年开始运行，由空军太空与导弹系统中心负责管理。1972—1992年数据以胶卷方式保存在科罗拉多大学国家冰雪数据中心，1992年以后的数据以电子存档方式保存在国家地球物理资料中心（National Geophysical Data Center，NGDC）。OLS线性扫描业务系统是DMSP卫星的主要遥感器之一，于1992年解密，可用于商业和科学研究。

OLS起初是为观测气象资料而设计，主要用于探测月光照射下的云，由于其具有很强的光电放大能力，逐渐被应用于探测城镇灯光、极光、闪电、渔火、火灾等。共设有2个波段，可见光-近红外（VNIR）波段波谱为0.4～1.0 μm，光谱分辨率为6 bit，灰度值为0～63；热红外（TIR）波段（10～13 μm）光谱分辨率为8 bit，灰度值为0～255。VNIR有2套探测器，白天使用光学望远镜头，夜间使用光学倍增管。光学倍增管的入瞳单位波长辐亮度下限为10-9 W/（cm2·sr·μm），星下垂直精度2.7 km。

DMSP/OLS夜间灯光数据产品主要包括稳定灯光数据、辐射标定夜间灯光强度数据、非辐射标定夜间灯光强度数据3种产品。该数据产品具有获取容易、能够探测低强度灯光、不受光线阴影影响等优点。

1.2 NPP/VIIRS 2010年2月，NOAA和NASA共同组建的联合极地卫星系统（JPSS）接替了美国新一代极轨运行环境卫星系统预备卫星计划（national polarorbiting operational environmental satellite system preparatory project，NPP）的大部分工作，并以美国气象卫星之父的名字Suomi命名。Suomi NPP的第一颗卫星于2011年10月从范登堡空军基地由Delta-II火箭发射升空。卫星上共搭载了5种载荷，其中可见光红外辐射仪（VIIRS）作为最重要的载荷，汲取了当代业务和科研观测系统中最好的技术，尤其是继承发展了美国国防气象卫星计划（DMSP）线性扫描业务系统（OLS）的微光探测能力[9]。

NPP VIIRS的扫描带宽为3 000 km，采集夜间影像是DNB（day night band）波段，DN光谱通带带宽500～900 nm，光谱中心波长700 nm，空间分辨率可以维持近恒定的0.742 km，波段数据经辐射校正后可以得到辐射亮度，DNB辐射敏感值在日光条件下为10-2 W/（cm2·sr），在新月时为10-10 W/（cm2·sr）。

DNB 与其他波段共用光学设备和扫描装置的聚焦平面阵列，可以精确地获知各波段像元的相对定位，经订正后可以定量进行辐射测量，并与其他光谱波段比较和融合。DNB在轨时的阴影期和光照期都可以探测地物和大气的可见光辐射。DNB将探测辐射能量的变化区分为7个量级，同时以3种模式（低辐射场景模式、中辐射场景模式和高辐射场景模式）进行探测。它采用动态调整增益的方法，即高增益（对应于低辐射场景）、中增益（对应于中辐射场景）和低增益（对应于高辐射场景）。DNB信息处理器将3种模式所测得的数据进行高精度的数字化处理，确保辐射产品的高分辨率，然后再对3种数据进行选择，为每个像元选择3种增益模式中感光效果最好且未达到饱和的值。数据均一化后的图像看起来像在均匀的光照条件下形成，这样在不同光照条件下都能得到优质的图像。总体而言，DNB与其他通道共用光学和扫描装置，并采用相同精度的订正方法。采用采样合并、像元累积的方法使空间分辨率提高且分辨率较均匀。可选择动态增益技术使卫星在不同光照条件下都能得到优质图像[10]。

2 渔业灯光识别与提取

2.1 渔业灯光识别方法

灯光渔船诱鱼灯是夜光遥感影像上高度敏感的点光源，在生产作业时灯光呈连片、大面积分布的特征。在夜间遥感影像上，黑暗的海洋和集鱼灯照亮区域之间对比显著，灯光区像素灰阶高于背景，一般认为梯度高值对应灯光区边缘，阈值法可以简单有效地从背景中区分出灯光。依据夜光遥感数据空间分辨率、漁船大小和作业船距估算，单个渔船诱鱼灯灯光影响的像元数量一般为1～4个，而灯光辐射影响的像元个数与灯光强度和海面状况有关，阈值选择会直接影响识别效果。阈值法又分为固定阈值和自适应阈值，Sezgin等[11]总结出6种阈值方法，分别是基于直方图、聚类、熵、目标属性、空间与局部法。

固定阈值分割法是目前较通用的目标识别方法，Waluda等[12-13]认为夜间遥感得到的灯光辐射来自船舶灯光和海洋表面反射的灯光2部分，采用DMSP-OLS可见光波段DN≥30（即最亮的50%）像元作为船舶灯光像元， Saitoh等[14]使用DN≥46.8来检测太平洋上的渔船。Elvidge等[15]根据近海灯光渔船在 NPP/VIIRS 夜光遥感影像上的辐射特征，提出了基于峰值检测和固定阈值分割的近海灯光渔船识别方法，但对于集鱼灯功率较大的远洋灯光渔船，其集鱼灯所处像元的邻近像元亦可能被大功率集鱼灯照亮而具有较高的辐射值导致误判。固定阈值分割主要依靠专家经验，具有一定的随机性和局限性。

在信息论中，熵是对随机变量不确定性的度量，如果将数字图像的像素辐射值看做一组随机变量，图像的熵即是测量辐射级分布随机性的一种特征参数[16] 。在图像分割的过程中，越靠近目标与背景的边界，其分类的不确定性（熵）越大，最大熵阈值分割正是基于以上假设，即在分割过程中，应尽量使目标与背景的熵值之和达到最大[17-18]。采用最大熵法对NPP/VIIRS 夜光遥感影像进行自适应阈值分割，避免了固定阈值分割的主观性及不稳定性，从而有效提高图像阈值分割的效果和自适应性。

远洋灯光渔船集鱼灯功率大，集鱼灯照亮的周边海域经常会被误判为渔船信息，通过寻找邻近“亮点”像元中的局部辐射峰值像元，滤除因被大功率集鱼灯照亮从而亦具有高辐射亮度的非灯光渔船像元，提高远洋灯光渔船识别的准确度[19]。

2.2 灯光渔船信息提取

夜光遥感数据可以提供渔船位置、分布范围及灯光强度等信息，进一步结合其他渔业数据如渔船数量、功率以及捕捞努力量等，通过建立辐射强度（或像素数量）与渔船数据间的关系函数，获取灯光渔业生产情况，用于灯光渔业生产管理[6，7，14-15，19]。

Waluda等[20]通过ARGOS系统的卫星追踪获得了渔船的分布数据，并与DMSP-OLS得到的渔船位置进行比较，对灯光面积和渔船数量进行回归分析（表2），秘鲁沿海得到单船灯光面积为1.0～7.0 km2，平均为3.9 km2；秘鲁专属经济区外观察到11次渔业活动，单船灯光面积为2.5～5.0 km2 ，平均为4.0 km2。

Saitoh等[14]分析了2003—2009年北海道东北部4个渔港太平洋秋刀鱼渔船生产记录数据和DMSP/OLS夜光遥感影像的相关性，得出渔船数量与灯光像元数量呈对数关系，夜光遥感影像估算得到渔船数量与渔获量呈线性关系（表2）。Maxwell等[21]将1992—2000年南加利福尼亚海岸夜光遥感数据与鱿鱼船航空观测数据相结合，得出灯光像元数量与鱿鱼船数量之间的关系（表2）。Hara等[22]得出太平洋秋刀鱼渔船集鱼灯光功率和DMSP/OLS灯光像元亮度值的线性关系（表2）。

Saitoh 等[14]研究发现日落前受日光闪烁影响，渔船数量估算偏高，而20：00到午夜是渔船透集鱿鱼的高峰期，选择此时间段估算渔船数量更为精确，另外还发现根据Stelzenmüller 等[23]的渔船密度（每个作业区每天出现的渔船数量）定义，当渔船间距超过2.5 km时，灯光影像提取的渔船数量与单位捕捞努力量渔获量（catch per unit effort，CPUE）成反比。

3 夜光数据在灯光渔业上的应用

3.1 灯光渔船作业渔场时空分布

渔场一般是指海洋经济鱼类或其他海产经济动物较集中，并可以利用捕捞工具进行生产，具有开发利用价值的一定面积海域[24]。在夜光遥感影像上，灯光像元位置显示渔船位置，灯光辐射强度可以反映渔船的数量及作业强度。Elvidge 等[25]利用DMSP-OLS夜光遥感数据研究了全球灯光渔船活动，结果表明，在日本周边、泰坦湾、泰国湾、安达曼海近岸、菲律宾、沿阿根廷海域大陆架海域都有大量渔船作业，在秘鲁北部、非洲南部、南加利福尼亚南部以及新西兰附近的水域发现了较小的渔船群。

在西南大西洋，Waluda等[26]对1999年捕捞季节时间序列DMSP-OLS夜光遥感数据研究发现，1月，捕捞船队主要出现在福克兰群岛北部海域，2月，沿着大陆架坡折向南延伸，进入阿根廷专属经济区和福克兰群岛保护区西部，4月初，捕捞集中出现在福克兰群岛北部3处接近陆架坡折的海域，4月24日到达其分布的西南点（52°S，61°W），在福克兰群岛的水域继续捕捞， 6月初，捕捞船队进入阿根廷专属经济区和公海，6月17日马岛的渔业结束后，船只继续在48°S以北的阿根廷和公海水域作业，主要分布在公海（45°～ 47°S）陆架边缘部分，在整个捕捞季节都存在大量的渔业活动。Waluda等[27]对13年的DMSP-OLS夜光遥感数据研究得到西南太平洋渔业分布年际变化，包括捕捞努力量大小及变化，渔船的空间范围等。

Kim等[28]分析1993—2000年DMSP-OLS夜光遥感数据发现，冬季（1—3月），渔船灯光仅在韩国津岛海峡附近出现，春季（4—6月），灯光渔船向北移动，分布范围明显大于冬季， 夏季（7—9月），在韩国东南海岸的乌隆岛附近形成了渔场中心，10月的渔船南北分布范围大于其他月份，并根据渔船分布范围和数量指出9—12月是鱿鱼捕捞的主要季节。

在南加利福尼亚湾，Maxwell等[21]根据DMSP-OLS数据发现鱿钓渔船从10月开始由圣罗莎和圣克鲁斯群岛的北岸向南岸转移。Susanto[29]对VIIRS/DNB夜光遥感数据研究得出，万丹板底兰的灯光渔业主要在8—11月，渔场分布从拉达湾、莱松角、苏木尔区、大叻湾直至巴拿马海峡，11月捕捞船数量明显减少，并绘制2014年8—11月灯光渔业渔场图。

3.2 灯光渔业与海洋环境关系

鱼类对海洋环境因素的适应性和局限性决定了鱼类的洄游、分布和移动。研究它们之间的关系实际上就是研究其适应性和局限性。鱼类的外界环境包括非生物性和生物性2方面。非生物性因素指不同性质的水体、水的各种理化因子 以及人类活动所引起的各种非生物环境条件，包括温度、光照、海流、底形、底质和气象等。生物因素是指栖居在一起包括鱼类本身的各种动植物，它们多数是鱼类的食物，有的以鱼类为食，包括饵料生物、种间关系等。通过研究这些外界环境因子对鱼类行为的影响规律，既可以为渔况分析、渔场探索和渔情预报等提供技术支撑，同时也为渔具、渔法的改进提供基础和依据[22]。

通过分析夜光遥感信息可以得到渔业活动发生的时间、位置及空间变化信息，结合海洋环境和气象资料，可以了解渔业活动对海洋环境要素、动力过程以及各气象要素的响应。Cho 等[30]研究发现船队大多位于冷暖流交界处的冷水一边。Kiyofuji等[31]根据DMSP/OLS得出的鱿钓分布将日本海分为7个区域，这些区域与一些海洋学特征相对应（如：位于40°N的极地锋面，对马暖流和暖涡），成为日本鱿鱼迁徙研究的重要途径。Waluda等[32]从夜光遥感影像上发现，秘鲁渔场灯光渔船作业位置与上升流存在相关性。Maxwell等[20]用由夜光数据获得的渔船灯光作为捕捞努力量的指标，发现捕捞努力量和单位捕捞努力渔获量在1997—1998年厄尔尼诺期间显著下降，之后增加。Susanto[29]发现11月VIIRS/DNB影像上灯光渔船数量减少，并从近海向深海移动，认为这一现象与巽他海峡风引起板底兰海域大浪有关，指出8—11月季风对水团产生影响，引起海表营养盐的变化，影响灯光渔业的目标鱼类，从而导致渔场变化。

3.3 渔业管理上的应用

夜光遥感可以提供全球各海域的灯光渔业信息，不受区域限制，有助于实现跨区域作业海域渔业监督与管理，可为全球海洋渔业管理提供有效数据来源。 Straka等[1]利用VIIRS/DNB夜光遥感数据研究了我国东海特定海域捕捞的季节变化和作业频率，结果显示休渔期期间渔船灯光几乎消失，从侧面反映休渔的实施效果。Cozzolino等[34]将VIIRS/DNB夜光遥感数据应用于专属经济区外国渔船识别方面，通过比较本国渔船和外国渔船的灯光强度，达到区分本国渔船和和外国渔船的目的。Ito等[34]對比了日本和韩国在达成共同渔区渔业协议前后的夜光遥感图像，发现渔业协议有效控制了该地区渔船的作业分布。

4 小结

夜光遥感技术通过探测器的光放大能力可以识别海面上微弱的渔船灯光，在太平洋灯光渔业特别是鱿钓渔业中得到了应用，可以获取渔场位置、渔船数量、渔船作业迁移特征等信息，这些信息可以帮助科学家在全球范围内确定过度捕捞区，并满足管理部门进行远洋灯光渔船日常监测的需求，为进一步评估远洋灯光渔业捕捞努力量、远洋灯光渔业信息化管理以及打击非法、未申报和无管制的捕捞活动提供技术支持。

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