基于卫星AIS的中西太平洋金枪鱼延绳钓渔场分布研究

原作辉，杨东海，樊 伟，张胜茂

(1.中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海 200090；2.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306)

金枪鱼是各国远洋捕捞渔业的重要经济鱼种，研究金枪鱼渔场空间分布规律不仅是各国远洋渔业战略的重要组成部分，更是保护和有效利用金枪鱼渔业资源的关键[1-2]。目前针对金枪鱼中心渔场的研究主要依靠商业渔船的捕捞日志及渔业组织公布的渔获数据，通过计算单位捕捞努力量渔获量(catch per unit effort,CPUE)，或利用渔场重心公式等方法求得中心渔场位置，并结合海表温度、叶绿素等遥感影像分析中心渔场变动及其与海洋环境因子关系[3-6]。然而远洋金枪鱼渔船海上作业时间一般在一年以上，渔捞日志返港后才可带回，且部分企业日志填写尚不规范，因此数据的准确性和时效性都存在着不足[7]。近几年来，大数据、互联网等技术的发展为渔业相关数据的实时采集管理及应用提供了强有力的支持，船舶自动监控系统(automatic identification system, AIS)可以近实时地获得渔船所处位置，发送经纬度、航向、航速等信息，国内外学者对AIS数据进行分析挖掘，已在渔船状态判别[8-9]、渔场分析[10-11]以及非法捕捞行为监控[12-13]等方面取得了一系列成果。AIS卫星技术的发展更拓展了其在远洋渔船渔场分析上的应用[14]，远洋捕捞作业渔船经卫星将数据发送给地面站，信息回报速度快，数据准确度高，可应用于中心渔场的快速分析和预报，弥补了渔获数据存在的不足。

全局莫兰指数和热点分析是研究渔场全局和局部分布模式的典型空间分析方法，可以得到渔船捕捞努力量的全局空间分布模式以及具有统计显著性的热点和冷点，国内外针对渔获数据已有研究[15-17]，但基于AIS船位数据的讨论较少。因此本文利用2017年7-12月中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船卫星AIS数据，以全局莫兰指数和热点分析为主要方法寻找金枪鱼延绳钓中心渔场位置，研究其空间分布模式及变动情况，并得到中心渔场处海表温度范围，以期为中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船生产作业及管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 AIS船位数据

本文研究区域为150°W～150°E、25°S～25°N中西太平洋海域。2017年7-12月渔船AIS船位信息来自exactView卫星星座传输数据，主要包括MMSI、船名、呼号、经纬度、航向、航速等。金枪鱼延绳钓渔船信息来自于中西太平洋渔业委员会(https://www.wcpfc.int)公布的金枪鱼延绳钓渔船记录。

1.1.2 渔获量数据

金枪鱼延绳钓渔获数据来源于2017年9月中水集团远洋延绳钓渔船在中西太平洋的渔获记录，时间分辨率为日，空间分辨率为0.5°×0.5°。数据包括作业日期、经纬度、投钩数及各金枪鱼鱼种尾数、产量。

1.1.3 海洋表面温度数据

海表温度(sea surface temperature,SST)数据来源于NOAA下属的Ocean Watch网站(http://oceanwatch.pifsc.noaa.gov)，空间分辨率为0.05°×0.05°。

1.2 数据处理

1.2.1 AIS数据处理

将中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船信息与AIS渔船信息匹配得到渔船列表，继而得到2017年7-12月研究区域AIS数据。一般情况下，金枪鱼延绳钓渔船捕捞状态下航速为3～7 kn[18-19]，根据航速筛选出处于捕捞状态下的AIS数据，随后对各船AIS数据按每小时进行平均，得到平均后各点经纬度，每个点即代表该渔船作业1 h[20]。尺度选择上，由于空间分辨率过大，每个格网包含的船位点数过少，不易进行高低值聚类判断；空间分辨率过小，渔场判别结果表达不够精细[21]，因此文章以0.5°×0.5°的渔区网格为统计单元，按月为周期，计算各渔区网格内渔船作业时间作为该渔区金枪鱼延绳钓渔船的捕捞努力量，单位为h。

1.2.2 渔获数据处理

通过匹配船名提取9月份有AIS船位信息的渔船对应的渔获数据，将其按经纬度0.5° ×0.5° 进行渔区划分，按月对其作业位置、尾数和放钩数进行统计，计算各渔区内CPUE(单位：尾·千钩-1)，公式如下[22-23]:

(1)

式(1)中，CPUEi,j、Nfish(i,j)、Nhook(i,j)分别表示第i个经度、第j个纬度处方格的月平均CPUE、月渔获总尾数、月总投钩数。

1.3 研究方法

1.3.1 全局莫兰指数参数计算

为了解金枪鱼延绳钓渔船捕捞努力量在研究区域内的全局空间分布模式，采用空间自相关分析中的全局莫兰指数(Global Moran’s Index)进行度量，其计算公式如下[24]：

(2)

式(2)中，n表示样本数量，zi、zj为要素i、j的属性与所有样本属性平均值的偏差，wi,j是要素i和要素j之间的空间权重，若要素i和要素j相邻，则wi,j=1，反之，则wi,j=0。

全局莫兰指数的值域范围为-1～1，若该值大于0，则表示要素在整个研究区域内为聚集分布，且该值越接近1，表示聚集分布的程度越高；若该值小于0，则表示要素在整个研究区域内为离散分布，该值越接近-1，表示离散分布的程度越高；若该值等于0，则表示要素为随机分布。在ArcGIS软件环境下，Global Moran’s I工具还会返回Z得分和P值，其中Z得分为标准差的倍数，Z较大时表示要素呈聚集分布状态。P值为假设地理空间要素在整个空间范围内为随机分布的概率，P值较小时表示所得空间分布模式为随机分布的可能性较小。

1.3.2 热点分析参数计算

为了解金枪鱼延绳钓渔船捕捞努力量在研究区域内的局部空间分布模式，采用空间自相关分析方法中的热点分析(hot spot analysis)统计量对其进行度量，热点分析能识别出具有统计显著性的渔船捕捞努力量分布热点和冷点。其计算公式如下[21]：

(3)

1.3.3 中心渔场验证

按公式(1)得到9月份各渔区网格内CPUE平均值，共102个。计算102个CPUE的上四分位数Q3，将CPUE大于Q3的渔区定义为中西太平洋金枪鱼延绳钓中心渔场的实际位置[23,26]。根据经纬度将其与热点分析所得中心渔场进行叠加。以热点区域对中心渔场实际位置的识别率作为中心渔场识别精度[27]，即热点区域内渔区与基于CPUE的中心渔场渔区的重叠个数占基于CPUE的中心渔场渔区总数的百分比。

2 结果与分析

2.1 中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船生产状况分析

由图1可知，7-9月作业渔船数量逐渐增加，10月渔船数量最少，11、12月作业渔船数量较高且基本保持一致；渔船作业时间7月最少，8、9月基本持平，10月有所减少，11、12月相对较高。总体而言，11、12月渔船数量和作业时间均较高，是金枪鱼延绳钓生产作业的高峰期，此时中西太平洋金枪鱼资源量相对较大；7-10月波动较大，且作业时间波动幅度小于作业渔船数量，10月作业渔船规模虽小，但单船平均作业时间较其它月份大，渔船的捕捞效率较高。

图1 2017年7-12月中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船生产状况统计Fig.1 Fishery statistics of the Western and Central Pacific tuna longliners from July to December 2017

2.2 常规统计及全局空间自相关分析

由表1可知，2017年9月渔区内捕捞努力量均值较8月稍小，其余月份均高于前月数值，表明2017年7-12月渔区内平均作业时间逐渐延长；所有月份偏态Sk>0，频数分布为正偏；峰态Ku>3，为高狭峰，说明各月中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船捕捞努力量以低值区域为主，高值区域较少；各月变异系数值较大，表明各渔区内捕捞努力量差异较大；所有S2/m值均远大于1，表明渔区内捕捞努力量呈强烈聚集分布。全局莫兰指数结果显示，各月莫兰指数均大于0，Z值得分较高且显著性水平P值为0，表明各月捕捞努力量存在空间自相关并呈现显著聚集分布模式。

表1 金枪鱼延绳钓渔船捕捞努力量常规统计及全局空间自相关参数Tab.1 Ordinary statistics and global spatial autocorrelation for the effort of tuna longliners

2.3 热点分析及中心渔场分布

各月渔船捕捞努力量热点分析结果如图2所示，月份间相同标识体现同一渔场的变化。7、8月中心渔场整体分布相似，在160°～174°E、10°S～5°N (B区)存在较大的独立热点，8月较7月有向北扩张的趋势，另在经度155°E(A区)、170°E(C区)、180° (F区)、170°W(D区)及155°W(E区)夏威夷群岛附近有小型热点区域，且8月热点区域面积均大于7月，表明8月中心渔场的作业范围跨度整体大于7月。 9月赤道附近热点区面积减少，在170°E～165°W、5°～15°N (G区)地区出现东西方向的较大热点区域，同时在155°～170°E、10°～20°S (C区)海域热点范围变大，此外在165°～175°W、5°～20°S(D区)也存在热点，但是渔区较为分散，渔场生产效率较低；10月热点区域主要分布在赤道以北173°E～173°W、5°～15°N(G区)，赤道以南存在两处较小热点区域；9、10月夏威夷群岛附近水域有作业点，但未出现明显的热点区域，表明捕捞强度较小；11、12月3个范围较大的热点分布大致相同，主要集中在168°～175°E、10°～20°S(C区)，155°～165°W、10°～25°N(E区)，172°E～178°W、5°～15°N(G区)海域，此外11月在170°W(D区)和180° (F区)附近存在两个热点区域。

热点分析得到的各渔区Z得分大小反映了中心渔场内捕捞努力量聚集程度，可知7月中心渔场内捕捞努力量聚集程度最高的渔区为167°00′～167°30′E、5°30′～6°00′S，154°30′～155°00′W、15°30′～16°00′N，169°00′～169°30′E、13°00′～13°30′S，170°00′～170°30′W、14°00′～14°30′S；8月中心渔场内捕捞努力量主要聚集在150°00′～150°30′E、6°30′～7°00′S，163°30′～164°00′E、2°00′～2°30′S，169°30′～170°00′E、17°00′～17°30′S，178°00′～178°30′W、4°00′～4°30′S，169°30′～170°00′W、13°00′～13°30′S，155°30′～156°00′W、18°00′～18°30′N；9月中心渔场内捕捞努力量主要聚集在167°30′～168°00′E、6°30′～7°00′S，160°30′～161°00′E、15°00′～15°30′S，166°00′～166°30′W、5°30′～6°00′N，168°30′～169°00′W、7°00′～7°30′S；10月中心渔场内捕捞努力量主要聚集在178°30′～179°00′W、14°30′～15°00′N，173°00′～173°30′E、10°30′～11°00′S；11月中心渔场内捕捞努力量主要聚集在178°30′～179°00′E、14°00′～14°30′N，173°00′～173°30′E、14°00′～14°30′S，179°30′～180°00′W、0°～0°30′S，171°00′～171°30′W、16°30′～17°00′S，161°00′～161°30′W、24°00′～24°30′N；12月中心渔场内捕捞努力量主要聚集在168°30′～169°00′E、16°00′～16°30′S，175°00′～175°30′E、9°00′～9°30′N，159°30′～160°00′W、24°00′～24°30′N。

图2 2017年7-12月中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船捕捞努力量热点分析Fig.2 Hot spot analysis of the spatial distribution about the fishing effort of the Western and Central Pacific tuna longliners from July to December 2017

由表2可知，从中心渔场的构成来看，各月中心渔场渔区数所占比例在19%～33%之间，中心渔场捕捞努力量所占比例在41%～56%之间，可知热点区域内捕捞努力量分布较为密集， 其中7月最为突出，在中心渔区百分比为19.97%情况下，作业小时数占到了41.94%。从中心渔场内平均捕捞努力量来看，中心渔场的平均捕捞努力量在19.1～36.5 h之间，8月最低，12月最高，整体上7-9月平均捕捞努力量的投入相差不大，约20 h左右，10-12月投入量均在30 h以上，较7-9月有显著提高。

表2 中西太平洋金枪鱼延绳钓中心渔场渔船生产状况统计Tab.2 Fishery statistics of the Western and Central Pacific tuna longliners in the central fishing grounds

3 讨论

3.1 基于热点分析的中心渔场识别

利用2017年9月金枪鱼延绳钓渔获数据，对基于AIS数据和热点分析得到的中心渔场准确性进行验证。根据各渔区CPUE可得上四分位数Q3为22.78尾·千钩-1，在ArcGIS环境下按该阈值提取后显示中心渔场实际位置并与热点区域叠加，结果如图3所示。可知金枪鱼延绳钓渔船捕捞努力量空间分布热点区域与基于CPUE的中心渔场区域有较高的空间一致性。空间统计分析得出，基于CPUE得到的中心渔场共包含26个渔区，其中落入热点区域内的渔区为19个，中心渔场识别率为73.1%。验证结果表明，基于AIS和热点分析的中心渔场识别精度较高，能够满足实际渔业研究的需求。

图3 基于CPUE及AIS数据的中心渔场分布叠加图Fig.3 Overlay map of the central fishing grounds based on CPUE and AIS data.

3.2 中西太平洋金枪鱼延绳钓中心渔场与海表温度的关系

本文研究了中心渔场与海表温度的关系(图4)。研究区域为“暖池-冷舌海洋生态系统”[28-29]，表层水温分布特点为西暖东冷，西部为暖池，东部为冷舌。由图4可知，各月中心渔场主要集中在3个区域：夏威夷群岛附近的冷舌区、28 ℃以上的暖池区及冷暖锋面交汇处。夏威夷群岛附近SST范围为25.5～27.5 ℃；赤道周围10°S～10°N内中心渔场处SST为28～30.3 ℃；10°S以南各月中心渔场主要集中在冷暖水域交替地带，SST范围为25～29 ℃，根据文献[30]金枪鱼鱼群往往在锋面地带获得丰富的食物，和本文此处热点区域吻合。

中西太平洋海域存在着多个金枪鱼种类，不同鱼种对海表温度的要求存在差异[31]。研究区域内各月存在多个中心渔场，且中心渔场处海表温度范围不尽相同，这应该与捕捞鱼种有关。10°S～10°N热带区域主要为大眼金枪鱼(Thunnusobesus)和鲣(Katsuwonuspelamis)，樊伟等[32]研究了20°N～20°S中西太平洋区域大眼金枪鱼，结果显示大眼金枪鱼最适月平均表层水温约28～29 ℃；胡奎伟等[33]认为鲣资源量集中出现在SST为28～30 ℃之间海域，二者的渔场位置及海表温度范围与本文基本一致。10°S以南地区主要有长鳍金枪鱼，樊伟[34]指出南太平洋低纬度(10°S)附近的渔场平均SST为26～29 ℃，闫敏等[35]研究环境因子对南太平洋长鳍金枪鱼(Thunnusalalunga)渔场的影响，指出长鳍金枪鱼渔场SST分布范围在26～30 ℃之间，最适范围为 26～29 ℃，本文与以上结果稍有差异，原因可能是由于数据的时间尺度不同。15°N、155°W夏威夷群岛附近是黄鳍金枪鱼和大眼金枪鱼重要的产卵场，可全年多月产卵[31,36]。众多研究表明，东太平洋热带和亚热带地区大眼金枪鱼和黄鳍金枪鱼的产卵表层温度要达到24 ℃以上，在该温度下金枪鱼才有持续产卵能力[27]，本文提取的该地区海表温度与产卵所需温度相符。

图4 2017年7-12月中西太平洋金枪鱼延绳钓中心渔场与月平均SST叠加图Fig.4 Overlay map of the central fishing grounds and monthly average SST from July to December 2017

文章基于2017年7-12月卫星AIS数据计算渔船捕捞努力量，由于国内AIS数据应用尚处于起步阶段，数据获取有限，因此本文所用数据时间跨度尚小。前期依靠航速区分渔船状态提取AIS数据时主要参照前人经验，目前研究主要是根据航向和航速等特征构建分析模型来判别渔船捕捞状态[38-40]，以后将会从该方面考虑，提高判定的准确度。此外由于AIS数据回报频率与航速有关，航速越高消息更新越快，加之卫星AIS系统本身客观因素，船只每小时内AIS消息数量相差较大，在按照每小时进行算数平均时也会对结果带来影响。随着AIS卫星技术的发展，远洋渔船的海事监管体系会愈加完善，数据质量也将得到提升，从而研究结果的准确性也将进一步提高。

本文利用全局莫兰指数和热点分析方法探讨了中西太平洋金枪鱼延绳钓渔船捕捞努力量空间聚集特征，验证了热点区域为中心渔场的准确性，分析了2017年7-12月金枪鱼延绳钓中心渔场变动情况，提取了中心渔场处海表温度范围，所得结果较好地体现渔场分布的全局和局部特征。本文采用0.5°×0.5°为渔区划分标准，今后将在多空间尺度及其它海洋区域进行深入研究，为远洋渔业渔场分析提供科学参考。