基于衛星AIS的中西太平洋金槍魚延繩釣漁場分布研究

原作輝，楊東海，樊 偉，張勝茂

(1.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部遠洋與極地漁業創新重點實驗室，上海 200090；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

金槍魚是各國遠洋捕撈漁業的重要經濟魚種，研究金槍魚漁場空間分布規律不僅是各國遠洋漁業戰略的重要組成部分，更是保護和有效利用金槍魚漁業資源的關鍵[1-2]。目前針對金槍魚中心漁場的研究主要依靠商業漁船的捕撈日志及漁業組織公布的漁獲數據，通過計算單位捕撈努力量漁獲量(catch per unit effort,CPUE)，或利用漁場重心公式等方法求得中心漁場位置，并結合海表溫度、葉綠素等遙感影像分析中心漁場變動及其與海洋環境因子關系[3-6]。然而遠洋金槍魚漁船海上作業時間一般在一年以上，漁撈日志返港后才可帶回，且部分企業日志填寫尚不規范，因此數據的準確性和時效性都存在著不足[7]。近幾年來，大數據、互聯網等技術的發展為漁業相關數據的實時采集管理及應用提供了強有力的支持，船舶自動監控系統(automatic identification system, AIS)可以近實時地獲得漁船所處位置，發送經緯度、航向、航速等信息，國內外學者對AIS數據進行分析挖掘，已在漁船狀態判別[8-9]、漁場分析[10-11]以及非法捕撈行為監控[12-13]等方面取得了一系列成果。AIS衛星技術的發展更拓展了其在遠洋漁船漁場分析上的應用[14]，遠洋捕撈作業漁船經衛星將數據發送給地面站，信息回報速度快，數據準確度高，可應用于中心漁場的快速分析和預報，彌補了漁獲數據存在的不足。

全局莫蘭指數和熱點分析是研究漁場全局和局部分布模式的典型空間分析方法，可以得到漁船捕撈努力量的全局空間分布模式以及具有統計顯著性的熱點和冷點，國內外針對漁獲數據已有研究[15-17]，但基于AIS船位數據的討論較少。因此本文利用2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船衛星AIS數據，以全局莫蘭指數和熱點分析為主要方法尋找金槍魚延繩釣中心漁場位置，研究其空間分布模式及變動情況，并得到中心漁場處海表溫度范圍，以期為中西太平洋金槍魚延繩釣漁船生產作業及管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 AIS船位數據

本文研究區域為150°W～150°E、25°S～25°N中西太平洋海域。2017年7-12月漁船AIS船位信息來自exactView衛星星座傳輸數據，主要包括MMSI、船名、呼號、經緯度、航向、航速等。金槍魚延繩釣漁船信息來自于中西太平洋漁業委員會(https://www.wcpfc.int)公布的金槍魚延繩釣漁船記錄。

1.1.2 漁獲量數據

金槍魚延繩釣漁獲數據來源于2017年9月中水集團遠洋延繩釣漁船在中西太平洋的漁獲記錄，時間分辨率為日，空間分辨率為0.5°×0.5°。數據包括作業日期、經緯度、投鉤數及各金槍魚魚種尾數、產量。

1.1.3 海洋表面溫度數據

海表溫度(sea surface temperature,SST)數據來源于NOAA下屬的Ocean Watch網站(http://oceanwatch.pifsc.noaa.gov)，空間分辨率為0.05°×0.05°。

1.2 數據處理

1.2.1 AIS數據處理

將中西太平洋金槍魚延繩釣漁船信息與AIS漁船信息匹配得到漁船列表，繼而得到2017年7-12月研究區域AIS數據。一般情況下，金槍魚延繩釣漁船捕撈狀態下航速為3～7 kn[18-19]，根據航速篩選出處于捕撈狀態下的AIS數據，隨后對各船AIS數據按每小時進行平均，得到平均后各點經緯度，每個點即代表該漁船作業1 h[20]。尺度選擇上，由于空間分辨率過大，每個格網包含的船位點數過少，不易進行高低值聚類判斷；空間分辨率過小，漁場判別結果表達不夠精細[21]，因此文章以0.5°×0.5°的漁區網格為統計單元，按月為周期，計算各漁區網格內漁船作業時間作為該漁區金槍魚延繩釣漁船的捕撈努力量，單位為h。

1.2.2 漁獲數據處理

通過匹配船名提取9月份有AIS船位信息的漁船對應的漁獲數據，將其按經緯度0.5° ×0.5° 進行漁區劃分，按月對其作業位置、尾數和放鉤數進行統計，計算各漁區內CPUE(單位：尾·千鉤-1)，公式如下[22-23]:

(1)

式(1)中，CPUEi,j、Nfish(i,j)、Nhook(i,j)分別表示第i個經度、第j個緯度處方格的月平均CPUE、月漁獲總尾數、月總投鉤數。

1.3 研究方法

1.3.1 全局莫蘭指數參數計算

為了解金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量在研究區域內的全局空間分布模式，采用空間自相關分析中的全局莫蘭指數(Global Moran’s Index)進行度量，其計算公式如下[24]：

(2)

式(2)中，n表示樣本數量，zi、zj為要素i、j的屬性與所有樣本屬性平均值的偏差，wi,j是要素i和要素j之間的空間權重，若要素i和要素j相鄰，則wi,j=1，反之，則wi,j=0。

全局莫蘭指數的值域范圍為-1～1，若該值大于0，則表示要素在整個研究區域內為聚集分布，且該值越接近1，表示聚集分布的程度越高；若該值小于0，則表示要素在整個研究區域內為離散分布，該值越接近-1，表示離散分布的程度越高；若該值等于0，則表示要素為隨機分布。在ArcGIS軟件環境下，Global Moran’s I工具還會返回Z得分和P值，其中Z得分為標準差的倍數，Z較大時表示要素呈聚集分布狀態。P值為假設地理空間要素在整個空間范圍內為隨機分布的概率，P值較小時表示所得空間分布模式為隨機分布的可能性較小。

1.3.2 熱點分析參數計算

為了解金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量在研究區域內的局部空間分布模式，采用空間自相關分析方法中的熱點分析(hot spot analysis)統計量對其進行度量，熱點分析能識別出具有統計顯著性的漁船捕撈努力量分布熱點和冷點。其計算公式如下[21]：

(3)

1.3.3 中心漁場驗證

按公式(1)得到9月份各漁區網格內CPUE平均值，共102個。計算102個CPUE的上四分位數Q3，將CPUE大于Q3的漁區定義為中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場的實際位置[23,26]。根據經緯度將其與熱點分析所得中心漁場進行疊加。以熱點區域對中心漁場實際位置的識別率作為中心漁場識別精度[27]，即熱點區域內漁區與基于CPUE的中心漁場漁區的重疊個數占基于CPUE的中心漁場漁區總數的百分比。

2 結果與分析

2.1 中西太平洋金槍魚延繩釣漁船生產狀況分析

由圖1可知，7-9月作業漁船數量逐漸增加，10月漁船數量最少，11、12月作業漁船數量較高且基本保持一致；漁船作業時間7月最少，8、9月基本持平，10月有所減少，11、12月相對較高。總體而言，11、12月漁船數量和作業時間均較高，是金槍魚延繩釣生產作業的高峰期，此時中西太平洋金槍魚資源量相對較大；7-10月波動較大，且作業時間波動幅度小于作業漁船數量，10月作業漁船規模雖小，但單船平均作業時間較其它月份大，漁船的捕撈效率較高。

圖1 2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船生產狀況統計Fig.1 Fishery statistics of the Western and Central Pacific tuna longliners from July to December 2017

2.2 常規統計及全局空間自相關分析

由表1可知，2017年9月漁區內捕撈努力量均值較8月稍小，其余月份均高于前月數值，表明2017年7-12月漁區內平均作業時間逐漸延長；所有月份偏態Sk>0，頻數分布為正偏；峰態Ku>3，為高狹峰，說明各月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量以低值區域為主，高值區域較少；各月變異系數值較大，表明各漁區內捕撈努力量差異較大；所有S2/m值均遠大于1，表明漁區內捕撈努力量呈強烈聚集分布。全局莫蘭指數結果顯示，各月莫蘭指數均大于0，Z值得分較高且顯著性水平P值為0，表明各月捕撈努力量存在空間自相關并呈現顯著聚集分布模式。

表1 金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量常規統計及全局空間自相關參數Tab.1 Ordinary statistics and global spatial autocorrelation for the effort of tuna longliners

2.3 熱點分析及中心漁場分布

各月漁船捕撈努力量熱點分析結果如圖2所示，月份間相同標識體現同一漁場的變化。7、8月中心漁場整體分布相似，在160°～174°E、10°S～5°N (B區)存在較大的獨立熱點，8月較7月有向北擴張的趨勢，另在經度155°E(A區)、170°E(C區)、180° (F區)、170°W(D區)及155°W(E區)夏威夷群島附近有小型熱點區域，且8月熱點區域面積均大于7月，表明8月中心漁場的作業范圍跨度整體大于7月。 9月赤道附近熱點區面積減少，在170°E～165°W、5°～15°N (G區)地區出現東西方向的較大熱點區域，同時在155°～170°E、10°～20°S (C區)海域熱點范圍變大，此外在165°～175°W、5°～20°S(D區)也存在熱點，但是漁區較為分散，漁場生產效率較低；10月熱點區域主要分布在赤道以北173°E～173°W、5°～15°N(G區)，赤道以南存在兩處較小熱點區域；9、10月夏威夷群島附近水域有作業點，但未出現明顯的熱點區域，表明捕撈強度較小；11、12月3個范圍較大的熱點分布大致相同，主要集中在168°～175°E、10°～20°S(C區)，155°～165°W、10°～25°N(E區)，172°E～178°W、5°～15°N(G區)海域，此外11月在170°W(D區)和180° (F區)附近存在兩個熱點區域。

熱點分析得到的各漁區Z得分大小反映了中心漁場內捕撈努力量聚集程度，可知7月中心漁場內捕撈努力量聚集程度最高的漁區為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月中心漁場內捕撈努力量主要聚集在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月中心漁場內捕撈努力量主要聚集在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月中心漁場內捕撈努力量主要聚集在178°30′～179°00′W、14°30′～15°00′N，173°00′～173°30′E、10°30′～11°00′S；11月中心漁場內捕撈努力量主要聚集在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月中心漁場內捕撈努力量主要聚集在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。

圖2 2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量熱點分析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，從中心漁場的構成來看，各月中心漁場漁區數所占比例在19%～33%之間，中心漁場捕撈努力量所占比例在41%～56%之間，可知熱點區域內捕撈努力量分布較為密集， 其中7月最為突出，在中心漁區百分比為19.97%情況下，作業小時數占到了41.94%。從中心漁場內平均捕撈努力量來看，中心漁場的平均捕撈努力量在19.1～36.5 h之間，8月最低，12月最高，整體上7-9月平均捕撈努力量的投入相差不大，約20 h左右，10-12月投入量均在30 h以上，較7-9月有顯著提高。

表2 中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場漁船生產狀況統計Tab.2 Fishery statistics of the Western and Central Pacific tuna longliners in the central fishing grounds

3 討論

3.1 基于熱點分析的中心漁場識別

利用2017年9月金槍魚延繩釣漁獲數據，對基于AIS數據和熱點分析得到的中心漁場準確性進行驗證。根據各漁區CPUE可得上四分位數Q3為22.78尾·千鉤-1，在ArcGIS環境下按該閾值提取后顯示中心漁場實際位置并與熱點區域疊加，結果如圖3所示。可知金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量空間分布熱點區域與基于CPUE的中心漁場區域有較高的空間一致性。空間統計分析得出，基于CPUE得到的中心漁場共包含26個漁區，其中落入熱點區域內的漁區為19個，中心漁場識別率為73.1%。驗證結果表明，基于AIS和熱點分析的中心漁場識別精度較高，能夠滿足實際漁業研究的需求。

圖3 基于CPUE及AIS數據的中心漁場分布疊加圖Fig.3 Overlay map of the central fishing grounds based on CPUE and AIS data.

3.2 中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場與海表溫度的關系

本文研究了中心漁場與海表溫度的關系(圖4)。研究區域為“暖池-冷舌海洋生態系統”[28-29]，表層水溫分布特點為西暖東冷，西部為暖池，東部為冷舌。由圖4可知，各月中心漁場主要集中在3個區域：夏威夷群島附近的冷舌區、28 ℃以上的暖池區及冷暖鋒面交匯處。夏威夷群島附近SST范圍為25.5～27.5 ℃；赤道周圍10°S～10°N內中心漁場處SST為28～30.3 ℃；10°S以南各月中心漁場主要集中在冷暖水域交替地帶，SST范圍為25～29 ℃，根據文獻[30]金槍魚魚群往往在鋒面地帶獲得豐富的食物，和本文此處熱點區域吻合。

中西太平洋海域存在著多個金槍魚種類，不同魚種對海表溫度的要求存在差異[31]。研究區域內各月存在多個中心漁場，且中心漁場處海表溫度范圍不盡相同，這應該與捕撈魚種有關。10°S～10°N熱帶區域主要為大眼金槍魚(Thunnusobesus)和鰹(Katsuwonuspelamis)，樊偉等[32]研究了20°N～20°S中西太平洋區域大眼金槍魚，結果顯示大眼金槍魚最適月平均表層水溫約28～29 ℃；胡奎偉等[33]認為鰹資源量集中出現在SST為28～30 ℃之間海域，二者的漁場位置及海表溫度范圍與本文基本一致。10°S以南地區主要有長鰭金槍魚，樊偉[34]指出南太平洋低緯度(10°S)附近的漁場平均SST為26～29 ℃，閆敏等[35]研究環境因子對南太平洋長鰭金槍魚(Thunnusalalunga)漁場的影響，指出長鰭金槍魚漁場SST分布范圍在26～30 ℃之間，最適范圍為 26～29 ℃，本文與以上結果稍有差異，原因可能是由于數據的時間尺度不同。15°N、155°W夏威夷群島附近是黃鰭金槍魚和大眼金槍魚重要的產卵場，可全年多月產卵[31,36]。眾多研究表明，東太平洋熱帶和亞熱帶地區大眼金槍魚和黃鰭金槍魚的產卵表層溫度要達到24 ℃以上，在該溫度下金槍魚才有持續產卵能力[27]，本文提取的該地區海表溫度與產卵所需溫度相符。

圖4 2017年7-12月中西太平洋金槍魚延繩釣中心漁場與月平均SST疊加圖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月衛星AIS數據計算漁船捕撈努力量，由于國內AIS數據應用尚處于起步階段，數據獲取有限，因此本文所用數據時間跨度尚小。前期依靠航速區分漁船狀態提取AIS數據時主要參照前人經驗，目前研究主要是根據航向和航速等特征構建分析模型來判別漁船捕撈狀態[38-40]，以后將會從該方面考慮，提高判定的準確度。此外由于AIS數據回報頻率與航速有關，航速越高消息更新越快，加之衛星AIS系統本身客觀因素，船只每小時內AIS消息數量相差較大，在按照每小時進行算數平均時也會對結果帶來影響。隨著AIS衛星技術的發展，遠洋漁船的海事監管體系會愈加完善，數據質量也將得到提升，從而研究結果的準確性也將進一步提高。

本文利用全局莫蘭指數和熱點分析方法探討了中西太平洋金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量空間聚集特征，驗證了熱點區域為中心漁場的準確性，分析了2017年7-12月金槍魚延繩釣中心漁場變動情況，提取了中心漁場處海表溫度范圍，所得結果較好地體現漁場分布的全局和局部特征。本文采用0.5°×0.5°為漁區劃分標準，今后將在多空間尺度及其它海洋區域進行深入研究，為遠洋漁業漁場分析提供科學參考。