基于北斗船位數據的江蘇漁船航次分析

湯先峰，張勝茂，樊 偉，裴凱洋

(1上海海洋大學信息學院，上海 201306；2中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部東海漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090)

航次是漁業生產管理中常用的統計單元，漁船按照約定的捕撈計劃從出發港到返回港為一個航次[1]。漁船的每個航次由多個船位點組成，每個點到岸線點的最短距離為航次中點的離岸距離，一個航次中篩選出的船位點離岸距離的和為累加離岸距離，累加離岸距離除以篩選點數據量為航次平均離岸距離。傳統航次記錄提取方法為調查過程中人工記錄航次時間以及航次中的生產要素，通過計算和錄入作業參數進行管理統計航次。依靠人工錄入和判斷的方法無法適用于大量的漁船航次數據統計。根據《中國漁業統計年鑒(2017)》[2]，中國近海機動捕撈漁船超過17萬艘，人工方法難以獲取每艘漁船的航次數據。20世紀90年代信息技術發展迅速，船舶監控系統(vessel monitoring system，VMS)能實時記錄漁船的經度、緯度、航速、航向、發報時間等作業信息[3-4]，其中，利用北斗船位數據提取船位信息具有更高的準確性[5]，可以更快地獲取大范圍的漁船信息[6]，目前VMS大多被用來對航次進行提取分析[7-10]。航次和離岸距離信息可用于漁業生產的經濟效益計算[11]、漁業資源分布調查[12]、輔助限額捕撈管理等[13]，通過對航次信息和離岸距離信息提取，可以分析不同類型漁船的作業特點，并可將以上因素作為評估港口和地區漁業發展的因子，為港口的繁忙程度、港口級別、地區漁業發展、漁船經濟效益和航次評估等提供參考[14]。

對2017年江蘇省安裝北斗終端并有漁船基本信息記錄的漁船進行航次提取，并添加離岸距離提取方法，對漁船離岸距離數據進行提取分析，分析結果可為江蘇省漁業發展管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

北斗船位數據來源于北斗民用分理服務商，數據信息主要包括漁船的位置經緯度、航向(方位角度)、航速(m/s)、時間等信息，空間分辨率約為 10 m，時間分辨率約為 3 min。根據《中國漁業統計年鑒(2017)》[2]，江蘇省擁有海洋機動捕撈漁船6 912艘，安裝北斗終端的漁船為2 854艘，其中既安裝了北斗終端又有船型長、噸位、功率等基本信息的漁船為1 820艘。沿海區縣數據來源于國家基礎地理信息中心 (http://www.ngcc.cn/ngcc/ )，1∶400 萬矢量數據。

1.2 航次提取方法

圖1中A、C、D處的格網中心點為港口。漁船出海作業過程中，船載北斗終端發送漁船ID、船位經緯度、時間等信息，位置點記錄的時間間隔約3 min，每個航次由一系列時間序列船位點組成。首先按0.1 °× 0.1 °把中國海岸線劃分成格網，然后將格網圖層與海岸線圖層疊加，兩者相交的格網即為港口格網，將省、地區、縣行政區劃圖層與港口格網中心點圖層疊加，計算出港口格網中心點經度和緯度，格網所屬的行政區劃為離中心點最近的行政區劃。將漁船軌跡線與港口格網相疊加，相交的點即為漁船的出發港和返回港，根據出發港船位點和返回港船位點來提取出具體的每個航次信息[15]。

圖 1 漁船航次示意圖Fig.1 Schematic diagram of fishing vessel voyage

兩個航次分別是航次1和航次2。航次1從港口格網A出發，經過海上捕撈作業，在港口格網C返港；航次2從港口格網D出發，經過海上捕撈作業，在港口格網D返港。

經漁船進出港口格網篩選后可能存在漁船非進出港口格網的情況，需要進一步地篩選處理。根據漁船作業特點，漁船進出港再加上海上作業，時間一般都大于0.5 d，并且漁船經過港口格網時間一般小于1 h，通過漁船進出港時間差來計算漁船海上作業時間，以此來判斷漁船進出口格網[16]。

1.3 離岸距離提取方法

漁船的每個航次由多個點組成，一個航次中按每小時篩選出1個船位點，各點到岸線點的最短距離為航次中點的離岸距離，計算點的離岸距離的和為累加離岸距離，累加離岸距離除以篩選點數為平均離岸距離。離岸距離是特征數據，以小時為單位，可選擇1 h內的平均距離、最小距離，或者接近某個時刻最近的點。

R為地球半徑，取值6 371 km。海岸線點有k個，第i個經度角αi，緯度角βi，一個航次有n個船位點，第j個船位點的經度角αj，緯度角βj；第j個船位的離岸距離Sij為：

Sij=R×cos-1[cosβicosβjcos(αi-αj)+sinβisinβj]{i|i∈(0,1,2,...,k)}{j|j∈(0,1,2,...,n)}

(1)

航次的累加離岸距離Slian為：

(2)

2 結果

航次數據包括出發港口格網的中心點經緯度、出發時間、出發時記錄的第一個船位點的經緯度、返回港口格網的中心點經緯度、返回時間、返回時記錄的最后一個船位經緯度，以及出海船名和航次時間長度。對2017 年末江蘇省1 820艘VMS數據進行處理，結合漁船登記作業類型、漁船噸位、漁船長度、漁船所屬地等進行分析。捕撈漁船的作業航次是指漁船從漁港離岸，在捕撈海區作業結束后回到港口的過程。航次有可能是出海捕撈作業，時長一般在0.5 d以上；也可能是到其他港口補給、維修或卸漁獲，航次時長一般在0.5 d內。本文中航次是指漁船出海作業的航次，為了減少這些非出海捕撈航次的影響，設置時長在6 h以上。由于北斗船載終端受北斗通信及船上其他設備干擾的影響，存在數據記錄缺失的問題，導致進港與出港記錄丟失，使得航次時長較長。為了減少這部分航次的影響，設置時長在720 h(30 d)內。

2.1 漁船航次

根據農歷日統計(圖2a)，出港和進港的航次數都有兩個集中的凸起。出港的兩個凸起在農歷日6～13和21～28，分別占總航次的36%，31%；進港的兩個凸起在農歷日2～10和16～22，分別占總航次的31%，32%。

根據每天的時刻統計(圖2b)，進港航次數的1個凸起在6：00—14:00，占總航次的67%；出港的2個凸起在5：00—11:00和13：00—19：00，占總航次的34%和27%。

圖2 漁船航次進出港頻數隨時間的變化Fig.2 Changes of frequency of departure and entry of vessel voyage with time

以小時為單位統計航次時長6～719 h(圖3a)，航次主要集中在時長216 h內，約占全部航次數量的71%。航次頻數(航次數量)隨航次時長指數遞減，趨勢擬合式為y=137.11 e0.01x，趨勢線擬合程度R2=0.85較高。

航次的平均速度在0～30 d范圍內可以劃分為3段(圖3b)，包括1～9 d、10～15 d和16～30 d。航次時長在1～9 d的平均航速為0.8～1.3 m/s，航次時長10～15 d的平均航速為0.4～1 m/s，呈下降趨勢；航次時長16～30 d的平均航速為0.1～1.3 m/s，變化幅比較大。

航次的平均航程劃分為3段(圖3c)，航次時間為0～9 d時，平均航程逐漸增加，趨勢擬合式為y= 85.76x+20.13，趨勢線擬合程度R2= 0.96較高；航次時間為10～15 d時，平均航程下降趨勢，擬合式為y= -37.81x+ 1 195.57；航次時間為16～30 d時，平均航程變化幅度較大，擬合式為y=40.17x-71.56。

航次的平均離岸距離劃分為4段(圖3d)，包括0～9 d、10～15 d、16～21 d和22～30 d。航次時長為0～9 d時，平均離岸距離由18 km增加到1 150 km，呈線性增長，趨勢擬合式為y= 11.196x+ 15.445，趨勢線擬合程度R2=0.968 9較高；航次時長為10～15 d時，平均離岸距離為75～199 km，呈下降趨勢；航次時長為16～21 d時，平均離岸距離為36～199 171 km，呈下降趨勢；航次時長為22～30 d時，平均離岸距離為37～279 km。

江蘇2017航次分布整體中間低兩邊高(圖4)，4月、9～11月航次數較多，2月、5～7月航次數較少。

2.2 不同漁船作業類型的航次

江蘇省刺網作業船航次占總航次數的84.6%，漁船數量占總數的85.1%。圍網船和張網船航次數少，圍網船平均離岸距離最遠，張網船次之，平均作業時間上有類似特點，圍網船功率和噸位比一般作業類型的漁船大。

圖3 航次變化特征Fig.3 Characteristic of voyage changes

圖4 不同月份的航次數和平均離岸距離Fig.4 Voyage number and average offshore distance of different months

表1 2017年漁船作業類型與航次Tab.1 Operation type and voyage number of fishing vessels in 2017

根據原始VMS數據，漁船長度從12～50 m按間隔2 m劃分20個等級，船長在24～34 m的漁船最多,占總數的84.5%，這個區間的航次數占總數的85.0%(圖5a)。從功率上看，100～240 kW的漁船數和航次數最多，船數占比86.2%，航次數占比86.4%(圖5b)。從噸位上看，90～190 t的船數和航次數最多，船數占比80%，航次數占比82.5%(圖5c)。

平均離岸距離隨著噸位和功率的增長而線性增長(圖6a、圖6b)，大部分航次作業都在離岸80 km以內(圖7)。

圖5 不同漁船屬性航次數量變化特征Fig.5 Variation characteristics of voyage number of different fishing vessels

圖6 不同漁船屬性平均離岸距離數量變化特征Fig.6 Variation characteristics of average offshore distance of different fishing vessels

圖7 平均離岸距離和航次數的關系Fig.7 Relationship between average offshore distance and voyage number

2.3 不同地區漁船的航次

從地區上看，南通、鹽城和連云港的航次較多，其中南通和鹽城的漁船航次數最多(圖8a)，分別占總數的49.5%和37.1%，蘇州的航次數僅占0.1%；蘇州漁船作業平均離岸距離有兩個峰值，最遠達332.38 km，高于其他地區(圖8b)。從各地級市來看，南通的啟東、如東和鹽城的射陽，航次數較多，分別占比37.2%、12.0%和25.3%(圖8c)；平均離岸距離最遠的縣市為太倉，為332.38 km(圖8d)，其他縣市基本持平。

3 討論

3.1 漁船航次的特點

部分作業漁船的生產時間與農歷日期有較大聯系，如張網網具依靠每月大潮海水的推動力迫使漁獲物進入網具中，一般在大潮(農歷初一或十五)的前后幾天作業，燈光圍網在夜晚依靠燈光誘捕漁獲，一般在朔日(農歷初一)前后作業。

漁船出港集中在5：00—11：00和13：00—19：00，進港集中在6：00—14：00。漁船出港、進港的時間與當日的漲潮落潮關系較大，出港大部分選擇落潮，進港選擇漲潮，隨著漲落潮進出港航行速度快，能夠節省燃油。漁獲銷售集中在早晨和上午也是決定漁船進港時間的重要因素之一，一般漁船早晨6：00進港，經過約3～6 h的搬運，才能卸載完漁獲。

漁船作業航次特征中，航次頻率、平均航速、平均航程和平均離岸距離等，隨時間變化的曲線中疊加了周期為24 h的波動。航次頻率隨時間變化的24 h周期波動，是因為漁船進出港會受選擇時間影響。平均航程、平均航速和平均離岸距離的24 h周期波動，則是因為不同捕撈類型漁船的作業特點存在差別，如燈光圍網白天尋找漁場，晚上捕撈；拖網全天可以作業；刺網多數在白天下網和收網，導致多種捕撈類型的疊加出現周期性波動。

圖8 不同區縣航次特點Fig .8 Voyage characteristic of different cities

江蘇近海捕撈機動漁船以小型的為主，44.1 kW以下有2 838艘，44.1～441 kW有4 060艘，44.1 kW以上的有14艘[2]。小型漁船主要在近岸漁場作業，航程和離岸距離短；較大的漁船作業航程和離岸距離長。小型漁船航次周期短，相同時間內航次的頻次高，因此航次頻數隨航次時長呈現快速遞減。

不同捕撈類型的漁船作業離岸距離、作業航速差別大，因此多種漁船航次特征數據變化明顯。1～9 d的航次平均航速隨航次時長的變化較小，平均離岸距離隨航次時長線性增加，并且這一段的平均航速較大，可能是以小型拖網漁船為主；10～15 d的航次平均離岸距離在140 km左右呈下降趨勢，平均航速也呈下降趨勢，可能以刺網為主；16～30 d的航次，平均離岸距離變化大，平均航速呈上升趨勢，航速較低，可能以張網漁船為主。

3.2 日期變化的特點

江蘇全年航次數有2個凸起和2個凹陷，主要原因：1)1～4月為海洋魚類集中繁育期，8～12月為海洋魚類集中成熟期，上半年冷空氣較多，溫度不如下半年適宜，海水溫度受氣溫影響較大，季節性變化明顯；2月逢春節，出海會減少，5～7月份航次數很少，根據原農業部《關于調整海洋伏季休漁制度的通告》，2017年休漁期日期為5月1日—8月16日，休漁期結束后航次數比較多，這個現象可能與漁業資源的生理周期緊密相連，在伏季休漁前和休漁后屬于漁業資源集中產卵繁殖時期，水溫適宜。2)刺網航次數最多，受洄游影響，刺網可以在洄游水域的通道上攔截更多的漁獲物[17]，使得下半年航次數更多一點。3)臺風生成時間集中于7～8月，其中7月21日臺風“奧鹿”，7月31日臺風“海棠”，9月14日臺風“泰利”和10月15日臺風“卡努”對江蘇省影響最大，漁船捕魚多少受到臺風的影響[18]。

3.3 不同漁船作業類型航次和離岸距離的特點

刺網漁船主要在近海生產，較遠漁場生產的情況極少[19]，刺網總航次數較多。漁船船體大小和總重噸位決定其規模、抗風浪能力、續航里程和船員生活維持能力，漁船越小，其單航次行駛距離越短，單航次作業時間也越短；反之漁船規模越大，其單航次作業范圍也越大，平均時間和平均離岸距離會隨著噸位和功率的增長而線性增長。圍網平均功率和平均噸位遠遠大于其他類型船，因此圍網船平均離岸距離最遠。因張網作業一般將網具固定在水中，作業過程中航速變化較小，所以張網平均離岸距離相比其他作業類型也比較大。平均離岸距離大，這也是圍網漁船和張網漁船航次數少的原因之一。

根據漁船船長、噸位和功率可以看出江蘇近海捕撈漁船多為中小型漁船，其抗風浪能力較差，且續航里程和生活維持時間較短，無法進行長時間或遠距離捕撈作業，使得漁船整體平均離岸距離較小，大部分航次作業都在離岸80 km以內。

3.4 江蘇不同地區的差異

從地區上來看，江蘇省漁業最發達的地區為南通、鹽城和連云港，這3個地區皆靠海，地理位置比較優越，其中南通和鹽城的航次數較多。結合江蘇省漁業背景分析，南通是江蘇的海洋捕撈大市，海洋捕撈產量一直占據江蘇的50%以上。南通地處南黃海之濱，緊鄰呂四漁場，漁業資源相對豐富[20]。從各地級市來看，啟東市、如東縣和射陽縣的航次數較多，平均離岸距離最遠的縣市為太倉市，其他縣市基本持平。射陽、贛榆沿海捕撈近幾年刺網作業比較發達，所以這兩個地方的航次數也相對比較多。江蘇海洋作業漁具眾多，由于海洋資源和生產成本變化的原因，耗油多、漁場遠、利用底層資源的底拖網作業逐步被淘汰[21]，在作業結構出現變化的同時，江蘇省漁具分布的地區格局也漸漸形成。

江蘇省整體上離岸距離都比較近，適合刺網漁業發展，南通市、鹽城市、連云港市航次數比較多，之后可根據不同地區的漁船功率和漁船數量，因地制宜，對各地區漁業捕撈進行調整。

4 結論

航次和離岸距離的提取可以為其他事物的評價提供參考。1)可以根據不同航次數、平均時間、單位航次成本和必要運費率等來估算航線的性價比，計算航次的成本，離岸距離和航次數還可以作為航次評估的參數；2)輔助限額捕撈；3)江蘇是港口大省，港口績效是衡量地區社會經濟發展水平的標志之一，不同港口的航次數、航次成本或離岸距離可作為港口評價的因子，同時，港口的航次數和離岸距離也可以反映一個港口的繁忙程度，估算經濟效益，為港口的發展提供參考。隨著北斗船位挖掘技術的發展，北斗終端會進行大面積的覆蓋，今后可進一步提高數據的準確性，挖掘出更多有價值的信息，為漁業發展提供科學有效的參考依據。