基于Voronoi圖與空間自相關(guān)的西北太平洋柔魚(yú)資源空間聚集特征分析

馮永玖，楊銘霞，陳新軍*

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；3.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；4.遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306）

基于Voronoi圖與空間自相關(guān)的西北太平洋柔魚(yú)資源空間聚集特征分析

馮永玖1，2，3，4，楊銘霞1，陳新軍1，2，3，4*

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；3.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；4.遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306）

以西北太平洋柔魚(yú)Ommastrephesbartramii為例，基于2007—2010年中國(guó)魷釣船的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)原始點(diǎn)位數(shù)據(jù)，利用Voronoi圖和空間自相關(guān)方法，評(píng)估柔魚(yú)資源的全局空間模式、局部空間聚集特征，并以空間可視化方式呈現(xiàn)。在漁業(yè)資源及空間分析中，高產(chǎn)值聚集的海域稱(chēng)為空間熱點(diǎn)，而低產(chǎn)值聚集的海域稱(chēng)為空間冷點(diǎn)。研究表明，全局自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量Moran's I和General G均指示了西北太平洋柔魚(yú)資源的聚集分布狀態(tài)。局部空間自相關(guān)顯示，2007和2009年均具有2個(gè)熱點(diǎn)和1個(gè)冷點(diǎn)區(qū)域，2008年具有1個(gè)熱點(diǎn)和1個(gè)冷點(diǎn)區(qū)域，2010年具有1個(gè)熱點(diǎn)和2個(gè)冷點(diǎn)區(qū)域，這些熱冷點(diǎn)呈南北向或東西向分布態(tài)勢(shì)。熱冷點(diǎn)格局的疊加圖顯示，研究區(qū)內(nèi)存在1個(gè)強(qiáng)熱點(diǎn)、1個(gè)弱熱點(diǎn)和1個(gè)強(qiáng)冷點(diǎn)，其中弱熱點(diǎn)覆蓋的區(qū)域在4年間表現(xiàn)為熱點(diǎn)和冷點(diǎn)的交互變動(dòng)。對(duì)7—11月平均海表溫度和葉綠素a濃度的分析顯示，熱點(diǎn)和冷點(diǎn)均為中心漁場(chǎng)，熱冷點(diǎn)形成的溫度條件無(wú)顯著差異；熱冷點(diǎn)形成的葉綠素a濃度范圍為0.2～1.1 mg／m3，其中冷點(diǎn)區(qū)域的濃度相對(duì)較高。

空間熱點(diǎn)；Voronoi圖；空間自相關(guān)；柔魚(yú)；西北太平洋

1 引言

隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）管理漁業(yè)資源數(shù)據(jù)、分析漁業(yè)資源的空間分布特征，不僅成為生產(chǎn)領(lǐng)域和學(xué)界的共識(shí)，更成為了研究的熱點(diǎn)。但當(dāng)GIS已經(jīng)發(fā)展到新時(shí)代的地理信息科學(xué)（GISciences），如果仍然依賴(lài)“信息系統(tǒng)”的思想去管理數(shù)據(jù)并企圖發(fā)現(xiàn)漁業(yè)資源的空間規(guī)律，就會(huì)變得極端困難。在利用GISciences挖掘漁業(yè)資源空間規(guī)律時(shí)，不僅要重視靜態(tài)格局，也要重視其變動(dòng)過(guò)程，更要分析引起這種變動(dòng)的海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)因素。

有關(guān)漁業(yè)資源的GIS空間分布研究，雖然文獻(xiàn)數(shù)量相比漁業(yè)資源生物學(xué)等領(lǐng)域并不多，但不乏經(jīng)典的著作和最新的報(bào)道。在21世紀(jì)初，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始利用GISciences的空間自相關(guān)方法，進(jìn)行漁業(yè)資源調(diào)查和漁業(yè)資源評(píng)估［1—3］，其中Rivoirard等利用地統(tǒng)計(jì)方法對(duì)漁業(yè)資源空間分布進(jìn)行的研究［3］，開(kāi)啟了漁業(yè)空間統(tǒng)計(jì)的新領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)，有學(xué)者采用空間動(dòng)態(tài)聚類(lèi)的方法對(duì)東海區(qū)漁業(yè)資源進(jìn)行了分析，認(rèn)為漁業(yè)密度數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的溫度環(huán)境數(shù)據(jù)存在一定的空間分布關(guān)聯(lián)模式，并且隨季節(jié)變化非常明顯［4］。此外，GISciences中的空間趨勢(shì)面擬合方法在漁業(yè)資源中也得到應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者利用該方法分析了1987—1998年?yáng)|海區(qū)中上層魚(yú)類(lèi)資源的區(qū)域分異特征，顯示該區(qū)漁業(yè)資源具有自西南向東北或者自西向東減少的趨勢(shì)［5］。另有國(guó)內(nèi)學(xué)者利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)柔魚(yú)資源的空間分布特征進(jìn)行了分析，探討了中小尺度下柔魚(yú)資源的空間變異特性［6］。

在利用GISciences研究漁業(yè)資源中，應(yīng)著重解決全局空間分布模式、空間關(guān)聯(lián)關(guān)系、空間聚類(lèi)、漁業(yè)生態(tài)學(xué)空間過(guò)程和空間異質(zhì)性等重要的科學(xué)問(wèn)題，但目前為止這些問(wèn)題并未得到徹底的闡釋和解決。本文以西北太平洋柔魚(yú)資源為例，重點(diǎn)研究漁業(yè)資源空間模式中的高低產(chǎn)值的聚集性及其變動(dòng)。目前利用空間自相關(guān)研究漁業(yè)空間分布的重要報(bào)道為數(shù)不多，如有關(guān)黃海鳀魚(yú)種群的時(shí)空動(dòng)態(tài)［7］，而通過(guò)空間聚集特征去認(rèn)知漁業(yè)資源的研究則更少［8—9］。

柔魚(yú)Ommastrephesbartramii為西北太平洋海域重要的捕撈對(duì)象，具有一年生的生物學(xué)特性，其資源變動(dòng)及空間分布更易受到海洋環(huán)境的影響，年間變動(dòng)差異顯著［10］。因此，西北太平洋柔魚(yú)作為空間聚集特征（熱冷點(diǎn)格局）分析方法探討的案例，是比較切合科學(xué)要求和實(shí)踐需要的。為此，本文在馮永玖等的研究基礎(chǔ)上［8］，利用Voronoi圖和空間自相關(guān)方法提取西北太平洋漁業(yè)資源的空間熱冷點(diǎn)分布，并以空間可視化方式呈現(xiàn)。Voronoi圖是一種用于界定點(diǎn)實(shí)體空間影響范圍的圖形化方法，在GISciences中Voronoi圖也被稱(chēng)為T(mén)hiessen多邊形，它能在點(diǎn)狀實(shí)體的基礎(chǔ)之上獲取面狀范圍［11］。借助Voronoi圖，本研究獲取的空間自相關(guān)及聚集特征以面狀區(qū)域呈現(xiàn)。此外，結(jié)合海表溫度（SST）和葉綠素a（Chla）濃度，分析了西北太平洋柔魚(yú)資源空間聚集特征及其變動(dòng)的海洋環(huán)境因素。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

我國(guó)在西北太平洋魷釣生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)顯示，2007—2010年我國(guó)魷釣船主要在傳統(tǒng)漁場(chǎng)150°～160°E海域進(jìn)行作業(yè)，其漁獲量占西北太平洋總產(chǎn)值的比重均在85%以上［10］。為此，本文以38°～45°N和150°～160°E為研究區(qū)域（見(jiàn)圖1），從空間視角探究柔魚(yú)資源的熱冷點(diǎn)分布及變動(dòng)。數(shù)據(jù)由中國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)會(huì)魷釣技術(shù)組提供，包括2007—2010年盛漁期的7—11月。

為了更好地分析柔魚(yú)資源的空間熱冷點(diǎn)格局，本文采用原始數(shù)據(jù)，即圖1中的點(diǎn)狀實(shí)體。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包括捕撈生產(chǎn)的船名、時(shí)間、空間位置、捕撈次數(shù)和漁獲量等信息。利用公式C／E將數(shù)據(jù)點(diǎn)的值換算為單位捕撈努力量漁獲量（catch per unit fishing effort，CPUE），用以代表每個(gè)年度的柔魚(yú)資源，其中C表示一艘漁船一天的產(chǎn)量（t），E表示其對(duì)應(yīng)的作業(yè)次數(shù)［12］。該數(shù)據(jù)集中，2007、2008、2009和2010年分別包含了2 212、8 228、6 964和7 918個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算如表1。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)顯示，2007—2010年柔魚(yú)CPUE的最小值較為相近，但是最大值差異較大，其中2007和2008年均為18 t／（船·次），2010年為15 t／（船·次），而2009年為7.2 t／（船·次），屬4年中最低值。2007年平均產(chǎn)值為5.03 t／（船·次），表明2007年柔魚(yú)產(chǎn)值為4年中最高；2009年平均產(chǎn)值為4年中最低值，表明2009年西北太平洋柔魚(yú)產(chǎn)值較低。2007—2010年的偏度Sk均大于0，表明頻數(shù)分布均為正偏；2007年的峰度Ku小于3，呈現(xiàn)平峰分布，表明高產(chǎn)值海域較多；2008-2010年的峰度Ku大于3，呈現(xiàn)尖峰分布，表明低產(chǎn)值海域較多。此外，分位數(shù)和中值也顯示了同樣的結(jié)論。

表1 西北太平洋柔魚(yú)資源經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)描述Tab.1 Classical statistics a for the fishery resource of O.bartramii in the Northwest Pacific Ocean

圖1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)及Voronoi圖劃分Fig.1 Study area，dataset and their Voronoi maps

此外，選取月平均海表溫度（monthly mean SST）和月平均葉綠素a濃度（monthly mean Chlaconcentrations），分析海洋環(huán)境對(duì)柔魚(yú)資源空間聚集特征的影響。海洋環(huán)境源數(shù)據(jù)為遙感影像，由國(guó)際海洋水色協(xié)調(diào)組（IOCCG，http：／／oceancolor.gsfc.nasa.gov）提供；有年平均和月平均SST和Chla等數(shù)據(jù)可供選擇，最高空間分辨率為4 km。

2.2 Voronoi圖

Voronoi圖由一組連接兩個(gè)鄰點(diǎn)直線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)構(gòu)成的多邊形組成［11］。在Voronoi圖中，n個(gè)在平面上不同的點(diǎn)，按照最鄰近原則劃分平面，每個(gè)點(diǎn)與它的最近鄰區(qū)域相關(guān)聯(lián)［13］。通過(guò)Voronoi圖構(gòu)造，可以將點(diǎn)狀實(shí)體覆蓋的區(qū)域轉(zhuǎn)化為面域，從而進(jìn)行基于面域的漁業(yè)資源空間分析。

柔魚(yú)原始數(shù)據(jù)是以點(diǎn)實(shí)體的方式存在的，然而漁業(yè)資源的分布在空間上卻是連續(xù)的。從GIS方法學(xué)角度來(lái)看，這種連續(xù)的分布是以面實(shí)體的方式存在的，因此利用Voronoi圖將點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面數(shù)據(jù)。利用ArcGIS中的Voronoi構(gòu)圖功能［13］建立漁獲量數(shù)據(jù)區(qū)（圖1中的不規(guī)則多邊形），有助于準(zhǔn)確獲取柔魚(yú)資源聚集特征的空間面狀范圍。

2.3 全局空間自相關(guān)

為研究漁業(yè)資源在全局空間上蘊(yùn)含的聚集、離散或隨機(jī)模式，采用探測(cè)性數(shù)據(jù)分析方法中的全局空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量Moran's I進(jìn)行度量。局部Moran's I的高值表示具有相似產(chǎn)值的面積單元的空間聚集，而低值則表示不相似產(chǎn)值的面積單元的空間聚集［13-15］。局部Moran's I的計(jì)算公式如下［13—15］：

式中，n是參與分析的要素?cái)?shù)量（即樣本數(shù)量），xi是要素i的屬性值，xj是要素j的屬性值，x是全部要素的平均值，wij是空間權(quán)重矩陣，表示要素i和j的鄰近關(guān)系，它可以根據(jù)鄰接標(biāo)準(zhǔn)或者距離標(biāo)準(zhǔn)來(lái)度量。wij=1表示第i和j個(gè)要素相鄰，wij=0表示第i和j個(gè)要素不相鄰。

Moran's I的值大于0表示正相關(guān)，小于0表示負(fù)相關(guān)。Moran's I絕對(duì)值越大，表示空間分布的自相關(guān)性越高，即空間分布的聚集性越強(qiáng)；Moran's I絕對(duì)值越小代表空間分布的自相關(guān)性越低，說(shuō)明空間分布呈現(xiàn)分散格局；當(dāng)Moran's I值等于0時(shí)，表示空間分布呈現(xiàn)隨機(jī)分布［14-15］。在實(shí)際計(jì)算中，Moran's I同時(shí)返回另外兩個(gè)值：Z得分和P值。其中，Z得分是I標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，當(dāng)Z較大時(shí)表示漁業(yè)資源呈聚集分布狀態(tài)。P值表示樣本空間模式隨機(jī)分布的概率，當(dāng)P值小于0.01表示漁業(yè)資源不太可能是隨機(jī)分布，當(dāng)P值大于0.1則表示漁業(yè)資源為隨機(jī)分布的概率較大［13］。

此外，全局空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量Getis-Ord General G與Moran's I類(lèi)似，同樣能夠探測(cè)漁業(yè)資源的全局空間模式，其計(jì)算公式如下［13，16］：

式中，n、xi、xj、wij的意義均與式（1）相同。與Moran's I統(tǒng)計(jì)量類(lèi)似，在實(shí)際計(jì)算中General G將轉(zhuǎn)化為Z得分和P值兩個(gè)值。Z得分為正高值表示漁業(yè)資源高產(chǎn)值區(qū)的聚集性較強(qiáng)，Z得分為負(fù)高值表示漁業(yè)資源低產(chǎn)值區(qū)的聚集性較強(qiáng)，Z得分接近0值表示研究區(qū)域內(nèi)漁業(yè)資源不具有顯著的聚集特征。無(wú)論Z得分是正值還是負(fù)值，當(dāng)Z得分絕對(duì)值越大，表明漁業(yè)資源的聚集性越強(qiáng)［12，15］。

2.4 局部空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量Moran's I和General G側(cè)重反映漁業(yè)資源的空間格局［8，13］。因此，若要詳細(xì)探局部空間上的分布狀態(tài)，需要通過(guò)局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行識(shí)別，即該統(tǒng)計(jì)量能有效挖掘漁業(yè)資源空間熱點(diǎn)和冷點(diǎn)的具體位置，并能以空間可視化方式展現(xiàn)出來(lái)［13］。在漁業(yè)資源研究中，空間熱點(diǎn)表示柔魚(yú)資源高產(chǎn)值聚集的海域，而空間冷點(diǎn)表示低產(chǎn)值聚集的海域［8—9］。

Getis-Ord是空間熱點(diǎn)分析中常用的方法，該統(tǒng)計(jì)量產(chǎn)生兩個(gè)值：即每個(gè)要素的Z得分和顯著性P值。Getis-Ord統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式如下［13］：式中，n、xj、wij、x的意義與式（1）相同。統(tǒng)計(jì)結(jié)果返回Z得分和P值，其意義如下［13］：當(dāng)Z得分大于2.58倍標(biāo)準(zhǔn)差，P值小于0.01，表示空間熱點(diǎn)區(qū)域；當(dāng)Z得分介于1.96與2.58倍標(biāo)準(zhǔn)差之間或-2.58與-1.96倍標(biāo)準(zhǔn)差之間，P值將大于0.05，這時(shí)漁業(yè)資源可能出現(xiàn)一定的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)分布，但不能否定隨機(jī)分布的可能；當(dāng)Z得分介于1.65與1.96倍標(biāo)準(zhǔn)差之間或-1.96與-1.65倍標(biāo)準(zhǔn)差之間，P值將大于0.10，這時(shí)漁業(yè)資源有極大可能是一種隨機(jī)分布；當(dāng)Z得分介于-1.65與1.65倍標(biāo)準(zhǔn)差之間，這時(shí)漁業(yè)資源在空間上是一種隨機(jī)分布模式；當(dāng)Z得分小于-2.58倍標(biāo)準(zhǔn)差，P值小于0.01，表示空間冷點(diǎn)區(qū)域。

3 結(jié)果

3.1 全局空間自相關(guān)與整體格局

根據(jù)前述方法測(cè)算了柔魚(yú)樣本數(shù)據(jù)的全局空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，包括Moran's I指數(shù)和General G指數(shù)、及其相關(guān)的Z得分和P值（見(jiàn)表2）。

表2中Moran's I指數(shù)和General G指數(shù)均為正值、且所有P值均小于0.001，表明西北太平洋柔魚(yú)資源從2007—2010年均呈現(xiàn)高產(chǎn)值聚集狀態(tài)。從Moran's I值來(lái)看，聚集性從強(qiáng)到弱依次為2010、2008、2007和2009，Z得分指示的趨勢(shì)與Moran's I值一致；而從General G值來(lái)看，聚集性從強(qiáng)到弱依次為2009、2007、2010和2008，Z得分指示2008到2010年為高產(chǎn)值聚集，而由于2007年Z得分為負(fù)值，則表示低產(chǎn)值聚集?？梢钥吹?，兩種全局自相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果稍有差異，但都同樣指示了西北太平洋柔魚(yú)資源的聚集分布狀態(tài)。

3.2 局部空間自相關(guān)與空間熱冷點(diǎn)

利用前述方法對(duì)柔魚(yú)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)GIS渲染產(chǎn)生可視化熱冷點(diǎn)圖（見(jiàn)圖2，黑色橢圓表示熱點(diǎn)，白色橢圓表示冷點(diǎn)）。基于面狀CPUE數(shù)據(jù)進(jìn)行局部空間自相關(guān)計(jì)算，從而探測(cè)西北太平洋柔魚(yú)資源的熱冷點(diǎn)區(qū)域，并以渲染的方式進(jìn)行空間可視化。同時(shí)，基于面狀熱冷點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)一步以橢圓方式標(biāo)識(shí)柔魚(yú)資源的熱冷點(diǎn)區(qū)域，以更加直觀的方式呈現(xiàn)熱冷點(diǎn)的面積和方向性。

表2 西北太平洋柔魚(yú)資源全局空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量Tab.2 Spatial autocorrelation for the fishery resource of O.bartramii in the Northwest Pacific Ocean

圖2 2007—2010年西北太平洋柔魚(yú)資源空間熱冷點(diǎn)分布特征Fig.2 The patterns of hot／cold spots for fishery resource ofO.bartramiiin the Northwest Pacific Ocean from 2007 to 2010

圖2表明，2007年研究區(qū)內(nèi)柔魚(yú)資源有2個(gè)熱點(diǎn)和1個(gè)冷點(diǎn)區(qū)域，其中一個(gè)面積較小的熱點(diǎn)區(qū)域中心位置位于44.5°N，156.5°E，呈南北向分布態(tài)勢(shì)，另一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域中心位置位于40°N，157°E，其面積大于前一個(gè)熱點(diǎn)，呈東西向分布態(tài)勢(shì)；唯一的冷點(diǎn)區(qū)域中心位置位于43°N，154°E，呈南北向分布態(tài)勢(shì)。根據(jù)熱冷點(diǎn)的漁業(yè)資源學(xué)意義，冷點(diǎn)的平均CPUE較小且分布密集，作為熱點(diǎn)則CPUE較大且分布密集，而第一個(gè)熱點(diǎn)的CPUE比第二個(gè)熱點(diǎn)要大。2008年具有1個(gè)熱點(diǎn)和1個(gè)冷點(diǎn)區(qū)域，其中熱點(diǎn)中心位置在44°N，157°E，其面積大于2007年的熱點(diǎn)，呈東西向分布態(tài)勢(shì)；冷點(diǎn)中心位置位于42°N，153°E，呈東西向分布態(tài)勢(shì)。2009年同樣2個(gè)熱點(diǎn)和1個(gè)冷點(diǎn)，但其格局與2007和2008年差異非常大，其中一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域中心位置位于42°N，157.5°E，呈南北向分布態(tài)勢(shì)，另一個(gè)熱點(diǎn)中心位置位于40.5°N，155°E，呈東西向分布態(tài)勢(shì)，兩個(gè)熱點(diǎn)的面積大小接近，但前一個(gè)熱點(diǎn)柔魚(yú)資源小于后一個(gè)；唯一的冷點(diǎn)區(qū)域中心位置位于43.5°N，155.5°E，呈南北向分布態(tài)勢(shì)。2010年具有1個(gè)熱點(diǎn)和2個(gè)冷點(diǎn)，唯一的熱點(diǎn)中心位置位于43.5°N，57°E，不具有顯著的分布方向性；此外，一個(gè)冷點(diǎn)區(qū)域中心位置位于42°N，151°E，呈南北向分布態(tài)勢(shì)，另一個(gè)冷點(diǎn)中心位于40.5°N，154.5°E，呈東西向分布態(tài)勢(shì)，兩個(gè)冷點(diǎn)覆蓋的區(qū)域面積接近，其中后一個(gè)冷點(diǎn)的柔魚(yú)資源小于前一個(gè)，即后一個(gè)區(qū)域作為冷點(diǎn)的特征更加顯著。

3.3 空間熱冷點(diǎn)的變動(dòng)

為了探測(cè)2007—2010年研究區(qū)內(nèi)柔魚(yú)資源的熱冷點(diǎn)格局變動(dòng)，將各年份橢圓狀熱冷點(diǎn)進(jìn)行疊加顯示（圖3a），其中黑色橢圓表示熱點(diǎn)，藍(lán)色橢圓表示冷點(diǎn)；并綜合4年熱冷點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，對(duì)研究區(qū)柔魚(yú)資源的整體格局進(jìn)行了總體評(píng)估（圖3b）。

圖3a表明，156°E以東主要以熱點(diǎn)為主，而156°E以西主要以冷點(diǎn)為主，這說(shuō)明150°～156°E范圍內(nèi)平均產(chǎn)值和資源低于156°～160°E。圖3b表明，總體評(píng)估下研究區(qū)內(nèi)存在1個(gè)強(qiáng)熱點(diǎn)，中心軸接近157°E，呈南北向分布態(tài)勢(shì)；存在1個(gè)弱熱點(diǎn)，以40°N為中心軸，呈東西向分布態(tài)勢(shì)；存在1個(gè)強(qiáng)冷點(diǎn)，中心軸為45°方向，東西向和南北向分布范圍大致相同。在這3個(gè)熱冷點(diǎn)區(qū)域中，強(qiáng)熱點(diǎn)覆蓋的區(qū)域在2007—2010年間每年均表現(xiàn)為熱點(diǎn)，弱熱點(diǎn)覆蓋的區(qū)域在4年間表現(xiàn)為熱點(diǎn)和冷點(diǎn)的互相轉(zhuǎn)化，而強(qiáng)冷點(diǎn)覆蓋的區(qū)域在4年間均表現(xiàn)為冷點(diǎn)。

圖3 2007—2010年西北太平洋柔魚(yú)資源熱冷點(diǎn)的變動(dòng)Fig.3 The variation of hot／cold spots for fishery resource of O.bartramii in the Northwest Pacific Ocean from 2007 to 2010

從柔魚(yú)資源的空間熱冷點(diǎn)分布格局可見(jiàn)，2007—2010年熱點(diǎn)和冷點(diǎn)分布不均，2008年熱冷點(diǎn)中心位置接近2007年，但是2007年位于40°N的熱點(diǎn)在2008并未聚集為熱點(diǎn)；2009和2010年與前兩年差異較大，特別是2010年出現(xiàn)了2個(gè)冷點(diǎn)和1個(gè)熱點(diǎn)的情況。從熱點(diǎn)分布的面積來(lái)看，與平均單船產(chǎn)值數(shù)據(jù)有所聯(lián)系。報(bào)告顯示，2007年和2008年為高產(chǎn)年份，全年產(chǎn)值均超過(guò)400 t／船，2007年高于2008年，熱冷點(diǎn)格局顯示2007年的熱點(diǎn)區(qū)域大于2008年；2009年和2010年為低產(chǎn)年份，均不超過(guò)220 t／船，熱冷點(diǎn)格局恰好又驗(yàn)證了這一點(diǎn)，其熱點(diǎn)區(qū)域明顯小于2007年和2008年。

4 分析與討論

4.1 基于Voronoi圖的漁業(yè)資源空間表達(dá)

漁業(yè)資源在空間的分布是連續(xù)的，而漁業(yè)資源的捕撈作業(yè)記錄數(shù)據(jù)卻是點(diǎn)數(shù)據(jù)；因?yàn)樽鳂I(yè)船只在海上的作業(yè)點(diǎn)是有限的，因此產(chǎn)生的必然是點(diǎn)數(shù)據(jù)［10］。而在漁業(yè)資源研究中，了解整個(gè)海域的資源分布狀態(tài)更加有意義，因此需要產(chǎn)生面狀的評(píng)估結(jié)果。從GIS方法學(xué)的角度來(lái)看，這涉及從點(diǎn)實(shí)體向其影響范圍（面實(shí)體）轉(zhuǎn)換的過(guò)程［11］。

漁業(yè)資源的空間表達(dá)，一般地是以規(guī)則的網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行劃分并計(jì)算相應(yīng)的CPUE值［12］。這種規(guī)則的網(wǎng)格有其生態(tài)學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)和實(shí)踐意義，每個(gè)方形網(wǎng)格的長(zhǎng)度即是漁業(yè)資源研究中的分辨率，如最為常用的是50′×50′［10］。規(guī)則網(wǎng)格中，每個(gè)漁業(yè)資源數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響范圍也是規(guī)則的，例如在50′×50′分辨率中每個(gè)點(diǎn)的影響范圍即是該數(shù)據(jù)點(diǎn)鄰域25′范圍內(nèi)。然而在生態(tài)學(xué)和地理學(xué)中，由于作業(yè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的不規(guī)則性，要求每個(gè)點(diǎn)的影響范圍具有規(guī)則性幾乎是不可能的。因此，在漁業(yè)資源中需要一種能夠較為準(zhǔn)確地表達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)空間不規(guī)則特性的方法，從而確定其不規(guī)則的影響范圍［8］。

本文基于魷釣船的西北太平洋柔魚(yú)資源原始點(diǎn)位數(shù)據(jù)，通過(guò)Voronoi圖界定每個(gè)點(diǎn)的空間影響范圍。與其對(duì)偶形式TIN三角網(wǎng)不同，Voronoi圖產(chǎn)生的并不是影響范圍的凸包［8］，而是覆蓋了整個(gè)研究區(qū)。通過(guò)影響范圍的生成，在研究區(qū)內(nèi)每個(gè)空間位置均有CPUE數(shù)據(jù)。在利用局部空間自相關(guān)進(jìn)行空間熱冷點(diǎn)評(píng)估中，其結(jié)果也同樣會(huì)覆蓋整個(gè)研究區(qū)，繼而將得到對(duì)整個(gè)區(qū)域漁業(yè)資源的全面認(rèn)知。

4.2 空間熱冷點(diǎn)與海表溫的關(guān)系

研究認(rèn)為，柔魚(yú)群體本身有洄游和晝夜垂直游動(dòng)等生活習(xí)性，驅(qū)使其形成這種生活習(xí)性的主要原因可能是其棲息環(huán)境的變化［10］。由于現(xiàn)有商業(yè)捕撈數(shù)據(jù)的限制，難從垂直方向去探究柔魚(yú)資源的空間變動(dòng)模式，但是結(jié)合多時(shí)段的水平空間自相關(guān)性與海洋大環(huán)境變化，可以揭示柔魚(yú)資源的分布格局及時(shí)間變動(dòng)。本文選取了影響柔魚(yú)資源空間變動(dòng)的兩個(gè)重要因素：7—11月平均海表溫度和7—11月平均葉綠素a濃度，分析海洋環(huán)境對(duì)柔魚(yú)資源及其空間熱冷點(diǎn)的影響，在ArcGIS中處理后的SST等值線(xiàn)圖4所示。

圖4 2007—2010年西北太平洋柔魚(yú)資源熱冷點(diǎn)區(qū)域與7—11月平均海表溫度的關(guān)系Fig.4 The relationship between monthly mean（July to November）SST and hot／cold spots for fishery resource of O.bartramii in the Northwest Pacific Ocean from 2007 to 2010

一般認(rèn)為，黑潮和親潮是對(duì)柔魚(yú)資源影響最為顯著的海洋環(huán)境因素［10，17］。據(jù)文獻(xiàn)記載，2007—2010年均為非大彎曲年份，2007年親潮勢(shì)力最弱、黑潮勢(shì)力占主導(dǎo)地位，黑潮自31°N向北蜿蜒，形成的小分支影響了大部分作業(yè)漁區(qū)［8］。圖4顯示，2007年低溫（低于15℃）區(qū)域范圍為4年中最大，與已有文獻(xiàn)稍有不一致；這可能是因?yàn)閺腎OCCG獲取的溫度遙感圖像中存在無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域，當(dāng)進(jìn)行7—11月平均溫度計(jì)算時(shí)會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。

文獻(xiàn)表明，2007年傳統(tǒng)作業(yè)漁場(chǎng)大面積取得了豐收［8］，這與魷釣漁業(yè)技術(shù)組提供的產(chǎn)值數(shù)據(jù)一致；其中北部熱點(diǎn)在12～15℃形成，南部熱點(diǎn)在22～25℃形成，而冷點(diǎn)在14～19℃形成。與2007年比較，2008年在44°N，157°E附近取得了更大的產(chǎn)值，該熱點(diǎn)在15～19℃形成；但是在40°N，157°E附近產(chǎn)值則遠(yuǎn)小于2007年，該冷點(diǎn)在18～22℃形成。Voronoi圖和熱冷點(diǎn)格局顯示，上述2個(gè)年份的熱點(diǎn)區(qū)域面積較大，基本符合高產(chǎn)的推斷。圖4表明，2009年熱點(diǎn)區(qū)域面積與2007年相當(dāng)，但是其強(qiáng)度小于2007年，且2007年42°N以北熱點(diǎn)位于44°N左右，而2009年則在42°N附近，熱點(diǎn)區(qū)域顯著南移并在19～24℃形成，而冷點(diǎn)在13～21℃形成。2010年熱點(diǎn)區(qū)域偏于42°N以北海域，在20～25℃形成；42°N以南海域形成冷點(diǎn)，同樣在20～26℃形成。上述結(jié)果表明，熱冷點(diǎn)形成的溫度條件無(wú)顯著差異，熱點(diǎn)的溫度范圍較小，冷點(diǎn)的溫度范圍較大。

4.3 空間熱冷點(diǎn)與葉綠素a的關(guān)系

葉綠素a濃度同樣是影響柔魚(yú)資源分布及變動(dòng)的主要海洋環(huán)境因素之一，且高緯度葉綠素a濃度一般要高于低緯度［10］。研究表明，西北太平洋存在一個(gè)生物量鋒，即過(guò)渡區(qū)的葉綠素鋒（TZCF），它是低葉綠素的亞熱帶區(qū)域和高葉綠素濃度的亞北極區(qū)域的分界線(xiàn)，通常把TZCF定義為表層葉綠素a濃度為0.2 mg／m3的區(qū)域。一般而言，柔魚(yú)都在TZCF以北海域覓食生長(zhǎng)［10］。圖5是各年空間熱冷點(diǎn)圖與7-11月平均葉綠素a濃度的疊加顯示。

圖5 2007—2010年西北太平洋柔魚(yú)資源熱冷點(diǎn)區(qū)域與7—11月平均葉綠素a濃度的關(guān)系Fig.5 The relationship between monthly mean（July to November）Chl a concentrations and hot／cold spots for fishery resource of O.bartramii in the Northwest Pacific Ocean from 2007 to 2010

單月平均葉綠素a遙感數(shù)據(jù)表，總體上7—8月TZCF呈現(xiàn)向北移動(dòng)趨勢(shì)，而9—11月則逐步向南移動(dòng)，對(duì)于具體的年份也有可能7—9月向北移動(dòng)而10—11月向南移動(dòng)，這與陳新軍等［10］的研究結(jié)果基本一致。2007年北部熱點(diǎn)形成于0.5 mg／m3左右，但熱點(diǎn)面積較小，南部熱點(diǎn)形成于0.3～0.6 mg／m3；而冷點(diǎn)形成于0.5～1.1 mg／m3。2008年熱點(diǎn)形成于0.3 mg／m3左右，冷點(diǎn)形成于0.3～0.9 mg／m3。2009年熱點(diǎn)形成于0.3～0.9 mg／m3，冷點(diǎn)形成于0.5～0.7 mg／m3。2010年熱點(diǎn)形成于0.6～1.0 mg／m3，北部冷點(diǎn)形成的葉綠素a濃度大于1.0 mg／m3，南部冷點(diǎn)形成在0.2～0.3 mg／m3。本研究表明，除了1個(gè)冷點(diǎn)區(qū)域在大于1.0 mg／m3的區(qū)域形成，所有熱冷點(diǎn)區(qū)域的葉綠素a濃度均在0.2～1.1 mg／m3之間，這與陳新軍等［10］的研究基本一致。一般而言，冷點(diǎn)區(qū)域所在的葉綠素a濃度相對(duì)較高。

4.4 空間熱冷點(diǎn)的綜合討論

從海表溫度和葉綠素a濃度來(lái)看，熱點(diǎn)和冷點(diǎn)均為中心漁場(chǎng)。從空間自相關(guān)和空間熱點(diǎn)的理論來(lái)看，熱點(diǎn)和冷點(diǎn)具有較強(qiáng)的聚集特性，作業(yè)漁船在熱冷點(diǎn)區(qū)域的作業(yè)頻次都較高；而非熱冷點(diǎn)則不具有聚集特性。這同樣表明熱冷點(diǎn)均是中心漁場(chǎng)，熱冷點(diǎn)分別是高產(chǎn)值和低產(chǎn)值的聚集區(qū)，這是熱冷點(diǎn)的本質(zhì)區(qū)別。漁船在熱點(diǎn)區(qū)域的作業(yè)頻次較高，且產(chǎn)值也較高；在冷點(diǎn)區(qū)域的作業(yè)頻次也較高，但是產(chǎn)值較低；非熱冷點(diǎn)區(qū)域存在兩種可能，一種是作業(yè)頻次較低，而單船單日的產(chǎn)值可能高也可能低，一種是作業(yè)頻次較高但空間自相關(guān)性較低。

在方法上，馮永玖等［8］的研究通過(guò)不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建捕撈作業(yè)的有效范圍，并在點(diǎn)狀空間自相關(guān)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行空間插值，生成面狀空間自相關(guān)的可視化圖形，該圖形是不規(guī)則的。本研究在通過(guò)Voronoi圖構(gòu)建每個(gè)空間點(diǎn)數(shù)據(jù)的影響范圍，進(jìn)而以每個(gè)面狀多邊形為實(shí)體，通過(guò)局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量直接計(jì)算并產(chǎn)生面狀熱冷點(diǎn)區(qū)域，同時(shí)提取了規(guī)則橢圓狀的熱冷點(diǎn)區(qū)域。在指示西北太平洋柔魚(yú)資源的空間熱冷點(diǎn)方面，本研究與馮永玖等［8］的結(jié)果類(lèi)似，但本研究對(duì)于熱冷點(diǎn)的方向性評(píng)估更準(zhǔn)確。此外，與點(diǎn)狀空間自相關(guān)的可視化結(jié)果比較，本研究與馮永玖等［8］的結(jié)果均存在對(duì)熱冷點(diǎn)區(qū)域評(píng)估過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)是能充分了解捕撈作業(yè)鄰近海域的熱冷點(diǎn)歸屬，這是點(diǎn)狀空間自相關(guān)無(wú)法評(píng)估的。

通過(guò)空間自相關(guān)獲取的熱冷點(diǎn)是一種相對(duì)熱冷點(diǎn)，因?yàn)榭臻g自相關(guān)指數(shù)是一種統(tǒng)計(jì)量，它是基于單個(gè)數(shù)據(jù)集而產(chǎn)生的，描述的是單個(gè)數(shù)據(jù)集內(nèi)部實(shí)體之間的依賴(lài)關(guān)系；不同數(shù)據(jù)集的空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量可以進(jìn)行相對(duì)比較［13—16］。一般認(rèn)為，在漁業(yè)資源中數(shù)據(jù)集A的熱點(diǎn)面積大于數(shù)據(jù)集B的熱點(diǎn)面積時(shí)，A涵蓋的產(chǎn)值比B高［8—9］。但這種情況并非在各種情況下都成立，這是因?yàn)榭臻g自相關(guān)描述的是依賴(lài)關(guān)系，在漁業(yè)資源研究中我們通過(guò)空間依賴(lài)關(guān)系推定產(chǎn)值的空間分布，因此它是相對(duì)的。本研究中，2010年的熱點(diǎn)區(qū)域較2008年略大，但其產(chǎn)值卻低于2008年；當(dāng)然2010年的冷點(diǎn)區(qū)域較2008年更大也是重要的影響因素。

實(shí)際上，通過(guò)空間插值方法（如普通克里金和指示克里金）可以獲取漁業(yè)資源的空間熱冷點(diǎn)區(qū)域，并且與空間自相關(guān)不同的是，當(dāng)用同樣的產(chǎn)值間隔界定熱冷點(diǎn)區(qū)域時(shí)，這種熱冷點(diǎn)便是絕對(duì)的，不同的年份和月份之間可以進(jìn)行基于產(chǎn)值的比較。這也將是我們后續(xù)需要深入開(kāi)展的研究工作。

5 結(jié)論

利用GISciences的理論、方法和技術(shù)，能夠有效挖掘和揭示漁業(yè)資源的空間模式，并探測(cè)其時(shí)空變動(dòng)規(guī)律與海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)過(guò)程。GISciences在探討諸如漁業(yè)資源空間變異特性、空間聚類(lèi)特性、空間自相關(guān)和空間熱冷點(diǎn)結(jié)構(gòu)等方面，能夠行之有效并能以可視化方式呈現(xiàn)。

本文利用Voronoi圖、全局和局部空間自相關(guān)方法，研究漁業(yè)資源的全局空間模式、局部空間熱冷點(diǎn)格局和及其變動(dòng)。以西北太平洋柔魚(yú)為例，利用魷釣漁業(yè)的原始點(diǎn)位數(shù)據(jù)，以年為時(shí)間分辨率，研究其2007—2010年的空間熱冷點(diǎn)及其變動(dòng)規(guī)律，并以空間可視化方式進(jìn)行顯示。通過(guò)Voronoi圖和空間自相關(guān)方法，有效探測(cè)了西北太平洋柔魚(yú)資源中潛在的空間分布模式，識(shí)別出該區(qū)域存在的強(qiáng)、弱熱點(diǎn)區(qū)域和強(qiáng)冷點(diǎn)區(qū)域。結(jié)合月平均海表溫度和葉綠素a濃度，分析了空間熱冷點(diǎn)變動(dòng)的海洋環(huán)境因素。論文對(duì)幾種空間熱冷點(diǎn)分析方法在漁業(yè)資源中的應(yīng)用，也進(jìn)行了詳細(xì)歸納與探討。

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Aanlyzing spatial aggregation of Ommastrephes bartramii in the Northwest Pacific Ocean based on Voronoi diagram and spatial autocorrelation

Feng Yongjiu1，2，3，4，Yang Mingxia1，Chen Xinjun1，2，3，4

（1.College of Marine Sciences，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources，Ministry of Education，Shanghai 201306，China；3.National Distant-water Fisheries Engineering Research Center，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；4.Collaborative Innovation Center for Distant-water Fisheries，Shanghai 201306，China）

An integrated method of Voronoi diagram and spatial autocorrelation was used to explore global spatial pattern，local spatial hot spot and its variation of fishery resources abundance ofOmmastrephes bartramiiin the Northwest Pacific Ocean.TheO.bartramiiwithin the boundaries from 38°N to 45°N and 150°E to 160°E from 2007 to 2010 in the Northwest Pacific Ocean was selected as the research subjects，based on the original fishing data of each fishing boat of China.Using an ArcGIS environment，the spatial aggregation patterns ofO.bartramiiwere revealed by using the global spatial autocorrelation statistics of both Moran's I and General G，as well as mapped both spatially and visually.In the fields of fisheries resources and spatial analysis，sea areas with clustered high productivity are hot spots，whereas sea areas with clustered low productivity are cold spots.The local spatial autocorrelation statistics show that，there were 2 hot spots and 1 cold spot in both 2007 and 2009，and there were 1 hot spot and 1 cold spot in 2008，while there were 1 hot spot and 2 cold spot in 2010.These hot or cold spots were distributed along either a north-south or an east-west axis.An overlay map of the four years of hot／cold spots demonstrates that there was 1 strong hot spot，1 weak hot spot and 1 strong cold spot across the study area.The strong hot／cold spots were always the same spots for each year，while the weak hot spot was changed its state between a hot spot and a cold spot.An analysis of the variation of spatial hot spots based on monthly mean（July to November）sea surface temperature（SST）and monthly mean（July to November）chlorophyll-aconcentration（Chla）demonstrated that，both hot spots and cold spots are central fishing grounds.There is not obvious difference of SST between the hot and cold spots，while the hot and cold spots were observed in the areas with 0.2 to 1.1 mg／m3Chlaconcentration but the Chlaconcentration of a cold spot is larger than that of a hot spot.

spatial hot spot；Voronoi diagram；spatial autocorrelation；Ommastrephes bartramii；Northwestern Pacific Ocean

S917.4

A

0253-4193（2014）12-0074-11

馮永玖，楊銘霞，陳新軍.基于Voronoi圖與空間自相關(guān)的西北太平洋柔魚(yú)資源空間聚集特征分析［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（12）：74—84，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.12.007

Feng Yongjiu，Yang Mingxia，Chen Xinjun.Aanlyzing spatial aggregation of Ommastrephes bartramii in the Northwest Pacific Ocean based on Voronoi diagram and spatial autocorrelation［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（12）：74—84，doi：10.3969／j. issn.0253-4193.2014.12.007

2014-01-02；

2014-03-27。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41276156，41406146）；上海市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（13ZR1419300）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金新教師類(lèi)項(xiàng)目（20123104120002）；上海市一流學(xué)科水產(chǎn)學(xué)（A類(lèi)）。

馮永玖（1981—），男，云南省鎮(zhèn)雄縣人，博士，副教授，研究方向?yàn)檫b感與GIS應(yīng)用、漁業(yè)地理信息科學(xué)。E-mail：yjfeng＠shou.edu.cn

*通信作者：陳新軍，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闈O業(yè)資源學(xué)。E-mail：xjchen＠shou.edu.cn