基于北斗船位數(shù)據(jù)的流刺網(wǎng)網(wǎng)次和方向提取方法研究

張榮瀚，張勝茂，陳雪忠，樊 偉，朱文斌

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.農(nóng)業(yè)部東海與遠洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090；3.浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術研究重點實驗室，舟山 316021）

漁船監(jiān)測系統(tǒng)（vessel monitoring system，VMS）能提供漁船位置和活動的信息，將漁船船位、船速和船向等資料自動地傳送到岸上的監(jiān)控中心，使監(jiān)控中心能及時掌握和監(jiān)督漁船的作業(yè)動態(tài)，可直接用于漁船船位、船向、船速、漁獲狀況和非法作業(yè)等監(jiān)控與管理，并可用于發(fā)現(xiàn)可能的錯誤漁撈日志，在漁船捕撈控制、科學研究、航行安全和海上執(zhí)法等多個領域具有較大的應用潛力［1］。刺網(wǎng)漁業(yè)是我國主要的捕撈作業(yè)方式之一，在我國的海洋捕撈業(yè)中占有較重要的地位［2］。一個流刺網(wǎng)作業(yè)網(wǎng)次的過程包括5個步驟：1）連接并整理好網(wǎng)具，航行到某個位置；2）進行放網(wǎng)作業(yè)；3）放網(wǎng)結束，漂流巡網(wǎng)；4）開始進行收網(wǎng)作業(yè)；5）收網(wǎng)結束，完成一個網(wǎng)次的捕撈作業(yè)。在這個過程中，刺網(wǎng)漁船的航行狀態(tài)有著較為明顯的變化。

在進行VMS數(shù)據(jù)的處理時，首先要區(qū)分漁船狀態(tài)［3］。對于漁船的航行狀態(tài)，MURAWSKI等［4］、WITT等［5］、FOCK等［6］根據(jù)漁船航速來進行判別。但是，在海上，漁船的速度受到多種因素的影響，因此在漁船狀態(tài)分析方面，當前的研究中很多都使用了多種數(shù)據(jù)建立模型進行綜合判斷的方法。如WALKER等［7］通過一個改進的貝葉斯-隱馬爾可夫模型，從軌跡得到船只速度和方向，然后使用嚴格量化模型預測漁船的活動。JOO等［8］使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法對漁船的狀態(tài)進行判別。DE SOUZA等［9］則針對不同網(wǎng)具，使用了隱馬爾可夫模型、數(shù)據(jù)挖掘法和多層過濾策略等不同方法進行判定。在VMS漁業(yè)數(shù)據(jù)分析方面，針對漁船的網(wǎng)次軌跡，傳統(tǒng)的分析方法是使用插值法。包括最早使用的線性插值［10-11］，以及為了提高精度而采用的三次赫爾米特插值法（cubic Hermite spline，cHs）［12］、Catmull-Rom算法［13］及隱馬爾科夫模型［14］等方法。但目前的研究主要針對拖網(wǎng)和圍網(wǎng)數(shù)據(jù)。

對于我國而言，VMS數(shù)據(jù)主要基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)。相比其它國家廣泛使用的AIS、Inmarsat-C等系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有回報頻率高的特點［15］。已有的方法不適用于高時間分辨率的北斗衛(wèi)星的船位數(shù)據(jù)分析，目前針對北斗衛(wèi)星只有少數(shù)漁船捕撈狀態(tài)判斷方法，如張勝茂等［16］對于拖網(wǎng)捕撈努力量的分析。因此，需要找到針對特定網(wǎng)具的計算方法，用來判斷基于高時間分辨率的北斗船位數(shù)據(jù)的漁船捕撈狀態(tài)，本文提出一種使用北斗數(shù)據(jù)提取已知流刺網(wǎng)作業(yè)船只作業(yè)網(wǎng)次和網(wǎng)長的方法，以期為漁業(yè)管理和漁業(yè)資源評估提供新的手段。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的海流數(shù)據(jù)來源于HYCOM.org網(wǎng)站的 GOFS 3.0：HYCOM ＋NCODA全球 1／12°數(shù)據(jù)。北斗船位數(shù)據(jù)來源于北斗運營商，北斗系統(tǒng)傳送的經(jīng)緯度船位數(shù)據(jù)的時間分辨率為3 min（部分區(qū)域會有不同），空間分辨率約10 m，測速精度 0.2 m·s-1。

為說明流刺網(wǎng)作業(yè)網(wǎng)次和網(wǎng)長的提取方法，以江蘇省某流刺網(wǎng)漁船為例，數(shù)據(jù)為該船在2016年1月1日—12月31日總計1年的43 884個船位點（圖1）。活動范圍包括海州灣漁場、連青石漁場、連東漁場、呂四漁場、大沙漁場和長江口漁場。

1.2 基于北斗數(shù)據(jù)的流刺網(wǎng)作業(yè)網(wǎng)次提取方法

為提取流刺網(wǎng)作業(yè)網(wǎng)長與角度，首先要進行流刺網(wǎng)作業(yè)狀態(tài)的判定。根據(jù)流刺網(wǎng)作業(yè)的特點，使用多層過濾法，基于航速、空間距離、時間間隔和角度等多個參數(shù)，對于作業(yè)狀態(tài)船位點的閾值進行判定。使用 R-SUDIO 1.1.383，R 3.4.3進行編程，實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的處理。

1.2.1 航速頻數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)流刺網(wǎng)漁船航速統(tǒng)計船位點在各航速出現(xiàn)的頻數(shù)，在漁船進行收網(wǎng)作業(yè)時，處于一個相對接近的較低的航速，因此，找到航速頻數(shù)的峰值，獲取峰值兩側的谷值可以作為流刺網(wǎng)收網(wǎng)的航速閾值的最小值與最大值，速度處于航速閾值內的船位點是正在進行收網(wǎng)作業(yè)的船位點。

圖1 刺網(wǎng)出海作業(yè)軌跡點示意圖Fig.1 Track points of gill nets operation

1.2.2 空間距離頻數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)北斗導航系統(tǒng)回報的數(shù)據(jù)，我們可以得知在每個船位點的船只實時經(jīng)緯度，根據(jù)前后兩個點之間的經(jīng)緯度，即可以求出這兩個點的空間距離。

由于地球是一個兩極部位略扁的不規(guī)則球體，在進行大地坐標系的計算時，一般可將其作為一個球體計算。因此，地球上已知經(jīng)緯度的兩點之間，可以使用球面距離公式計算其距離。

假設兩個船位點A、B，其經(jīng)緯度分別為Alon、Alat、Blon、Blat。那么 A、B兩點之間的距離 D可以用半正矢公式（Haversine formula）求得［17］。其公式為：

式（1）中，R為地球平均半徑6 378 145 m。

利用航速閾值篩選出可能處于收網(wǎng)狀態(tài)的點之后，計算相鄰船位點的空間距離，統(tǒng)計船位點在各距離間隔長度出現(xiàn)的頻數(shù)。根據(jù)對于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和流刺網(wǎng)作業(yè)的流程，流刺網(wǎng)作業(yè)收網(wǎng)時的船位點存在空間距離相對較近的特點，而每個網(wǎng)次之間存在一定的空間間隔。因此，找到頻數(shù)峰值，獲取峰值兩側的谷值作為流刺網(wǎng)收網(wǎng)的空間距離間隔閾值的最大值與最小值；只有和其它點處在空間距離間隔閾值范圍內的船位點才是處于收網(wǎng)狀態(tài)的船位點。

1.2.3 時間間隔頻數(shù)統(tǒng)計

北斗船位數(shù)據(jù)回報的數(shù)據(jù)集中包括每個船位點的時間，因此可以簡單地計算出相鄰船位點的時間間隔，統(tǒng)計在各時間間隔出現(xiàn)的頻數(shù)。和空間間隔相似，根據(jù)流刺網(wǎng)作業(yè)的特點，收網(wǎng)作業(yè)時，存在船位點以較小的時間間隔密集存在的特點。因此，找到頻數(shù)峰值，獲取峰值兩側的谷值可以作為流刺網(wǎng)收網(wǎng)的時間間隔閾值的最小值與最大值。

1.2.4 刺網(wǎng)角度頻數(shù)統(tǒng)計

在計算速度閾值、空間間隔和時間間隔后，已經(jīng)可以排除絕大多數(shù)的非收網(wǎng)狀態(tài)船位點，但依然存在少數(shù)符合距離間隔和時間間隔但不是網(wǎng)次的船位點，為排除這類點，根據(jù)流刺網(wǎng)作業(yè)流程，可以由船只的航行方向變化進行判斷。

雖然北斗船位數(shù)據(jù)回報的數(shù)據(jù)中包括各船位點的即時航向數(shù)據(jù)，但是由于計算方式的原因，在速度為0的時候所統(tǒng)計的航向角統(tǒng)一為0，無法反映此時的船只指向。而由于流刺網(wǎng)作業(yè)的操作規(guī)程的原因，在收網(wǎng)過程中，有多個船位點速度可能為0，如果將其全部刪除，可能影響對于單次網(wǎng)次長度的統(tǒng)計。因此，在此采用大圓航向（Great-circle navigation）的方法計算船只的數(shù)據(jù)，即計算前一船位點和至后一船位點二點連線的距離作為該點的實時航向，而非使用船位數(shù)據(jù)系統(tǒng)回報的數(shù)據(jù)。

假設兩個船位點A、B，其經(jīng)緯度分別為Alon、Alat、Blon、Blat。那么從A至 B的航向方位角 θ可由如下公式求得［18］：

式（2）中，atan2是一個專門的函數(shù)，用以計算兩個值之間的反正切，將直角坐標系中的坐標轉換為極坐標。表示坐標原點為起點，指向（x，y）的射線在坐標平面上與x軸正方向之間的角的角度。其結果可以用以下等式說明：

對于兩個坐標值x，y

該函數(shù)的值域為（-π，π］，可以通過對負數(shù)結果加2π的方法，將函數(shù)的結果映射到［0，2π）范圍內。

其余的算式則是將處于球面坐標系中的Alon、Alat、Blon、Blat轉換為以 A為原點的平面直角坐標系上的坐標。

得到每個船位點的航向角后，計算相鄰船位點的角度變化，統(tǒng)計在各角度變化值的頻數(shù)，找到頻數(shù)峰值，獲取峰值兩側的谷值作為流刺網(wǎng)收網(wǎng)的角度變化值的最小值與最大值；根據(jù)操作規(guī)范，在收網(wǎng)時應該大致保證航向不變。頻數(shù)峰值也正如同規(guī)程所述，峰值應當出現(xiàn)在變化值為0的點處。

1.2.5 刺網(wǎng)網(wǎng)次長度提取

根據(jù)流刺網(wǎng)空間間隔、時間間隔、角度變化間隔的閾值提取正在進行收網(wǎng)作業(yè)的船位點。由于流刺網(wǎng)收網(wǎng)作業(yè)是一個連續(xù)作業(yè)，可以得出每次作業(yè)中開始收網(wǎng)和結束收網(wǎng)的船位點。這兩個點之間的空間距離可以認為是漁船這次作業(yè)中一個網(wǎng)次的長度，這兩個點之間的空間航向角可以認為是該次流刺網(wǎng)作業(yè)中收網(wǎng)的方向。

根據(jù)收網(wǎng)的船位點，可以逆推出放網(wǎng)的過程。根據(jù)流刺網(wǎng)的操作流程，放網(wǎng)的開始點應該鄰近收網(wǎng)的結束點，放網(wǎng)的結束點應該鄰近收網(wǎng)的開始點。因此，在此可以取大于收網(wǎng)速度閾值（本例中為1.5 m·s-1）的點中最靠近收網(wǎng)起始／結束點的船位點作為放網(wǎng)結束、開始的船位點。

單次流刺網(wǎng)作業(yè)的總時間，可以簡單使用放網(wǎng)開始點時間和收網(wǎng)結束點時間兩者的時間間隔進行計算。在計算出單艘漁船每次作業(yè)的網(wǎng)次長度后，將該航次中所有流刺網(wǎng)網(wǎng)次的長度求和并提取，得到單艘漁船流刺網(wǎng)作業(yè)的總作業(yè)時間和總網(wǎng)次長度。利用類似方法提取一段時間或某個區(qū)域內所有流刺網(wǎng)漁船的放網(wǎng)長度與放網(wǎng)角度，對于每艘漁船的各個閾值都要單獨確定，將各個船只的單艘船只流刺網(wǎng)作業(yè)總作業(yè)時間和總網(wǎng)次長度進行求和，即可得到全部流刺網(wǎng)漁船的總作業(yè)時間和總網(wǎng)長。

2 結果與分析

2.1 船位狀態(tài)判別和網(wǎng)次提取

根據(jù)航速頻數(shù)曲線（圖2-a）可知，在實例中使用的漁船，航速閾值的最小值為0 m·s-1，最大值為1.5 m·s-1。位于這一范圍內的船位點共17 010個，占總數(shù)的38.76%。在滿足航速閾值的點中，按空間距離間隔篩選后的船位點共10 242個（圖2-b），占總數(shù)的23.34%，占滿足前述范圍的點的60.21%。在滿足前述閾值的點中，按點間時間間隔篩選后的船位點為7 487個，占總船位點的17.06%（圖2-c）。和前一點方向夾角位于-61度～72度范圍內的點（圖2-d）為5 441個，占總船位點的12.41%。最終得到刺網(wǎng)作業(yè)網(wǎng)次516個。

2.2 結果分析

使用程序提取網(wǎng)次結果如圖3所示。圖3為某5秒×5秒（5″×5″）范圍內的網(wǎng)次提取結果，共有網(wǎng)次20個。

圖4為捕撈努力量在每月的空間分布，表1為對應各月度具體數(shù)據(jù)。捕撈努力量主要集中在海州灣漁場、連青石漁場、大沙漁場、呂四漁場等。

圖5為流刺網(wǎng)各月份網(wǎng)次方向分布圖。從圖5來看，流刺網(wǎng)作業(yè)的放網(wǎng)方向和東海區(qū)域的海流流向有關，基本與平均海流方向有一定夾角，這是因為流刺網(wǎng)作業(yè)規(guī)范的要求，需要相對即時海流方向垂直放網(wǎng)。

在得到的516個網(wǎng)次中，平均網(wǎng)長3 570.726 m，網(wǎng)長3 500～6 000 m的網(wǎng)次267組，占總網(wǎng)次的51.74%（圖6），和海洋中流刺網(wǎng)的網(wǎng)列長度80～120單位網(wǎng)片相對應。以正北方向為0°計，放網(wǎng)角度為-100°～-60°的網(wǎng)次116組，放網(wǎng)角度為65°～105°的網(wǎng)次 156組（圖 7），二者合計272組，占總網(wǎng)次的52.71%。

從時間分布來看（表1），捕撈作業(yè)主要集中在4、5月和9—12月。6、7月份未進行捕撈，5月和8月捕撈時間也較少。

圖2 刺網(wǎng)船位點數(shù)據(jù)頻數(shù)統(tǒng)計圖Fig.2 Analysis of the frequencies of gill net ship points data注：a.刺網(wǎng)船位點在各航速出現(xiàn)的頻數(shù)；b.相鄰船位點各距離間隔出現(xiàn)的頻數(shù)；c.相鄰點各時間間隔出現(xiàn)的頻數(shù)；d.相鄰點的各角度變化值頻數(shù)Note：a.Frequency of the speed of gill net ship points；b.Frequency of the distance between contiguous ship points；c.Frequency of the time interval between contiguous ship points；d.Frequency of the azimuth change between contiguous ship points

圖3 某區(qū)域內刺網(wǎng)各網(wǎng)次提取示意圖，F(xiàn)ig.3 Sketching for extraction of gill net hauls in a specific area注：黑色三角為收網(wǎng)起始點，紅色圓點為收網(wǎng)結束點Note：The black triangles are the start points of the drawing operation，and the red points are the end points.

圖4 刺網(wǎng)各網(wǎng)次按捕撈努力量分布圖Fig.4 Gill net hauls per month with catch effort注：不同顏色代表不同月份，圓點的大小代表該網(wǎng)次捕撈努力量Note：Different colors refer to different months，the size of the points refers to catch effort

表1 捕撈量月度統(tǒng)計Tab.1 Catch analysis per month

圖5 刺網(wǎng)各月份網(wǎng)次方向分布圖Fig.5 Gill net hauls per month with direction注：箭頭為平均海流方向，其長度代表了海流流速Note：The arrows show the average current direction，and its length refers to the current speed

圖6 刺網(wǎng)各網(wǎng)次放網(wǎng)長度分布Fig.6 Distribution of the gill net haul length

圖7 刺網(wǎng)各網(wǎng)次放網(wǎng)角度分布Fig.7 Distribution of the gill net haul direction

3 討論

本研究給出了一種基于收網(wǎng)時的作業(yè)參數(shù)提取流刺網(wǎng)作業(yè)網(wǎng)次的方法。其理論基于：1）同一艘船在進行同種作業(yè)類型時其行駛參數(shù)處于固定的范圍內；2）不同船只在進行相同流刺網(wǎng)捕撈時其行駛狀態(tài)參數(shù)曲線有相似的統(tǒng)計規(guī)律；3）行駛狀態(tài)的規(guī)律可以基于北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的船位點和對生產(chǎn)時的慣例總結得到的結果進行判定。

此前國內外已有見關于使用VMS判定船只捕撈狀態(tài)的多個研究，例如鄭巧玲等［19］對于使用北斗數(shù)據(jù)進行漁船捕撈類型的辨別進行的研究，以及張勝茂等［16］使用北斗數(shù)據(jù)對拖網(wǎng)漁船的研究，但這些研究集中于不同種類的拖網(wǎng)，而尚未見針對于流刺網(wǎng)作業(yè)的詳細研究。

根據(jù)本方法，可以僅使用船位數(shù)據(jù)就能判斷出船只的具體捕撈狀態(tài)，精度較高、持續(xù)時間長、數(shù)據(jù)處理快、實時程度高。根據(jù)數(shù)值范例表明，本文提出的方法具有較為可靠的精度，可為我國漁業(yè)管理和相關研究提供新的手段，作為我國海洋管理監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，并應用于捕撈控制、科學研究和海上執(zhí)法等多個領域。例如，根據(jù)本方法計算得出的捕撈努力量，可以用作捕撈限額的參考，也可用作漁撈日志的驗證。

提取的516個網(wǎng)次中，大多數(shù)處于放網(wǎng)角度為 -100°～-60°以及 65°～105°的范圍內，這可能和東海區(qū)的海流流向有關。網(wǎng)長大部分為3 500～6 000 m。從時間分布來看，捕撈網(wǎng)次分布在全年，只有6—8月的禁漁期以及2月的春節(jié)假期期間沒有進行捕撈活動。

目前通過閾值判斷獲取的船位點的精度，仍然和人工閱讀船位圖、由專家根據(jù)點的分布對船位點狀態(tài)進行判定的結果有少量偏差，一致率約為74%。且還存在一個網(wǎng)次在判定中被判斷為多個網(wǎng)次和少數(shù)非作業(yè)點被判定為作業(yè)狀態(tài)等問題。這主要是因為閾值的選取仍然需要人工根據(jù)船位數(shù)據(jù)曲線進行判定，并且有一部分漂流巡網(wǎng)的點和在港區(qū)附近低速行駛的點也被算在收網(wǎng)狀態(tài)的點內。為進一步提高方法的精度，還需開展更為深入的研究工作，例如使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法選取更合適的閾值，使用專家系統(tǒng)對船位點選取進行驗證等。此外，目前的研究為針對流刺網(wǎng)捕撈，對于定置刺網(wǎng)、包圍刺網(wǎng)和拖曳刺網(wǎng)等其它刺網(wǎng)捕撈手段，仍然需要進一步研究。在下一步研究中，將對多艘漁船的數(shù)據(jù)進行分析，并計算漁船在某漁場中的捕撈努力量，或在某特定時間段內的捕撈努力量，同時對于網(wǎng)次提取的方法做進一步改進，以進一步提高提取精度。