浙江省近海海洋捕撈漁船異地?？啃畔⑻崛∨c分析

范秀梅，張勝茂※，楊勝龍，王 斐，程田飛，朱文斌

（1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所漁業(yè)資源遙感信息技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，上海200090；2. 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(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，舟山 316021）

0 引 言

為了加強(qiáng)漁業(yè)管理，從2006 年起，中國(guó)開(kāi)始推廣基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)（Vessel Monitoring Systems，VMS）船載終端[1-2]。VMS 終端可以實(shí)時(shí)記錄漁船的船名、漁船位置的經(jīng)緯度、航速、航向等信息，并將這些數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到岸上的監(jiān)控中心，便于監(jiān)控中心及時(shí)觀察和掌握漁船作業(yè)情況[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前安裝北斗VMS 終端的漁船已超過(guò)7 萬(wàn)艘[4]，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋漁船船位的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，同時(shí)獲得了大量的具有時(shí)空特性的歷史船位數(shù)據(jù)。在實(shí)際漁撈日志信息稀少的情況下，VMS 記錄的漁船航行信息為研究漁船捕撈活動(dòng)的時(shí)空分布、漁業(yè)資源的評(píng)估和管理提供了可能[5-6]。

對(duì)VMS 數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和深度挖掘分析取得了很多研究成果[7-12]，例如漁船的捕撈作業(yè)方式識(shí)別[13]，捕撈努力量的時(shí)空分布[14-15]，提取漁船捕撈作業(yè)航次[16]等。目前分析VMS 數(shù)據(jù)的方法主要有速度閾值法[17-18]、圖像處理[19]、機(jī)器學(xué)習(xí)[20-21]等。Wang 等[22]利用漁船的速度閾值和軌跡形態(tài)并選擇合適的時(shí)間間隔識(shí)別出拖網(wǎng)作業(yè)漁船的捕撈作業(yè)時(shí)段與非捕撈作業(yè)時(shí)段。Huang 等[23]利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的XGBoost 分類器根據(jù)中國(guó)東海漁船的航行軌跡數(shù)據(jù)將未注冊(cè)登記的漁船類型分類為9 種捕撈作業(yè)方式，然后基于不同的捕撈作業(yè)方式識(shí)別各漁船的捕撈作業(yè)情況，并比較了添加未注冊(cè)漁船捕撈作業(yè)活動(dòng)前后的捕撈密度，指出識(shí)別出未注冊(cè)漁船的捕撈類型對(duì)中國(guó)東海的捕撈密度分布影響的重要性。

現(xiàn)有的相關(guān)工作大多是關(guān)于如何利用VMS船位數(shù)據(jù)提取捕撈作業(yè)的相關(guān)信息并進(jìn)行分析研究，而從VMS 信息中找出漁船的停泊港口時(shí)段，并確定是否為合理停船的相關(guān)研究幾乎沒(méi)有。傳統(tǒng)判斷漁船是否異地停靠需要手動(dòng)登記，工作量大[24]。本文以2018 年浙江省北斗船位數(shù)據(jù)為例，提出了一種捕撈漁船異地?？啃畔⒌奶崛『头治龇椒ǎ云跒闈O船管理提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 北斗船位數(shù)據(jù)

北斗衛(wèi)星傳送的船位數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率約為3 min，空間分辨率約為10 m，時(shí)空精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)[25]。北斗船位數(shù)據(jù)來(lái)源于北斗民用分理服務(wù)商，數(shù)據(jù)按照年份和地區(qū)分別存儲(chǔ)于不同文件夾中，一條船對(duì)應(yīng)一個(gè)文件，文件內(nèi)容包括船名、經(jīng)度、緯度、航速、航向、時(shí)間等信息。船位數(shù)據(jù)中存在一些異常數(shù)據(jù)，會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此在使用之前剔除這些異常數(shù)據(jù)。文中使用的數(shù)據(jù)為2018 年浙江省漁船的北斗VMS 船位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達(dá)61.8 G，雖然計(jì)算機(jī)的處理器運(yùn)行速度快，但是數(shù)據(jù)的讀寫速度較慢，所以在程序運(yùn)行過(guò)程中直接剔除異常值，不參與計(jì)算。

船位數(shù)據(jù)存在以下幾種異常：一是時(shí)間異常，時(shí)間范圍不在所屬文件夾名稱表示的范圍內(nèi)，例如出現(xiàn)年份為1970 年的異常值，通過(guò)設(shè)置起止時(shí)間，將時(shí)間范圍設(shè)定為2018 年1 月1 日0 時(shí)0 分0 秒至2018 年12 月31日23 時(shí)59 分59 秒，不在此范圍的值剔除。二是經(jīng)緯度值異常，例如經(jīng)度或者緯度值為0 值，直接剔除；三是漁船定位在內(nèi)陸地區(qū)的異常，這種異常值在查找異地停船的過(guò)程中處理。在查找異地停船的算法執(zhí)行之前，首先將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，保存在矩陣變量中，利用循環(huán)語(yǔ)句從前至后掃描數(shù)據(jù)，查找并剔除矩陣中異常數(shù)據(jù)，不改變文件中的原始數(shù)據(jù)。

1.2 ?？啃畔⒌奶崛》椒ㄅc步驟

休漁漁船?？扛劭谛畔⒌奶崛〔襟E主要分為3 步：首先查找停船的時(shí)間段，然后確定停船地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度值，最后利用高德地圖提供的逆地址web 查詢服務(wù)查找停泊港口所屬的省、市、區(qū)縣。

1.2.1 查找停船時(shí)間段

1）把船位文件中的數(shù)據(jù)（船名、時(shí)間、經(jīng)緯度、船速）讀入內(nèi)存，剔除異常值后，經(jīng)度、緯度、速度和時(shí)間分別存儲(chǔ)在變量lon，lat，v，t 中。對(duì)船速值進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，把大于0 的速度都設(shè)為1，速度大小信息丟棄，不影響結(jié)果。速度處理的表達(dá)式為其中表示船舶代號(hào)，K 表示船舶的總數(shù)，表示該速度在速度矩陣v 中的序號(hào)，H表示速度矩陣v 的長(zhǎng)度。

2）找到所有速度為0 的時(shí)間段的開(kāi)始位置 , P,1ki和結(jié)束位置根據(jù)這2 個(gè)位置得到停船時(shí)間段的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間其中表示停船時(shí)間段， I 表示第k 條船舶的停船時(shí)間段總數(shù)，下標(biāo)“1”表示開(kāi)始，下標(biāo)“2”表示結(jié)束，下同。根據(jù)起止位置計(jì)算出各停船時(shí)間段的時(shí)長(zhǎng)得到按照停船時(shí)間段先后順序排列的有序集合， 其 中

理論上，船舶靠岸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，并被系上纜繩或者拋錨固定，船的航速為0，可以根據(jù)速度值是否為0 來(lái)判斷船舶的動(dòng)態(tài)。但在實(shí)際中，即使船舶已經(jīng)靠岸，由于風(fēng)浪等自然力的作用或船舶相互之間的碰撞，船速會(huì)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較短的非0 值（如表1 中漁船2）。從記錄的數(shù)據(jù)來(lái)看，速度從0.1 到5 m/s 不等，所以根據(jù)速度的大小無(wú)法剔除這些非零速度。漁船在海上作業(yè)時(shí)，航速會(huì)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較短的0 值（如表1 中漁船1），會(huì)被誤判為船舶?？繒r(shí)間段。隨機(jī)選擇一條漁船的船位數(shù)據(jù)，對(duì)速度0 值和非0 值的時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可看出，連續(xù)時(shí)長(zhǎng)小于15 min 的停船或者開(kāi)船時(shí)間段占比超過(guò)70%，所以可通過(guò)設(shè)置時(shí)間閾值來(lái)剔除大部分的干擾。閾值設(shè)置為大于15 min 即可，例如可將停船閾值設(shè)置為15 min，開(kāi)船閾值設(shè)置為30 min。

表1 船位數(shù)據(jù) Table 1 Position data of fishing vessels

如果停船時(shí)長(zhǎng)小于15 min，這段時(shí)間的速度記為1，表示這段時(shí)間不屬于漁船?？?，可以排除作業(yè)過(guò)程中船速為0 被誤判為靠岸的可能，表達(dá)式為

3）查找所有速度為1 的時(shí)間段的開(kāi)始位置 , ,1k gQ 和結(jié)束位置根據(jù)開(kāi)始和結(jié)束的位置得到開(kāi)船時(shí)間段的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間其 中k ∈ （1 ,2,3,… ,K），g ∈ （1 ,2,3,… , G），g 表示開(kāi)船時(shí)間段的序號(hào)，G 表示開(kāi)船時(shí)間段的總數(shù)。根據(jù)起止位置計(jì)算出開(kāi)船時(shí)間段的時(shí)長(zhǎng)得到按照開(kāi)船時(shí)間段的先后順序排列的有序集合其中

如果船速連續(xù)非0 的時(shí)長(zhǎng)小于30 min，則這段時(shí)間的速度記為0，可以排除船舶在港口短距離移動(dòng)被誤判為出海作業(yè)的可能。表達(dá)式為

最后，重新計(jì)算所有速度為0 的時(shí)間段起始位置，并根據(jù)起止位置獲得每個(gè)停船時(shí)間段的停船時(shí)長(zhǎng)。

圖1 2018 年浙江省任一漁船速度v 的0 值與非0 值時(shí)段分布（占比排在前10 的停船時(shí)間段） Fig.1 Distribution of zero value and non-zero value periods of velocity v of any fishing vessel in Zhejiang Province in 2018 (only the top 10 are shown)

1.2.2 停船地點(diǎn)的經(jīng)緯度選擇和?？康刂凡樵?/p>

漁船在休漁期的停船時(shí)長(zhǎng)應(yīng)該是一年中停船時(shí)間最長(zhǎng)的，故選擇停船時(shí)間最長(zhǎng)的停船地址來(lái)確定是否屬于合理的異地停船。把停船時(shí)間段按照停船時(shí)間從長(zhǎng)至短排序，選擇最長(zhǎng)的停船時(shí)間段來(lái)查找停船位置的經(jīng)緯度。由于船位文件中記錄的數(shù)據(jù)是按照時(shí)間先后順序排列，故i 表示的停船時(shí)間段也是按照時(shí)間先后排列的，需將停船時(shí)間段的集合 Sk中的元素按照停船時(shí)長(zhǎng)從大到小排列，得到有序集合表示重新排序后的停船時(shí)間段的序號(hào)。在將集合 Sk中的元素按照停船時(shí)長(zhǎng)從大到小排列的過(guò)程中，記錄下重新排序后的停船時(shí)間段 ,k jR 在原集合 Sk中的位置 ,k jp 。

從停船時(shí)間段的有序集合 Rk中按照從前至后的順序取一個(gè)停船時(shí)間段R,kj出來(lái)，獲得該停船時(shí)間段內(nèi)所有停船位置的經(jīng)度值緯度值其中這些經(jīng)度值組成集合緯度值組成集合其中，l 表示對(duì)應(yīng)停船時(shí)間段內(nèi)船位數(shù)據(jù)記錄的序號(hào)，L 為第k 條船的第 ,k jp 個(gè)停船時(shí)間段的總記錄條數(shù)。從該次停船的經(jīng)緯度集合中選出一對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)作為該停船時(shí)間段的停船地點(diǎn)坐標(biāo)選擇過(guò)程分為3 步。如果其中一步返回具體的地址則結(jié)束：1）選第一對(duì)來(lái)查詢，如果查詢結(jié)果為空，表示船只在海里；2）選擇最后一對(duì)經(jīng)緯度值來(lái)查詢。如果前2 步查詢結(jié)果都返回空，則進(jìn)入步驟3），選擇該次停船地點(diǎn)坐標(biāo)集中離岸線最近的坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)查詢?cè)撏４瑫r(shí)間段的停船地址。離岸線最近的坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度值最小，計(jì)算表達(dá)式為表示求最小值的函數(shù)，m 表示該最小值在集合中的序號(hào)。由1.1 節(jié)可知，船位存在位于內(nèi)陸的異常點(diǎn)，所以這里選擇經(jīng)度最小的坐標(biāo)點(diǎn)可能正好是位于內(nèi)陸的異常點(diǎn)，此時(shí)需要剔除此異常點(diǎn)。如果是非異常點(diǎn)，由于船速基本為0，該時(shí)間段內(nèi)的船位經(jīng)度值相差很少，接近于0，而如果該點(diǎn)是位于內(nèi)陸的異常點(diǎn)，該絕對(duì)值可達(dá)十幾。根據(jù)這個(gè)特征，將經(jīng)度差的絕對(duì)值的閾值設(shè)定在正常值（接近于0）和異常值（可達(dá)十幾）之間即可，例如可設(shè)定為1，如果差值大于1°，表示該最小值為異常值，則刪除該條記錄。該停船時(shí)間段的第一個(gè)和最后一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)過(guò)步驟1 和步驟2 逆地址查詢?yōu)榭?，表明船只在海里，屬于正常值，故?jì)算與正常值的差值絕對(duì)值并與閾值 1 比較，大于 1 則刪除，表達(dá)式為其中?表示將該值刪除。循環(huán)上述過(guò)程直至剔除此停船時(shí)間段內(nèi)的所有異常船位，然后從剩下的船位中選擇經(jīng)度最小的船位點(diǎn)作為該次停船的位置。

得到停船地點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)后，利用高德地圖提供的逆地址查詢服務(wù)獲得停船地點(diǎn)所在的省、市、縣。設(shè)逆地址的查詢函數(shù)為 frev，則可得調(diào)用高德地圖[26]提供的逆地址查詢web服務(wù)的url 的格式為：https：//restapi.amap.com/v3/geocode/ regeo?location=Lon,Lat&key=yourkey&output=json，其中的‘Lon’和‘Lat’處輸入實(shí)際要查詢的地理坐標(biāo)經(jīng)緯度，‘yourkey’是在高德開(kāi)放平臺(tái)上申請(qǐng)的應(yīng)用服務(wù)key 碼，返回json 格式[27]的數(shù)據(jù)，其中包含響應(yīng)經(jīng)緯度值對(duì)應(yīng)的省、市、區(qū)等信息。這里也可以選擇其他公司提供的逆地址查詢Web 服務(wù)，例如百度地圖等。如果高德地圖逆地址查找后返回值還是空，那么表示船只還在海上，沒(méi)有靠岸，令 1j j= + ，從按照停船時(shí)間長(zhǎng)短排序的有序集合 Rk中選擇第j 個(gè)元素 ,k jR ，即選擇下一個(gè)停船時(shí)間段，重復(fù)以上步驟。

理論上可以遍歷所有停船時(shí)間段，直至找到地址?？紤]到高德地圖的免費(fèi)逆地址查詢服務(wù)的查詢次數(shù)限制和計(jì)算的時(shí)效性，從?？繒r(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的時(shí)間段開(kāi)始查詢，一條漁船最多只會(huì)查找排在前10 的停靠地址，如果?？繒r(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的10 次?？坎樵兘Y(jié)果都返回空，那么結(jié)果就返回空。如果返回了實(shí)際的省、市、縣區(qū)，那么記錄該次?？吭谖募械钠鹬刮恢?，起止時(shí)間，緯度，經(jīng)度和停船時(shí)長(zhǎng)，否則記錄值為空。

2 結(jié)果與分析

2.1 漁船?？啃畔⒎治?/h3>

以2018 年北斗VMS 終端記錄的浙江省4 條漁船的船位數(shù)據(jù)為例來(lái)分析漁船的?？啃畔?。圖2 中的藍(lán)色線條表示漁船航行的軌跡，綠色實(shí)心點(diǎn)表示漁船?？繒r(shí)長(zhǎng)前10 的停靠位置，紅色實(shí)心點(diǎn)表示?？繒r(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的停靠位置。紅色和綠色實(shí)心點(diǎn)有重疊，可見(jiàn)漁船經(jīng)常在同一地點(diǎn)停靠。一般情況下，漁船休漁期間停靠的時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，故選擇停船時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的停船地點(diǎn)作為該漁船的休漁停靠地，如圖2 中的紅色實(shí)心點(diǎn)所示。

圖2 漁船的行駛軌跡和停靠點(diǎn) Fig.2 Trajectories and docking positions of fishing vessels

表2 為圖2 的4 條漁船的停船詳細(xì)信息，鑒于篇幅，這里只列出各漁船停船時(shí)長(zhǎng)前5 的停船信息。漁船3 的船籍在浙江省臺(tái)州市三門縣，2018 年中停船時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)43 d，位置在（121.458 6°E，29.110 58°N），?？康睾痛匾恢隆O船4 的船籍地為浙江省臺(tái)州市溫嶺市，2018 年最長(zhǎng)停船天數(shù)為71 d，停船位置為（121.642 1°E，28.297 02°N），?？康睾痛匾恢隆O船5 的船籍地和漁船4 的相同，最長(zhǎng)停船天數(shù)為98 d，停船的經(jīng)緯度為（121.520 7°E，28.492 95°N），?？康睾痛匾恢?。漁船6 的船籍地為浙江省臺(tái)州市路橋區(qū)，停船最長(zhǎng)時(shí)間為82 d，位置為（121.523 6°E，28.492 22°N），地址為浙江省臺(tái)州市溫嶺市，屬于同市不同區(qū)?？?。

表2 漁船停船信息 Table 2 Information of fishing vessels docking

2.2 停靠信息輸出

根據(jù)上述方法提取到的漁船?？啃畔⒌妮敵鰞?nèi)容包括船名、?？康钠鹬箷r(shí)間、?？繒r(shí)長(zhǎng)、緯度、經(jīng)度、?？康厮鶎俚氖　⑹?、區(qū)縣。將根據(jù)船名得到的漁船船籍也填入表格，以便于將船籍地與停船位置對(duì)照，從而判斷是否屬于異地?？俊Ｍ？啃畔⒌妮敵龈袷饺绫? 所示。

表3 漁船靠港休漁信息 Table 3 The fishing vessel docking for fishing moratorium information

2.3 異地?？啃畔⒔y(tǒng)計(jì)

利用2018 年浙江省漁船的北斗船位數(shù)據(jù)，總共提取7 152 條漁船的靠港數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的漁船分布在浙江省的臺(tái)州、溫州和舟山市。如果漁船在2018 年中?？繒r(shí)間最長(zhǎng)的港口與船籍港不一致則認(rèn)定為異地?？?，其中分跨省停靠，省內(nèi)跨市?？亢褪袃?nèi)跨區(qū)?？?。

將計(jì)算得到的漁船停靠信息結(jié)果存入access 數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用SQL 語(yǔ)句查找異地?？康拇弧ＴO(shè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的表名為“?？俊保兞縮sheng、sshi、sxian 表示船籍地所在的省、市、縣，psheng、pshi、pxian 表示停靠地所在的省、市、縣。查找省外?？康臐O船使用SQL語(yǔ)句：select *from ?？縲here ssheng<>psheng，查找省內(nèi)跨市停靠的漁船使用SQL 語(yǔ)句：select *from ?？縲here ssheng=psheng and sshi<>pshi，查找市內(nèi)跨區(qū)?？康臐O船使用 SQL 語(yǔ)句：select *from ?？?where ssheng=psheng and sshi=pshi and sxian<>pxian and sxian<>sshi。

漁船?？啃畔⒌牟樵兘Y(jié)果如圖3 所示。跨省?？康墓?97 艘，占比2.60%，其中臺(tái)州市21 艘，溫州市117艘，舟山市59 艘，如圖3a。省內(nèi)跨市?？康墓?19 艘，占比5.53%，其中臺(tái)州市289 艘，溫州市58 艘，舟山市72 艘，如圖3b。市內(nèi)跨區(qū)?？康墓灿? 116 艘，占比15.6%，其中臺(tái)州市800 艘，溫州市107 艘，舟山市209艘，如圖3c。按照該規(guī)定在船籍所屬港內(nèi)停靠的共5 420艘，占比75.78%，其中臺(tái)州市3 228 艘，溫州市1 001艘，舟山市1 612 艘，異地?？康恼急?2.87%，如圖3d。

圖3 2018 年浙江省近海漁船異地?？拷y(tǒng)計(jì)結(jié)果 Fig.3 Statistics results of off-site docking of offshore fishing vessels in Zhejiang Province of China in 2018

3 結(jié) 論

北斗衛(wèi)星的VMS終端能夠提供高時(shí)空精度的船位數(shù)據(jù)且該VMS 終端在近海漁船上的安裝已較為普及，這為研究漁船歷史動(dòng)態(tài)提供了便利。基于北斗船位數(shù)據(jù)，本文給出了一個(gè)提取漁船異地休漁信息的方法。主要流程為首先計(jì)算休漁漁船?？康母劭谒鶎俚氖?、市、縣區(qū)，其次將結(jié)果存入access 數(shù)據(jù)庫(kù)，利用SQL 語(yǔ)句查找異地?？康拇?，并進(jìn)行異地?？啃畔⒌慕y(tǒng)計(jì)。其中計(jì)算休漁漁船?？康母劭谒鶎俚男姓^(qū)的步驟如下：計(jì)算得到休漁期的停船時(shí)間段，然后從中取出停船地點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，最后利用高德地圖提供的逆地址Web 查詢服務(wù)，得到停船點(diǎn)的省、市、區(qū)。根據(jù)漁船登記的船名得到其所屬的船籍港所在的行政區(qū)。對(duì)比船籍港和?？扛鬯诘男姓^(qū)，得到該漁船是否按照要求在船籍港停泊休漁。

以浙江省漁船的北斗船位數(shù)據(jù)為例，利用該方法計(jì)算了浙江省7 152 條漁船異地休漁的情況，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。在船籍港內(nèi)?？康臐O船共5 420 艘，占比75.78%，異地?？康恼急?4.22%，其中跨省?？康?97艘，省內(nèi)跨市?？康?19 艘，市內(nèi)跨區(qū)?？康? 116 艘。北斗船位數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔約為3 min，所以VMS 的數(shù)據(jù)量非常大，而該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速提取出漁船異地?？康男畔ⅲ瑵M足這種大數(shù)據(jù)的計(jì)算需求，在一定程度上能夠?yàn)榕袛酀O船是否屬于異地掛靠提供一定的技術(shù)方法支持。