基于BiLSTM模型的遠(yuǎn)洋漁船類型識(shí)別研究

楊勝龍, 史慧敏, 張勝茂, 張 涵, 費(fèi)英杰, 王 斐, 金衛(wèi)國(guó), 王國(guó)來(lái), 樊 偉

基于BiLSTM模型的遠(yuǎn)洋漁船類型識(shí)別研究

楊勝龍1, 2, 史慧敏1, 3, 張勝茂1, 張 涵4, 費(fèi)英杰4, 王 斐1, 金衛(wèi)國(guó)5, 王國(guó)來(lái)5, 樊 偉1, 2

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 東海水產(chǎn)研究所, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200090; 2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)資源與遙感信息技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室, 上海 200090; 3.上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院, 上海 201306; 4.上海理工大學(xué) 理學(xué)院, 上海 200093; 5.上海開(kāi)創(chuàng)遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司, 上海 200082)

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic identification system, AIS)為漁業(yè)資源和漁船捕撈活動(dòng)管理和研究提供了可能。明確船舶作業(yè)類型是開(kāi)展AIS信息漁業(yè)研究應(yīng)用前提, 為漁業(yè)研究和管理提供漁船捕撈類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐, 保障漁船作業(yè)安全和監(jiān)督非法捕撈漁業(yè)活動(dòng), 作者通過(guò)搜集整理3 000多艘已知類型船舶信息, 從空間、時(shí)間和行為等多方面挖掘17種船舶特征參數(shù), 采用三層雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Bidirectional long short-term memory, BiLSTM)方法, 分別構(gòu)建漁船/非漁船類別識(shí)別模型和不同漁船類型識(shí)別模型。模型結(jié)果表明, 漁船/非漁船的BiLSTM模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集分類平均準(zhǔn)確率為99.6%, 平均精確率為99.8%; 驗(yàn)證數(shù)據(jù)集分類平均準(zhǔn)確率為93.6%, 平均精確率為95.6%。漁船多分類模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集分類平均準(zhǔn)確率為99.0%, 平均精確率為99.3%; 驗(yàn)證數(shù)據(jù)集分類平均準(zhǔn)確率是97.0%, 平均精確率是97.6%。作者構(gòu)建的漁船/非漁船類別識(shí)別模型和漁船類別識(shí)別模型訓(xùn)練和驗(yàn)證精度都較高, 模型具有較好的泛化能力, 可用于主要捕撈類型漁船識(shí)別分類。

漁船類別識(shí)別; 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng); 雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)

過(guò)度捕撈是漁業(yè)資源可持續(xù)利用的巨大挑戰(zhàn), 非法、不報(bào)告和不管制捕撈(Illegal, unreported and unregulated, IUU)被視為對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的主要威脅之一。IUU[1-3]每年造成的損失約為100億～235億美元, 相當(dāng)于1 100萬(wàn)～2 600萬(wàn)t漁獲損失, 但在浩瀚大海中監(jiān)督和制止這些非法活動(dòng)非常困難。最近的研究表明, 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic identification system, AIS)信息可用于監(jiān)測(cè)漁船捕撈活動(dòng)。AIS的初衷是保障船舶航行安全性[4], 但AIS提供漁船實(shí)時(shí)位置、航向和速度等信息, 為漁業(yè)資源研究提供了新的時(shí)空高精度數(shù)據(jù)[4-5], 并已成功地用于漁船捕撈活動(dòng)的多尺度時(shí)空分析[5-10]。漁業(yè)資源分析一般依據(jù)某種捕撈類型或者魚(yú)種開(kāi)展, 因此基于AIS的漁業(yè)分析也是依據(jù)具體的漁船捕撈作業(yè)類型開(kāi)展。AIS數(shù)據(jù)不包含船舶類型信息, 現(xiàn)有文獻(xiàn)均按明確的漁具類型搜集AIS信息開(kāi)展相關(guān)研究[8-10]。然在實(shí)踐中還有很多捕撈類型未知的漁船, 因此, 有必要建立基于AIS信息的船舶類型識(shí)別模型, 以識(shí)別未知捕撈類型的漁船, 可為漁業(yè)研究和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐。此外漁船需依據(jù)特定的捕撈許可證開(kāi)展特定的捕撈作業(yè)活動(dòng), 識(shí)別特定的漁船軌跡信息(捕魚(yú)活動(dòng)或漁具類型)對(duì)于監(jiān)視非法捕魚(yú)活動(dòng)及漁業(yè)安全生產(chǎn)也很有幫助。

速度和航向是區(qū)別船舶行為的重要變量, 常被用于船舶分類。鄭巧玲等[11]基于速度和航向時(shí)間序列數(shù)據(jù), 采用BP方法構(gòu)建了中國(guó)近海3類小型漁船類型識(shí)別模型。PARK[12]對(duì)速度和航向時(shí)間序列進(jìn)行分組編碼, 采用圖像識(shí)別方法構(gòu)建了韓國(guó)半島海域6種近海漁船類別識(shí)別模型。速度和航向是描述漁船捕撈行為的重要特征參數(shù), 但漁船的空間地理信息也是漁船捕撈行為的重要特征。MARZUKI等[13]挖掘單元區(qū)域內(nèi)漁船航向、速度、位置和時(shí)間特征, 采用隨機(jī)森林和支持向量機(jī)算法對(duì)船舶進(jìn)行分類, 該算法可以有效識(shí)別4個(gè)類別的漁船, 但是對(duì)噪聲敏感, 容易產(chǎn)生過(guò)擬合的問(wèn)題。HUANG等[14]按照不同的速度段提取了時(shí)間、空間位置和速度等23個(gè)特征參數(shù), 采用XGBoost方法建立了中國(guó)近海9種漁船類別識(shí)別模型。上述文獻(xiàn)僅對(duì)近海區(qū)域性漁船類型識(shí)別, 但在遠(yuǎn)洋中不能保證所有非漁船和漁船有相似時(shí)空特征。例如延繩釣為周期性作業(yè), 每條漁船每天下網(wǎng)的時(shí)間段并不相同, 而貨船和運(yùn)輸船在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)行為與其相似。KROODSMA等[6]基于AIS數(shù)據(jù)挖掘連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)漁船空間行為的12種特征參數(shù), 對(duì)全球6類漁船和6類非漁船構(gòu)建了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法, 證實(shí)了深度學(xué)習(xí)在船舶分類中有良好應(yīng)用。

船舶航跡具有明顯的時(shí)間平滑性, 下一時(shí)刻的位置狀態(tài)由歷史時(shí)刻的位置滑行而來(lái)[15]。船舶的位置、速度和航向等信息是連續(xù)的。船舶行為特征是通過(guò)一定時(shí)間內(nèi)船舶的位置、速度和航向等信息組成。遠(yuǎn)洋捕撈4種主要類型漁船, 魷魚(yú)釣船在晚上靠燈光吸引魷魚(yú)并釣獲, 漁船處于漂流狀態(tài); 拖網(wǎng)漁船放網(wǎng)后, 以2.5～5.5節(jié)航速航行拖動(dòng)漁網(wǎng)捕獲, 作業(yè)一般持續(xù)2～3 h[9]; 延繩釣船快速航行布放釣鉤后再回收釣鉤捕獲金槍魚(yú), 作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、跨度大、空間軌跡變化大。金槍魚(yú)圍網(wǎng)船快速航行尋找魚(yú)群, 發(fā)現(xiàn)魚(yú)群快速下網(wǎng)包圍, 在原地進(jìn)行捕撈[9]。漁船的空間行為具有時(shí)間連續(xù)性, 因此有必要考慮時(shí)間維度。長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Long short-term memory, LSTM)和雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Bidirectional long short-term memory, BiLSTM)作為一種經(jīng)典的深度學(xué)習(xí)算法, 能夠較好地刻畫(huà)船舶軌跡隨時(shí)間變化發(fā)展規(guī)律[16-17]。目前LSTM和BiLSTM已成功應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別、翻譯、時(shí)間序列預(yù)測(cè)等領(lǐng)域[18-19]。船舶前后兩個(gè)軌跡點(diǎn)的信息是相互關(guān)聯(lián)的, BiLSTM 能考慮兩個(gè)方向的歷史信息[17], 因此本文提出采用BiLSTM方法構(gòu)建船舶分類模型。作者首先搜集有明確表示的船舶類型信息, 依據(jù)MMSI號(hào)提取漁船軌跡時(shí)間序列數(shù)據(jù); 隨后對(duì)漁船軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)特征挖掘和船舶類別標(biāo)識(shí)。漁業(yè)管理和漁業(yè)科研部門(mén)關(guān)注的是漁船, 本文首先構(gòu)建漁船/非漁船二分類BiLSTM模型, 再構(gòu)建漁船多分類BiLSTM模型, 最后對(duì)構(gòu)建的兩種模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 船舶信息

本文所指漁船是僅利用漁具開(kāi)展捕撈活動(dòng)的商業(yè)捕撈船舶, 根據(jù)該定義將遠(yuǎn)洋船舶分成漁船和非漁船。按捕撈方式和對(duì)象, 漁船大致可分為拖網(wǎng)、圍網(wǎng)、流刺網(wǎng)、魷釣、垂釣和延繩釣等類型[6]。對(duì)每種捕撈按作業(yè)方式又可細(xì)分, 如圍網(wǎng)有燈光圍網(wǎng)和金槍魚(yú)圍網(wǎng), 拖網(wǎng)有底拖和中層拖網(wǎng)等。本文參考文獻(xiàn)[6]標(biāo)記的船舶類型信息, 同時(shí)搜集國(guó)內(nèi)漁業(yè)企業(yè)船舶水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(Maritime mobile service identify, MMSI)和類型標(biāo)識(shí)信息。絕大數(shù)漁船都是單一捕撈類型, 即只有一種作業(yè)方式, 只有少數(shù)漁船在不同季節(jié)會(huì)轉(zhuǎn)換捕撈作業(yè)方式。本文只考慮單一捕撈類型漁船, 剔除船舶數(shù)量太少和捕撈方式非常少見(jiàn)的類型, 最后提取了延繩釣、其他圍網(wǎng)、金槍魚(yú)圍網(wǎng)、拖網(wǎng)和魷魚(yú)釣等5種遠(yuǎn)洋主要捕撈漁船和拖船、油輪、貨船和專用運(yùn)輸船等4種主要非漁船。根據(jù)漁船行為相似性將漁船合并為4類, 非漁船合并為3類, 不同漁船和非漁船描述見(jiàn)表1。

1.2 AIS數(shù)據(jù)

依據(jù)船舶MMSI號(hào), 從exactView衛(wèi)星傳輸?shù)腁IS數(shù)據(jù)中提取全球公海船舶軌跡數(shù)據(jù), 包括發(fā)送時(shí)間、經(jīng)緯度、航向、航速等。本實(shí)驗(yàn)AIS原始數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2017年7月—2019年12月。按MMSI號(hào)提取AIS時(shí)間序列數(shù)據(jù), 剔除時(shí)間重復(fù)和航速大于15節(jié)的船位點(diǎn)數(shù)據(jù)。剔除船位軌跡點(diǎn)個(gè)數(shù)小于1 000的MMSI號(hào)。

對(duì)每個(gè)MMSI時(shí)間序列數(shù)據(jù)計(jì)算前后兩個(gè)軌跡點(diǎn)的時(shí)間和距離, 將時(shí)間間隔超過(guò)24 h的船位軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)分開(kāi), 每個(gè)MMSI時(shí)間序列數(shù)據(jù)被分成若干時(shí)間序列數(shù)據(jù)段。刪除每個(gè)時(shí)間段內(nèi)船位軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)少于10個(gè)點(diǎn)的段, 這樣處理有利于排除不正確的軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)[6]。為減少數(shù)據(jù)分析量又不影響分析結(jié)果,對(duì)每個(gè)時(shí)間段里面的軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù), 作者按每5 min挑選軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù), 從處理后的每個(gè)MMSI號(hào)中, 隨機(jī)挑選時(shí)間連續(xù)的5 000個(gè)點(diǎn)的特征信息, 繪制上述選擇后每個(gè)MMSI連續(xù)5 000個(gè)點(diǎn)的速度空間軌跡圖(圖1)。

依據(jù)繪制的速度空間軌跡圖, 目視刪除船舶靜止不動(dòng)或者軌跡明顯紊亂不符的MMSI, 最后選擇了3 067個(gè)MMSI號(hào)數(shù)據(jù)(表1)。

表1 船舶類型和數(shù)量

1.3 特征參數(shù)挖掘

AIS數(shù)據(jù)包含經(jīng)緯度、瞬時(shí)船速和航向等有效信息, 其他參數(shù)(MMSI前后兩個(gè)船位點(diǎn)的航向差、時(shí)間、距離、平均速度、向前速度差、向后速度差、離岸距離等信息)都能表征船舶一般行為特征。根據(jù)參考文獻(xiàn)[20]和[21], 本文提取能表征船舶一般行為特征的17個(gè)特征參數(shù), 分別是時(shí)間、經(jīng)緯度、船速和航向、前后兩個(gè)船位點(diǎn)的航向差、時(shí)間、距離、平均速度、向前速度差、向后速度差、離岸距離等、距離[–90, 0], [0, 0], [90, 0], [180, 0]點(diǎn)距離等信息。[–90, 0], [0, 0], [90, 0], [180, 0]4個(gè)點(diǎn)將地球經(jīng)度劃4份, 4個(gè)距離等信息描述船舶在地球4個(gè)空間經(jīng)向變動(dòng)。對(duì)預(yù)處理挑選的MMIS數(shù)據(jù), 按照每個(gè)時(shí)間段分別計(jì)算上述17個(gè)特征參數(shù)作為模型的輸入變量。每個(gè)特征參數(shù)的表達(dá)方式和說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 輸入變量描述

1.4 LSTM模型

船舶軌跡數(shù)據(jù)是時(shí)間連續(xù)的空間軌跡信息, 船舶前后兩個(gè)航跡點(diǎn)的信息相互關(guān)聯(lián)。在遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recursive neural network, RNN)中, 前一時(shí)刻的神經(jīng)元輸出可以傳輸?shù)疆?dāng)前時(shí)刻, 因此RNN在時(shí)間序列數(shù)據(jù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì), 并已成功應(yīng)用于分類識(shí)別[22]。但如果學(xué)習(xí)序列較長(zhǎng), 傳統(tǒng)的RNN有時(shí)會(huì)消失或爆炸梯度。通過(guò)引入門(mén)機(jī)制[23], 設(shè)計(jì)了長(zhǎng)短期記憶來(lái)解決該問(wèn)題。LSTM利用具有各種門(mén)的存儲(chǔ)單元來(lái)保存有用的信息, 以長(zhǎng)期保持依賴關(guān)系, 單層LSTM網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LSTM神經(jīng)元結(jié)構(gòu)

1.5 BiLSTM模型

圖3 雙向LSTM結(jié)構(gòu)圖

1.6 模型構(gòu)建和部署

本文構(gòu)建兩個(gè)BILSTM分類模型。第一個(gè)模型區(qū)分漁船和非漁船, 提供漁船信息; 第二個(gè)模型對(duì)4種主要的遠(yuǎn)洋捕撈漁船類別識(shí)別, 為漁業(yè)資源和管理研究提供信息。經(jīng)過(guò)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多層模型比單層模型有更好的結(jié)果, 本文兩個(gè)BILSTM模型采用3個(gè)層數(shù), 第一、二和三層中間網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)分別是70、50和25。網(wǎng)絡(luò)函數(shù)梯度訓(xùn)練和優(yōu)化采用“Adam”算法。maxEpochs為70, miniBatchSize為30, 學(xué)習(xí)率為0.001。對(duì)于每種類型的船只, 隨機(jī)選擇70%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集, 其余30%用作測(cè)試數(shù)據(jù)集。在MATLAB軟件平臺(tái)中構(gòu)造兩個(gè)BiLSTM, 采用深度學(xué)習(xí)功能包來(lái)完成模型的建立和培訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一臺(tái)裝有Intel E3 1270 V5處理器, 32 GB內(nèi)存和NVIDIA Quadro P600顯卡的PC。

1.7 模型評(píng)價(jià)

通過(guò)比較模型的預(yù)測(cè)分類結(jié)果和實(shí)際標(biāo)記結(jié)果, 評(píng)估兩個(gè)BiLSTM模型的性能[26]。對(duì)漁船/非漁船模型, 計(jì)算二分類混淆矩陣。對(duì)于漁船類別識(shí)別模型, 采用一對(duì)多的方法定義混淆矩陣, 表3列出了基于經(jīng)典矩陣進(jìn)行二進(jìn)制分類的“一對(duì)多”方法。

表3 第i類船舶混淆矩陣

TP是模型正確分類的第類正樣本;FN是模型錯(cuò)誤分類的第一類正樣本;FP是模型錯(cuò)誤分類的其他第類樣本;TN是模型正確分類的第類其他樣本。

計(jì)算平均準(zhǔn)確率、平均精確率、平均召回率、平均Kappa系數(shù)、1得分和曲線下面積(Area Under Curve, AUC)用于評(píng)估兩個(gè)BILSTM模型的分類性能[26], 計(jì)算公式如下:

平均準(zhǔn)確率

平均精確率

平均召回率

1分?jǐn)?shù)

平均準(zhǔn)確率可以測(cè)試分類器的平均每類有效性, 如果類別樣本量不平衡, 則此指標(biāo)不是很有效果。1分?jǐn)?shù)是精度和召回率的諧和平均值, 代表了分類器識(shí)別陽(yáng)性分類的有效性。曲線下面積是平衡精度, 代表了分類器避免錯(cuò)誤分類的能力。系數(shù)是用于一致性測(cè)試的指標(biāo), 也可以用于衡量分類的效果。在本文中不同類型船舶的樣本量差異很大, 因此1得分、曲線下面積和系數(shù)越高, 模型的性能越好。

2 結(jié)果

2.1 漁船/非漁船類別識(shí)別結(jié)果

漁船/非漁船模型的訓(xùn)練時(shí)間為40 min, 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集模型結(jié)果表明有1 200條漁船和798條非漁船被正確識(shí)別(表4)。有2條漁船被錯(cuò)誤地識(shí)別為非漁船, 6條非漁船被錯(cuò)誤地識(shí)別為漁船。分類平均準(zhǔn)確率是99.6%, 平均精確率是99.8%, 平均召回率為99.5%, 平均算系數(shù)為0.992,1分?jǐn)?shù)為0.997, 曲線下面積為0.996。

表4 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集混淆矩陣

驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中有396條漁船和252條非漁船被正確識(shí)別(表5), 有18條漁船被錯(cuò)誤的識(shí)別為非漁船, 26條非漁船被錯(cuò)誤的識(shí)別為漁船。分類平均準(zhǔn)確率是93.6%, 平均精確率是95.6%, 平均靈敏度為93.8%, 平均算系數(shù)為0.867,1分?jǐn)?shù)為0.947, 曲線下面積為0.936。

表5 驗(yàn)證數(shù)據(jù)集混淆矩陣

所有數(shù)據(jù)的分類平均準(zhǔn)確率是98.1%, 平均精確率是98%, 平均召回率為98.8%, 平均系數(shù)為0.96,1分?jǐn)?shù)為0.984, 曲線下面積為0.979 (表6)。

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

在漁船/非漁船二分類模型中, 所有數(shù)據(jù)中每種船舶模型錯(cuò)誤分類統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)見(jiàn)圖4。共有52艘漁船被模型錯(cuò)誤分類, 其中有16艘拖網(wǎng)漁船被模型錯(cuò)誤分類, 其次是貨物和油輪, 有11艘被模型錯(cuò)誤分類, 最少的是魷魚(yú)釣漁船和拖船, 都只有2艘漁船被錯(cuò)誤分類。

圖4 不同類型船舶錯(cuò)誤分類數(shù)

2.2 漁船類別識(shí)別結(jié)果

模型2的訓(xùn)練時(shí)間為23 min, 訓(xùn)練數(shù)據(jù)混淆矩陣見(jiàn)表7。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集模型結(jié)果表明有300條延繩釣漁船、127條金槍魚(yú)圍網(wǎng)/圍網(wǎng)漁船、702拖網(wǎng)和64條魷魚(yú)釣漁船被正確識(shí)別(表7)。漁船類別識(shí)別模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的結(jié)果顯示平均準(zhǔn)確率是99%, 平均精確率是99.3%, 平均召回率為99%, 平均系數(shù)為0.967,1分?jǐn)?shù)為0.991, 曲線下面積為0.98。7艘延繩釣漁船被錯(cuò)誤地識(shí)別為拖網(wǎng)漁船和圍網(wǎng)漁船。

表7 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集混淆矩陣

驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中有126條延繩釣漁船、50條金槍魚(yú)圍網(wǎng)/圍網(wǎng)漁船、290拖網(wǎng)和25條魷魚(yú)釣漁船被正確識(shí)別(表8)。漁船類別識(shí)別模型的測(cè)試數(shù)據(jù)集的結(jié)果顯示, 平均準(zhǔn)確度為97%, 平均準(zhǔn)確度為97.6%, 平均召回率為97.4%, 平均系數(shù)為0.895,1得分為0.975, 曲線下面積為0.942。有10條延繩釣漁船被誤認(rèn)為是圍網(wǎng)和拖網(wǎng)漁船, 5艘圍網(wǎng)漁船被錯(cuò)誤地識(shí)別為延繩釣和拖網(wǎng)漁船。模型錯(cuò)誤地將14艘拖網(wǎng)漁船識(shí)別為延繩釣和圍網(wǎng)漁船。兩艘魷魚(yú)釣漁船被誤認(rèn)為是拖網(wǎng)漁船。

表8 驗(yàn)證數(shù)據(jù)集混淆矩陣

所有數(shù)據(jù)集的平均準(zhǔn)確度、平均準(zhǔn)確度、平均召回率、平均系數(shù)、1得分和曲線下面積分別為98.4%, 98.5%, 98.6%, 0.945、0.986和0.977(表9)。

表9 評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

3 討論

3.1 數(shù)據(jù)選擇

本文選擇了5種主要的遠(yuǎn)洋捕撈船舶和4種主要的遠(yuǎn)洋非捕撈船舶, 并將5類捕撈船舶合并為4類, 4類非捕撈合并為3類。公海中還有其他類型的漁船, 它們?cè)跀?shù)量上比本文選擇的類型少, 因此NIEBLAS等[20]將其他的桿釣、底拖網(wǎng)和定置網(wǎng)等漁船合并為其他類漁船, 不做單獨(dú)分類。本文沒(méi)有收集足夠的其他類型船舶數(shù)據(jù), 考慮到樣本量對(duì)模型訓(xùn)練的影響, 因此建模時(shí)沒(méi)有考慮。未來(lái)需要收集更多的漁船和非漁船數(shù)據(jù), 完善模型和數(shù)據(jù)庫(kù)。

文中選擇的是某一區(qū)域一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的漁船[11-14], 本文挑選遠(yuǎn)洋漁船和非漁船數(shù)據(jù)包括3大洋公海和經(jīng)濟(jì)專屬區(qū), 來(lái)自不同國(guó)家。對(duì)特定區(qū)域的近海漁船, 由于特定的捕撈對(duì)象和地理環(huán)境, 船舶可能表現(xiàn)為某種的區(qū)域一致行為特性。而公海不同國(guó)家的漁船在大的相似性下可能存在不一致性, 因此本文的模型方法更具一般性。

模型輸入數(shù)據(jù)選擇時(shí), 由于數(shù)據(jù)量大, 為方便數(shù)據(jù)整理和快速挑選數(shù)據(jù), 編寫(xiě)代碼自動(dòng)選擇了連續(xù)5 000點(diǎn)船舶軌跡數(shù)據(jù), 并繪制連續(xù)時(shí)間的空間軌跡圖, 人工目視挑選數(shù)據(jù)。對(duì)于連續(xù)軌跡點(diǎn)不足5 000點(diǎn)數(shù)據(jù)可以多時(shí)段合并、可以將不同時(shí)段的數(shù)據(jù)挖掘模型特征參數(shù)后人工合并, 剔除其中的時(shí)間間隔。

3.2 模型輸入特征參數(shù)

速度、航向是描述船舶瞬時(shí)空間行為的關(guān)鍵信息, 有大量文獻(xiàn)采用速度構(gòu)建了不同捕撈類型漁船的漁船作業(yè)狀態(tài)模型[9-11], 也常被用于漁船類型分類[8-10]。一定時(shí)間內(nèi)船舶在大海上的連續(xù)空間軌跡可以看成二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每種船舶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有自身特征, 因此可以基于漁船在連續(xù)時(shí)間下特有的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)展分類和作業(yè)狀態(tài)識(shí)別[25]。因此本文參考已有文獻(xiàn)提取了位置、距離和速度等信息刻畫(huà)船舶在二維空間的軌跡變動(dòng)。船舶航跡具有明顯的時(shí)間平滑性, 下一時(shí)刻的位置狀態(tài)由歷史時(shí)刻的位置滑行而來(lái), 船舶前后兩個(gè)軌跡點(diǎn)的信息是相互關(guān)聯(lián)的。因此AIS數(shù)據(jù)蘊(yùn)含豐富的時(shí)間信息, 本文提取了前后兩個(gè)船位點(diǎn)的航向差、時(shí)間、距離、平均速度、向前速度差和向后速度差, 描述軌跡點(diǎn)隨時(shí)間的變化。

文中還提取了到最近港口距離和時(shí)間[6], 到最近錨地的距離和訪問(wèn)的時(shí)間, 以及軌跡點(diǎn)1 km半徑內(nèi)船舶數(shù)據(jù)。作者暫無(wú)法獲取和計(jì)算上述數(shù)據(jù)而未考慮到模型中。到港口的距離和時(shí)間是貨船和運(yùn)輸船表現(xiàn)的明顯特征, 而1 km半徑內(nèi)船舶數(shù)量是漁船聚集作業(yè)的明顯特征。未來(lái)在獲得全球有效的港口數(shù)據(jù)可以計(jì)算每個(gè)軌跡點(diǎn)到最近港口距離和時(shí)間, 加入模型輸入變量。

3.3 模型精度

漁業(yè)管理、監(jiān)督和分析中首先感興趣的是漁船信息, 然后是具體捕撈作業(yè)類型的漁船行為。因此本文構(gòu)建了漁船/非漁船二分類模型和漁船多分類模型。兩種模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)的平均準(zhǔn)確率都達(dá)到99%, 驗(yàn)證數(shù)平均準(zhǔn)確率都在94%以上。漁船多分類模型在每種漁船類別識(shí)別準(zhǔn)確率在91%以上。構(gòu)建的漁船/非漁船類別識(shí)別模型和漁船類別識(shí)別模型訓(xùn)練和驗(yàn)證精度都較高, 說(shuō)明模型具有較好的泛化能力。

SHENG[27]等采用logistic 回歸模型構(gòu)建了運(yùn)輸船和漁船二分類模型, 分類準(zhǔn)確率為92.3%。ZHANG等[28]采用集成學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了漁船和游船二分類模型, 平均準(zhǔn)確率為76.7%。本文的漁船/非漁船二分類模型訓(xùn)練精度為99.6%, 驗(yàn)證精度為93.6%, 分類結(jié)果好于上述文獻(xiàn)。

只對(duì)漁船類別識(shí)別方面, PARK[12]基于速度和航向時(shí)間序列進(jìn)行分組編碼方法構(gòu)建了韓國(guó)半島海域6種近海漁船類別識(shí)別模型, 準(zhǔn)確率為76.2%。MARZUKI等[13]針對(duì)漁船軌跡數(shù)據(jù)的地理特征和行為特征對(duì)拖網(wǎng)、延繩釣、圍網(wǎng)和桿釣4種漁船構(gòu)建的模型訓(xùn)練精度都在95%以上。鄭巧玲等[11]采用BP方法構(gòu)建的中國(guó)近海3類小型漁船類別識(shí)別模型平均準(zhǔn)確率為91%以上。HUANG等[14]采用XGBoost方法建立的中國(guó)近海9種漁船類別識(shí)別模型平均準(zhǔn)確率在96.9%。本文模型訓(xùn)練精度為99%, 驗(yàn)證精度為97%, 均高于已有文獻(xiàn)分類結(jié)果。

KROODSMA等[6]構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練平均準(zhǔn)確率為95%。本文考慮所有7種類型船舶數(shù)據(jù), 構(gòu)建本文相似結(jié)構(gòu)的BiLSTM模型, 模型訓(xùn)練精度為99%, 驗(yàn)證精度為96%, 訓(xùn)練精度高于KROODSMA結(jié)果。不同的是本文只考慮了遠(yuǎn)洋5大類漁船和4種主要貨船, 而KROODSMA等[6]構(gòu)建的模型包含了桿釣、底拖網(wǎng)和定制網(wǎng)等漁船其他漁船以及客船等非漁船, 船舶種類比本文多。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究采用BiLSTM模型對(duì)5種主要遠(yuǎn)洋捕撈類型漁船和4種非捕撈船舶進(jìn)行分類分析, 模型訓(xùn)練和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集計(jì)算的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)都很好, BiLSTM系統(tǒng)能夠很好地描述漁船時(shí)間序列軌跡數(shù)據(jù)的內(nèi)部規(guī)律, 構(gòu)建的模型對(duì)遠(yuǎn)洋船舶類型分類精度很高, 且模型不具有區(qū)域性。未來(lái)研究中除主要作業(yè)類型, 還需要考慮更多的漁船作業(yè)類型, 通過(guò)收集更多的船舶樣本數(shù)據(jù)、到最近錨地的距離、到最近錨地訪問(wèn)的時(shí)間以及半徑 1 km范圍內(nèi)的船舶數(shù)量信息不斷提升模型的分類能力, 建立更全面的漁船類別識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。

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Pelagic fishing vessel classification using bidirectional long short-term memory networks

YANG Sheng-long1, 2, SHI Hui-min1, 3, ZHANG Sheng-mao1, ZHANG Han4, FEI Ying-jie4, WANG Fei1, JIN Wei-guo5, WANG Guo-lai5, FAN Wei1, 2

(1.Key Laboratory of East China Sea & Oceanic Fishery Resources Exploitation and Utilization, Ministry of Agriculture, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China; 2.Key and Open Laboratory of Remote Sensing Information Technology in Fishing Resource, East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China; 3.College of Information, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 4.College of Science, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 5.Shanghai Kaichuang Deep Sea Fisheries Co., Ltd, Shanghai 200082, China)

fishingships classification; AIS data; BiLSTM

Automatic identification systems (AIS) information provides the possibility for the fine management and research of fishery resources and fishing activities.Existing fishery research mostly describes fishing activities of fishing vessels based on clear fishing gear AIS data.However, the fishing vessel types are often unknown in practice.Therefore, it is necessary to build a classification model of ship type to identify fishing vessels of unknown fishing type and provide data support for fishery research and management to protect the sustainable development of fishery resources.Fishing ships require a certain fishing license to operate with licensed fishing gear.Identifying specific fishing ship trajectory information such as fishing activity or gear type is also useful for monitoring illegal fishing activities.This article collected and sorted the information of 3067 known types of ships (including 4 types of fishing vessels, 1831 total; 3 types of nonfishing vessels, 1236 total).Seventeen characteristic parameters of each vessel were extracted based on the time, latitude and longitude, ship speed and heading course derive from AIS.Seventeen characteristic parameters wereused as model input variables, and a three-layer bidirectional long short-term memory BiLSTM, network was used to construct a fishing vessel/non-fishing vessel classification recognition model and recognition models for fishing vessels.The model results showed that the average accuracy rate of training data classification of the fishing /non-fishing vessel LSTM model was 99.6%, the average precision was 99.8%, the average recall was 99.5%, the average kappa coefficient was 0.992, the1score was 0.997, and the AUC was 0.996.The average accuracy, average precision, average recall, average kappa coefficient,1score and AUC for the testing data set were 93.6%, 95.6%, 93.8%, 0.867, 0.947 and 0.936, respectively.The results of the training data set of the fishing vessel classification model showed that the average accuracy was 99%, the average precision was 99.3%, the average recall was 99%, the average kappa coefficient was 0.967, the1score was 0.991, and the AUC was 0.98.The average accuracy rate of the validation data set classification was 97%, the average precision was 97.6%., the average recall was 97.4%, the average kappa coefficient was 0.895, the1score was 0.975, and the AUC was 0.942.Two models with high performance, could help to distinguish the fishing/non-fishing vessel, and detection the gear type of fishing vessel.Furthermore to supervise the fishing activity to protect fishery ecosystems.

Jul.8, 2021

[National Key R&D Program of China, Nos.2019YFD0901404, 2019YFD0901405; Special Funds of Basic Research of Central Public Welfare Institute, No.2019T09; Shanghai Science and Technology Innovation Action plan, No.19DZ1207504; Jimei University, Fujian Provincial Key Laboratory of Marine Fishery Resources and Eco-environment Funding, No.fjmfre2019003]

楊勝龍(1982—), 男, 博士, 副研究員, 主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究, E-mail: ysl6782195@126.com; 樊偉(1971—), 通信作者, E-mail: fanwee@126.com

S973.1+9

A

1000-3096(2022)03-0025-11

10.11759/hykx20210708001

2021-07-08;

2021-11-02

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFD0901404, 2019YFD0901405); 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2019T09); 上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(19DZ1207504); 福建省海洋漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(fjmfre2019003)

(本文編輯: 譚雪靜)