張佳澤,王 斐,張勝茂,張收元
(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)遙感重點實驗室,上海 200090;2.上海海洋大學(xué)信息學(xué)院,上海 201306;3.山東省漁業(yè)發(fā)展和資源養(yǎng)護(hù)總站,山東濟(jì)南 250013)
漁業(yè)作為農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一,其2019 年全國水產(chǎn)品總量6 480.36 萬t,產(chǎn)值26 406.50 億元[1],漁業(yè)作為一種捕撈、養(yǎng)殖及加工進(jìn)而獲取水域中生物的社會產(chǎn)業(yè)部門,整個產(chǎn)業(yè)鏈條及水域環(huán)境信息的監(jiān)測都可以與遙感技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,利用遙感技術(shù)數(shù)據(jù)客觀、時空高效、成本可控及探測多元化的特點,為漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的科學(xué)、高效、綠色發(fā)展提供必要的技術(shù)保障[2-5]。
漁業(yè)相關(guān)的遙感技術(shù)以搭載傳感器的平臺可以分為天基衛(wèi)星、空基航空、地基物聯(lián)網(wǎng)和海基聲學(xué)探測四大類,其中天基衛(wèi)星遙感技術(shù)主要是利用衛(wèi)星搭載的不同用途的傳感器,獲取漁業(yè)相關(guān)的海陸水環(huán)境信息、漁業(yè)作業(yè)的船只及設(shè)施信息,進(jìn)而應(yīng)用于漁業(yè)棲息地環(huán)境的監(jiān)測保護(hù)、遠(yuǎn)洋捕撈漁場的動態(tài)預(yù)報、漁船漁港的行為監(jiān)測以及漁業(yè)養(yǎng)殖的調(diào)查及宏觀指導(dǎo)[6];空基航空技術(shù)主要基于航空有人飛機(jī)、無人機(jī)及浮空器等平臺搭載不同用途的傳感器,實現(xiàn)與漁業(yè)衛(wèi)星遙感相似的應(yīng)用,但該方法相對衛(wèi)星遙感手段更加的靈活、針對性高,有效解決衛(wèi)星數(shù)據(jù)受衛(wèi)星數(shù)量、天氣及運(yùn)行周期等的影響[7];地基物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將漁業(yè)作業(yè)、生產(chǎn)過程進(jìn)行高頻的傳感器監(jiān)測,實現(xiàn)漁業(yè)水產(chǎn)品的可控溯源,實現(xiàn)金槍魚等高附加值漁業(yè)產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈追蹤[8]。海基聲學(xué)探測技術(shù)主要利用聲學(xué)探測傳感器設(shè)備,實現(xiàn)復(fù)雜水環(huán)境條件下魚群的探測,為水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測和遠(yuǎn)洋漁船的捕撈提供可靠的技術(shù)支持[9]。圖1 展示了遙感技術(shù)在漁業(yè)中應(yīng)用的四個方向。
圖1 遙感技術(shù)在漁業(yè)中的應(yīng)用Fig.1 Application of remote sensing technology in fishery
遙感技術(shù)在漁業(yè)監(jiān)控方面有了大力地發(fā)展,不僅可以高時空分辨率的監(jiān)測漁業(yè)的情況,還可以及時發(fā)現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)過程中潛在的自然災(zāi)害和違法違規(guī)問題。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,以日益豐富的平臺、種類、分辨率的衛(wèi)星、航空、物聯(lián)網(wǎng)及水下聲學(xué)探測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),為新的漁業(yè)遙感提取方面增添了很多新的方法和途徑[10-11]。本文從四類不同遙感傳感器搭載平臺角度,探討利用遙感等技術(shù)對漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的具體應(yīng)用,并對可能存在的問題以及未來發(fā)展方向做出了展望。
天基衛(wèi)星探測主要指常運(yùn)行在外太空系統(tǒng)探測的遙感衛(wèi)星。它具有探測范圍廣、速度快、周期短、經(jīng)濟(jì)效益大等特點[12]。利用衛(wèi)星搭載的可見光、近紅外、熱紅外、微波及通信等傳感器,獲取漁業(yè)相關(guān)的海陸水環(huán)境的溫度、鹽度、流場、水色、漁業(yè)作業(yè)的船只及養(yǎng)殖設(shè)施等信息,進(jìn)而應(yīng)用于漁業(yè)棲息地環(huán)境的監(jiān)測保護(hù)、遠(yuǎn)洋捕撈漁場的動態(tài)預(yù)報、漁船漁港的行為監(jiān)測以及漁業(yè)養(yǎng)殖的調(diào)查及宏觀指導(dǎo)[13-15]。遙感作為空基衛(wèi)星探測中最常用的一種探測裝置,也是當(dāng)前應(yīng)用最廣的。目前,主要應(yīng)用的遙感衛(wèi)星及其參數(shù)如表1 所示。衛(wèi)星遙感在國內(nèi)外主要應(yīng)用有:中國遠(yuǎn)洋漁業(yè)信息網(wǎng)、中國漁業(yè)遙感信息情報網(wǎng)、地聽遠(yuǎn)洋漁業(yè)服務(wù)平臺以及法國的CATSAT 漁業(yè)遙感系統(tǒng),其為漁船提供了重要的海表溫和葉綠素及風(fēng)速等信息,極大方便了管理部門及時了解海上信息,作出靈活的決策。
表1 主要遙感衛(wèi)星及其參數(shù)Tab.1 Main remote sensing satellites and their parameters
圖2 是通過知網(wǎng)查找漁業(yè)和遙感相關(guān)文獻(xiàn),共查到178 篇相關(guān)文獻(xiàn),利用Citespace 軟件聚類制作而成。該圖顯示了從2012-2020 年漁業(yè)發(fā)展的趨勢以及漁業(yè)遙感的熱點詞語,從上到下表示重要程度依次遞減。除此之外,漁業(yè)信息提取方法正在逐年增加,其熱點方向也不斷變化,從傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠓椒ㄖ饾u過渡到人工智能相關(guān)方法。圖3 主要顯示了近20 年研究漁業(yè)的主要學(xué)校和文獻(xiàn)的比例。其中,主要的研究的科研人員有朱國平、陳新軍、蘇奮振和馮永玖等作者。漁業(yè)的研究領(lǐng)域也從內(nèi)陸池塘、湖泊和近海岸養(yǎng)殖向著遠(yuǎn)洋方面發(fā)展,其中包括遠(yuǎn)洋捕撈和棲息地保護(hù)以及船舶監(jiān)測等方面,這對于漁業(yè)的研究提供了新的思路。
圖2 漁業(yè)遙感熱點詞Fig.2 Hot words in fishery remote sensing
圖3 主要研究機(jī)構(gòu)Fig.3 Main research institutions
遠(yuǎn)洋捕撈是指在200 m 等深線以外大洋區(qū)進(jìn)行捕撈作業(yè)。人類為了深入了解大海,探索更多的魚類,獲得高額收益,不得不進(jìn)入遠(yuǎn)洋進(jìn)行捕撈。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)當(dāng)前的遠(yuǎn)洋捕撈船隊大都依靠船長豐富的從業(yè)經(jīng)驗來判斷漁場的位置。由于遠(yuǎn)離大陸架的遠(yuǎn)洋作業(yè)面積廣闊,加之現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船隊規(guī)模越來越大,單純依靠老船長的經(jīng)驗作業(yè)的方案并不是合理的,因此,使用遙感衛(wèi)星成了從事遠(yuǎn)洋航船的必備技能,從遙感衛(wèi)星可以獲得大洋上天氣、溫度等信息,對捕撈魚類有很大的作用。
在遠(yuǎn)洋捕撈上有許多科學(xué)家做出研究,魏振華等[16]根據(jù)衛(wèi)星遙感收集到的海溫、葉綠素等因素,利用消息調(diào)度機(jī)制,設(shè)計了一個遠(yuǎn)洋漁業(yè)數(shù)據(jù)采集及功能模塊平臺,極大地方便了海溫數(shù)據(jù)采集和其在遠(yuǎn)洋漁業(yè)服務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用。季民[17]從海洋原始數(shù)據(jù)集的定義、時空數(shù)據(jù)倉庫的內(nèi)涵、時空數(shù)據(jù)組織的層次、算法的應(yīng)用層次等多個方面搭建了海洋漁業(yè)時空數(shù)據(jù)組織框架模型和時空數(shù)據(jù)倉庫的構(gòu)建策略,除此之外,還提出了基于格網(wǎng)的時序快照修正模型(GSSADM),并針對GSSADM 模型中修正快照的存儲,提出了行式數(shù)據(jù)壓縮編碼方案,隨后進(jìn)行了對西北太平洋生產(chǎn)輔助決策支持系統(tǒng)的展望。薛迎春等[18]分析了目前遠(yuǎn)洋漁業(yè)管理方法,之后基于安全分析判斷法(safety analysis judgment,SAJ)設(shè)計了一個安全管理評價模型,最后分析了SAJ 在遠(yuǎn)洋漁業(yè)中的具體應(yīng)用,提出了未來合理使用的一些方法。HSU,et al[19]根據(jù)2012-2015 年全球捕撈活動和遙感數(shù)據(jù),利用海面溫度、海面高度、海面鹽度、葉綠素等環(huán)境指標(biāo)模擬鰹魚Katsuwonus pelamis 漁場,實現(xiàn)了對遠(yuǎn)洋的每日預(yù)報和遠(yuǎn)洋捕撈位置的精確定位,對遠(yuǎn)洋捕撈的監(jiān)測起到了推動的作用。
由此可以看出,利用遙感衛(wèi)星可以獲取遙感數(shù)據(jù)用于構(gòu)建不同的輔助模型,為遠(yuǎn)洋捕撈提供決策。但是我國在這方面的相關(guān)研究尚處于起步階段,主要不足之處是在遠(yuǎn)洋捕撈作業(yè)中起決策支持的技術(shù)仍然處于分散不成體系的狀態(tài)[l1,20],這些模型需要一定時間檢驗其有效性,這對于我國發(fā)展遠(yuǎn)洋捕撈業(yè)的國內(nèi)企業(yè)十分不利。因此,在未來加快信息化建設(shè)和形成有效的模型對于遠(yuǎn)洋捕撈等相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展有著重要的意義[21]。
棲息地又稱生境,是指圍繞一個或多個物種種群棲息(生活和生長)的自然環(huán)境。針對海洋漁業(yè)主要指的是漁場預(yù)報。漁場是空間上概念,漁場預(yù)報是指對捕撈對象高度集群的水域位置和時間進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。在海洋中魚類、漁獲量受資源量大小的影響,漁場漁汛的形成也與周邊環(huán)境變化有關(guān)。因此,通過不同的海洋環(huán)境因子建立漁場預(yù)報模型是當(dāng)前進(jìn)行漁情預(yù)報的一個常用手段[22]。遙感技術(shù)的普及使得獲取大范圍的海洋信息成為可能,為漁場預(yù)報模型的建立提供了便利,進(jìn)一步加強(qiáng)對海洋漁業(yè)的管理和監(jiān)控。
針對棲息地保護(hù)中漁場預(yù)報功能,不同科學(xué)家做出了不同方向的研究。GAO Feng,et al[23]利用遙感技術(shù)實時監(jiān)控海面溫度、溫度梯度、海面高度等海洋環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo),建立了一種新的基于增強(qiáng)回歸樹的高精度漁場預(yù)報模型,對于監(jiān)管黃海和東海有重要的參考價值。袁紅春等[24]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建了基于全卷積網(wǎng)絡(luò)的長鰭金槍魚Thunnus alalunga 漁場預(yù)報模型,解決了傳統(tǒng)漁場預(yù)報方法在處理高維復(fù)雜海洋數(shù)據(jù)時準(zhǔn)確率偏低的問題,為漁場預(yù)報提供了一種新方法。陳雪忠等[25]根據(jù)長鰭金槍魚的單位捕撈努力量漁獲量(CPUE)分為高CPUE、中CPUE 和低CPUE,作為隨機(jī)森林訓(xùn)練中的響應(yīng)變量,根據(jù)訓(xùn)練的結(jié)果將預(yù)測概率等值面圖與實際漁業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行比較,分析出各個漁獲量值預(yù)測的情況,得到較高的精度。GLASER,et al[26]為了對漁業(yè)預(yù)測更加準(zhǔn)確,引入了空間變異性,將空間結(jié)構(gòu)納入漁業(yè)資源評估模型中,并運(yùn)用單位空間分辨率的CPUE 時間序列模型進(jìn)行預(yù)測,并最終預(yù)測出未來幾年北太平洋長鰭金槍魚數(shù)量增長情況。
漁場預(yù)報在棲息地保護(hù)中尤為重要,雖然已有學(xué)者使用不同的方法建立起不同模型的對其進(jìn)行探索,但是模型的各自缺點也不容忽視,如增強(qiáng)樹模型容易陷入局部最優(yōu)導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果并不準(zhǔn)確。全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受到網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的限制,不能兼顧上下文信息且效率也不夠?qū)崟r不能及時預(yù)報漁場情況。隨機(jī)森林模型易受到屬性特征的影響,因此產(chǎn)生的屬性權(quán)值并不可信。而時間序列模型只針對了單個特征進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測的值單一未考慮其他因素的影響。因此在未來應(yīng)該重視漁業(yè)的保護(hù)、加強(qiáng)對漁場預(yù)測的探究,爭取早日建立起更加準(zhǔn)確的漁場預(yù)報模型。
船舶監(jiān)測指的是船舶在航行時的實時定位、路線規(guī)劃、??康拇a頭和進(jìn)港的順序等。利用遙感技術(shù)可以對船舶更加方便管理、方便港口的自由貿(mào)易并且促進(jìn)貿(mào)易的增長。隨后研究出了相關(guān)的船舶定位系統(tǒng):船位監(jiān)控系統(tǒng)(vessel monitoring system,VMS)和船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)
針對兩大系統(tǒng)的船舶監(jiān)測功能,科學(xué)家做出了不同的研究方向。郭剛剛等[27]利用船位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了捕撈努力量估算、漁民行為特點和漁場分析、捕撈活動對海洋生態(tài)環(huán)境影響等方面的研究,展望了該系統(tǒng)未來發(fā)展前景和存在問題,最后對VMS 數(shù)據(jù)提出了相關(guān)建議。GALDELLI,et al[28]研究了近幾年船舶的時空和地理分布數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了單獨使用某一技術(shù)的局限性,因此使用了Sentinel-1 圖像與AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,更加凸顯數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,之后采用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法解決船只精準(zhǔn)定位等問題。張風(fēng)麗等[29]分析了歐盟之前的兩個項目:MPAST 和DECLMS,并且對歐盟船舶遙感探測關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,總結(jié)了各自的優(yōu)缺點,最后展望了歐盟船舶遙感探測技術(shù)和系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀對我國的借鑒意義。MAN,et al[30]針對目前遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制無人船的開發(fā)的研究和商業(yè)活動不斷增加的現(xiàn)象,進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,邀請多位參與者和通信商進(jìn)行場景模擬,最終從生態(tài)學(xué)角度發(fā)現(xiàn)人為因素問題的干擾、使得操作員受到限制、決策延遲和自動化偏差。因此提議對于船舶監(jiān)測還需要納入生態(tài)學(xué)問題,才可以更加合理地對船舶進(jìn)行監(jiān)控。
船舶監(jiān)測在實時定位、監(jiān)測管理方面取得了一定的成果,但是其仍面臨一些基本問題,如AIS 數(shù)據(jù)不全,沒有任何網(wǎng)站和機(jī)構(gòu)可以收集到所有船的數(shù)據(jù)和VMS 系統(tǒng)維護(hù)成本高、無法檢測到小型船只,以及船舶探測系統(tǒng)建設(shè)還受到陸地隔離誤差和圖像偽影的影響等[28]問題,因此在未來仍然需要對新的定位系統(tǒng)進(jìn)行研究,只有更好的系統(tǒng)才能收集到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),這對未來漁業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。
近海養(yǎng)殖主要是針對沿海地區(qū)養(yǎng)殖區(qū)域,對于遙感影像,研究近海岸是了解沿海地區(qū)漁業(yè)養(yǎng)殖發(fā)展的一項重要指標(biāo)。運(yùn)用不同提取方法包括目視解譯識別近海岸遙感養(yǎng)殖是一項重要的工作,隨著數(shù)據(jù)量的逐漸擴(kuò)大,目視解譯受到效率和時間等方面的限制,因此計算機(jī)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法被引入,方便了科學(xué)家對近海養(yǎng)殖進(jìn)行研究。
針對近海的浮筏、海帶、網(wǎng)箱等,許多科研人員都曾采用天基衛(wèi)星遙感進(jìn)行探測。初佳蘭等[31]基于國產(chǎn)高分一號數(shù)據(jù),提出了一種光譜、紋理特征結(jié)合的支持向量機(jī)(SVM)算法,該算法可以高效提取海水、浮筏等養(yǎng)殖物,實現(xiàn)對漁業(yè)養(yǎng)殖信息的提取。盧業(yè)偉等[32]利用Rapideye 多光譜影像,在分析近海養(yǎng)殖區(qū)光譜特征的基礎(chǔ)上,建立了光譜特征指數(shù),并設(shè)計了統(tǒng)計均值紋理與閾值檢測算法,實現(xiàn)了不同類型近海養(yǎng)殖區(qū)的高精度自動提取。武易天[33]通過多個波段組合的方式,構(gòu)建了漁業(yè)中常用的一些指數(shù)并結(jié)合葉綠素濃度和懸浮泥沙濃度指數(shù),使用正交加權(quán)約束能量最小化算法對養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行增強(qiáng),然后使用自適應(yīng)閾值對水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)行分割提取,提取出養(yǎng)殖區(qū)結(jié)果。鄭智騰等[34]基于高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)提出了一種改進(jìn)的雙支網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)箱信息提取方法通過特征融合來豐富網(wǎng)箱空間細(xì)節(jié)特征信息和深層判別特征信息,從而提高網(wǎng)箱的提取精度。
近海養(yǎng)殖在各個國家遙感領(lǐng)域和漁業(yè)發(fā)展中都是很重要的一個指標(biāo),關(guān)系著遙感發(fā)展和國家漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。一直以來深受遙感科研人員的喜愛,并且具有高效、準(zhǔn)確、實時的特點。但是也有一定的缺點,比如近海養(yǎng)殖易受天氣、人為因素以及水表溫和浮游生物的影響,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。同時,近海養(yǎng)殖也出現(xiàn)了污染漁業(yè)環(huán)境的問題,主要包括殘餌和糞便等有機(jī)物。因此,研究新的、穩(wěn)定的和可持續(xù)發(fā)展的方法對漁業(yè)的發(fā)展有很大的必要性。
內(nèi)陸?zhàn)B殖指的是在陸地上一些湖泊和河流內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)殖。內(nèi)陸?zhàn)B殖具有穩(wěn)定、人工可方便管理、遇險等級低等優(yōu)點。比如池塘:面積大,土地利用率低,勞動強(qiáng)度大;季節(jié)性強(qiáng),影響因素多,人工控制程度低;多品種混養(yǎng),成本低,飼料利用率高等優(yōu)點。由于內(nèi)陸?zhàn)B殖投資較小,且近年來漁業(yè)的發(fā)展越來越快,人民生活水平提高了,隨之而來的也就是物質(zhì)生活更大的需求。因此內(nèi)陸?zhàn)B殖有著很大的進(jìn)步空間。
徐京萍等[35]基于SPOTS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),以面向?qū)ο蟮膱D像分析理論為基礎(chǔ),通過大、中、小尺度分割及特征分析,建立了分類規(guī)則集,實現(xiàn)較高精度的池塘養(yǎng)殖用海信息提取。裴亮等[36]以Sentinel-2、Landsat-8 衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源,基于NDPI 結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)提出ONDPI 方法,并對海岸養(yǎng)殖池塘進(jìn)行了分類提取實驗,實現(xiàn)了對池塘的精準(zhǔn)分類。孫裕鈺等[37]采用面向?qū)ο蠓椒?,通過尺度分割和其形狀、光譜、紋理等信息,建立分類規(guī)則集,實現(xiàn)對圍海養(yǎng)殖區(qū)的分類提取。王靜等[38]基于Landsat 影像,進(jìn)行了對應(yīng)分析、紋理分析和決策樹分類,最終提取出養(yǎng)殖區(qū)。
目前,在國內(nèi)外研究中內(nèi)陸?zhàn)B殖有許多方法可以進(jìn)行更好的監(jiān)測。雖然這些方法解決了內(nèi)陸?zhàn)B殖的一部分問題,但是也凸顯了一部分缺點,比如湖泊養(yǎng)殖具有:水流緩慢、換水周期長、水生生物對水中氣體影響較大。這幾個缺點對于養(yǎng)殖區(qū)是致命的,因此,極易造成湖泊雜草叢生或者藻類植物叢生,對于漁業(yè)的發(fā)展是極其不利的。在未來人工加強(qiáng)管理是必要的一種手段,同時應(yīng)研究更高的空間分辨率遙感技術(shù),實現(xiàn)對內(nèi)陸?zhàn)B殖更好的監(jiān)測也是未來的研究方向。
空基衛(wèi)星探測指的是空中飛行的物體安裝了探測器設(shè)備,通過探測器可以對地面物體進(jìn)行電磁波的輻射、反射特性的探測??罩酗w機(jī)探測包括:浮空器探測和無人機(jī)探測等??罩羞b感探測相比于天空衛(wèi)星探測,最大的優(yōu)點在于獲取的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確、細(xì)致、回傳更加方便及時。由于空中飛機(jī)速度原因,拍攝頻率更高,數(shù)據(jù)更加完善。
浮空器一般是指內(nèi)部充填輕質(zhì)氣體(如氦氣、氫氣)、依靠或主要依靠空氣靜浮力實現(xiàn)升空的飛行器。它具有飛行時間長、覆蓋面積大、載重能力強(qiáng)、效費(fèi)高等特點[39],可以搭載可見光光電載荷,可24 h 不間斷、360°從空中監(jiān)視地面動態(tài),而且可以進(jìn)行全景掃描。浮空器是隨著航空事業(yè)的發(fā)展,越來越多人從事航空事業(yè)研究,而研發(fā)出來的一項前沿技術(shù)。浮空器主要用于偵察監(jiān)視、預(yù)測預(yù)警以及通信中繼等。許多科學(xué)家將浮空器用于其他行業(yè)監(jiān)控上。
對于浮空器的研究,漁業(yè)學(xué)的科研學(xué)者們也在積極探索其對漁業(yè)的推動作用。CARLSON,et al[40]通過浮空器搭載遙測裝置進(jìn)行長時間拍攝,利用相對校正技術(shù)量化、圖像分析技術(shù)和氣候圖結(jié)合等方式預(yù)測海面石油擴(kuò)散,利用該項技術(shù)可以及時控制石油擴(kuò)散,保護(hù)海洋資源和漁業(yè)資源。ARORA,et al[41]利用浮空器進(jìn)行了天空中氣流的采集,通過NWP 模型進(jìn)行的短期天氣預(yù)報,對漁業(yè)捕撈和漁業(yè)養(yǎng)殖有提示預(yù)警的積極作用。ADAMS,et al[42]使用浮空器和飛艇等作為探測器,連續(xù)、覆蓋且長時間對海洋生物和漁業(yè)進(jìn)行監(jiān)控,這種方法對加強(qiáng)生態(tài)研究和漁業(yè)保護(hù)方面起到了積極的作用
浮空器在漁業(yè)遙感應(yīng)用方面相對較少,但是隨著漁業(yè)遙感的發(fā)展,該項技術(shù)一定會有可用之處,尤其是對于定向區(qū)域或者沿海等監(jiān)測,也可以對海帶、夜光藻和藍(lán)藻等海洋植物全天監(jiān)控其生長方式。但是由于浮空器發(fā)展還在進(jìn)步階段,加上無人駕駛技術(shù)也在不斷進(jìn)步,因此,相比于有人駕駛,浮空器更適合于小面積監(jiān)控和測量并且需要及時回收,防止遭遇惡劣天氣。隨著未來科技發(fā)展和材料技術(shù)的發(fā)展,一定可以研發(fā)出續(xù)航時間長、自動懸浮控制的浮空器供漁業(yè)遙感方面監(jiān)控。
無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī),或者由車載計算機(jī)完全地或間歇地自主地操作。相比于原始飛機(jī),無人機(jī)具有:質(zhì)量輕、飛行快、危害性小等優(yōu)點。在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、搶險救災(zāi)等方面有無人機(jī)有很大的應(yīng)用空間。隨著科技發(fā)展,無人機(jī)加載探測設(shè)備已經(jīng)成為漁業(yè)探測的一種常規(guī)手段。
閆靜等[43]利用無人機(jī)相加獲取光譜信息,建立漁排監(jiān)測指數(shù),提出了漁排監(jiān)測指數(shù)閾值快速提取算法并計算出漁排養(yǎng)殖面積,為初步估算漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)提供參考。鄭俊拓等[44]使用無人機(jī)探測,進(jìn)行轉(zhuǎn)換坐標(biāo)等方法,構(gòu)建定位模型的方法分析,從而減少定位系統(tǒng)誤差,實現(xiàn)了對遙感數(shù)據(jù)信息的更精確分析。SUJIT,et al[45]使用天空無人機(jī)與水下無人機(jī)相協(xié)調(diào)方式,部署在海洋和水面,使得傳輸信號可以快速、正確的回傳到基站,避免因為海洋因素阻擋傳輸?shù)那闆r,可以實時監(jiān)測漁業(yè)的生存環(huán)境。田月笙等[46]設(shè)計了一個穩(wěn)定緊湊的四齒聯(lián)動的無人機(jī),加以汽油發(fā)動機(jī)作為動力源,在大風(fēng)的近海岸漁業(yè)飼養(yǎng)環(huán)境中,飛行器整體可以通過變矩器的靈活性來適應(yīng)一定級別的大風(fēng),為近海岸養(yǎng)殖提供了一種新的便捷方法。
無人機(jī)探測在近幾年內(nèi),發(fā)展迅速,雖然其本身優(yōu)點有很多,但是同時也顯示出明顯的缺點,比如,雖然無人機(jī)方便,但是由于其小巧的特點缺少了一定的平衡性和穩(wěn)定性,即使有一定的抗風(fēng)性,但也是杯水車薪。同時,因為其需要耗電等因素,都是需要人工提前去維修檢查等,這樣就造成了一定的成本浪費(fèi),因此在未來海洋漁業(yè)監(jiān)測中,無人機(jī)仍然需要進(jìn)一步的升級和改進(jìn)。
物聯(lián)網(wǎng)顧名思義即是連接物品的網(wǎng)絡(luò),通過各式各樣的傳感器采集數(shù)據(jù),根據(jù)各種通信技術(shù)和協(xié)議達(dá)到聯(lián)網(wǎng)的目的,準(zhǔn)確地將信息傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行存儲、分析,物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)包括射頻技術(shù)、紫蜂技術(shù)(Zig-Bee)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(Wi-Fi)等。采用適當(dāng)?shù)男畔踩U蠙C(jī)制,對漁業(yè)信息提供安全可控甚至個性化的實時在線監(jiān)測、定位跟蹤、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維護(hù)等管理和服務(wù)功能,實現(xiàn)各種魚類的溯源和“互聯(lián)”[47]。
將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到漁業(yè)養(yǎng)殖過程中,可以確保漁業(yè)的高產(chǎn)和高效,對促進(jìn)漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義。唐黎標(biāo)[48]總結(jié)了在漁業(yè)養(yǎng)殖中的物聯(lián)網(wǎng)幾大應(yīng)用:實時監(jiān)控養(yǎng)殖區(qū)域水的狀況,并對其進(jìn)行管理和控制,實時監(jiān)控養(yǎng)植物的生長狀況和運(yùn)輸、加工等流程,利用物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)全程跟蹤,達(dá)到讓消費(fèi)者安心購買的目的。李新成等[49]設(shè)計了一種以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),單片機(jī)為控制核心,集云計算、水質(zhì)傳感檢測以及無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)于一體的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘智能管控系統(tǒng),依托該系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與過往數(shù)據(jù)追溯,降低了養(yǎng)殖風(fēng)險、提高養(yǎng)殖效益、提升企業(yè)漁業(yè)信息化管理水平。ISLAM,et al[50]通過制作云服務(wù)器,提供生活在水生環(huán)境中的各種魚類的信息,并利用K 近鄰算法作為模型實現(xiàn)了魚類選取網(wǎng)站,同時通過遙感衛(wèi)星搭載多個傳感器實現(xiàn)多設(shè)備結(jié)合的方式搭建了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),為魚類數(shù)據(jù)獲取提供有效、簡潔的途徑。
當(dāng)然物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測也存在一定的問題,漁業(yè)養(yǎng)殖自身技術(shù)落后、基礎(chǔ)設(shè)施不齊全的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備雖然在一定方面取得成就,但是在漁業(yè)養(yǎng)殖上,依然屬于起步階段,設(shè)備依然需要不斷改進(jìn)且相關(guān)人才的培養(yǎng)也需要一定的時間。在未來仍需要加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的培養(yǎng),普及物聯(lián)網(wǎng)常識,同樣加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的科學(xué)研究,推陳出新,確保漁業(yè)養(yǎng)殖可以行穩(wěn)致遠(yuǎn)。
?;绿綔y指的是對水下物體進(jìn)行聲、光信號和電磁波等物體屬性的監(jiān)測,探究漁業(yè)在水下的活動特性和軌跡。利用探測技術(shù)對漁業(yè)養(yǎng)殖進(jìn)行監(jiān)測,既可以監(jiān)視漁業(yè)發(fā)展規(guī)律和特性,又可以及時對漁業(yè)的生存環(huán)境進(jìn)行必要的調(diào)整。因此,?;绿綔y具有廣泛的應(yīng)用空間。
聲吶(SONAR)是利用聲波在水中的傳播和反射特性,經(jīng)過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理,實現(xiàn)導(dǎo)航和測距的技術(shù)。它也指利用這種技術(shù)探測(存在、位置、性質(zhì)、運(yùn)動方向等)并與水下目標(biāo)進(jìn)行通信的電子設(shè)備。聲吶是水下聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最重要的聲學(xué)器件。聲吶技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了100 多年,最初是用來在海上航行時偵測冰山,后來發(fā)展成多功能,可以偵測魚類、潛艇等實物,被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中。聲吶具有可以識別目標(biāo)能力強(qiáng)和隱蔽性強(qiáng)的優(yōu)點。
從1870-1880 年代,聲吶技術(shù)開始應(yīng)用在漁業(yè)方面,并且取得顯著成果,之后的科學(xué)家利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法研究出更有效的方法,促進(jìn)了漁業(yè)的蓬勃發(fā)展。李國棟等[51]利用聲吶探測性能對多波束漁用聲吶在不同海況下進(jìn)行仿真分析,并從多個角度提出了提高多波束漁聲吶探測性能用的方法,展望了未來改進(jìn)優(yōu)化的一個方向。沈蔚等[52]利用水聲探測技術(shù)對雙頻識別聲吶(DIDSON)在水庫中采集到的學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。經(jīng)過處理計算顯示出結(jié)果具有相當(dāng)高的統(tǒng)計精度。實驗表明了,DIDSON 可以用于魚類識別與計數(shù),在淺水水域的魚類資源探測與管理方面具有非常廣闊的應(yīng)用空間。荊丹翔[53]在探討識別聲吶工作原理的基礎(chǔ)上,利用識別聲吶進(jìn)行漁業(yè)資源評估的理論研究和實際應(yīng)用,提出一套基于識別聲吶的新型漁業(yè)資源評估方法,形成一套新型的基于識別聲吶的漁業(yè)資源評估體系。
聲吶探測也有一定的缺點,如探測波短、容易暴露位置和探測靜止目標(biāo)。因此,在漁業(yè)和其他領(lǐng)域仍然需要研究更好的處理方法,來填補(bǔ)我國在漁業(yè)資源高精度評估領(lǐng)域中的空白,為我國漁業(yè)開發(fā)提供新的技術(shù)支撐。
水下機(jī)器人探測主要指的是利用自主、半自主或人工控制的機(jī)器人搭載探測技術(shù),對物體進(jìn)行水下探測。由于人類渴望認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋,因此需要借助高科技進(jìn)行深入研究。隨著水下機(jī)器人的產(chǎn)生,極大地引起了人類對海洋的探索,其應(yīng)用也越來越廣泛。目前國內(nèi)外水下機(jī)器人主要分為:遙控水下機(jī)器人(ROV)、深海載人潛水器(HOV)、自主式水下機(jī)器人(AUV)三種主流類型水下機(jī)器人[54]。
水下機(jī)器人一經(jīng)問世,科學(xué)家便將其應(yīng)用到漁業(yè)的探索中。來佳濤[55]在探討傳統(tǒng)水下機(jī)器人的優(yōu)缺點中,開發(fā)了水下多足機(jī)器人,利用該機(jī)器人可以很好實時接收到到視頻數(shù)據(jù),并可以發(fā)出相應(yīng)指令,對漁業(yè)進(jìn)行很好的探測,并且具有運(yùn)行穩(wěn)定,體積小等優(yōu)點。TANG Zhijie,et al[56]為了增加水下機(jī)器人近場探測功能,更好的模仿魚的側(cè)線,開發(fā)了一組壓力傳感器,使得水下機(jī)器人更好地對海洋漁業(yè)進(jìn)行探測。史興波等[57]為了解決水下機(jī)器人高精度定位實現(xiàn)漁業(yè)探索等問題,利用無跡卡爾曼濾波(UKF)算法和AUV 組合成導(dǎo)航系統(tǒng),并分析了誤差來源和測量模型,進(jìn)行了綜合仿真實驗,證明其組合系統(tǒng)的精度高以及魯棒性強(qiáng),對未來漁業(yè)探索具有重大意義。
當(dāng)然,水下機(jī)器人也有一定的不足,還需要其他產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。比如由于水越深壓強(qiáng)越大等原因,迫切需要推動材料業(yè)的發(fā)展,同時也會帶動傳感器的發(fā)展。因此,在未來可以通過政府引導(dǎo),企業(yè)主導(dǎo)的原則下,推動水下機(jī)器人在海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi),以及保障海洋環(huán)境安全方面蓬勃前景[58]。
漁業(yè)養(yǎng)殖所用區(qū)域主要是針對水域進(jìn)行區(qū)分,包括近海和內(nèi)陸湖泊,本文重點包括天、空、地、海四大方面,從不同角度對漁業(yè)養(yǎng)殖進(jìn)行研究,獲得漁業(yè)研究價值有所不同,從上述四個方面實現(xiàn)對漁業(yè)全方面的研究,總結(jié)出各自方法的優(yōu)點和不足之處,推動科學(xué)家對漁業(yè)的深入研究。根據(jù)水體特性,利用遙感探測器可以很好捕捉水體的信息,例如相似的光譜特征;還有相似的波譜、波段等特性。除此之外,遙感的數(shù)據(jù)獲取趨于三多和三高,其中三多指的是多平臺、多角度、多傳感器,三高指的是高空間分辨率、高時相分辨率、高光譜分辨率[59-61]。如果要獲得高的時空分辨率,那么空間分辨率會下降。而如果想要高的空間分辨率,則時間分辨率同樣會下降,兩者是相輔相成的。在未來研發(fā)中,不僅單獨應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行研究,還涉及其他多方面的技術(shù),比如GPS 技術(shù)、材料學(xué)技術(shù)、化學(xué)技術(shù)等,形成了一條產(chǎn)業(yè)鏈,需要多方面共同進(jìn)步,共同創(chuàng)新。隨著高分衛(wèi)星的不斷發(fā)展,推動了漁業(yè)養(yǎng)殖的發(fā)展和應(yīng)用,促進(jìn)了我國漁業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。
人工智能的自主學(xué)習(xí)能力、自主辨別能力,對于遙感從業(yè)人員,都是一個新的知識,并且成了一個從業(yè)者的必備技能[62]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)人工智能的引入,將二者融入到漁業(yè)養(yǎng)殖中,形成一種新的漁業(yè)養(yǎng)殖方案,這樣做不僅可以對漁業(yè)進(jìn)行監(jiān)視包括漁業(yè)生物的生長,漁業(yè)的捕撈等,還可以對漁業(yè)養(yǎng)殖進(jìn)行判斷和決策,漸漸的成為一種智能化系統(tǒng),未來該技術(shù)將是一個新的研究熱點。