船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）數(shù)據(jù)在海洋漁業(yè)中研究應(yīng)用現(xiàn)狀

于琳琳　樊偉　張衡　戴陽　萬里駿　王斐　石永闖　楊勝龍

摘要：在全球海洋主要經(jīng)濟漁業(yè)資源衰退的背景下，如何保護和可持續(xù)開發(fā)利用海洋漁業(yè)資源受到全球各國、地區(qū)和組織高度重視，一直是研究熱點。受傳統(tǒng)海洋漁業(yè)數(shù)據(jù)的制約，一直難以全面了解遠(yuǎn)洋漁船的捕撈足跡，因此，無法對其實行有效監(jiān)控和管理。船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system， AIS）提供的全球遠(yuǎn)洋漁船軌跡數(shù)據(jù)可以用于量化分析從單艘到全球漁船行為，挖掘的歷史捕撈強度空間信息可為海洋捕撈活動的監(jiān)測管理和生態(tài)壓力評估提供良好的可替代數(shù)據(jù)來源，成為近年海洋信息和海洋漁業(yè)研究的新熱點。為促進AIS數(shù)據(jù)在我國海洋漁業(yè)中的研究應(yīng)用，對AIS近年的研究內(nèi)容和應(yīng)用現(xiàn)狀進行總結(jié)，指出AIS數(shù)據(jù)目前研究的不足和未來潛在的研究方法，以期為AIS在海洋漁業(yè)中的研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：AIS；海洋漁業(yè)；漁船作業(yè)狀態(tài)；捕撈強度；漁場信息

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0330

中圖分類號：S951 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10080864（2024）05021211

漁船生產(chǎn)覆蓋了全球55%的海域，但人們對漁船的全球生產(chǎn)活動直觀了解知之甚少[1]。了解全球性或大區(qū)域的捕撈活動主要依靠聯(lián)合國糧農(nóng)組織（Food and Agriculture Organization of theUnited Nations，F(xiàn)AO）或漁業(yè)區(qū)域組織（RegionalFisheries Management Organizations，RFMOs）統(tǒng)計的自我報告漁業(yè)數(shù)據(jù)[2]，但匯集后的捕撈數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)錯誤、精度粗糙和時間滯后等不足[3]。日志數(shù)據(jù)、觀察數(shù)據(jù)和電子船舶監(jiān)控系統(tǒng)（vesselmonitoring system of fishing vessel，VMS）提供了高質(zhì)量的漁業(yè)信息，但這些異構(gòu)數(shù)據(jù)只覆蓋部分漁船，而且不能公開獲取[1]。由于對漁船生產(chǎn)缺乏全面有效的監(jiān)控和生態(tài)管理政策難以落實，致使支持公海資源可持續(xù)利用所需的監(jiān)管框架和監(jiān)測機制滯后[1]，公海漁業(yè)管理的有效性一直存在爭議，許多公海種群枯竭或過度捕撈[2]，非法、未報告和無管制（illegal， unreported and unregulatedfishing，IUU）捕撈活動會帶來巨大的經(jīng)濟損失[45]。

船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identificationsystem，AIS）是一種基于無線電技術(shù)實現(xiàn)的自動識別系統(tǒng)，用于船舶之間和與岸基站之間交換信息。其提供的實時、高精度和公開獲取的軌跡大數(shù)據(jù)可以直接觀察全球漁船超7萬艘。挖掘漁場時空高精度的捕撈努力量信息，為海洋捕撈活動的監(jiān)測管理和生態(tài)壓力評估提供了良好的可替代數(shù)據(jù)來源，已經(jīng)成為海洋漁業(yè)和海洋信息研究的熱點。已在漁船捕撈行為識別[6-8] 、捕撈活動聚集區(qū)范圍提取[9]、捕撈強度度量[10]、捕撈活動生態(tài)壓力評估[1112]等方面取得了一系列研究成果，為海洋生態(tài)保護和海洋空間規(guī)劃管理提供了重要信息支持[13]。

鑒于AIS 數(shù)據(jù)越來越多被應(yīng)用在海洋各領(lǐng)域，全面認(rèn)識AIS國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和不足，分析其發(fā)展動態(tài)，對于開展AIS未來研究有重要指導(dǎo)意義。雖然已有一些AIS 研究綜述介紹了AIS 在IUU監(jiān)管、漁船狀態(tài)識別和海洋環(huán)境保護等研究現(xiàn)狀，但對AIS研究內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域介紹的深度和廣度都不夠。因此本文對AIS近年的研究內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域進行詳細(xì)總結(jié)介紹，以期為AIS在海洋漁業(yè)中的研究和應(yīng)用提供參考。

1 AIS 功能

AIS 由國際海事組織（International MaritimeOrganization，IMO）引入，旨在提高海上安全和避免船舶碰撞[14]。與通常基于船舶和地面中心之間的點對點衛(wèi)星通信的VMS不同，AIS消息是由船只全向廣播，可被周圍其他船只、地面接收器和衛(wèi)星接收到。

1.1 AIS 傳輸信息

AIS系統(tǒng)提供了船只交換狀態(tài)矢量（位置、速度、航向、轉(zhuǎn)向速率等）、靜態(tài)信息（船只標(biāo)識符、尺寸、船型等）和航行相關(guān)信息（目的地、預(yù)計到達(dá)時間、吃水等）[14]。研究中常用到的數(shù)據(jù)字段主要包括MMSI、時間、經(jīng)緯度、航速、航向等。

1.2 AIS 傳輸設(shè)備

大多數(shù)AIS 設(shè)備可分為3 種類別：A 類、B類和B+類。A類設(shè)備的廣播功率更強（12.5 W，B類和B+類分別為2.0和5.0 W），而且在移動時能頻繁地廣播船舶的位置（每2～10 s廣播1次，B類為30 s，B+類為每5～30 s）。AIS只在2個頻率上廣播，如果2個信息同時在相同頻率上廣播，那么信息將會彼此干擾。為了解決這個問題，A類和B+類AIS設(shè)備使用自組織時域多址接入（selforganizedtime division multiple access，SOTDMA）的方案，與附近船只的設(shè)備協(xié)調(diào)，以使它們不同時廣播。

1.3 AIS 數(shù)據(jù)接收頻率和范圍

與VMS相比，AIS具有非常重要的優(yōu)勢，即信息的時間分辨率高。根據(jù)船舶的特定操作，AIS消息傳輸速率范圍從2 s（高速或轉(zhuǎn)向率）到3 min（停泊船舶）。AIS消息的更高傳輸速率解決了需要在連續(xù)消息之間插值位置的需求，但是由于數(shù)據(jù)量更大，它也有更高的計算要求。

另一方面，由于AIS最初是為了避免碰撞而設(shè)計的，因此其空間覆蓋范圍僅限于視線范圍內(nèi)或在特定情況下限制于VHF（very high frequency，VHF）傳播。這意味著AIS 消息通常在0～100n mile的距離內(nèi)接收，具體取決于發(fā)射機和接收機的高度。AIS 消息也可以從低地球軌道（lowearth orbit，LEO）衛(wèi)星接收；但在這種情況下，刷新率會降低到衛(wèi)星重新訪問的時間。此外，在高交通密度區(qū)域，存在消息沖突的問題，導(dǎo)致衛(wèi)星接收機在這些區(qū)域幾乎“失明”。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于定位和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑颍珹IS 數(shù)據(jù)包括一些異常值，存在多種異常情況。同一MMSI號的數(shù)據(jù)對應(yīng)于多個漁船軌跡信息，這種條件下該MMSI號對應(yīng)的漁船軌跡信息需刪除。一些MMSI號的軌跡點存在空間重復(fù)，對待重復(fù)軌跡點應(yīng)刪除；存在時間重復(fù)的軌跡點，一般保留這些點的均值信息。軌跡點存在速度異常值時，可采用單船單航跡的方法和基于航跡聚類的方法檢測并剔除速度異常點[15]。

由于衛(wèi)星覆蓋和設(shè)備故障等原因，部分漁船的 AIS 數(shù)據(jù)信息接收存在丟失情況。船舶軌跡點存在較長時間缺失，可將軌跡數(shù)據(jù)進行分段處理[15]。對于數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，軌跡點時間間隔較大并給分析帶來影響的，也可參考VMS處理方法，對軌跡點進行數(shù)據(jù)插值[16]。對于衛(wèi)星覆蓋較好的海域，AIS數(shù)據(jù)傳輸接收率高，但數(shù)據(jù)量太大。針對該問題，一些學(xué)者會每艘船間隔5 min提取1個軌跡點[17]。

1.5 AIS 研究區(qū)域

每天有超過5 000萬條的軌跡信息被Orbcomm和Spire衛(wèi)星接收。這些信息為不同空間尺度分析漁船行為提供了可能性。

從研究區(qū)域角度，AIS 漁船軌跡數(shù)據(jù)應(yīng)用研究有全球尺度、區(qū)域中尺度和局部小尺度。Kroodsma等[1]計算了全球主要捕撈類型漁船的捕撈努力量信息。Vespe等[17]計算和繪制了歐洲捕撈努力量時空高精度圖。Guiet等[18]基于上述計算的捕撈努力量數(shù)據(jù)，分析了全球金槍魚延繩釣商業(yè)捕撈漁船空間季節(jié)分布特征。Zhang等[19]分析了中西太平洋圍網(wǎng)金槍魚漁船捕撈強度空間特征。Yan等[20]繪制了整個中國海岸的漁船軌跡信息。更廣泛的是如近海、海灣和專屬經(jīng)濟區(qū)等區(qū)域小尺度研究[21-23]。

在不同空間尺度下，海洋生物和漁船行為對外界因子的響應(yīng)也存在差異[24]。在全球大尺度下，國家（地區(qū)）文化和政策對漁業(yè)活動影響明顯，而短期的經(jīng)濟和環(huán)境變化影響不顯著[1]。在小尺度下，帕勞經(jīng)濟專屬區(qū)金槍魚捕撈努力量的空間分布受葉綠素、混合層、海面高度和離馬拉卡爾港的距離等變量影響明顯，但海表溫度影響不顯著[25]。在區(qū)域中尺度下，水溫是影響漁船作業(yè)空間分布的重要因素[26] 。

2 研究內(nèi)容

2.1 漁船捕撈類型分類

現(xiàn)有的漁業(yè)研究多是按明確的漁具類型搜集AIS數(shù)據(jù)來研究描述漁船捕撈活動[13，17，27]，通過日期和船只標(biāo)識符將位置與日志數(shù)據(jù)匹配[28]。在安裝AIS設(shè)備的漁船中，仍有很多船舶無法獲取類型信息[1]，因此需構(gòu)建船舶作業(yè)類型判別模型以識別船舶類型。

速度和航向是識別船舶行為的重要特征，常被用于船舶分類。對航速、航向時間序列數(shù)據(jù)進行編碼后，鄭巧玲等[29]運用 BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了中國近海小型漁船的三分類模型；Park等[30]利用圖像識別建立了韓國半島海域漁船的六分類模型。除航速、航向外，漁船的空間地理信息也是識別漁船捕撈行為的重要特征，Marzuki等[31]使用隨機森林和支持向量機算法，有效實現(xiàn)了漁船的四分類識別，但該方法對噪聲比較敏感，且易出現(xiàn)過擬合。Huang等[32]分段提取了23個特征參數(shù)，如時間、空間位置、速度等，并利用 XGBoost法，構(gòu)建了中國近海漁船的九分類模型。Kroodsma等[1]基于AIS數(shù)據(jù)挖掘12種漁船空間行為特征參數(shù)，構(gòu)建了對全球6類漁船和6類非漁船的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neuralnetwork，CNN）分類模型。船舶的位置、速度和航向等信息是連續(xù)的，船舶航跡具有明顯的時間平滑性，下一時刻的位置狀態(tài)由歷史時刻的位置滑行而來[33]。楊勝龍等[34]考慮了時間維度信息，構(gòu)建了三層雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（bi-directional longshort-term memory，BiLSTM）深度學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)了對5類遠(yuǎn)洋捕撈漁船和4類非漁船的分類。

2.2 漁船作業(yè)狀態(tài)識別

漁船作業(yè)狀態(tài)分為作業(yè)和非作業(yè)。采用AIS漁船軌跡信息挖掘漁場捕撈努力量，前提是正確地區(qū)分漁船作業(yè)狀態(tài)。漁船航行速度通常被用來確定漁船作業(yè)狀態(tài)[22，35]?；谒俣鹊淖R別方法依靠專家知識，包括預(yù)定速度閾值或速度區(qū)間對船只位置進行過濾[22，3637]。原作輝等[37]以速度為閾值條件提取中國金槍魚延繩釣作業(yè)狀態(tài)點。拖網(wǎng)漁船作業(yè)具有明顯的速度變化特征，該方法多應(yīng)用于拖網(wǎng)漁船作業(yè)狀態(tài)的識別，且識別準(zhǔn)確率較高[22]。

僅采用速度閾值識別漁船狀態(tài)，往往會造成捕撈狀態(tài)的船位點數(shù)量被高估[38]。采用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法可以更深層次地挖掘漁船作業(yè)的特征參數(shù)，將其作為輸入變量，基于多變量的多元分析[39]、數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)方法[1，13，27，38，40]被應(yīng)用于提高漁船作業(yè)狀態(tài)的識別準(zhǔn)確率。由于大多數(shù)漁船的作業(yè)和非作業(yè)速度呈現(xiàn)雙峰狀態(tài)，因此多采用高斯混合模型（Gaussian mixed model， GMM）提取漁船作業(yè)軌跡點，識別漁船作業(yè)狀態(tài)。Guyader等[13]采用GMM方法提取了法國布雷斯特海灣的底拖網(wǎng)漁船捕撈作業(yè)點，識別精度為91%。Yan 等[20]采用GMM 方法提取了中國近海所有配備AIS的漁船的軌跡點，提出了一種基于AIS數(shù)據(jù)識別和分析漁業(yè)足跡和活動的框架。

楊勝龍等[4142]采用數(shù)據(jù)挖掘和支持向量機方法開展了遠(yuǎn)洋延繩釣漁船作業(yè)狀態(tài)識別，支持向量機的識別準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于速度閾值法。Souza等[27]針對拖網(wǎng)漁船，使用船速作為觀測變量，構(gòu)建了一個隱馬爾可夫模型（hidden Markov model， HMM），對于金槍魚延繩釣漁船，設(shè)計了一種受動物運動研究啟發(fā)的算法；對于圍網(wǎng)漁船，采用基于船速和作業(yè)時間的多層閾值法。驗證表明，拖網(wǎng)和金槍魚延繩釣漁船的平均檢測準(zhǔn)確率為83％，圍網(wǎng)漁船為97％[27]。由于采用速度和作業(yè)時間的方法計算簡單、準(zhǔn)確率高及依據(jù)漁船捕撈作業(yè)行為特征，可將該多層次數(shù)據(jù)挖掘方法應(yīng)用于提取金槍魚圍網(wǎng)和魷魚釣漁船的作業(yè)狀態(tài)。

上述漁船作業(yè)狀態(tài)識別算法，都是針對某一種具體的捕撈類型漁船來構(gòu)建模型。Kroodsma等[1]構(gòu)建了一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以對遠(yuǎn)洋多種漁船捕撈作業(yè)狀態(tài)點進行識別。該深度學(xué)習(xí)模型框架類似于Inception-Reset 結(jié)構(gòu)，模型輸入變量包括速度等12個變量，模型輸出長度為512的一維變量，因此模型運行1次可以識別512個捕撈作業(yè)點。該方法對主要漁船的識別準(zhǔn)確率超過90%[1]。

2.3 捕撈強度信息圖繪制

采用漁船軌跡數(shù)據(jù)估計捕撈努力量空間信息，分析漁船作業(yè)空間變化，捕撈努力量的量化是前提。漁業(yè)捕撈努力量是單位時間內(nèi)以相同作業(yè)方式投入的工作量[43]。Vespe等[17]將捕撈強度定義為單位面積漁船作業(yè)狀態(tài)軌跡點的總和，并繪制了歐洲1 km×1 km尺度網(wǎng)格內(nèi)捕撈作業(yè)努力量空間分布圖，以漁船高密集出現(xiàn)的區(qū)域表示漁船捕撈強度大的地方。該方法沒有考慮漁船投入的時間。Guyader等[13]以捕撈季單位面積投入捕撈的總時間（h）定義為底層拖網(wǎng)的捕撈強度，繪制了各月捕撈強度空間圖。在單位面積投入的總捕撈時間相同的條件下，不同功率的漁船對海洋的捕撈強度是不同的。聯(lián)合國糧農(nóng)組織采用每年總的發(fā)動機功率乘以捕撈作業(yè)天數(shù)（kW·d）表達(dá)全球的捕撈努力量[10]。Natale 等[21]和Kroodsma 等[1]將漁船功率和作業(yè)時間引入到捕撈努力量的量化模型中，消除漁船自身差異?；跐O船功率和作業(yè)時間計算捕撈努力量，能快速、自動、客觀動態(tài)地展示捕撈努力量時空分布特點及其變化。但是漁船功率信息難以獲得，模型預(yù)測的功率會帶來二次偏差，因此一般仍采用時間量化捕撈努力量。

2.4 漁船作業(yè)空間分布特征

對漁船作業(yè)空間分布特征進行分析可幫助了解漁船在特定海域的捕撈活動模式、作業(yè)習(xí)慣和漁業(yè)資源的利用情況以及對漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響。此外，還可以幫助制定漁業(yè)管理和保護政策，為漁業(yè)資源的科學(xué)管理和合理利用提供依據(jù)?；贏IS 數(shù)據(jù)挖掘的時空高精度捕撈強度空間信息，為了解漁船作業(yè)空間變動提供了可能。

Zhang等[19]采用空間地統(tǒng)計方法，在0.5°×0.5°空間分辨率下，開展了中西太平洋金槍魚圍網(wǎng)漁船捕撈強度空間特征以及熱點區(qū)域分布研究，計算了Morans I指數(shù)等空間指標(biāo)值，定性和定量分析了捕撈強度的空間分布特征，結(jié)果表明，中西太平洋圍網(wǎng)金槍魚漁船尋找漁場捕撈努力量分布存在明顯的空間聚集性，而捕撈作業(yè)努力量則無空間聚集性；中西太平洋金槍魚圍網(wǎng)漁獲量、作業(yè)網(wǎng)次和單位捕撈努力量漁獲量（catch per unit effort，CPUE）與尋找漁場捕撈努力量呈明顯正相關(guān)關(guān)系。

目前AIS數(shù)據(jù)分析空間分辨率從0.01°×0.01°至1°×1°，以0.5°×0.5°居多。Zhang等[19]采用空間統(tǒng)計方法，在0.5°×0.5°空間分辨率條件下統(tǒng)計了中西太平洋圍網(wǎng)金槍魚漁船作業(yè)的空間特征指標(biāo)，但沒有深入評估這些指標(biāo)值的尺度效應(yīng)。Amoroso等[44]指出，在不同空間分析尺度下計算的拖網(wǎng)漁船捕撈強度覆蓋面積可以相差5倍，這為客觀認(rèn)識海洋捕撈壓力帶來困擾。采用不合適的空間尺度整合數(shù)據(jù)并開展進一步分析，可能會產(chǎn)生失真甚至錯誤的結(jié)果[45]。明確捕撈強度的空間尺度效應(yīng)對客觀認(rèn)識漁船捕撈空間的分布特征和捕撈壓力非常重要，但目前這方面研究較少。

2.5 漁場信息提取

漁場這一術(shù)語被廣泛使用，但并沒有明確和共同接受的定義來識別這些實體[4647]。在一些研究中，將漁場定義為包含漁船位置的最大范圍[28，48]。Jennings等[47]將密集漁業(yè)活動的區(qū)域定義為漁場，而Russo等[46]則建議將漁場定義為具有最高捕撈量或更高商業(yè)價值潛力的區(qū)域。孫永文等[49]使用AIS船位數(shù)據(jù)，將漁區(qū)格網(wǎng)中的船只密度作為要素進行熱點分析，對北太魷釣、圍網(wǎng)及舷提網(wǎng)漁場的時空分布進行研究，并使用漁撈日志數(shù)據(jù)，通過計算和提取漁場與實際漁場的重疊率，驗證了使用漁區(qū)密度提取熱點的可行性。核密度估計（kernel density estimation，KDE）的距離衰減效應(yīng)可以較好地體現(xiàn)出捕撈活動點位密度的距離衰減效應(yīng)和空間位置的差異性，被用于提取漁場空間信息[13，25]。KDE沒有定義核密度值超過多少才可以被稱為真正意義上的熱點，容易產(chǎn)生捕撈活動聚集區(qū)范圍閾值的主觀確定，從而引起問題。熱點分析（hot spot analysis， HSA）作為一種局部空間統(tǒng)計方法，對捕撈活動熱點區(qū)域的劃分給出了明確閾值，但其分析結(jié)果的網(wǎng)格連接處密度變化明顯，易導(dǎo)致地理現(xiàn)象空間上的不連續(xù)性。陳仁麗等[50]基于AIS數(shù)據(jù)，融合KDE和HSA，將帶有核密度值的地理單元引入HSA，以識別漁船捕撈活動在空間上具有統(tǒng)計顯著性的熱點與冷點，提取渤海海域漁場作業(yè)區(qū)，并對時空特征進行了分析。Chen等[12]以中國環(huán)渤海海峽沿岸海域為例，基于AIS數(shù)據(jù)，使用KDE與HSA相結(jié)合的方法，快速繪制漁場分布圖，并分析了夏季休漁等漁業(yè)管制措施的有效性。

2.6 環(huán)境對漁船作業(yè)影響

捕撈努力量空間分布受外在因素影響[33，39]，可通過外在環(huán)境因子建模重構(gòu)和預(yù)測[51]。Crespo等[52]利用AIS數(shù)據(jù)創(chuàng)建捕撈努力分布，使用增強回歸樹（boosted regression tree，BRT）建立環(huán)境生態(tài)位模型，該方法將捕撈強度信息與14個環(huán)境變量聯(lián)系起來，探索公海金槍魚延繩釣船隊全球分布的空間生態(tài)和驅(qū)動因素，證實了公海金槍魚延繩釣漁船捕撈努力量分布受環(huán)境結(jié)構(gòu)的影響，并且可以利用預(yù)測模型結(jié)合作業(yè)周圍環(huán)境的信息進行解釋和預(yù)測。利用AIS 數(shù)據(jù)挖掘漁船捕撈努力量信息，使用BRT、廣義加性模型（generalized additivemodel，GAM）和最大熵模型（maximum entropymodel，MaxEnt）等構(gòu)建捕撈努力的空間分布與衛(wèi)星遙感海洋生態(tài)環(huán)境因素之間的非線性關(guān)系，并探討了中西太平洋金槍魚圍網(wǎng)漁船捕撈作業(yè)與海洋環(huán)境關(guān)系[26，53-55]。

船長依據(jù)海洋環(huán)境變化和經(jīng)驗尋找漁場[56]，漁船的空間分布在一定程度上可以揭示漁業(yè)資源的空間分布[38]，漁船捕撈活動的空間信息可以替代捕撈目標(biāo)種群的空間分布。此外在一定時間內(nèi)捕撈努力量與漁獲量呈正比[48]，捕撈努力量空間信息可用于替代分析和了解資源空間分布[13]。

2.7 捕撈強度預(yù)測

監(jiān)控當(dāng)前捕撈活動并預(yù)測未來捕撈強度，可在有限的監(jiān)管條件下極大地提高保護漁船空間行為的漁業(yè)資源管理政策的有效性。Hsu等[57]基于AIS數(shù)據(jù)，采用棲息地適宜性指數(shù)（habitat suitabilityindex，HSI）構(gòu)建漁場預(yù)測模型，結(jié)果表明，80%的捕撈努力量發(fā)生在適宜棲息區(qū)域50 km以內(nèi)，基于AIS數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可以構(gòu)建預(yù)報模型預(yù)測中心漁場。AIS跟蹤設(shè)備通常只能監(jiān)測長度大于15 m的漁船，而低于規(guī)定長度的漁船不一定配備。Russo等[58]設(shè)計了一個級聯(lián)多層感知器網(wǎng)絡(luò)（cascaded multi-layer perceptron network，CMPN），預(yù)測未配備跟蹤設(shè)備的漁船的年度漁業(yè)足跡，使?jié)O業(yè)足跡的空間分析擴展到相關(guān)但尚未被探索的船隊部分成為可能。Zhao等[59]通過挖掘近海拖網(wǎng)漁船作業(yè)引導(dǎo)關(guān)系，基于VMS數(shù)據(jù)構(gòu)建了短期捕撈強度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。但基于AIS大數(shù)據(jù)驅(qū)動的時空高精度捕撈強度預(yù)測信息未見報道。影響漁船作業(yè)的影響因子較為復(fù)雜，如海洋環(huán)境、各種管理政策制約、漁民憑借歷史生產(chǎn)經(jīng)驗和現(xiàn)代技術(shù)手段作業(yè)。如何量化上述所有可能的影響因子以更科學(xué)地預(yù)測捕撈強度仍然有待進一步探索。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 IUU 監(jiān)管

為了保護海洋生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展，各國和地區(qū)采取了一系列措施以加強漁業(yè)管理，打擊非法漁業(yè)行為。AIS數(shù)據(jù)記錄的船舶空間信息可用于監(jiān)測船只的異常行為，負(fù)責(zé)IUU監(jiān)管[6061]。Dunn等[60]提供了全球漁業(yè)觀察使用案例中基于AIS 數(shù)據(jù)的現(xiàn)有監(jiān)測和執(zhí)法活動的例子，說明AIS可用于為國家管轄范圍以外的生物多樣性新條約的談判和最終實施提供信息。Mullie等[61]對2012至2018年期間，加納專屬經(jīng)濟區(qū)（exclusive economic zone，EEZ）內(nèi)拖網(wǎng)漁船采樣捕撈量（捕撈小時數(shù)）的AIS 衍生信息進行了分析，利用AIS數(shù)據(jù)可以證實拖網(wǎng)漁船入侵EEZ，推動政府執(zhí)法和制裁。Shanthi 等[62]構(gòu)建了一種IUU預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用AIS數(shù)據(jù)的船舶位置信息追蹤船只的移動，通過監(jiān)測船只進入禁區(qū)或瀕危物種區(qū)域等行為，檢測參與非法、無證漁業(yè)的船只。異常船只信息將被發(fā)送到海洋保護工作站，該站將持續(xù)監(jiān)測來自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)有非法行為，海洋保護委員會將決定是否對該特定船只采取行動，如果船只被確認(rèn)違規(guī)，海岸保護船將被派往逮捕相關(guān)涉案人員以保護水生生物[62]。

AIS的設(shè)計主要考慮到安全而不是控制，因此在IUU輔助監(jiān)管中，AIS還存在缺陷。例如，故意中斷來自星載AIS的信號傳輸，AIS信號的可靠性低，不正確的數(shù)據(jù)設(shè)置和AIS本身的安全漏洞等[63]。盡管有這些缺點，因為大量的AIS數(shù)據(jù)的近實時地積累，AIS仍然是監(jiān)控目標(biāo)船只活動的有力工具[64]。

3.2 海洋保護區(qū)保護

海洋保護區(qū)（marine protected areas，MPAs）能有效應(yīng)對全球海洋環(huán)境面臨的棲息地減少、不可持續(xù)的捕撈業(yè)、海水污染等威脅[65]。在這些海洋保護中，AIS可發(fā)揮關(guān)鍵作用。Allen等[66]研究了加拿大SGaan Kinghlas Bowie 海洋保護區(qū)（SK-BMPA）的船舶交通和伴隨噪聲的衛(wèi)星自動識別系統(tǒng)（satellite automatic identification system，S-AIS）和聲學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，遠(yuǎn)近距離的航運事件對該地區(qū)環(huán)境噪聲水平有驅(qū)動作用，而商業(yè)捕撈、商業(yè)旅游等活動尤其影響鯨目動物這類依賴聲音生存的生物，可能會破壞它們的棲息地，需要嚴(yán)格控制可能會對海床或海底生境造成破壞的張網(wǎng)、圍網(wǎng)、拖網(wǎng)捕撈等人類活動[66]。

全球貿(mào)易量大多通過海運完成，監(jiān)控船舶并提供信息有助于避免碰撞導(dǎo)致的石油污染等事故，對擁堵地區(qū)和MPAs的交通管理很重要，通過AIS可以監(jiān)測和分析非法或可疑活動，也可限制或轉(zhuǎn)移交通[67]。2007年，Eide等[6869]使用AIS數(shù)據(jù)提出了2 種概率模型來估計油輪的相關(guān)風(fēng)險。Akhtar等[70]使用AIS數(shù)據(jù)作為選擇航行路線的輸入，以確定挪威沿海重型船舶（總噸位大于5 000 t）的安全航行路線，使用AIS通知航行路線的交通模擬結(jié)果和2025 年預(yù)計事故顯示，與2008 年相比，泄漏量每年減少590 t。

3.3 海洋生態(tài)壓力評估

AIS數(shù)據(jù)為揭示海洋漁業(yè)活動的分布、評估海洋生態(tài)壓力以及制定和改進漁業(yè)管理措施提供了良好的數(shù)據(jù)來源。歐盟數(shù)據(jù)收集框架（datacollection framework， DCF） 建立了5～7 個捕撈壓力指標(biāo)，描述了捕撈活動的空間范圍，并監(jiān)測其對生態(tài)系統(tǒng)的影響，最終基于AIS數(shù)據(jù)評估了其對海洋生態(tài)系統(tǒng)的壓力[7172]。陳仁麗等[50]采用AIS數(shù)據(jù)繪制沿海海域的漁場，并分析了漁業(yè)管理措施的有效性，結(jié)果顯示，渤海海峽周圍海域的漁業(yè)活動在月度和季度上有明顯的變化和空間異質(zhì)性。夏季漁業(yè)休漁、增殖放流、海洋功能分區(qū)以及臨近底拖網(wǎng)的沿海區(qū)域等漁業(yè)管理措施對漁業(yè)活動產(chǎn)生了一定的限制作用。該研究證實中國在恢復(fù)沿海漁業(yè)資源和規(guī)范漁業(yè)活動方面做出了重大努力。Liu 等[73] 利用AIS 數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）空間分析提出了一種描述船舶引起的海洋生態(tài)壓力的“源-途徑-載體-影響響應(yīng)”模型，并構(gòu)建了綜合評價指標(biāo)體系，結(jié)果表明，從2014到2018年，船舶數(shù)量顯著增加，其中噪聲污染、光污染和水動力相互作用最為突出，貨船和油輪是主要的壓力源，船舶活動嚴(yán)重影響了渤海的農(nóng)業(yè)和漁業(yè)功能以及海洋保護區(qū)。

3.4 海洋空間規(guī)劃

海上空間規(guī)劃（maritime spatial planning，MSP）一般用于在時間和空間上分配海洋區(qū)域的人類活動，適當(dāng)?shù)囊?guī)劃策略可管理海上不斷增大的交通量。AIS數(shù)據(jù)處理和分析為MSP提供了足夠的信息，這些規(guī)劃包括海上交通密度、航道和航行流量、海上航線分層網(wǎng)絡(luò)、聲稱的捕魚區(qū)、活動之間的時空互動（潛在的沖突用途或協(xié)同作用）等[7]。例如，波羅的海項目中使用AIS繪制密度圖[74]，德國專屬經(jīng)濟區(qū)根據(jù)AIS數(shù)據(jù)及航道和交通方向量化航行流量強度。研究證實，AIS逐漸成為歐洲MSP相關(guān)研究與項目的重要因素[75]。Fiorini等[76]提出了一個從原始AIS數(shù)據(jù)可視化船舶航線的綜合解決方案，在此基礎(chǔ)上可進一步分析出重要航線、擁擠區(qū)域及非法行為。通過AIS數(shù)據(jù)可確定主要航道，獲取海上交通的空間方向和綜合視圖，建立航運優(yōu)先區(qū)，協(xié)助海上空間規(guī)劃[7]。

3.5 海洋環(huán)境保護

船舶在海洋航行過程中排放的液體和氣體污染物會對海洋環(huán)境造成污染，已有不少學(xué)者將AIS技術(shù)應(yīng)用到海洋環(huán)境保護。

液體污染方面，船舶在航行過程中會產(chǎn)生艙底水、船舶壓載水等廢物，如果不經(jīng)油水分離器處理直接排入海洋，會對海洋環(huán)境造成污染，且海事部門很難找到直接的證據(jù)確定肇事船只。為了更好地監(jiān)管船舶是否在允許排放區(qū)域并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后才排放艙底水，一些學(xué)者基于AIS設(shè)計了艙底水排放監(jiān)控系統(tǒng)，采集油水分離器的使用信息，實時傳輸?shù)交荆侔l(fā)送到海事監(jiān)管中心[7778]。對船舶石油泄露船只進行追責(zé)可間接減少海洋石油污染，從而保護海洋環(huán)境。Ambjorn[79]介紹了Seatrack Web 系統(tǒng)，可從已確定的漏油位置進行軌跡回溯，然后依據(jù)采集的AIS數(shù)據(jù)跟蹤石油位置附近的船只，輔助對疑似船只的責(zé)任認(rèn)定。

氣體污染方面，漁業(yè)活動不斷排放的碳氧化物、氮氧化物等會對海洋大氣環(huán)境造成污染。在估算船舶污染物氣體排放量研究中，有的基于船舶燃油消耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算，有的采用燃油消耗與船舶活動相結(jié)合的方法進行估算。船舶噸位、發(fā)動機功率、船舶類型、船舶尺寸等是估算船舶氣體排放的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但存在難獲取等問題?；贏IS數(shù)據(jù)進行全球或區(qū)域船舶污染物排放測算得到了廣泛的應(yīng)用[80-88]。尹佩玲等[87]基于寧波-舟山港船舶AIS的軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)合勞氏船級社等機構(gòu)的船舶特征資料，建立了2010年度的船只污染物排放量的空間分布和小時變化，研究了不同類型船舶的污染物排放量、排放分擔(dān)率以及逐時排放規(guī)律。Hensel等[88]提出了一種基于AIS和環(huán)境數(shù)據(jù)的全球排放估算方法，該算法未來可與機器數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過對船舶在水的阻力進行建模，進而確定全球排放量。

4 問題與展望

目前，AIS數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在船舶跟蹤、海洋交通安全、海洋污染、海洋空間規(guī)劃等領(lǐng)域[89-91]。在海洋漁業(yè)中已經(jīng)被應(yīng)用在IUU監(jiān)管[92]、漁業(yè)資源管理[93]和評估海洋生態(tài)壓力[94]等方面，涉及到漁船捕撈類型分類、漁船作業(yè)狀態(tài)識別（作業(yè)/非作業(yè)）、捕撈努力量量化計算和捕撈強度空間分布特征等研究內(nèi)容。已有研究探討了遠(yuǎn)洋捕撈強度分布與海洋環(huán)境因子關(guān)系，但基于AIS大數(shù)據(jù)驅(qū)動的遠(yuǎn)洋時空高精度捕撈強度預(yù)測信息還未見報道。

氣候或海洋環(huán)境變化通過對海洋物種的物理作用影響魚類種群分布，從而影響人類對漁業(yè)資源的管理。漁業(yè)管理行動旨在影響漁民空間行為，但漁民決定在哪里生產(chǎn)以及為什么生產(chǎn)仍然是實現(xiàn)可持續(xù)漁業(yè)管理的主要障礙。提前預(yù)測高精度捕撈強度信息，優(yōu)先保護生態(tài)脆弱區(qū)域，有針對性地派遣觀察員或公海執(zhí)法船隊重點監(jiān)測捕撈熱點和生態(tài)脆弱區(qū)域，以制定中長期漁業(yè)管理政策和資源保護預(yù)案，開展基于AIS的漁業(yè)捕撈強度信息，對于漁業(yè)資源管理和漁船管理非常重要。

捕撈強度空間尺度效應(yīng)可能與捕撈方式、研究區(qū)域選擇有關(guān)。研究分析的空間分辨率不同可能帶來差異巨大的研究結(jié)果，這為比較各研究的結(jié)果帶來了挑戰(zhàn)。采用不合適的空間尺度整合數(shù)據(jù)并開展進一步分析，可能會產(chǎn)生失真，甚至錯誤的結(jié)果[45]。未來需針對不同的捕撈漁船和漁場捕撈強度空間尺度效應(yīng)加深研究。

目前國內(nèi)外有限的環(huán)境影響分析文獻(xiàn)中[26，52-54，57]，研究所選取的海洋環(huán)境因子多數(shù)是人為設(shè)定，且容易獲得，未能很好地將海洋物種的生物學(xué)特征及影響其棲息的環(huán)境條件盡可能多的考慮進來，也未能考慮環(huán)境對物種影響的月間或年際差異性。與此同時，漁船作業(yè)變動并非完全受海洋環(huán)境影響。漁船作業(yè)同時有時間和空間屬性。漁民依據(jù)經(jīng)驗尋找漁場，歷史信息和當(dāng)前捕撈信息會影響漁船當(dāng)前作業(yè)，進而會影響漁民下一時刻的空間選擇。因此漁船捕撈作業(yè)是個時間序列事件，且可以預(yù)測[95]。漁船作業(yè)分布在空間上是二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，漁船作業(yè)具有聚集性[19]，即較近的拓?fù)渚嚯x內(nèi)漁船作業(yè)會相互影響，因此捕撈強度受附近網(wǎng)格內(nèi)捕撈強度的影響。此外一些特殊的地理屬性也會影響漁船作業(yè)，如海山和近岸的上升流會吸引漁船聚集作業(yè)，購買配額的漁船會專注于EEZ內(nèi)作業(yè)，因此離岸距離會影響漁船作業(yè)空間分布[52]。一些漁船滿載后會返港，考慮到經(jīng)濟成本，距離港口距離也會影響漁船作業(yè)。對于捕撈底層漁業(yè)漁船，海底深度也會影響漁船作業(yè)。表達(dá)歷史和空間特征的信息也應(yīng)該加入預(yù)測模型中。綜合評估和理清漁船捕撈作業(yè)的時間序列、拓?fù)淇臻g和環(huán)境變量的影響作用，對于了解和預(yù)測漁船捕撈作業(yè)空間變動非常重要。

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（責(zé)任編輯：張冬玲）

基金項目：嶗山實驗室專項經(jīng)費項目（LSKJ202201804）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目（2019T09）；國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFD0901404，2019YFD0901405）。