黃微 于杰 李永振 陳國寶

摘要 對夜光遙感在漁業(yè)中的研究進展進行了回顧，概述了夜光遙感應(yīng)用于漁業(yè)研究中的理論和方法，包括夜光遙感數(shù)據(jù)特點、漁業(yè)燈光提取方法、漁業(yè)信息擬合及應(yīng)用，重點介紹了DMSP-OLS數(shù)據(jù)和VIIRS/DNB數(shù)據(jù)及其優(yōu)缺點，漁業(yè)燈光識別及漁船信息提取，以及夜光數(shù)據(jù)在燈光漁業(yè)中的應(yīng)用，為夜光遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于燈光漁業(yè)的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞 夜光遙感；燈光漁業(yè)；漁船

中圖分類號 S972.9文獻標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）16-0020-04

Abstract This paper reviewed the researching progress of applying luminous remote sensing to fishery，and briefly outlined the theory and method of applying luminous remote sensing to fishery research，included the characteristics of luminous remote sensing data，extraction method of lightfishing vessels，fishery information application，and focused on DMSPOLS data and VIIRS / DNB data （ the advantages and disadvantages），recognition and information detected methods of lightfishing vessels，the application and research status of luminous remote sensing data in light fallingnet fishery.This summary will provided a reference for researching of applying luminous remote sensing data to light fallingnet fishing

Key words Luminous remote sensing；Light fallingnet fishery；Fishing vessels

夜間，衛(wèi)星接收到的可見光輻射信息主要來自人類活動燈光，陸地上的燈光以城市照明和工業(yè)照明為主，海面上的燈光主要是漁船燈光、商船燈光和鉆井平臺照明等。與其他光源（如城市燈光和海上天然氣平臺）位置長時間保持不變不同，漁船和商船燈光隨著船只航行，其在空間和時間上是變化的，船只照明燈光通常是移動且短暫的，在晴空條件下，單個漁船燈光在遙感影像中以單個照明點出現(xiàn)，但通常情況下，作業(yè)漁船會以船隊形式結(jié)伴出行，作業(yè)時會保持一定距離，形成松散的燈光密集區(qū)，商船燈光一般孤立存在，可見漁船燈光影像特征與其他類型燈光差異顯著，易于識別[1]。

燈光漁業(yè)是根據(jù)某些魚類的趨光習(xí)性，在夜間使用集魚燈將魚群誘集到光照區(qū)進行捕撈的作業(yè)方式。早期，人們在夜間進行捕撈作業(yè)時發(fā)現(xiàn)，某些魚類經(jīng)常在燈下聚集，逐漸發(fā)展為有目的地利用燈光誘集魚群[2]。隨著科技進步，新光源的應(yīng)用和漁具漁法的改進創(chuàng)新，燈光漁業(yè)技術(shù)水平大大提高，已成為高效的捕魚方式[3]。大型魷釣船一般在船上安裝 100～150 套燈具[4]，小型船一般安裝 30～50 套集魚燈[5]。漁船的數(shù)量與作業(yè)強度一定程度上反映了作業(yè)海域的資源特點。衛(wèi)星搭載的可見光和近紅外探測器可以捕捉到夜晚海面上的漁船燈光。早在20 世紀(jì) 70 年代，Croft[6]利用夜間燈光遙感技術(shù)對使用大功率照明設(shè)備進行集魚、誘魚的燈光漁船進行監(jiān)測。

夜間燈光遙感影像通過作業(yè)漁船燈光確定漁船位置及作業(yè)強度，實現(xiàn)漁船的空間分布和作業(yè)強度的可視化，用于分析海洋漁場時空分布及變化，以及燈光漁業(yè)與海洋環(huán)境響應(yīng)關(guān)系；另外，它不受區(qū)域限制，可以作為漁業(yè)管理和信息系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)來源，有助于實現(xiàn)跨區(qū)域作業(yè)海域漁業(yè)監(jiān)督與管理。Liu等[7]發(fā)現(xiàn)漁民報告漁船數(shù)量總少于夜光監(jiān)測的漁船數(shù)量，進一步表明夜光數(shù)據(jù)可更全面地描述捕魚活動。筆者綜述了夜光遙感技術(shù)在燈光漁業(yè)上的應(yīng)用，為深入開展海洋燈光漁業(yè)研究提供有效手段。

1 夜光遙感傳感器

目前，夜光遙感傳感器（或平臺）有美國國防部的氣象衛(wèi)星（defense meteorological satellite program/operational linescan system，DMSP/OLS）、國家極軌運行環(huán)境系統(tǒng)衛(wèi)星（national polar-orbiting operational environmental satellite system preparatory project/visible infrared imaging radiometer suite，NPP/VIIRS）、科學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星（satélite de aplicaciones científicas-C，SAC-C/HSTC；satélite de aplicaciones científicas-D/high sensitivity camera，SAC-D/HSC）、地球遠程觀測系統(tǒng)衛(wèi)星（earth remote observation system-B，EROS-B），其中，SAC-C /HSTC、SAC-D/HSC和 EROS-B數(shù)據(jù)不對普通用戶開放，DMSP/OLS和NPP/VIIRS已應(yīng)用于科學(xué)研究中。夜光遙感對地觀測平臺的基本參數(shù)見表1。

1.1 DMSP-OLS

DMSP在約830 km高度的太陽同步軌道上運行，掃描條帶寬度為3 000 km，隸屬于美國國防部極軌衛(wèi)星項目， 1971年開始運行，由空軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心負責(zé)管理。1972—1992年數(shù)據(jù)以膠卷方式保存在科羅拉多大學(xué)國家冰雪數(shù)據(jù)中心，1992年以后的數(shù)據(jù)以電子存檔方式保存在國家地球物理資料中心（National Geophysical Data Center，NGDC）。OLS線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)是DMSP衛(wèi)星的主要遙感器之一，于1992年解密，可用于商業(yè)和科學(xué)研究。

OLS起初是為觀測氣象資料而設(shè)計，主要用于探測月光照射下的云，由于其具有很強的光電放大能力，逐漸被應(yīng)用于探測城鎮(zhèn)燈光、極光、閃電、漁火、火災(zāi)等。共設(shè)有2個波段，可見光-近紅外（VNIR）波段波譜為0.4～1.0 μm，光譜分辨率為6 bit，灰度值為0～63；熱紅外（TIR）波段（10～13 μm）光譜分辨率為8 bit，灰度值為0～255。VNIR有2套探測器，白天使用光學(xué)望遠鏡頭，夜間使用光學(xué)倍增管。光學(xué)倍增管的入瞳單位波長輻亮度下限為10-9 W/（cm2·sr·μm），星下垂直精度2.7 km。

DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要包括穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)、輻射標(biāo)定夜間燈光強度數(shù)據(jù)、非輻射標(biāo)定夜間燈光強度數(shù)據(jù)3種產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有獲取容易、能夠探測低強度燈光、不受光線陰影影響等優(yōu)點。

1.2 NPP/VIIRS 2010年2月，NOAA和NASA共同組建的聯(lián)合極地衛(wèi)星系統(tǒng)（JPSS）接替了美國新一代極軌運行環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備衛(wèi)星計劃（national polarorbiting operational environmental satellite system preparatory project，NPP）的大部分工作，并以美國氣象衛(wèi)星之父的名字Suomi命名。Suomi NPP的第一顆衛(wèi)星于2011年10月從范登堡空軍基地由Delta-II火箭發(fā)射升空。衛(wèi)星上共搭載了5種載荷，其中可見光紅外輻射儀（VIIRS）作為最重要的載荷，汲取了當(dāng)代業(yè)務(wù)和科研觀測系統(tǒng)中最好的技術(shù)，尤其是繼承發(fā)展了美國國防氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)（OLS）的微光探測能力[9]。

NPP VIIRS的掃描帶寬為3 000 km，采集夜間影像是DNB（day night band）波段，DN光譜通帶帶寬500～900 nm，光譜中心波長700 nm，空間分辨率可以維持近恒定的0.742 km，波段數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正后可以得到輻射亮度，DNB輻射敏感值在日光條件下為10-2 W/（cm2·sr），在新月時為10-10 W/（cm2·sr）。

DNB 與其他波段共用光學(xué)設(shè)備和掃描裝置的聚焦平面陣列，可以精確地獲知各波段像元的相對定位，經(jīng)訂正后可以定量進行輻射測量，并與其他光譜波段比較和融合。DNB在軌時的陰影期和光照期都可以探測地物和大氣的可見光輻射。DNB將探測輻射能量的變化區(qū)分為7個量級，同時以3種模式（低輻射場景模式、中輻射場景模式和高輻射場景模式）進行探測。它采用動態(tài)調(diào)整增益的方法，即高增益（對應(yīng)于低輻射場景）、中增益（對應(yīng)于中輻射場景）和低增益（對應(yīng)于高輻射場景）。DNB信息處理器將3種模式所測得的數(shù)據(jù)進行高精度的數(shù)字化處理，確保輻射產(chǎn)品的高分辨率，然后再對3種數(shù)據(jù)進行選擇，為每個像元選擇3種增益模式中感光效果最好且未達到飽和的值。數(shù)據(jù)均一化后的圖像看起來像在均勻的光照條件下形成，這樣在不同光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)的圖像?？傮w而言，DNB與其他通道共用光學(xué)和掃描裝置，并采用相同精度的訂正方法。采用采樣合并、像元累積的方法使空間分辨率提高且分辨率較均勻?？蛇x擇動態(tài)增益技術(shù)使衛(wèi)星在不同光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)圖像[10]。

2 漁業(yè)燈光識別與提取

2.1 漁業(yè)燈光識別方法

燈光漁船誘魚燈是夜光遙感影像上高度敏感的點光源，在生產(chǎn)作業(yè)時燈光呈連片、大面積分布的特征。在夜間遙感影像上，黑暗的海洋和集魚燈照亮區(qū)域之間對比顯著，燈光區(qū)像素灰階高于背景，一般認為梯度高值對應(yīng)燈光區(qū)邊緣，閾值法可以簡單有效地從背景中區(qū)分出燈光。依據(jù)夜光遙感數(shù)據(jù)空間分辨率、漁船大小和作業(yè)船距估算，單個漁船誘魚燈燈光影響的像元數(shù)量一般為1～4個，而燈光輻射影響的像元個數(shù)與燈光強度和海面狀況有關(guān)，閾值選擇會直接影響識別效果。閾值法又分為固定閾值和自適應(yīng)閾值，Sezgin等[11]總結(jié)出6種閾值方法，分別是基于直方圖、聚類、熵、目標(biāo)屬性、空間與局部法。

固定閾值分割法是目前較通用的目標(biāo)識別方法，Waluda等[12-13]認為夜間遙感得到的燈光輻射來自船舶燈光和海洋表面反射的燈光2部分，采用DMSP-OLS可見光波段DN≥30（即最亮的50%）像元作為船舶燈光像元， Saitoh等[14]使用DN≥46.8來檢測太平洋上的漁船。Elvidge等[15]根據(jù)近海燈光漁船在 NPP/VIIRS 夜光遙感影像上的輻射特征，提出了基于峰值檢測和固定閾值分割的近海燈光漁船識別方法，但對于集魚燈功率較大的遠洋燈光漁船，其集魚燈所處像元的鄰近像元亦可能被大功率集魚燈照亮而具有較高的輻射值導(dǎo)致誤判。固定閾值分割主要依靠專家經(jīng)驗，具有一定的隨機性和局限性。

在信息論中，熵是對隨機變量不確定性的度量，如果將數(shù)字圖像的像素輻射值看做一組隨機變量，圖像的熵即是測量輻射級分布隨機性的一種特征參數(shù)[16] 。在圖像分割的過程中，越靠近目標(biāo)與背景的邊界，其分類的不確定性（熵）越大，最大熵閾值分割正是基于以上假設(shè)，即在分割過程中，應(yīng)盡量使目標(biāo)與背景的熵值之和達到最大[17-18]。采用最大熵法對NPP/VIIRS 夜光遙感影像進行自適應(yīng)閾值分割，避免了固定閾值分割的主觀性及不穩(wěn)定性，從而有效提高圖像閾值分割的效果和自適應(yīng)性。

遠洋燈光漁船集魚燈功率大，集魚燈照亮的周邊海域經(jīng)常會被誤判為漁船信息，通過尋找鄰近“亮點”像元中的局部輻射峰值像元，濾除因被大功率集魚燈照亮從而亦具有高輻射亮度的非燈光漁船像元，提高遠洋燈光漁船識別的準(zhǔn)確度[19]。

2.2 燈光漁船信息提取

夜光遙感數(shù)據(jù)可以提供漁船位置、分布范圍及燈光強度等信息，進一步結(jié)合其他漁業(yè)數(shù)據(jù)如漁船數(shù)量、功率以及捕撈努力量等，通過建立輻射強度（或像素數(shù)量）與漁船數(shù)據(jù)間的關(guān)系函數(shù)，獲取燈光漁業(yè)生產(chǎn)情況，用于燈光漁業(yè)生產(chǎn)管理[6，7，14-15，19]。

Waluda等[20]通過ARGOS系統(tǒng)的衛(wèi)星追蹤獲得了漁船的分布數(shù)據(jù)，并與DMSP-OLS得到的漁船位置進行比較，對燈光面積和漁船數(shù)量進行回歸分析（表2），秘魯沿海得到單船燈光面積為1.0～7.0 km2，平均為3.9 km2；秘魯專屬經(jīng)濟區(qū)外觀察到11次漁業(yè)活動，單船燈光面積為2.5～5.0 km2 ，平均為4.0 km2。

Saitoh等[14]分析了2003—2009年北海道東北部4個漁港太平洋秋刀魚漁船生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)和DMSP/OLS夜光遙感影像的相關(guān)性，得出漁船數(shù)量與燈光像元數(shù)量呈對數(shù)關(guān)系，夜光遙感影像估算得到漁船數(shù)量與漁獲量呈線性關(guān)系（表2）。Maxwell等[21]將1992—2000年南加利福尼亞海岸夜光遙感數(shù)據(jù)與魷魚船航空觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，得出燈光像元數(shù)量與魷魚船數(shù)量之間的關(guān)系（表2）。Hara等[22]得出太平洋秋刀魚漁船集魚燈光功率和DMSP/OLS燈光像元亮度值的線性關(guān)系（表2）。

Saitoh 等[14]研究發(fā)現(xiàn)日落前受日光閃爍影響，漁船數(shù)量估算偏高，而20：00到午夜是漁船透集魷魚的高峰期，選擇此時間段估算漁船數(shù)量更為精確，另外還發(fā)現(xiàn)根據(jù)Stelzenmüller 等[23]的漁船密度（每個作業(yè)區(qū)每天出現(xiàn)的漁船數(shù)量）定義，當(dāng)漁船間距超過2.5 km時，燈光影像提取的漁船數(shù)量與單位捕撈努力量漁獲量（catch per unit effort，CPUE）成反比。

3 夜光數(shù)據(jù)在燈光漁業(yè)上的應(yīng)用

3.1 燈光漁船作業(yè)漁場時空分布

漁場一般是指海洋經(jīng)濟魚類或其他海產(chǎn)經(jīng)濟動物較集中，并可以利用捕撈工具進行生產(chǎn)，具有開發(fā)利用價值的一定面積海域[24]。在夜光遙感影像上，燈光像元位置顯示漁船位置，燈光輻射強度可以反映漁船的數(shù)量及作業(yè)強度。Elvidge 等[25]利用DMSP-OLS夜光遙感數(shù)據(jù)研究了全球燈光漁船活動，結(jié)果表明，在日本周邊、泰坦灣、泰國灣、安達曼海近岸、菲律賓、沿阿根廷海域大陸架海域都有大量漁船作業(yè)，在秘魯北部、非洲南部、南加利福尼亞南部以及新西蘭附近的水域發(fā)現(xiàn)了較小的漁船群。

在西南大西洋，Waluda等[26]對1999年捕撈季節(jié)時間序列DMSP-OLS夜光遙感數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，1月，捕撈船隊主要出現(xiàn)在?？颂m群島北部海域，2月，沿著大陸架坡折向南延伸，進入阿根廷專屬經(jīng)濟區(qū)和?？颂m群島保護區(qū)西部，4月初，捕撈集中出現(xiàn)在?？颂m群島北部3處接近陸架坡折的海域，4月24日到達其分布的西南點（52°S，61°W），在?？颂m群島的水域繼續(xù)捕撈， 6月初，捕撈船隊進入阿根廷專屬經(jīng)濟區(qū)和公海，6月17日馬島的漁業(yè)結(jié)束后，船只繼續(xù)在48°S以北的阿根廷和公海水域作業(yè)，主要分布在公海（45°～ 47°S）陸架邊緣部分，在整個捕撈季節(jié)都存在大量的漁業(yè)活動。Waluda等[27]對13年的DMSP-OLS夜光遙感數(shù)據(jù)研究得到西南太平洋漁業(yè)分布年際變化，包括捕撈努力量大小及變化，漁船的空間范圍等。

Kim等[28]分析1993—2000年DMSP-OLS夜光遙感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冬季（1—3月），漁船燈光僅在韓國津島海峽附近出現(xiàn)，春季（4—6月），燈光漁船向北移動，分布范圍明顯大于冬季， 夏季（7—9月），在韓國東南海岸的烏隆島附近形成了漁場中心，10月的漁船南北分布范圍大于其他月份，并根據(jù)漁船分布范圍和數(shù)量指出9—12月是魷魚捕撈的主要季節(jié)。

在南加利福尼亞灣，Maxwell等[21]根據(jù)DMSP-OLS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)魷釣漁船從10月開始由圣羅莎和圣克魯斯群島的北岸向南岸轉(zhuǎn)移。Susanto[29]對VIIRS/DNB夜光遙感數(shù)據(jù)研究得出，萬丹板底蘭的燈光漁業(yè)主要在8—11月，漁場分布從拉達灣、萊松角、蘇木爾區(qū)、大叻灣直至巴拿馬海峽，11月捕撈船數(shù)量明顯減少，并繪制2014年8—11月燈光漁業(yè)漁場圖。

3.2 燈光漁業(yè)與海洋環(huán)境關(guān)系

魚類對海洋環(huán)境因素的適應(yīng)性和局限性決定了魚類的洄游、分布和移動。研究它們之間的關(guān)系實際上就是研究其適應(yīng)性和局限性。魚類的外界環(huán)境包括非生物性和生物性2方面。非生物性因素指不同性質(zhì)的水體、水的各種理化因子 以及人類活動所引起的各種非生物環(huán)境條件，包括溫度、光照、海流、底形、底質(zhì)和氣象等。生物因素是指棲居在一起包括魚類本身的各種動植物，它們多數(shù)是魚類的食物，有的以魚類為食，包括餌料生物、種間關(guān)系等。通過研究這些外界環(huán)境因子對魚類行為的影響規(guī)律，既可以為漁況分析、漁場探索和漁情預(yù)報等提供技術(shù)支撐，同時也為漁具、漁法的改進提供基礎(chǔ)和依據(jù)[22]。

通過分析夜光遙感信息可以得到漁業(yè)活動發(fā)生的時間、位置及空間變化信息，結(jié)合海洋環(huán)境和氣象資料，可以了解漁業(yè)活動對海洋環(huán)境要素、動力過程以及各氣象要素的響應(yīng)。Cho 等[30]研究發(fā)現(xiàn)船隊大多位于冷暖流交界處的冷水一邊。Kiyofuji等[31]根據(jù)DMSP/OLS得出的魷釣分布將日本海分為7個區(qū)域，這些區(qū)域與一些海洋學(xué)特征相對應(yīng)（如：位于40°N的極地鋒面，對馬暖流和暖渦），成為日本魷魚遷徙研究的重要途徑。Waluda等[32]從夜光遙感影像上發(fā)現(xiàn)，秘魯漁場燈光漁船作業(yè)位置與上升流存在相關(guān)性。Maxwell等[20]用由夜光數(shù)據(jù)獲得的漁船燈光作為捕撈努力量的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)捕撈努力量和單位捕撈努力漁獲量在1997—1998年厄爾尼諾期間顯著下降，之后增加。Susanto[29]發(fā)現(xiàn)11月VIIRS/DNB影像上燈光漁船數(shù)量減少，并從近海向深海移動，認為這一現(xiàn)象與巽他海峽風(fēng)引起板底蘭海域大浪有關(guān)，指出8—11月季風(fēng)對水團產(chǎn)生影響，引起海表營養(yǎng)鹽的變化，影響燈光漁業(yè)的目標(biāo)魚類，從而導(dǎo)致漁場變化。

3.3 漁業(yè)管理上的應(yīng)用

夜光遙感可以提供全球各海域的燈光漁業(yè)信息，不受區(qū)域限制，有助于實現(xiàn)跨區(qū)域作業(yè)海域漁業(yè)監(jiān)督與管理，可為全球海洋漁業(yè)管理提供有效數(shù)據(jù)來源。 Straka等[1]利用VIIRS/DNB夜光遙感數(shù)據(jù)研究了我國東海特定海域捕撈的季節(jié)變化和作業(yè)頻率，結(jié)果顯示休漁期期間漁船燈光幾乎消失，從側(cè)面反映休漁的實施效果。Cozzolino等[34]將VIIRS/DNB夜光遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于專屬經(jīng)濟區(qū)外國漁船識別方面，通過比較本國漁船和外國漁船的燈光強度，達到區(qū)分本國漁船和和外國漁船的目的。Ito等[34]對比了日本和韓國在達成共同漁區(qū)漁業(yè)協(xié)議前后的夜光遙感圖像，發(fā)現(xiàn)漁業(yè)協(xié)議有效控制了該地區(qū)漁船的作業(yè)分布。

4 小結(jié)

夜光遙感技術(shù)通過探測器的光放大能力可以識別海面上微弱的漁船燈光，在太平洋燈光漁業(yè)特別是魷釣漁業(yè)中得到了應(yīng)用，可以獲取漁場位置、漁船數(shù)量、漁船作業(yè)遷移特征等信息，這些信息可以幫助科學(xué)家在全球范圍內(nèi)確定過度捕撈區(qū)，并滿足管理部門進行遠洋燈光漁船日常監(jiān)測的需求，為進一步評估遠洋燈光漁業(yè)捕撈努力量、遠洋燈光漁業(yè)信息化管理以及打擊非法、未申報和無管制的捕撈活動提供技術(shù)支持。

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