錢 靜 ，李佳俊，陳作志, ，馬勝偉，張 鵬，邱永松，蔡研聰

1. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306

2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)可持續(xù)利用重點實驗室，廣東 廣州 510300

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室 (廣州)，廣東 廣州 511458

受過度捕撈、環(huán)境污染等因素影響，南海近海的主要傳統(tǒng)經(jīng)濟魚類已逐漸衰退[1]。但南海外海仍蘊含著豐富的中上層漁業(yè)資源，其中的代表種類為鳶烏賊 (Sthenoteuthis oualaniensis)、黃鰭金槍魚(Thunnus albacares)、扁舵鰹 (Auxis thazard)、長體圓鲹 (Decapterus macrosoma) 等。南海漁船的傳統(tǒng)捕撈作業(yè)方式主要包括底拖網(wǎng)、流刺網(wǎng)、圍網(wǎng)和釣具等[2]；大型燈光罩網(wǎng)是近年來興起的一種重要漁具，捕撈對象以頭足類和趨光性魚類為主。與底拖網(wǎng)相比，大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)對海底破壞小[3]；相較于燈光圍網(wǎng)，大型燈光罩網(wǎng)操作簡單、技術(shù)要求低[4]。對大洋性中上層漁業(yè)資源具有較好的捕撈效率，大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)已逐漸發(fā)展成為南海中南部海區(qū)的主要作業(yè)類型。發(fā)展南海外海大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)有助于其漁業(yè)資源的開發(fā)及可持續(xù)利用[5-6]。

船舶監(jiān)控系統(tǒng) (Vessel monitoring system, VMS)可將漁船的位置、航向、航速等數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)桨渡系谋O(jiān)控中心，實現(xiàn)對漁船的高效監(jiān)測。2000年由我國自主研發(fā)的北斗船位監(jiān)控系統(tǒng)率先在南海應(yīng)用于漁船監(jiān)控，2006年完成了在南沙海區(qū)作業(yè)漁船的北斗衛(wèi)星船載終端設(shè)備安裝，至2020年底，南海三省區(qū)中大型漁船已經(jīng)全部納入監(jiān)控范圍[7]。北斗VMS的發(fā)展為南海漁船管理提供了新手段[8]。

此前，我國對南海大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)的研究普遍基于單一或少數(shù)漁船的漁撈日志。張鵬等[9]根據(jù)漁船的生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了南海區(qū)大型燈光罩網(wǎng)的漁場、漁期和漁獲組成，鄒建偉等[10]利用廣西漁船研究南海大型燈光罩網(wǎng)主要漁場的分布及變動，謝恩閣等[11]利用漁船單位捕撈努力量漁獲量(Catch per unit effort, CPUE)評估了南海漁業(yè)資源豐度。近年來，隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，馮波等[12]利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的短信功能收集燈光罩網(wǎng)船漁業(yè)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于南海漁業(yè)資源的評估?，F(xiàn)階段，Joo等[13]使用VMS數(shù)據(jù)與聚類分析方法，分析了秘魯鳀 (Engraulis ringens) 圍網(wǎng)漁船的軌跡，研究其漁場動態(tài)；Lambert等[14]將VMS數(shù)據(jù)與軌跡插值的預(yù)測結(jié)果進行比較，分析拖網(wǎng)漁船捕撈強度。近年來國內(nèi)也開始運用北斗船位數(shù)據(jù)研究漁業(yè)，例如利用北斗船位數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測與分析了海南省和江蘇省漁船的航次動態(tài)[15-16]；提取和驗證了流刺網(wǎng)漁船作業(yè)網(wǎng)次和方向[17]；研究了拖網(wǎng)漁船作業(yè)時長的時空變化以及作業(yè)強度的變動等[18]，但利用VMS對南海大型燈光罩網(wǎng)漁船的研究較少。北斗船位監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用為南海外海漁業(yè)資源評估與管理提供了新途徑，本文利用北斗船位數(shù)據(jù)對南海大型燈光罩網(wǎng)漁船進行研究，監(jiān)測南海燈光罩網(wǎng)漁船的生產(chǎn)情況，以加強對大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)的認(rèn)識，有效地管理南海漁業(yè)捕撈活動，合理規(guī)劃漁業(yè)生產(chǎn)，保護南海漁業(yè)資源。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所南海漁業(yè)戰(zhàn)略研究中心收集了南海三省區(qū)漁船的北斗VMS數(shù)據(jù)，空間分辨率約為10 m，時間分辨率約為3 min。記錄內(nèi)容包括漁船名稱、定位時間、經(jīng)緯度、航速、航向等相關(guān)信息。本研究基于北斗VMS系統(tǒng)所獲取的2018年南海三省區(qū)共121 艘大型燈光罩網(wǎng)漁船 (其中廣西、海南和廣東分別有55、55 和11 艘) 在南海全年的記錄。

1.2 漁船作業(yè)天數(shù)計算

篩選整月船速不為0，漁船位置有變化，每月VMS數(shù)據(jù)多于1 000條，且在南海區(qū)域作業(yè)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出2018年12個月每月出海作業(yè)的最大漁船數(shù)量及作業(yè)天數(shù)。

1.3 漁船位置數(shù)據(jù)提取

本研究獲取121艘大型燈光罩網(wǎng)漁船2018年的全年船位數(shù)據(jù)，利用Matlab R2016 a 軟件對獲取的船位數(shù)據(jù)中的時間、航速、漁船經(jīng)緯度等信息進行篩選處理。若船只在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，則將該組船位數(shù)據(jù)標(biāo)記為捕撈作業(yè)點。因大型燈光罩網(wǎng)漁船主要作業(yè)時間在天黑以后 (19:00前后) 至次日05:00前后，且作業(yè)時段停機漂流 (船速保持在0～2 kn)。燈光罩網(wǎng)漁船一晚可作業(yè)10～12網(wǎng)次，每個網(wǎng)次作業(yè)位置可能發(fā)生變化，產(chǎn)生多個離散的船位點[19]，除第一網(wǎng)次用時較長外，其余網(wǎng)次作業(yè)時長在30 min以內(nèi)。因此本研究采用平均中心算法對每天凌晨01:00時船速小于3 kn且每月作業(yè)超過5 d的南海燈光罩網(wǎng)漁船位置的經(jīng)緯度進行計算，處理得到的坐標(biāo)位置通過ArcGIS 10.6軟件進行標(biāo)點，繪出12個月121 艘漁船的分布熱圖。

1.4 漁船分布重心計算

在二維平面空間計算分布重心，其空間位移的方向、路徑能夠反映漁場變化的基本特征。其計算公式如下[20]：

式中： (x ,y) 代表漁船分布重心坐標(biāo)；(xi,yi)(i=1,2,...,n)代表漁船平面離散點坐標(biāo)。

2 結(jié)果

2.1 漁船船位信息特點

本研究對目標(biāo)漁船2018年接收到的8 821 681條漁船監(jiān)測信息進行挖掘與分析，提取其作業(yè)天數(shù)。對比2018年各月南海的大型燈光罩網(wǎng)漁船數(shù)量 (圖1) 和作業(yè)天數(shù) (圖2)，發(fā)現(xiàn)大型燈光罩網(wǎng)漁船在南海全年均有作業(yè)；其中3—5月是主要生產(chǎn)季節(jié)，接收到了88%以上的船位數(shù)據(jù)，且每月平均作業(yè)天數(shù)超過 (24±2.5) d·船?1；6—8 月由于是休漁期，漁船生產(chǎn)受到影響，僅接收到約35%的船位數(shù)據(jù)，且每月平均作業(yè) (24±0.8) d·船?1；9—11月休漁期結(jié)束，但南海秋季海面風(fēng)浪大，作業(yè)環(huán)境惡劣，接收到約48.5%的船位數(shù)據(jù)，且每月平均作業(yè) (27±0.5) d·船?1；冬季12月—翌年2月接收到約53.7%的船位數(shù)據(jù)，且每月平均作業(yè) (23±2.8) d·船?1。

圖1 2018年從漁船監(jiān)測信息獲取的每月最大漁船數(shù)量Fig. 1 Monthly maximum number of fishing vessels obtained from vessel monitoring information in 2018

圖2 2018年每月漁船作業(yè)天數(shù)分布Fig. 2 Monthly fishing days of fishing vessels in 2018

2.2 VMS信息接收頻次

北斗VMS時間分辨率理論值為3 min，理論上每艘船每天可發(fā)送480 條船位信息。提取漁船作業(yè)數(shù)據(jù)并取平均值，可以發(fā)現(xiàn)實際值與理論值存在一定差異 (圖3)。121 艘船中有51 艘發(fā)送數(shù)量高于理論平均值，其余70 艘明顯低于理論平均值。其中平均每天發(fā)送信息最高值可達(dá)873 條，最低值僅70 條，差距明顯 (圖4)。由于121 艘漁船分別來自南海三省區(qū)，通過對比這三省區(qū)漁船平均每天發(fā)送VMS信息數(shù)據(jù)量發(fā)現(xiàn)，廣西漁船每天發(fā)送VMS信息數(shù)量平均值 (547條) 多于廣東 (318條)，而海南最少 (184條)。

圖3 2018年每船北斗船位數(shù)據(jù)日發(fā)送量月平均值Fig. 3 Monthly average of number of Beidou VMS transmission per vessel per day in 2018

圖4 121艘船平均每船每天發(fā)送VMS數(shù)據(jù)的次數(shù)Fig. 4 Average number of VMS transmission per vessel per day of 121 vessels

2.3 繪制分布圖

1月 (48艘，1 040 d)和2月 (34艘，725 d) 漁船數(shù)量較少且作業(yè)位置較分散，漁船分布在中、西沙海域；3月 (109艘，2 052 d) 和4月 (119艘，2 764 d) 作業(yè)區(qū)域達(dá)到最大且密集，漁船開始向南延伸，到達(dá)南沙群島附近海域，且作業(yè)區(qū)域較為集中；5—7月作業(yè)船數(shù)和天數(shù)明顯減少，在7月僅有27艘船作業(yè)580 d，且位置分散；8月漁船數(shù)量開始有所回升，作業(yè)漁船為54艘 (1 086 d)，9月漁船重心開始從南海外海向北偏移，集中在萬山、珠江口一帶以及東沙群島海域；10—12月 (約55艘，約1 200 d) 漁船較為集中在北部灣以及中、西沙群島海域 (圖5)。

圖5 南海大型燈光罩網(wǎng)漁船每月分布熱圖Fig. 5 Monthly distribution of large-size light falling-net vessels in South China Sea

2.4 主要漁場漁船分布

根據(jù)研究經(jīng)驗所得，漁船分布明顯分為4塊區(qū)域 (圖 6)。I區(qū)：14°N—19°N、109°E—116°E，中、西沙臨近海域；II區(qū)：19°30′N —23°N、111°E—116°E，珠江口外大陸架海域；III區(qū)：17°N—21°N、106°E—109°E，北部灣大陸架海域；IV 區(qū)：4°N —11°55′N、109°30′E —118°E，南沙附近海域。經(jīng)過統(tǒng)計篩選漁船作業(yè)天數(shù)，繪制出一年內(nèi)不同月份漁船在4個漁區(qū)的對比圖 (圖7)。1—2月、10—12月漁船在I區(qū)的作業(yè)天數(shù)最多，其中1月(625 d)、11 月 (620 d) 和 12 月 (725 d) 均超過本月作業(yè)天數(shù)的50%。3—5月IV區(qū)的作業(yè)天數(shù)開始驟升，并在4月 (1 243 d) 達(dá)到最多，占全年在IV區(qū)作業(yè)天數(shù) (4 682 d) 的26.5%。8—9月II區(qū)的作業(yè)天數(shù)開始增加，其中9月II區(qū)作業(yè)天數(shù) (532 d) 接近本月 (1 077 d) 50%。8、10、11和12月均存在兩個明顯的作業(yè)漁場，其中8月在I和IV區(qū)，10—12月在I和III區(qū)。

圖6 南海大型燈光罩網(wǎng)作業(yè)漁區(qū)Fig. 6 Large-size light falling-net vessels fishing areas in South China Sea

圖7 不同漁區(qū)每月作業(yè)天數(shù)Fig. 7 Monthly number of fishing days of different fishing area

本文采用系統(tǒng)聚類法，利用SPSS 22.0軟件選擇以最短距離作為類間的距離，平方Euclidean距離為樣本之間的距離，對不同漁區(qū)每月作業(yè)天數(shù)進行聚類分析，結(jié)果見圖8。12個月的相似程度聚類比較明顯，可初步分為三大類。第一類是1—2月和10—12月；第二類是3—7月，其中又可細(xì)分為3—5月和6—7月；第三類是8—9月。結(jié)合漁船位置熱圖分析，1—2月和10—12月漁場位置中心在中、西沙海域，3—7月在南沙群島海域；8—9月在珠江口外海海域。

圖8 漁船分布聚類圖Fig. 8 Cluster diagram of fishing vessel distribution center

3 討論

3.1 大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)發(fā)展

燈光罩網(wǎng)漁船系20世紀(jì)90年代初由廣東漁民在傳統(tǒng)的燈光圍網(wǎng)漁船基礎(chǔ)上改裝而來的一種新型漁船。其主要捕撈對象為藍(lán)圓鲹 (Decapterus maruadsi)、扁舵鰹、中國槍烏賊 (Uroteuthis chinensis) 等趨光性魚類和頭足類[21]。燈光罩網(wǎng)漁船2004年春季在中、西沙海域探捕鳶烏賊獲得了成功，自此前往南海外海的大型燈光罩網(wǎng)漁船逐年增加，并逐漸由南海北部向中南部轉(zhuǎn)移，2011年燈光罩網(wǎng)漁船開始大規(guī)模開發(fā)南沙[10]。燈光罩網(wǎng)漁船具有網(wǎng)具結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、捕撈效率高及對環(huán)境破壞小等優(yōu)勢，在政策的鼓勵和扶持下得到快速發(fā)展，成為南海中上層魚類捕撈的主要作業(yè)方式[22-23]。

與2005—2010年漁船作業(yè)海域相比，近10年來大型燈光罩網(wǎng)漁船在南海外海的生產(chǎn)范圍越來越廣，幾乎覆蓋了整個南海外海。除之前的中、西沙鄰近深水海域、珠江口外大陸架及北部灣[9]外，當(dāng)前又增加了南沙附近海域。本研究表明，與2005—2010年相比，當(dāng)前的分季節(jié)作業(yè)海域也發(fā)生了明顯改變，12月—翌年2月主要作業(yè)區(qū)域從珠江口外大陸架[24]轉(zhuǎn)向中、西沙附近海域；3—5月主要作業(yè)區(qū)域從中、西沙海域逐漸向南沙海域轉(zhuǎn)移。這是由于2010年之前燈光罩網(wǎng)漁船多為木船，技術(shù)裝備落后，絕大多數(shù)罩網(wǎng)漁船只能在離港較近的海域作業(yè)。但是隨著新型大型鋼質(zhì)漁船的發(fā)展，續(xù)航時間和抗風(fēng)能力增強，大型燈光罩網(wǎng)漁船的作業(yè)區(qū)域向南延伸，且作業(yè)天數(shù)也有所增加。

南海大型燈光罩網(wǎng)漁船出海作業(yè)受到季風(fēng)、臺風(fēng)、休漁、春節(jié)等多種因素影響。分析大型燈光罩網(wǎng)漁船全年的空間分布，可以在一定程度上認(rèn)識漁船的季節(jié)性分布規(guī)律[25]。南海夏季 (6—8月) 受西南季風(fēng)影響，秋季 (9—11月) 西南季風(fēng)自北向南撤離，冬季 (12月—翌年2月) 受東北季風(fēng)影響。2018年全年大型燈光罩網(wǎng)漁船作業(yè)強度春季(38.87%) >秋季 (23.71%)>冬季 (22.05%)>夏季(15.36%)。春季是南海大型燈光罩網(wǎng)漁船分布最密集且最廣的季節(jié)，主要集中分布于中、西沙海區(qū)，且一直向南延伸到南沙群島附近。夏季是大型燈光罩網(wǎng)漁船作業(yè)的低谷期；其中6—7月南海近海幾乎無漁船作業(yè)。由于實施伏季休漁制度，2018年自5月1日12時起至8月16日12時，12°N至“閩粵海域交界線”的南海區(qū)域 (含北部灣) 休漁[26]。但12°N以南仍可作業(yè)，因此南海外海在6—7月仍有少量漁船分布。在休漁期結(jié)束后，漁船開始出港作業(yè)，除了在南海外海，8月在沿海一帶也有漁船分布。秋季南海大型燈光罩網(wǎng)漁船受到臺風(fēng)“山竹”“圓規(guī)”“玉兔”等的影響開始由外海向珠江口一帶、東沙群島附近以及北部灣集中。相較于春、秋季，冬季是漁船分布最少的季節(jié)。12月—翌年1月受冷空氣影響，海上風(fēng)浪大，多數(shù)漁船會選擇在近海作業(yè)甚至停產(chǎn)，?？看a頭進行休整。2月除了冷空氣影響漁船出港作業(yè)外，恰逢中國春節(jié)，漁船出海作業(yè)也偏少。

3.2 基于北斗VMS的大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)監(jiān)測

隨著現(xiàn)代漁船監(jiān)測方法的快速發(fā)展，對大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)數(shù)據(jù)的獲取有不同的方式。目前有VMS、自動識別系統(tǒng) (AIS)、電子監(jiān)測系統(tǒng) (EMS/e-monitoring)、合成孔徑雷達(dá) (SAR)和夜間衛(wèi)星(Nightly satellite) 等方法 (表 1)。

表1 5種船舶監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于南海的比較Table 1 Comparison of five ship monitoring systems in South China Sea

比較以上幾種獲取漁業(yè)數(shù)據(jù)的方法發(fā)現(xiàn)，基于北斗漁船船位數(shù)據(jù)對南海大型燈光罩網(wǎng)漁船進行監(jiān)測有明顯優(yōu)勢[27]。北斗VMS數(shù)據(jù)具備實時性強、全天候、自動化獲取等優(yōu)勢，使其可有效服務(wù)于漁業(yè)精細(xì)化管理。AIS設(shè)備可分為Class A和Class B[28]，目前我國漁船安裝的AIS設(shè)備均為Class B。與Class A相比，Class B廣播頻次較低且信號傳輸距離也更短。故此，我國漁船AIS在南海外海無信號，無法利用AIS研究南海外海漁業(yè)。EMS數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)填寫不規(guī)范以及填寫不實等情況。SAR通常覆蓋的區(qū)域相對有限，船只身份無法從圖像中直接確定。夜間衛(wèi)星通常只有在使用非常明亮的燈光吸引漁獲物時漁船才能被檢測到；并存在云層、衛(wèi)星觀測天頂角、海上石油平臺等對監(jiān)測的干擾[29]?；谖覈灾餮邪l(fā)的北斗船位監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)保密性好，準(zhǔn)確性高且范圍廣，還可以彌補電子漁撈日志的延時性以及耗費人力物力大的不足[30]。

然而北斗VMS仍存在不足。僅通過船位數(shù)據(jù)的航速、航向等信息，并不能判斷燈光罩網(wǎng)漁船作業(yè)情況；同時，北斗終端只有在開機的情況下才能獲取船位數(shù)據(jù)，在運行中可能存在設(shè)備故障、供電不足、信號干擾、人為關(guān)閉等一些情況，會直接影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。本研究在對比南海三省區(qū)漁船VMS數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)不同省區(qū)接收數(shù)據(jù)頻次存在差異。由此推測不同省區(qū)漁船在海上作業(yè)時可能受到船員操作習(xí)慣以及不同省區(qū)對漁船管理方式的影響[31]。根據(jù)我國相關(guān)政策，漁船在12°N以南海域航行作業(yè)期間，除正常享受國內(nèi)海洋捕撈漁船油價補貼外，還享受特定水域作業(yè)漁船專項油價補貼。因此漁船會在外海打開北斗VMS，向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)，證明其在外海作業(yè)。除該原因外，漁船在近岸更傾向使用北斗短報文、衛(wèi)星電話、超短波等傳輸信息。這些技術(shù)相較于北斗VMS而言更加便捷、便宜。以上原因會使北斗船位監(jiān)控系統(tǒng)在外海記錄消息的效率明顯優(yōu)于近岸。

需要注意的是，本文通過單船每日平均記錄數(shù)據(jù)次數(shù)來反映北斗船載終端的開機情況，但如果漁船作業(yè)時關(guān)閉船載北斗終端，可能會影響統(tǒng)計漁船出海數(shù)量以及出海位置分析。月相對北斗開機也有一定影響。晏磊等[32]研究發(fā)現(xiàn)月相對南海燈光罩網(wǎng)漁船作業(yè)有顯著性影響，相較于月黑天 (初一至初七、廿三至三十)，漁船在月光天 (初八至廿二)的作業(yè)產(chǎn)量下降，尤其在滿月天 (正月十五)，少數(shù)漁船會不作業(yè)。本文忽略滿月期間漁船不作業(yè)的情況，因此將VMS記錄天數(shù)作為漁船作業(yè)天數(shù)會造成漁船作業(yè)天數(shù)偏高。

4 小結(jié)

本文以南海大型燈光罩網(wǎng)漁船為研究對象，基于北斗船位數(shù)據(jù)提取時間、航速、漁船經(jīng)緯度等信息，整理得出2018年在南海作業(yè)的121 艘大型燈光罩網(wǎng)漁船每月作業(yè)天數(shù)分布以及VMS信息接收情況，并且根據(jù)漁船船位數(shù)據(jù)，簡要分析了南海大型燈光罩網(wǎng)漁船的位置分布，得出南海大型燈光罩網(wǎng)漁船分布的季節(jié)性變化及作業(yè)強度為春>秋>冬>夏。根據(jù)大量離散船位點大致找到漁船分布重心點，并且根據(jù)離散船位點的變化可以觀察其分布重心點的偏移。研究表明基于北斗船位數(shù)據(jù)對南海大型燈光罩網(wǎng)漁業(yè)開展研究是可行的。但本研究仍存在一定不足，由于僅基于單年單一方式的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)可能存在偶然性和片面性。今后可以對南海大型燈光罩網(wǎng)漁船進行更精細(xì)的研究，例如將收集大型燈光罩網(wǎng)漁船信息的方法結(jié)合應(yīng)用對漁場進行預(yù)測分析，研究氣候變化對漁場中心的影響等，進一步提高研究的全面性，為南海漁業(yè)發(fā)展提供更加科學(xué)的參考。