以VIIRS-DNB数据为基础的黄海渔船夜间灯光动态
陈冠宇，刘阳*，田浩，叶振江，于海庆，李建超，田永军(中国海洋大学水产学院，渔业海洋学实验室，山东青岛 266003)
摘要：将VIIRS/DNB卫星遥感夜间灯光图像作为研究渔业船舶动态的数据来源，使用黄海海域2016年间共719幅夜间灯光影像，根据黄海海域特点确定阈值，提取夜间作业船舶的灯光点位信息，结合中韩渔业协定区及黄海海域渔场划分对提取的船舶灯光点进行分析。结果显示，黄海海域夜间渔业灯光分布季节性变化显著，四季的渔船数量呈现秋季>春季>夏季>冬季的态势。识别的灯光点数量韩方一侧水域最多，中方一侧水域次之，中韩协定区水域最少，结合灯光点密度分布图可看出，韩方一侧水域秋季作业强度高、分布范围广，而其他季节作业强度适中，常年有高等级密集区分布在沿岸海域；中方一侧水域春、秋季节作业强度高，夏、冬季节作业强度低，整体分布范围广阔但密集程度较低。在禁渔期，中方一侧水域灯光点数下降比例高达86.9%，且密度图像中的高等级密集区分布情况与黄海传统渔场位置相吻合，因此推断，识别的灯光点多数为渔业活动船只，本研究可以为黄海海域渔业活动监测和研究提供数据支撑。
关键词: 夜间灯光遥感；渔船动态；VIIRS/DNB；渔业资源；黄海
中图分类号: S 937文献标志码: A
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黄海位于中国大陆与朝鲜半岛之间，是一处半封闭海域，面积约38万km2。作为中国海洋渔业开发最早的渔区之一，黄海是我国十分重要的渔业捕捞水域，也是许多海洋生物的重要产卵场、育幼场、索饵场和越冬场[1]。从二十世纪50年代到二十一世纪初期，黄海渔业资源经历了开发不充分、充分开发、过度开发3个阶段，几十年间许多大型中上层鱼种在捕捞压力下迅速衰退甚至消失，取而代之的是一些生命周期短、经济效益低的鱼类[2-3]。如何可持续地利用黄海渔业资源，已经成为当前渔业管理部门关注的主要问题[4-5]，完善渔业资源的分配与管理制度，缓解当前困境，亟需高质量的渔业活动数据支持。
由于海洋范围广阔，渔业生产数据的获取受地理条件、气候条件等因素制约，渔船作业信息难以实时把握。目前渔业作业数据获取方式主要来自船舶监测系统(Vesl Monitoring Sys-tem, VMS)及船舶自动识别系统(Automatic Identi-fication System, AIS)，二者皆可提供实时的渔船位置信息，但部分渔船在作业时会暂时关闭来自监测系统的传输信号，这将导致得到的渔船作业信息不全面，渔业管理无法有效实施[6-7]。为了弥补现有监测方式的不足，本研究将遥感夜间灯光数据应用在渔船活动监测中，希望使用这种新手段协助渔业管理部门掌握渔船动态，并且对管理非法、未申报、无管制(Illegal, Unreg-ulated, Unreported, IUU)的渔业行为提供有质量的数据支持[8]。
从1994年开始，美国国防气象卫星计划(Defen Meteorological Satellite Program, DMSP)的线性扫描系统(Operational Linescan System, OLS)
文章编号: 1000-0615(2020)06-1036-10水产学报
,
matahariku 2020, 44(6): 1036−1045
JOURNAL OF FISHERIES OF CHINA
DOI: 10.11964/jfc.20190411759
收稿日期：2019-04-24 修回日期：2019-06-21
资助项目：国家重点研发计划(2018YFD0900902)；山东省重点研发计划(2019GHY112014)；中央高校基本科研经费(201762015)
通信作者：刘阳，E-mail：Yangliu315@ouc.edu
被应用于早期的夜光遥感相关研究中，DMSP/OLS 持续收集全球微光影像数据长达40多年，且目前仍在使用[9-10]。虽然应用广泛，但DMSP/OLS仍有许多不足，例如粗糙的空间分辨率(2.7 km)、缺少用来区别不同热源的光谱通道、光谱覆盖范围较小(0.47~0.95 μm)、缺乏飞行校准等[11]。随着遥感领域科技的发展，2011年Suomi NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)卫星发射升空，Suomi NPP是一颗近极地太阳同步轨道卫星，卫星上共搭载了5种传感器，光谱覆盖范围505~890 nm[12]，可见光红外辐射仪(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite, VIIRS)便是其中之一[13]，VIIRS 共有22个光谱波段，其中DNB(Day/Night Band)波段的光谱空间分辨率为742 m，具有超高灵敏度的微光识别能力，能够在夜间精准捕捉渔船位置信息。
一直以来，夜光遥感影像广泛应用在各个领域，Cho等[14]1992年使用日本渔业信息中心(JAFIC)的数
据验证了无云状况下DMSP/OLS提取的夜间灯光位置信息可用来监测夜间船舶位置；Liu等[15]通过对比VMS的数据，证明了VIIRS/DNB 数据可以有效识别海上的灯光渔船，且识别出的渔船数量要超过VMS；2013年美国国家气象局使用VIIRS/DNB数据提供导航，帮助受困于冰层中的阿拉斯加捕蟹船安全返航[16]；Cozzolino等[17]使用2014—2016年的VIIRS/DNB夜间灯光数据提取阿根廷附近海域的鱿钓船位置信息，并对渔船重点空间密集区域进行探讨。
因此，本研究使用VIIRS/DNB夜间灯光数据，针对黄海海域渔业生产船舶分布星散、夜间作业光照强度不规律等特征开发了一套提取黄海海域夜间作业渔船灯光点的数量和位置的新方法，并分析夜间灯光点的时空分布及季节性变化，为我国渔业资源管理与监测提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 数据来源
本研究使用的是Suomi NPP卫星VIIRS/DNB 波段的夜间灯光数据，数据来源于美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)下属的综合性大型阵列数据管理系统(COMPREHENSIVE LARGE ARRAY-DATA STEWARDSHIP SYSTEM, CLASS)，数据来源网站：www.aa.gov/saa/products/welcome。本研究共下载处理了NPP-VIIRS/DNB夜间灯光图像719幅，数据空间范围为119°30~128°00′ E, 32°10′~40°10′ N，覆盖全部黄海海域。时间跨度
为2016年1月1日—2016年12月31日，时间分辨率为每天，截取时间段集中在当地时间23:00—24:00。为方便分析黄海海域船舶夜间灯光点时空分布规律，本研究依据《中韩渔业协定》[18]及国家海洋局《全国海洋功能区划》分别对黄海海域进行了区划[19]，数据处理过程如图1所示。1.2 研究方法
数据预处理 在ENVI 5.3软件的支持下将原始图像(.h5格式)初步加工，提取出辐射强度、地理空间坐标信息，之后利用GLT(Geographic Lookup Table)工具进行几何校正，为辐射强度图像中的每一像元匹配经纬度坐标后输出栅格文件。由于扫描角度的变化，扫描带的边缘噪声较扫描带中部噪声高，选用维纳滤波对DNB影像进行降噪处理。维纳滤波通过拟合目标像素3×3邻域内点辐射值的均方差，依据最小方差准则可以有效地滤除白噪声[20]。
阈值确定 夜间船舶的灯光以光源为中心逐渐向四周辐射，中心的辐射强度最高，距离光源越远，辐射强度越弱[21]。为增强对比度，将原始辐射值统一乘以109，DNB数据的原始辐射单位为W/(cm2·sr)，放大辐射值使单位转换为nW/(cm2·sr)[8]，该方法能够有效突出灯光点与背景像元之间的差异。之后将各像元的辐射值同周围3×3邻域内像元的辐射值进行对比，保留辐射值最高的像元，以此作为该邻域阈值，直接去除低于阈值的像元，高于阈值则标记为灯光点。最后使用经验阈值，将所有辐射值低于0.3 nW/(cm2·sr)的像元定义为背景再次去除[22]，提取结果以shp格式文件输出。
虚警因子剔除 经阈值提取后的灯光点不仅包含研究需要的船舶灯光，还包含其他高于阈值的光源，例如在夜间出现的闪电、海上油田的火点等。在DNB图像中，闪电呈现为水平照明带，由一些连续的高亮度像元组成，易于分辨，可在图中直接剔除；对于海上油田火点，在DNB图像上的呈现方式为长时间无任何地理位置变动的高亮度识别点，可用栅格掩膜将该点位覆盖。来自非渔业船舶的干扰主要出现在近岸海域，同样在近岸的锚地及主要航道处设置栅格掩膜，剔除掩膜覆盖范围内的灯光
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点，去除非捕捞相关航运活动的干扰[23]。
图像分析 根据2001年6月30日达成的《中韩渔业协定》[18]，将黄海海域划分为中方一侧水域、渔业协定区水域及韩方一侧水域，之后提取出各水域的灯光点制成图表进行季节性分析。根据《全国海洋功能区划》[19]将黄海海域划分为13个渔区(图2)，使用ArcGIS 10.2.2软件的密度分析工具对识别点进行密度分析。点密度分析即以每个像元为中心设定一个邻域范围，将邻域内的点数量相加，然后再除以邻域面积，得到的数值为点的密度系数。为便于分析各月份密度变化规律，在计算各月份点密度系数时选定相同的邻域半径，研究设定邻域为圆形，半径为0.32 km ，可以覆盖该区域超过80%的灯光点。
bai钬哾u2 结果
2.1 基于渔业协定区的夜间灯光季节性对比
本研究依据《中韩渔业协定》[18]，将提取到的灯光点数据进行了分区，由于DNB 信号不具备穿透云层的能力，在探测海表灯光时容易受到云雾的遮挡[24]。为排除云雾的干扰，选择云层覆盖面积低于30%的日期保留为有效日，并将全部非有效日的灯光数量标记为空白。结果显
示，中方一侧水域共保留有效日136 d ，灯光点数45 298个(图3)；协定区水域保留有效日130 d ，灯光点数19 351个(图4)；韩方一侧水域保留有效日145 d ，灯光点数72 397个(图5)，各水域平均月灯光点数折线图如图6所示。
三个水域夜间灯光季节性分布特征明显，高灯光数量时期为春季(3—5月)与秋季(9—11月)，夏季(6—8月)与冬季(12—2月)是灯光活动的弱势期，黄海海域夜间灯光数量分布整体符合秋季>春季>夏季>冬季的趋势。年平均灯光点数协定区最少，平均为169个/d ；韩方一侧水域最多，平均为518个/d ，约为协定区的3倍；中方一侧水域平均为365个/d ，约为协定区的2倍。
韩方一侧水域11月份日平均灯光点数最高，为784个/d ，2月份船舶密度最低，平均为224个/d ；中方一侧水域9月份船舶密度最高，7月份密度最低，平均值分别为768和65个/d ；渔业协定区10月份密度最高，6月份密度最低，平均值分别为381和19个/d 。从季节变化来看，韩方一侧水域全年灯光数量最高的季节为秋季，其余3个季节灯光点数量极其相似，波动不明显；中方一侧与协定区水域的灯光点
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数量季节性波动相同，秋季最高、夏季最低，都具有明显的双峰周期
118°120°122°124°126°128°E
1
23
4
7日语n1报名
6
5
8
910
individual1112
13
陆地 land
中韩渔业协定区Sino-South Korea
fisheries agreement zone 渔区分界线
fishing zone boundary
图 1 黄海渔区分布
1. 海洋岛渔场，
2. 海东渔场，
3. 烟威渔场，
4. 威东渔场，
5. 青海渔场，
6. 石岛渔场，
7. 石东渔场，
8. 海州湾渔场，
9. 连青石渔场，10. 连东渔场，11. 吕泗渔场，12. 大沙渔场，13. 沙外渔场
Fig. 1 Yellow Sea fishing area distributionraj
1. Haiyangdao fishing ground,
2. Haidong fishing ground,
3. Yanwei fishing ground,
4. Weidong fishing ground,
5. Qinghai fishing ground,
6. Shidao fishing ground,
7. Shidong fishing ground,
8. Haizhou bay fishing ground,
9. Lianqingshi fishing ground, 10. Liandong fishing ground, 11. Lüsi fishing ground, 12. Dasha fishing ground, 13. Shawai fishing ground
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熟能生巧英文图 2 技术路线图
Fig. 2 Technical route
图 3 2016年中方一侧水域灯光点数
Fig. 3 2016 nightlight points in Chine waters
图 4 2016年中韩协定区水域灯光点数
Fig. 4 2016 nightlight points in Sino-South Korea fishery agreement waters
分布特征。2.2 夜间灯光热点分布
为进一步分析黄海海域作业渔船的生产强度，本研究结合渔场分布情况，使用密度分析方法分析黄海夜间灯光空间变化规律，制作出灯光点密度分析图(图7)。用于制作密度分析图的数值为邻域范围内的点同邻域面积的比值，位于极值处的端点较多，为平衡显示中间值变化与极值变化，故选用自然间断点分级法将船舶密集区划分为Ⅰ~Ⅴ 5个等级，分别对应密度系数：Ⅰ级157~1 099、Ⅱ级1 099~2 460、Ⅲ级2 460~4 815、Ⅳ级4 815~9 788、Ⅴ级9 788~13 349。
冬季的3个月份中，12月份渔场为沙外渔场，其中有3个区域密集程度到达Ⅳ级，并以此为中心向四周扩散。黄海西部石岛渔场船舶密集区较为集中，密集区域在石岛渔场中部，密集度可达Ⅲ级；1月份，黄海西部的海州湾渔场与石岛渔场均有较多船只聚集，无高密集区出现，同12月份相比，这两片海域船舶扩散范围较大，密集度较低，仅为Ⅰ~Ⅱ级。黄海东部海域，沙
外渔场密集度较高的部分海域，密集度为Ⅰ~Ⅲ级，且有向西扩散的趋势直到大沙渔场，仅有济州岛东北侧海域密集程度为Ⅳ级。此外在韩国的群山与仁川周边海域也有小规模的渔船聚集，密集度为Ⅲ级；
2月份的高密集度渔场与1月份相同，但各渔场的船舶密集区均向近岸靠拢，密集程度为Ⅰ级，仅海岸线附近有少量区域密集度为Ⅱ级。整体来看，冬季3个月份，黄海东部海域的船舶密集区分布范围大于西部海域，高密集度区域数量也多于西部海域。
春季(3—5月)黄海海域与冬季相比，船舶密集区域覆盖范围呈扩大趋势。从3月份开始，西部海域以海州湾渔场为核心(Ⅰ~Ⅱ级)，东部海域以沙外渔场为核心(Ⅰ~Ⅲ级)共同向黄海中部扩张。随着气温升高，船舶密集区域逐步扩大，到5月份，东部和西部密集区连接在一起，覆盖了海州湾渔场(Ⅰ~Ⅳ级)、吕泗渔场(Ⅰ~Ⅱ级)、大沙渔场(Ⅰ~Ⅱ级)、沙外渔场(Ⅰ~Ⅳ级)这4大渔场为主的整个南部海域，并延伸至连青石渔场南部(Ⅰ~Ⅲ级)及连东渔场东南部(Ⅰ~Ⅲ级)。黄
图 5 2016年韩方一侧水域灯光点数
Fig. 5 2016 nightlight points in South Korean waters
1
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中方一侧水域 Chine waters
渔业协定区 Sino-South Korea fishery agreement waters 韩方一侧水域 South Korean waters
recipe是什么意思图 6 2016年黄海三个水域平均月灯光点数
Fig. 6 Average monthly light points in the three regions of the Yellow Sea in 2016
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