基于提升回归树的东、黄海鲐鱼渔场预报模型研究

摘要

鲐鱼（Scomber japonicus）是沿海性中上层鱼类，广泛分布于西北大西洋沿岸。中国东、黄海拥有丰富的鲐鱼资源。到90年代后期，鲐鱼的年产量超过30万吨，成为我国近海主要的经济鱼种之一。鲐鱼是一种洄游性鱼类，其洄游路径鲐鱼是一种季节洄游性鱼类，其作业渔场位置与洄游路线密切相关，同时也受到海洋环境条件变动的影响，呈现出较大的年际变化，准确的渔场预报能够指导灯光围网渔业企业合理安排船组的生产位置，缩短寻找渔场的时间，减少成本并提高渔获产量，这对我国大型灯光围网鲐鱼渔业具有重要的作用。 为此，论文针对鲐鱼渔场预报模型种类不多、模型研究不系统的状况，在总结现有的渔情分析和渔场预报模型的基础上，引入了提升回归树模型，系统介绍了提升回归树模型的构建、求解和算法实现以及模型参数的选择等。论文以东、黄海鲐鱼为案例，构建了基于提升回归树的渔场预报模型，一方面拓展了现有的渔情分析和渔场预报模型的理论和方法，可为东、黄海鲐鱼的渔场预报和渔业资源管理提供理论支持；另一方面，论文的研究涵盖了数据模型、渔场学基础和预报模型三个方面，也为我国在柔鱼、金枪鱼等远洋渔业渔场预报模型的构建提供了参考。主要研究成果如下： （1）东、黄海鲐鱼渔场的时空分布特征。研究发现，2003~2011年大型鲐鱼灯光围网渔船在每年的7~9月份主要在东海作业，10~12月份主要在黄海作业。各个月份的变异系数均大于0.3，表明同一月份下的渔获量的年间波动较大。在东海，8月份的渔获量多年月平均值最高，且变异系数最小；而7月份的渔获量平均值最低，且变异系数超过了0.5，波动较为剧烈。在黄海，11月份的多年月平均产量最高，且变异系数最小；而10月份的渔获量多年月平均值较高，但变异系数超过了0.6，波动最为剧烈；12月份的渔获量多年月平均值最小，且波动也较大。表明8月份和11月份分别是大型灯光围网渔业在东海和黄海海域较为稳定的生产期。 在东海，2003年的渔获量最高、2011年的渔获量最低；在黄海，2008年的渔获量最高、2006年的渔获量最低。总体而言，东海的多年平均产量百分比约占60.81%，而黄海的多年平均产量百分比约占39.19%。东海的多年平均渔获量高于黄海，方差和变异系数则比黄海要低，这说明东海是2003~2011年间大型灯光围网渔业的主要产区，其年产量较高，且产量相对稳定。在东海，2003~2011年鲐鱼大型灯光围网渔业的渔获量百分比在经度上的分布的年间差异较大。2003~2011年各年的渔获量主要分布在123°E~127°E海域，除2009年以外，该区域的渔获量均占到了全年渔获量的95%以上，其余区域则渔获量极低。虽然该区域在2009年的渔获量所占比例较其它年份稍低，但除约40%的渔获量分布于122°E~123°E海域外，2009年的大部分渔获量依然分布于123°E~127°E范围内。而在123°E~127°E范围内，各年份的分布差异也较为明显，其中2003、2004、2007和2011年渔获量偏向近海，全年渔获量的75%~90%位于125°E以西，尤其是2003和2007年，渔获量的75%~90%均分布于123°E~124°E范围内；2005、2008和2010年渔获量则偏向东海外海，全年渔获量的60%~90%位于125°E以东海域；2006年渔获量则主要分布于124°E~126°E海域。在纬度方向上，2003~2011年各年的渔获量主要分布在26°N~30°N海域，除2003、2005和2007年以外，该区域的渔获量均占到了全年渔获量的80%~95%以上。在大部分年份，30°N以北的海域的鲐鱼渔获量相对较低，但在2003年30°N~31°N海域的渔获量占到了全年的40%以上，2005年则超过了全年渔获量的50%，2007年占全年渔获量的70%以上。 分析发现，东海海域各年经度渔获量比重的年间相关系数中，2003年和2007年的渔获量比重相关系数较高，2006、2008、2010、2011年的相关系数较高，2004年与2011年具有一定的相似性，但和其余年份差异较大。2005年和2009年两个年份与其它所有年份在经度上的空间分布均存在较大的差异。东海海域各年纬度渔获量比重的年间相关系数中，2003~2011年渔获量在纬度上的空间分布明显分为3个类型：首先，2004、2006、2008、2009、2010和2011年这几年的相关系数均较高，表示这些年份中大型鲐鱼灯光围网渔业的渔获量百分比在纬度上的分布较为相似；其次，2005年和2007年的相关系数也达到了0.9，说明其渔获量百分比在纬度上的分布具有相似性；最后，2003年与其它所有年份的相关系数均小于0.4，与2005年和2007年的相关系数小于0，说明2003年的渔获量百分比在纬度上的分布与其它所有年份均有较大差异。 在黄海海域，2003~2011年鲐鱼大型灯光围网渔业各年间的渔获量百分比在经度上的分布趋势基本相同，均主要分布在123°E~126°E海域，该区域的渔获量均占到了全年渔获量的90%以上，其余区域则渔获量极低。除2006年外，在127°E以东海域均没有渔获量分布。在所有年份中，122°E以西海域的渔获量百分比也均不超过1%。纬度方向上，32°N~36°N的所有纬度范围均有最高渔获量比重分布，如2004年和2009年分布在32°N~33°N海域，2008、2010和2011年分布在33° N~34°N海域，2005年在34°N~35°N海域，2003、2006和2007年则在35°N~36°N海域。 分析发现，黄海海域各年经度渔获量比重的年间相关系数中，除2009年之外，2003~2011年多数年份间的渔获量比重相关系数均较高，说明在黄海海区各年份间渔获量比重在经度上的空间分布差异不大。其中，2009~2011年的相关系数较高，空间分布差异较小，但2009年与其余各年份的相关系数均较小；2003~2004、2006~2008年的相关系数也均大于0.95，说明这些年份渔获量比重在经度上的空间分布差异极小；2004年和2005年的相关系数为0.89，说明其渔获量比重的空间分布也有一定的相似性，且2005年2006年、2008年的相关系数也大于0.9。黄海海域各年纬度渔获量比重的年间相关系数分析中，2003~2011年渔获量百分比的相关系数仅个别年间较高，如2003、2006和2007年，2009年和2011年，2011年和2010年等，但这些年份与其它年份之间的相关系数均较低，因此没有形成明显的类别。这表明，2003~2011年黄海海区的大型鲐鱼灯光围网的渔获量百分比在纬度上的空间分布具有明显的差异性，仅有少数年份的空间分布具有相似，而多数年份的分布情况并不相同。 此外，研究还发现，2003~2011年东、黄海鲐鱼渔场重心的纬度在所有的年份随时间上的变动大体上是一致的，即每年的7~8月份位于32°N以南的东海渔场，9月或10月份开始向北渔场转移，11~12月份渔场重心由黄海北部向南移动，到12月份，渔场重心一般会南移至32°N左右，有些年份可能会移动到东海海域。从细节上看，东、黄海鲐鱼渔场重心纬度的变化情况又有如下一定的差异。首先是渔场由东海转向黄海的时间，9月或10月是东、黄海鲐鱼作业渔场转换的时间，但每年的转场时间并不一致。其中2003、2004、2009、2011年的转场时间较早，一般是在9月份的第一个星期或第二个星期开始向黄海移动，在10月份之前完成作业渔场位置的转换。而2005、2006、2007、2009和2010年的转场时间较晚，一般在当年10月份的第一或第二周才开始向黄海移动，在11月份之前完全移动到黄海渔场。其次是黄海渔场重心位置，每年的10~11月，大型灯光围网渔船主要在黄海海域生产，每年黄海渔场的渔场重心位置也有差异。2005和2009年的渔场重心明显偏北，已经达到37°N~38°N左右，而其余年份的渔场重心则主要在36°N~37°N左右。最后是12月份的渔场重心位置差异，每年的12月，大型灯光围网渔业的作业位置相对10~11月份主要变化是向南移动，但12月份本身的渔场重心也有一定的差异。2006年之前，12月份的渔场重心一般在34°N左右，且12月内的4个星期的渔场重心变化不大。而2006年之后，每年12月份的渔场重心均有较大差异，如2007和2009年，渔场重心从第一个星期开始向南移动，到第四周时已经移动到28°N左右。而2011年，12月的渔场重心主要在33°N~34°N范围内小幅移动。 （2）建模方法对东、黄海鲐鱼渔场预报模型精度的影响。研究发现，根据渔业数据划分高产区和非高产区进行建模的三种模型不能正确地预测中心渔场和非中心渔场，从 Kappa系数 AUC值上看，这三种模型还达不到可用的标准。对于2011年实际作业记录的统计来看，实际作业记录、下网次数和渔获量均分布在模型预报渔场概率小于0.5的区域。根据实际作业记录与预报渔场概率叠加来看，这三种模型对于中心渔场的预报无法与实际作业位置吻合，渔场的移动情况也与实际情况不同。这说明对于东、黄海鲐鱼渔场预报而言，不同的建模方法对渔场预报的精度具有决定性的影响，使用高产区/低产区划分方法建立的渔场预报模型的预报精度无法达到实用的要求，而以渔场/背景方法建立的预报模型则能够满足实际渔场预报的精度要求。从模型比较的结果来看，虽然高产区/低产区划分方法在柔鱼和金枪鱼等鱼种的渔场预报中比较常用，但在东、黄海鲐鱼渔场预报模型中并不适用，而以渔场/背景方法建立的鲐鱼预报模型则能够满足实际鲐鱼渔场预报的精度要求，因此该方法是适用的。 （3）基于提升回归树的东、黄海鲐鱼渔场预报模型。研究发现，基于提升回归树的东黄海鲐鱼渔场预报模型所预报的2011年7~9月的渔场主要位于东海中南部26.5°N~31°N、122.5°E~127°E区域以及29°N~31°N、124°E以西的舟山渔场，其中9月份东海中南部渔场向东北方向稍有移动，并且在36°N附近的黄海海域也有渔场分布，但预报的渔场概率不高。10~12月的预报渔场主要位于黄海海域，随时间推移预报渔场有向黄海南部移动的趋势，12月份的主要预报渔场已南移至33.5°N，最南达到东海北部海域，同时东海中南部也有小范围的渔场分布。总体上看，除了9月份黄海海域和10月份东海北部海域实际作业渔场概率预测值偏低之外，预报渔场的位置与实际作业位置基本吻合，其随时间的位置移动也基本与实际情况相符，这说明模型的预报渔场在空间分布上是合理的。从基于验证数据集的评价结果来看，基于提升回归树的渔场预报模型预报准确率较高（AUC值0.935），且能有效地区分低产和高产区域。从空间位置上来看，预报渔场的范围也基本与实际作业位置吻合。 研究表明，采用基于提升回归树的渔场预报模型来预报东、黄海鲐鱼渔场是可行的。同时，从鲐鱼渔业资源管理和保护的角度来说，中心渔场或高产渔区同时也是鲐鱼资源保护的关键区域。因此，准确的预测这些区域的位置，对于鲐鱼资源的管理和保护也有重要的意义。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.3 论文研究的目的、内容和研究框架

第二章 渔情预报理论及模型

2.1 渔情预报模型的理论基础

2.2 渔情预报模型概述

第三章 基于提升回归树的渔场预报模型构建

3.1 提升算法和AdaBoost

3.2 BRT模型求解及算法实现

3.3 BRT模型的参数设置

3.4 BRT模型的解释

3.5 BRT模型的优势

3.6 基于BRT的鲐鱼渔场预报模型的构建方法

第四章 鲐鱼渔场的时空分布特征

4.1 我国东、黄海鲐鱼大型灯光围网渔业概况

4.2 鲐鱼灯光围网数据及海洋环境数据的预处理

4.3 东、黄海鲐鱼渔场的时空分布特征

第五章 鲐鱼渔场预报模型的建模方法选择

5.1 鲐鱼渔场预报模型建模方法选择研究

第六章 东、黄海鲐鱼渔场预报模型研究

6.1鲐鱼渔场与时空及环境因子的关系

6.2东、黄海鲐鱼渔场预报模型

第七章 总结与展望

7.1 论文的主要结论

7.2 论文的创新点

7.3 存在的问题和研究展望

参考文献

致谢

承担的科研项目和发表论文