大西洋熱帶海域長鰭金槍魚漁場預(yù)報模型的比較*

宋利明 任士雨 洪依然 張?zhí)祢?隋恒壽 李 彬 張 敏

大西洋熱帶海域長鰭金槍魚漁場預(yù)報模型的比較*

宋利明1, 2任士雨1洪依然1張?zhí)祢?隋恒壽3李 彬3張 敏1, 2

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 上海 201306; 2. 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心 上海 201306; 3. 中水集團遠洋股份有限公司 北京 100032)

為提高大西洋熱帶海域長鰭金槍魚()漁場預(yù)報的準(zhǔn)確率, 對K最近鄰(k nearest neighbor, KNN)、邏輯斯蒂回歸(logistic regression, LR)、決策與分類樹(classfication and regression tree, CART)、梯度提升決策樹(gradient boosting decision tree, GBDT)、隨機森林(random forest, RF)、支持向量機(support vector machine, SVM)和Stacking集成(stacking ensemble learning, STK)共7個模型的預(yù)報性能進行了對比分析。該7個模型利用2016～2019年在大西洋公海海域(19°16′S～16°21′N; 46°27′W～2°09′E)作業(yè)的13艘中國遠洋延繩釣漁船的漁業(yè)數(shù)據(jù), 結(jié)合0～500 m不同水層的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素濃度、海表面風(fēng)速、渦動能和混合層深度數(shù)據(jù)建立。各模型取75%數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù), 25%為測試數(shù)據(jù), 采用預(yù)報準(zhǔn)確率(accuracy, ACC)與接受者操作特征曲線下面積(area under curve, AUC)評價建立的單位努力量漁獲量(catch per unit of effort, CPUE)與海洋環(huán)境因子關(guān)系模型的性能。結(jié)果表明: (1) STK模型對大西洋長鰭金槍魚漁場的預(yù)報性能相比其他模型明顯提高, ACC為75.92%, AUC為0.742; (2) 基于STK模型預(yù)測得到的中心漁場范圍總體上與實際作業(yè)漁場一致; (3) 影響大西洋長鰭金槍魚漁場分布的海洋環(huán)境因子主要為100 m水層的溫度、鹽度, 以及100、150、500 m水層的溶解氧。研究表明STK模型對大西洋長鰭金槍魚漁場的預(yù)報準(zhǔn)確率較高, 性能良好。

長鰭金槍魚; 漁場預(yù)報模型; 模型性能比較; 大西洋熱帶海域

長鰭金槍魚()廣泛分布于熱帶、亞熱帶及溫帶海域, 為高度洄游性魚類, 是我國遠洋延繩釣漁業(yè)重要的捕撈對象之一。近年來, 國內(nèi)外學(xué)者研究了長鰭金槍魚分布與海洋環(huán)境之間的關(guān)系 (Chen, 2005; Domokos, 2007; Zainuddin, 2008; Briand, 2011; 林顯鵬等, 2011; 楊嘉樑等, 2014; Go?i, 2015; Lehodey, 2015; Williams, 2015; 儲宇航等, 2016; 郭剛剛等, 2016; 宋利明等, 2017a), 宋利明等(2017b)研究得出溫度是影響庫克群島海域長鰭金槍魚分布的主要環(huán)境因子; 閆敏等(2015)認(rèn)為海表面溫度和葉綠素濃度與長鰭金槍魚漁獲率分布有關(guān); 張嘉容等(2020)認(rèn)為溫度對長鰭金槍魚分布的影響最大, 葉綠素濃度的影響最小。但大部分模型僅分析海洋表層環(huán)境與長鰭金槍魚分布的關(guān)系, 缺乏使用海洋立體環(huán)境因子的分析研究。

目前長鰭金槍魚漁場預(yù)測大多使用較為傳統(tǒng)的單一預(yù)報模型, 如一元非線性回歸模型(范江濤, 2011)、棲息地指數(shù)模型(任中華等, 2014)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(毛江美等, 2016)等。隨著漁業(yè)生產(chǎn)對漁場預(yù)報精度要求的提高, 深度學(xué)習(xí)開始在長鰭金槍魚漁場預(yù)測中得到應(yīng)用, 如袁紅春等(2019a, 2020)。Stacking集成學(xué)習(xí)是一種多模型的集成方法, 能夠得到比單模型更準(zhǔn)確的結(jié)果(羅智青等, 2019; 侯娟等, 2020)。但海洋立體環(huán)境因子間的共線性會影響如邏輯斯蒂回歸(logistic regression, LR)模型的預(yù)測精度(Raykov, 2010), 且環(huán)境因子過多容易導(dǎo)致K最近鄰(k nearest neighbor, KNN)、梯度提升決策樹(gradient boosting decision tree, GBDT)、隨機森林(random forest, RF)和支持向量機(support vector machine, SVM)等模型的復(fù)雜性, 造成過擬合問題, 降低模型可解釋性(Jou, 2014; Assegie, 2021)。目前大部分機器學(xué)習(xí)模型均未針對海洋立體環(huán)境因子間的共線性進行分析及因子篩選。

本研究根據(jù)2016～2019年中國船隊在大西洋公海作業(yè)的延繩釣漁業(yè)數(shù)據(jù), 結(jié)合不同深度的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進行共線性分析與因子篩選, 建立KNN、LR、決策與分類樹(classfication and regression tree, CART)、GBDT、RF、SVM和Stacking集成(stacking ensemble learning, STK)模型; 各模型取75%站位的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù), 25%站位的數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù), 采用預(yù)報準(zhǔn)確率(accuracy, ACC)與接受者操作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲線下面積(area under curve, AUC)進行性能評價, 以提高大西洋熱帶海域長鰭金槍魚漁場預(yù)報的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取的漁業(yè)數(shù)據(jù)來源于中水集團遠洋股份有限公司, 時間為2016～2019年, 區(qū)域為19°16′S～ 16°21′N; 46°27′W～2°09′E范圍內(nèi)的大西洋中部熱帶海域, 數(shù)據(jù)信息包括延繩釣捕撈漁船(共13艘)船名、作業(yè)時間(年-月-日)、作業(yè)地點(經(jīng)緯度)、不同魚種的產(chǎn)量、漁獲尾數(shù)及下鉤數(shù)等。將每天長鰭金槍魚的漁獲尾數(shù)劃分到1°×1°的網(wǎng)格內(nèi), 并算出CPUE (尾/千鉤)。

海洋環(huán)境因子主要包括表層因子和0～500 m深度因子共29個。其中, 表層因子包括: 葉綠素濃度(chl_)、混合層深度(mixed layer, MLD)、海表面風(fēng)速(wind speed, WS)、渦動能(eddy kinetic energy, EKE); 0～500 m深度因子包括: 0、50、100、150、200、250、300、400、500 m水深處的溫度(采用0、50、100、150、200、250、300、400、500表示); 0、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500 m水深處的溶解氧(采用0、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500表示); 100、200、300、400、500 m水深處的鹽度(采用100、200、300、400、500表示)。以上因子數(shù)據(jù)除WS來源于美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的數(shù)據(jù)庫(https://oceanwatch. pifsc.noaa.gov/)外, 其他數(shù)據(jù)均來源于哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)中心(copernicus marine environment monitoring service, CMEMS)網(wǎng)站(http://marine.copernicus. eu)。環(huán)境因子數(shù)據(jù)的初始時間分辨率為d, 初始空間分辨率為0.25°×0.25°。本文將環(huán)境因子和漁業(yè)數(shù)據(jù)進行了匹配, 最終的空間分辨率統(tǒng)一為1°×1°, 以d為單位。以上數(shù)據(jù)預(yù)處理過程通過MATLAB軟件完成。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 長鰭金槍魚CPUE的計算方法 CPUE作為評價漁場的指標(biāo)(沈智賓等, 2015)。將每天的長鰭金槍魚的漁獲尾數(shù)劃分到 1°×1°的網(wǎng)格內(nèi), 根據(jù)每天的船位數(shù)據(jù)等得到每天每網(wǎng)格內(nèi)的總釣鉤數(shù), 算出每天每個網(wǎng)格內(nèi)的長鰭金槍魚CPUE (尾/千鉤), 計算各網(wǎng)格內(nèi)CPUE的公式為

, (1)

式(1)中:E,F和H分別表示在第年、第月、第天、第經(jīng)度、第緯度的網(wǎng)格內(nèi)的CPUE、尾數(shù)和下鉤數(shù)量。

1.2.2 海洋環(huán)境因子的共線性分析 由于建立模型所用的葉綠素濃度、混合層深度、海表面風(fēng)速、渦動能以及0～500 m水層的溫度、溶解氧、鹽度等海洋環(huán)境因子的量級單位不同, 數(shù)值范圍差別較大, 為防止對模型產(chǎn)生數(shù)值影響且為了提高模型運行的準(zhǔn)確度, 對所有環(huán)境變量進行歸一化處理(張?zhí)祢? 2016), 公式為

, (2)

針對29個海洋環(huán)境因子之間存在的多重共線性, 本文采用方差膨脹因子(variance expansion factor, VIF)(Akinwande, 2015)進行分析。

對于方程:

=11+22+33+…+αX++αX+,(3)

式(3)中,為因變量,為自變量,1、2、3、…、α為回歸系數(shù),為常數(shù)項。則第個自變量的VIF計算公式為:

, (4)

式(4)中,表示方差膨脹因子VIF的取值;R為線性方程中的決定系數(shù)。當(dāng)VIF值較大時, 表示環(huán)境變量之間存在多重共線性, 即VIF值越大, 表示環(huán)境變量之間多重共線性越嚴(yán)重, 一般認(rèn)為<10, 即表示各環(huán)境變量之間沒有多重共線性。選取<10的海洋環(huán)境因子用于建立大西洋熱帶海域長鰭金槍魚的漁場預(yù)報模型。

1.2.3 海洋環(huán)境因子相對重要性分析 海洋環(huán)境因子相對重要性的計算方法為: 利用SPSS軟件計算長鰭金槍魚CPUE與篩選后各環(huán)境因子的Pearson相關(guān)系數(shù); 根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值判斷其相對重要性。

1.3 模型建立

漁場分類時, 若CPUE等于0, 為“非漁場”; CPUE大于0, 則為“漁場”, 其中零值比列為40.11%。從數(shù)據(jù)集中隨機選取75%站點的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù), 25%站點的數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù); 并使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)分別建立KNN、LR、SVM、CART、RF、GBDT和STK7種模型。系列模型的基本原理和參數(shù)選擇方法如表1。

Stacking算法框架如圖1所示, 第一層由3個基學(xué)習(xí)器組成, 并輸入原始訓(xùn)練集, 即第一步將與各個海洋環(huán)境因子匹配好的大西洋熱帶海域長鰭金槍魚CPUE原始數(shù)據(jù)集, 基于非共線性海洋環(huán)境因子的篩選, 劃分為75%的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和25%測試數(shù)據(jù); 第二步從7個模型中選擇預(yù)測效果較好的3個模型作為初級學(xué)習(xí)器, 選取結(jié)構(gòu)簡單的LR作為次級學(xué)習(xí)器; 第三步將75%的訓(xùn)練樣本隨機劃分為個數(shù)量相同的訓(xùn)練集子集1,2, …,D, 取作為測試子集,D–1{1,2, …,D}(D?D–1)作為KNN、RF和GBDT的訓(xùn)練子集, 接著將各個模型的預(yù)測結(jié)果統(tǒng)一為LR模型的訓(xùn)練集′, 各個單模型對測試集的預(yù)測結(jié)果合并為LR模型的測試集′, 最終輸出預(yù)測結(jié)果。

1.4 模型性能評價

將25%測試數(shù)據(jù)代入各模型得出預(yù)測結(jié)果, 對模型性能進行評價。本文采用AUC和ACC作為模型性能評價指標(biāo)。其中AUC取值范圍為0～1, 值越大說明該模型的預(yù)測性能越好, 反之預(yù)測性能越差(張?zhí)祢? 2016); 同理, 所得ACC值越大, 說明該模型整體預(yù)測效果越好, 反之預(yù)測效果越差, 所以本文按照兩者結(jié)果, 對比并選取預(yù)測準(zhǔn)確度較高且性能穩(wěn)定的模型。

表1 各模型的基本原理與參數(shù)選擇

Tab.1 The basic principle and the parameter selection of each model

圖1 Stacking 集成學(xué)習(xí)方法

注: KNN: k nearest neighbor, K最近鄰模型; RF: random forest, 隨機森林算法; GBDT: gradient boosting decision tree, 梯度提升決策樹; LR: logistic regression, 邏輯斯蒂回歸

將25%的測試數(shù)據(jù)代入預(yù)測能力最佳的模型, 計算得出“漁場”和“非漁場”并使用ArcGIS軟件畫出實際“漁場”和“非漁場”與模型預(yù)測得到的“漁場”和“非漁場”疊圖, 定性評價最佳模型的預(yù)測能力。

1.5 中心漁場的確定

本研究把25%的測試站點的環(huán)境數(shù)據(jù)代入預(yù)測能力最佳的模型, 計算得出“漁場”位置, 利用ArcGIS軟件的核密度分析工具計算并畫出“漁場”位置密度分布圖, 把密度大于最大密度的60% (8個/km2)以上的范圍定義為中心漁場。

2 結(jié)果

2.1 長鰭金槍魚漁場分布

通過ArcGIS軟件畫出長鰭金槍魚CPUE分布圖(圖2), 得出長鰭金槍魚漁場主要分布在15°N～15°S, 15°～45°W的大西洋中部熱帶海域, 其高CPUE漁區(qū)集中分布在4°～10°N, 30°～45°W海域和5°～10°S, 18°～30°W的海域。

2.2 海洋環(huán)境因子篩選與相對重要性分析

按照各環(huán)境因子的||<10, 篩選得出20個用于漁場預(yù)測的環(huán)境因子, 分別是chl、MLD、WS、EKE、0、50、100、150、250、400、0、50、100、150、200、500、100、200、300和500(表2)。相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果表明, 100 m水層溫度(100)與CPUE的相關(guān)系數(shù)最高, 達到0.399; 100、150、500 m水層的溶解氧、100 m水層的鹽度與CPUE的相關(guān)系數(shù)較高, 分別達到0.372、0.334 、0.322和0.322; 相關(guān)系數(shù)較小的是MLD和葉綠素濃度, 分別為0.21和-0.148; 海表面溫度(0)和海表面風(fēng)速(WS)的相關(guān)系數(shù)分別為0.140和0.069; 而渦動能(EKE)的相關(guān)系數(shù)最低, 為-0.036, 影響程度最小(表2)。

圖2 2016～2019年大西洋熱帶海域13艘漁船長鰭金槍魚CPUE分布

2.3 模型性能評價

各個模型總體的ACC和AUC如表3所示, 單個模型預(yù)測結(jié)果中RF的準(zhǔn)確度最高, 為75.57%, KNN和GBDT的準(zhǔn)確度并列為第二(73.92%), 因此選取RF、KNN和GBDT用于STK模型; CART最低, 為66.85%。STK模型的ACC最高, 達到75.92%, AUC也達到了0.742。綜合上述結(jié)果, 表明STK模型預(yù)測性能良好。

表2 多重共線性和相關(guān)性分析結(jié)果

Tab.2 Results of multi-collinearity diagnosis and correlation analysis

對于STK模型, 將測試數(shù)據(jù)中得到的實際漁場與預(yù)測漁場進行疊加, 得出漁場主要分布在2°～14°N, 32°～45°W和2°～10°S, 18°～28°W的海域, 極少分布在5°～10°W附近, 且預(yù)測的0°～18°W海域的漁場的誤判率很高(圖3); 將測試數(shù)據(jù)中的實際非漁場與預(yù)測非漁場進行疊加, 實際非漁場主要分布在5°～14°N, 30°～45°W和2°S～7°N, 12°～30°W的海域, 極少分布在2°～12°S, 2°～10°W海域附近, 且預(yù)測的2°～8°S, 20°～30°W海域的實際非漁場的誤判率較高(圖4)。各模型對漁場和非漁場的判別準(zhǔn)確率比較結(jié)果見表4。說明Stacking集成模型的預(yù)測性能良好。

表3 各個模型預(yù)測結(jié)果對比

Tab.3 Comparison of forecast results of each model

注: 注：ACC: accuracy, 預(yù)報準(zhǔn)確率; AUC: area under curve, 曲線下面積

圖3 實際漁場與預(yù)報得到的漁場對比圖

圖4 實際非漁場與預(yù)報得到的非漁場對比圖

2.4 中心漁場

2016～2019年25%的測試數(shù)據(jù)中實際漁場密度分布如圖5a所示, 其中心漁場集中分布在4°～10°N, 33°～43°W海域, 以及5°～8°S, 27°～29°W和7°～9°S, 22°～24°W的海域。STK模型預(yù)測漁場密度分布如圖5b所示, 從整體來看預(yù)測的中心漁場比實際中心漁場略大, 但基本吻合。

表4 各模型對漁場和非漁場的判別準(zhǔn)確率(%)比較

Tab.4 Comparison of discrimination accuracy (%) for fishing ground and non-fishing ground of each model

3 討論

3.1 模型對比分析

STK模型的漁場預(yù)報性能比6種單一模型(KNN、LR、CART、SVM、RF、GBDT)對大西洋熱帶海域長鰭金槍魚漁場預(yù)報的性能要好, 為最佳模型。CART的漁場預(yù)報性能最差。這是因為STK是一種堆疊集成方法, 能夠?qū)NN、RF和GBDT預(yù)測結(jié)果再次進行次級訓(xùn)練, 克服單一模型的局限性, 能綜合三種模型的優(yōu)勢, 而CART容易過擬合, 導(dǎo)致泛化能力不強, 且某些自變量的占比過高時, 容易導(dǎo)致預(yù)測能力降低。RF對長鰭金槍魚漁場的預(yù)報性能與STK模型相近, 這可能是因為RF在構(gòu)建模型時通過自助采樣選取訓(xùn)練樣本, 增強其泛化和抗噪能力, 在一定程度上降低了不良數(shù)據(jù)對模型預(yù)測能力的影響(方匡南等, 2011)。GBDT與RF都是由多個分類樹通過不同算法構(gòu)建的模型, 但GBDT的預(yù)測性能明顯低于RF, 這是因為GBDT訓(xùn)練樣本選取的方法與RF不同, 其在模型構(gòu)建過程中使用同一個訓(xùn)練樣本, 導(dǎo)致模型泛化能力降低。LR、KNN、SVM的預(yù)測性能都比較低, 這幾個模型不能有效克服構(gòu)建模型所使用的樣本數(shù)據(jù)質(zhì)量不高的問題(如各類別的樣本數(shù)據(jù)不平衡、數(shù)據(jù)缺失等)。

圖5 25%的測試數(shù)據(jù)中漁區(qū)密度分布圖

3.2 環(huán)境變量共線性分析

由于海洋環(huán)境非常復(fù)雜, 環(huán)境因子相互影響, 可能導(dǎo)致環(huán)境變量之間存在多重共線性, 會對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生偏差。Dormann(2013)認(rèn)為當(dāng)環(huán)境變量之間的相關(guān)系數(shù)大于0.7時, 說明存在共線性的可能性較大。多重共線性是影響SVM和LR預(yù)測精度和運行速率的主要原因之一(惠守博等, 2006; 張玲, 2010), 雖然CART、RF和GBDT在模型訓(xùn)練的過程中會自動消除多重共線性對預(yù)測精度的影響, 但是共線性使得環(huán)境變量的大部分信息相互疊加, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)大量冗余, 模型的運行效率降低以及誤判解釋變量的貢獻率。故消除環(huán)境變量之間的多重共線性, 在一定程度上提高了模型的預(yù)測精度、穩(wěn)定性和可靠性。

VIF方法雖然可以消除共線性, 但也有可能導(dǎo)致原本生態(tài)學(xué)意義重要的因子被刪除, 本研究從29個潛在的影響因子中刪除了9個具有共線性的因子(200、300、500、250、300、350、400、450、400)。這些被刪除的因子均為200 m以深的因子, 由于長鰭金槍魚偏好覓食的水層為160～240 m水層, 且在該水層主要受餌料分布及水溫的影響(楊嘉樑等, 2014), 因此本研究未刪除對長鰭金槍魚具有生態(tài)學(xué)重要意義的因子。

3.3 環(huán)境因子的相對重要性及中心漁場

研究認(rèn)為溫度直接或間接影響魚類分布、集群和洄游(陳雪忠等, 2013), 其垂直水溫是影響長鰭金槍魚漁場分布主要原因之一(郭剛剛等, 2016)。研究表明, 100 m水層的溫度、溶解氧和鹽度與長鰭金槍魚CPUE關(guān)系較為密切, 可能的原因是該水層是水溫急劇下降的溫躍層, 溫度和鹽度等環(huán)境因子適宜長鰭金槍魚生存, 并且具有豐富的餌料生物資源, 較高的溶解氧含量(張嘉容等, 2020)。張嘉容等(2020)研究分析得到南太平洋中對長鰭金槍魚CPUE具有顯著影響的環(huán)境因子是120 m水層的溫度和鹽度, 這與本研究結(jié)果基本一致。葉綠素濃度和WS對長鰭金槍魚漁場分布的影響較小, 這是由于海面風(fēng)速能夠改變?nèi)~綠素的空間位置和含量(Pickett, 2006; Jufaili, 2019), 而較高的葉綠素濃度會吸引更多浮游生物在附近繁殖(楊勝龍等,2012), 但長鰭金槍魚并不會直接捕食浮游生物。EKE對長鰭金槍魚漁場分布的影響最小, 這可能是因為EKE是通過影響環(huán)流、海洋溫度以及葉綠素的垂直和水平分布(Tussadiah, 2018)間接影響長鰭金槍魚漁場的分布。2016～2019年25%的測試數(shù)據(jù)中預(yù)測得到的中心漁場比實際中心漁場范圍略大, 可能是由于漁業(yè)生產(chǎn)作業(yè)不能均勻、完全覆蓋整個區(qū)域, 而預(yù)測是根據(jù)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進行平滑計算得出的, 預(yù)測得到的中心漁場范圍可靠。另外, 準(zhǔn)確預(yù)測中心漁場能夠使?jié)O船縮短搜索漁場的時間、節(jié)省燃油, 增加長鰭金槍魚的漁獲量, 提高經(jīng)濟效益。

4 展望

本研究根據(jù)29種海洋環(huán)境因子, 建立6種模型并篩選最佳的三個預(yù)測模型構(gòu)成STK模型, 提高了大西洋熱帶海域長鰭金槍魚漁場預(yù)報的精度, 但長鰭金槍魚漁場預(yù)報的精度還與數(shù)據(jù)的空間分辨率、漁撈日志記錄的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、餌料資源分布、洋流、流速等其他環(huán)境變量有關(guān), 還會受到氣候的年代際, 如北大西洋濤動等大尺度海洋事件的影響, 本研究中CPUE為0的比例較高, 還需要進一步收集數(shù)據(jù)開展研究。另外, 本研究結(jié)果適用于大西洋熱帶海域長鰭金槍魚漁場的預(yù)報, 對于大西洋溫帶水域的長鰭金槍魚漁場的預(yù)報還需要進一步收集數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究。

致謝 本研究得到了中水集團遠洋股份有限公司宗文峰、葉少華和鄧榮成先生的大力支持, 謹(jǐn)致謝意。

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COMPARISON ON FISHING GROUND FORECAST MODELS OFIN THE TROPICAL WATERS OF ATLANTIC OCEAN

SONG Li-Ming1, 2, REN Shi-Yu1, HONG Yi-Ran1, ZHANG Tian-Jiao1, SUI Heng-Shou3, LI Bin3, ZHANG Min1, 2

(1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai 201306, China; 3. CNFC Overseas Fisheries Co, Ltd, Beijing 100032, China)

To improve the accuracy of the forecast model for albacore tuna ()fishing ground in the tropical waters of Atlantic Ocean, seven fishery forecast models,k-nearest neighbor (KNN), logistic regression (LR), classfication and regression tree (CART), support vector machine (SVM), random forest (RF), gradient boosting decision tree (GBDT), and stacking ensemble learning (STK) model were used and compared based on the data of 13 tuna longliners of Chinese fishing enterprises from 2016 to 2019 in the high seas of the Atlantic Ocean (19°16′S～16°21′N; 46°27′W～2°09′E). Using environmental factors (temperature, salinity and dissolved oxygen) at different water layers from 0 to 500 m, as well as chlorophyll-concentration, sea surface wind speed, eddy kinetic energy, and mixed layer depth, the relationship between albacore tuna CPUE and the environmental factors were analyzed. Seventy-five percent of the data were taken as training data and 25% as test data. The performance of each model was evaluated by prediction accuracy (ACC) and area under receiver operating characteristic curve (AUC). Relationships between CPUE (catch per unit of effort) and marine environmental factors were established. Results show that: (1) the prediction performance of STK model wasobviously better compared with other models and its ACC and AUC is 75.92% and 0.742, respectively; (2) the areas of central fishing ground predicted by STK model for albacore tuna is consistent with the actual fishing ground generally; (3) the marine environmental factors that affect the distribution of albacore tuna fishing grounds in the Atlantic Ocean included mainly temperature and salinity of 100 m layer, and dissolved oxygen at 100, 150, and 500 m layer. The accuracy and the prediction performance of the STK model is high for albacore tuna fishing ground forecast in the tropical waters of Atlantic Ocean.

; fishing ground forecast model; comparative study of model performance; tropical waters of Atlantic Ocean

*國家重點研發(fā)項目, 2020YFD0901205號; 中水集團遠洋股份有限公司技術(shù)研發(fā)項目, D-8006-20-0180號。宋利明, 博士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: lmsong@shou.edu.cn

2021-10-23,

2021-12-20

S934

10.11693/hyhz20211000253