張勝茂, 吳祖立, 鄭漢豐, 唐峰華, 張 衡, 程田飛, 樊 偉

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點實驗室, 上海 200090)

開展農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長期性科技工作，是推動農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必要基礎(chǔ)，是制定農(nóng)業(yè)政策的重要參考[1]。為長期系統(tǒng)地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素及其動態(tài)變化進行科學(xué)觀察、觀測和記錄，農(nóng)業(yè)部啟動“10個學(xué)科領(lǐng)域的觀測監(jiān)測任務(wù)”。遠(yuǎn)洋漁場及關(guān)鍵漁業(yè)資源調(diào)查監(jiān)測是國家漁業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心觀測監(jiān)測任務(wù)中的第8個任務(wù)。1985年，中國水產(chǎn)總公司13艘漁船的大西洋作業(yè)開啟了我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)的發(fā)展歷史[2]，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，遠(yuǎn)洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)不斷壯大，也積累了大量的遠(yuǎn)洋漁業(yè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源主要包括漁撈日志收集[3-4]，漁業(yè)資源調(diào)查[5-6]，遙感監(jiān)測[7-8]等方式，通常是由多個科研院所收集，因此存在數(shù)據(jù)分散、難以共享利用等問題，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長期性科技工作中國家漁業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的觀測監(jiān)測任務(wù)，為實現(xiàn)多個單位相互協(xié)作，共同收集整理多漁場多魚種數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)，為數(shù)據(jù)集中與共享提供條件。遠(yuǎn)洋漁場調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)類型多樣[9-10]，監(jiān)測參數(shù)復(fù)雜[11-12]，因此存在數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)可比性差的問題，需要有統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[13]?；A(chǔ)性長期性科技工作初期經(jīng)過多次調(diào)研，制定了初步數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為保障數(shù)據(jù)質(zhì)量、統(tǒng)一監(jiān)測與記錄方法奠定基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)洋漁場及關(guān)鍵漁業(yè)資源調(diào)查監(jiān)測，在大洋、過洋、極地等海域，針對南極磷蝦、魷魚、秋刀魚、鮐魚等漁業(yè)資源開展長期連續(xù)監(jiān)測與捕撈動態(tài)數(shù)據(jù)采集，獲取重要漁業(yè)資源基礎(chǔ)生物學(xué)數(shù)據(jù)、漁場作業(yè)方式、作業(yè)規(guī)模和區(qū)域、分品種漁獲產(chǎn)量及其組成數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)具有時空特征，存在高度復(fù)雜性、分布廣泛性和異構(gòu)性，快速準(zhǔn)確地查找到目標(biāo)數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)管理中的重要功能。王軍等[14]根據(jù)遠(yuǎn)洋漁業(yè)數(shù)據(jù)庫中的調(diào)查時間數(shù)據(jù)建立了順序索引，對空間數(shù)據(jù)庫建立了G樹索引；肖慧等[15]提出基于XML (Extensible Markup Language)的海洋漁業(yè)信息檢索模型，以XML和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)存儲平臺，實現(xiàn)基于XML的信息查詢。項目為滿足實際應(yīng)用中經(jīng)常需對漁業(yè)數(shù)據(jù)進行空間和時間的查詢訪問需求，通過創(chuàng)建多維查詢模型[16]實現(xiàn)快速查詢和可視化展現(xiàn)[17]，為數(shù)據(jù)的便利使用提供基礎(chǔ)。

1 遠(yuǎn)洋漁場調(diào)查監(jiān)測

1.1 調(diào)查監(jiān)測遠(yuǎn)洋漁場分布

遠(yuǎn)洋漁船捕撈涉及到主捕魚種、漁場位置、捕撈方式。按主捕魚種劃分為魷魚、鮐魚、秋刀魚等；按漁場位置主要有北太平洋漁場、中西太平洋漁場、東南太平洋漁場、西南大西洋漁場、中大西洋漁場等；按捕撈方式有拖網(wǎng)、圍網(wǎng)、延繩釣、魷魚釣等。目前，調(diào)查監(jiān)測的遠(yuǎn)洋漁場如圖1，包括西北太平洋秋刀魚、北太平洋圍網(wǎng)、南海鳶烏賊、西南大西洋阿根廷滑柔魚、西非過洋漁業(yè)、南極磷蝦、印度洋鮐魚。隨著項目調(diào)查監(jiān)測的深入，基礎(chǔ)性長期性科技工作會不斷完善魚種、漁場、捕撈方式的調(diào)查內(nèi)容與范圍，積極吸納有條件和實力較強的科研院所參加。

1.2 調(diào)查監(jiān)測任務(wù)劃分

遠(yuǎn)洋漁船捕撈過程中，同一漁船的捕撈方式一般固定，長期捕撈的魚種變化較小。遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司主捕對象變化較小，各魚種的捕撈方式也較固定，如魷魚捕撈方式為魷魚釣，鮐魚捕撈方式一般為拖網(wǎng)或圍網(wǎng)。用特定捕撈方式捕撈各主捕撈魚種時，捕撈的漁獲組成變化不大。如果按海域(漁場)劃分任務(wù)，一個漁場會有多個魚種，不同魚種會有多個漁業(yè)公司，因此會出現(xiàn)參加單位需要聯(lián)系多個漁業(yè)公司的情況。遠(yuǎn)洋漁船存在漁場間轉(zhuǎn)場的現(xiàn)象，漁船轉(zhuǎn)場后監(jiān)測的漁場就會發(fā)生變化，原來監(jiān)測的漁場就需要重新安排漁船，重新培訓(xùn)船員記錄調(diào)查信息。比如北太平洋漁場，包括魷魚、秋刀魚、鮐魚等，如果一個參加單位負(fù)責(zé)北太平洋漁場調(diào)查，需要聯(lián)系幾個遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司，魷魚漁船聯(lián)系好后，有可能轉(zhuǎn)場去其他漁場，還需要重新聯(lián)系。不同魚種調(diào)查表格差別大，同時負(fù)責(zé)多個魚種比較混亂，不容易整理，為調(diào)查的深入帶來困難。如果按主捕魚種劃分任務(wù)，參加單位可以專注某個魚種，與某個主捕魚種的公司長期合作，即使?jié)O船轉(zhuǎn)場也不影響任務(wù)?？紤]到按漁場和魚種劃分的優(yōu)缺點，項目主要按照魚種劃分任務(wù)(表1)。

圖1 調(diào)查監(jiān)測遠(yuǎn)洋漁場的分布Fig.1 Survey and monitoring of ocean fishing ground distribution

表1 調(diào)查漁場與魚種Tab.1 Fish species and fishing grounds of investigation

1.3 調(diào)查監(jiān)測方法與內(nèi)容

利用遙感、漁船位置監(jiān)控數(shù)據(jù)，完成各漁場的遙感監(jiān)測，獲取各漁場的溫度、溫度周較差、溫度距平、葉綠素、海流、海面風(fēng)場等環(huán)境要素及次表層溫度、鹽度等；科研人員搭乘科考船或遠(yuǎn)洋生產(chǎn)船出海調(diào)查，或者委托漁業(yè)公司隨機對漁獲采樣，并記錄時間、位置信息。樣品帶回后，實驗室量測捕撈對象的年齡、體長與體重、性成熟度等基礎(chǔ)生物學(xué)數(shù)據(jù)。聯(lián)系遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司，進行漁業(yè)生產(chǎn)調(diào)查，獲取漁船裝備、作業(yè)規(guī)模、漁獲產(chǎn)量及組成、捕撈作業(yè)參數(shù)等信息。調(diào)查監(jiān)測指標(biāo)有魚種名稱、采樣日期、采樣位置、體長、體重、性別、性成熟度、攝食強度、放網(wǎng)(鉤)時間、放網(wǎng)(鉤)經(jīng)度、放網(wǎng)(鉤)緯度、捕撈產(chǎn)量、起網(wǎng)(鉤)時間、起網(wǎng)(鉤)經(jīng)度、起網(wǎng)(鉤)緯度、魚種規(guī)格、表溫、天氣，以及拖速/拖網(wǎng)、下鉤數(shù)/延繩釣、釣機開機臺數(shù)/釣具、手釣人數(shù)/釣具、釣捕水深/釣具和漁獲年齡/魚類等；漁船裝備狀況檢測指標(biāo)有捕撈類型、船名、船舶總噸位、主機功率、水上燈平均功率、水上燈數(shù)量、水下燈平均功率、水下燈數(shù)量、魷魚釣機臺數(shù)/魷魚釣等。

2 調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

2.1 對象關(guān)系模型構(gòu)建

在信息表達與應(yīng)用服務(wù)時，為了能更接近人的思維模式和應(yīng)用情況，采用面向?qū)ο蠓椒?圖2)，但目前比較成熟的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)多數(shù)為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。為了能夠兼顧兩者的優(yōu)點，數(shù)據(jù)管理中建立了對象關(guān)系模型。對象關(guān)系模型是通過對象和關(guān)系表之間的影射關(guān)系，在分析設(shè)計時采用面向?qū)ο蠓椒?；而在物理設(shè)計時，根據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的特性進行設(shè)計。在面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序中，數(shù)據(jù)必須先進行對象-關(guān)系型轉(zhuǎn)換才能由該程序使用。對象-關(guān)系型模型的作用是對實際數(shù)據(jù)存儲進行一般封裝并提供相應(yīng)的對象轉(zhuǎn)換服務(wù)。在關(guān)系影射的形式上，采用實體表作為載體。在對象的定義中，某些對象屬性與物理的一些表字段一一對應(yīng)，但有些則是一些字段的組合，形成了容易理解的信息。該對象同時還具有增加、修改、變更、關(guān)聯(lián)等方法。系統(tǒng)可以方便地操作該對象，得到所希望的服務(wù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、SQL的創(chuàng)建方法。系統(tǒng)提供實體配置工具，完成對象關(guān)系模型構(gòu)建。

圖2 對象關(guān)系模型Fig.2 Object relation model

遠(yuǎn)洋漁場調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)對象有漁場信息、漁場環(huán)境、漁船裝備狀況、魚種描述、漁業(yè)資源捕撈調(diào)查數(shù)據(jù)、漁業(yè)資源生物調(diào)查數(shù)據(jù)，各個數(shù)據(jù)關(guān)系如圖3，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)通過漁場名稱與漁業(yè)資源捕撈調(diào)查數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；漁船裝備狀況數(shù)據(jù)通過船名與漁業(yè)資源生物調(diào)查數(shù)據(jù)、漁業(yè)資源捕撈調(diào)查數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；魚種描述數(shù)據(jù)通過魚種名稱與漁業(yè)資源生物調(diào)查數(shù)據(jù)、漁業(yè)資源捕撈調(diào)查數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

圖3 數(shù)據(jù)對象與數(shù)據(jù)關(guān)系Fig.3 Data object and data relation

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

為了控制監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，根據(jù)漁場和主捕魚種特點，設(shè)計極值控制法、連續(xù)變化控制法、數(shù)據(jù)的空間比較法等方法，識別和處理存在問題數(shù)據(jù)，劃分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量等級。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)極值作為判據(jù)，設(shè)置正確記錄的上下限，超過極值即質(zhì)量控制干預(yù)；根據(jù)要素連續(xù)變化規(guī)律確定兩次采樣差值的上限，超過上限值即質(zhì)量控制干預(yù)；根據(jù)監(jiān)測要素的空間分布規(guī)律，將某個站點的數(shù)據(jù)與附近幾個站點的數(shù)據(jù)進行比較，若均為正偏差或均為負(fù)偏差，且偏差幅度超過歷史上限，則將該記錄視為可疑，并采取質(zhì)量控制干預(yù)。

3 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺框架設(shè)計

平臺的設(shè)計全面遵循統(tǒng)一管理、方便使用和靈活高效的原則，整體框架設(shè)計分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、邏輯交換層、應(yīng)用服務(wù)層三個層次(圖4)，各個層次之間通過相應(yīng)的接口和函數(shù)有機連接，從總體上保證了系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)件劃分?；谶@三個層次之上，系統(tǒng)框架內(nèi)還包括了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系兩個基礎(chǔ)保障模塊。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

通過建立遠(yuǎn)洋監(jiān)測數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)來確立一個統(tǒng)一的監(jiān)測資料數(shù)據(jù)格式，以便于系統(tǒng)從不同類型、不同要素的數(shù)據(jù)庫中進行讀取和處理，同時也為后續(xù)的系統(tǒng)與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換提供參考。

(2)安全保障體系

構(gòu)建一個數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)備份為主的系統(tǒng)安全保障體系是保證系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運行的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)安全主要是通過防火墻、數(shù)據(jù)加密等設(shè)計防止數(shù)據(jù)的外泄，數(shù)據(jù)備份則保證數(shù)據(jù)能夠被妥善保存，一旦出現(xiàn)災(zāi)難性事故，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍舊能夠得以恢復(fù)。

圖4 平臺框架Fig.4 System framework

(3)數(shù)據(jù)層

接收各監(jiān)測單位發(fā)回的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、漁業(yè)捕撈調(diào)查數(shù)據(jù)、魚類生物調(diào)查數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)分別以關(guān)系數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫及資料數(shù)據(jù)庫的形式存儲。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的綜合管理、維護、轉(zhuǎn)換、備份等功能，為整個平臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)管理支撐。

(4)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交換層

該部分是整個管理系統(tǒng)的核心層，發(fā)揮數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的控制功能，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、可靠的數(shù)據(jù)交換功能。主要涉及數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)安全和后臺數(shù)據(jù)交換等關(guān)鍵任務(wù)，為系統(tǒng)提供配置管理、基礎(chǔ)功能服務(wù)和接口服務(wù)等支持。

(5)應(yīng)用服務(wù)層

包括電子海圖子模塊、查詢顯示模塊、數(shù)據(jù)管理器與服務(wù)模塊和系統(tǒng)管理子模塊四個業(yè)務(wù)子模塊。應(yīng)用服務(wù)子模塊通過數(shù)據(jù)交換層與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層進行基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交換。

4 總結(jié)

遠(yuǎn)洋漁場及關(guān)鍵漁業(yè)資源調(diào)查監(jiān)測任務(wù)，以基礎(chǔ)性長期性遠(yuǎn)洋漁場及關(guān)鍵漁業(yè)資源調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以西北太平洋秋刀魚漁場、北太平洋圍網(wǎng)、南海鳶烏賊漁場、西南大西洋阿根廷魷魚漁場、西非過洋漁業(yè)、南極磷蝦、印度洋鮐魚為研究對象，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲與管理，分析海洋環(huán)境、漁業(yè)捕撈、魚類生物學(xué)等數(shù)據(jù)特點，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲格式和相互關(guān)系，構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲與管理模型，通過設(shè)計對象關(guān)系數(shù)據(jù)模型，有效拆分和封裝關(guān)系數(shù)據(jù)庫，使對象模型和數(shù)據(jù)模型能夠無縫地集成。以遠(yuǎn)洋漁場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合海洋環(huán)境遙感數(shù)據(jù)、漁船VMS數(shù)據(jù)，生產(chǎn)捕撈數(shù)據(jù)，分析漁場時空變化規(guī)律，研究漁業(yè)資源分布與海洋環(huán)境的關(guān)系。遠(yuǎn)洋漁場生產(chǎn)捕撈調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測，以及生物學(xué)測定的數(shù)據(jù)所能覆蓋的范圍有限、時空分辨率低[18-19]，而遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)是必要的補充[20-21]。項目下一步將結(jié)合遙感反演數(shù)據(jù)[22-23]、漁船VMS數(shù)據(jù)[24-25]分析漁場動態(tài)變化，研究漁業(yè)資源分布與海洋環(huán)境的關(guān)系，為掌握漁業(yè)資源的捕撈動態(tài)、資源分布、捕撈潛力和漁場漁汛奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而為我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)生產(chǎn)與管理提供數(shù)據(jù)參考，提高中國公海及共享漁業(yè)資源利用國際競爭力和話語權(quán)。