基于gwr的柔魚資源與海洋環(huán)境因素關(guān)系的分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種漁業(yè)資源與海洋環(huán)境因素關(guān)系的分析方法，尤其是涉及一種基于 GWR(地理加權(quán)回歸模型）的漁業(yè)資源與海洋環(huán)境因素關(guān)系的分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾多研究探討過漁業(yè)資源與海洋環(huán)境的關(guān)系，但是學(xué)者們普遍認(rèn)為海洋環(huán)境對漁 業(yè)資源的影響和貢獻(xiàn)的權(quán)重，在空間上是沒有差別的，即忽視了海洋環(huán)境參數(shù)的空間非平 穩(wěn)性。地理加權(quán)回歸模型（GWR)，正是分析這種空間非平穩(wěn)性的有效技術(shù)，能夠讓人們了解 海洋環(huán)境參數(shù)在不同的空間位置下，對漁業(yè)資源的影響是如何不同的。GWR模型是擴(kuò)展普通 線性回歸的模型，是一種算法簡單、操作簡便的回歸估計(jì)技術(shù)。GWR技術(shù)多被應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)、自 然資源管理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，鮮有應(yīng)用其分析漁業(yè)資源數(shù)據(jù)的研究。
[0003] 隨著GIS的持續(xù)發(fā)展，空間分析技術(shù)也有了新的突破。英國學(xué)者提出GWR模型，該 模型用于研究空間分布與環(huán)境因子的內(nèi)在規(guī)律。GWR能夠很好地解決樣本數(shù)據(jù)空間非平穩(wěn) 性和空間自相關(guān)等問題，漁場的空間異質(zhì)性恰好具有這種特征。并且，GWR模型要比傳統(tǒng)的 最小二乘模型更貼近真實(shí)模型。GWR模型可以改進(jìn)傳統(tǒng)空間回歸方法，能對影響因子的空間 變化進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估計(jì)。大量研究證明，GWR模型是一種分析空間異質(zhì)性和非平穩(wěn)性的 有效方法。
[0004] 現(xiàn)有的客服漁業(yè)資源與海洋環(huán)境因素的關(guān)系研究中存在的缺陷，該缺陷是傳統(tǒng)研 究認(rèn)為海洋環(huán)境因素對漁業(yè)資源的貢獻(xiàn)度（即環(huán)境因素的參數(shù)）在空間上的不變的，即忽 視了環(huán)境因素的空間非平穩(wěn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于GWR的柔 魚資源與海洋環(huán)境因素關(guān)系的分析方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種基于GWR的柔魚資源與海洋環(huán)境因素關(guān)系的分析方法，其特征在于，GWR分析 海洋表面溫度SST和葉綠素-a濃度CHL-a的空間非平穩(wěn)性，及其對柔魚資源空間分布的影 響，所述的分析方法具體包括以下步驟：
[0008] 1)獲取商業(yè)捕撈數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，將漁獲量換算成為單位捕撈努力量漁獲量 CPUE，并對所有柔魚數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中海洋環(huán)境數(shù)據(jù)包括海表溫度SST和海表葉綠素-a 濃度CHL_a ;
[0009] 2)基于局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，對CPUE進(jìn)行空間冷熱點(diǎn)分析，確定柔魚資源分布 的熱點(diǎn)區(qū)域和冷點(diǎn)區(qū)域，在GIS環(huán)境下繪制熱冷點(diǎn)區(qū)域的空間分布圖；
[0010] 3)基于柔魚CPUE數(shù)據(jù)與海洋環(huán)境數(shù)據(jù)建立混合地理加權(quán)回歸模型，導(dǎo)出數(shù)據(jù)SST 和CHL-a的參數(shù)，繪制該GWR參數(shù)的等值線圖從而顯示其空間的分布格局；
[0011] 4)在GIS環(huán)境下，將柔魚熱冷點(diǎn)分析圖分別與SST等溫線圖和CHL-a等值線圖疊 加顯示；
[0012] 5)利用GIS對每個(gè)熱冷點(diǎn)區(qū)域的柔魚CPUE進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)，判斷熱冷點(diǎn)內(nèi)部的分布 數(shù)據(jù)，將不同區(qū)域的熱冷點(diǎn)分布進(jìn)行對比，構(gòu)建與GWR參數(shù)的關(guān)系，得出分析結(jié)果。
[0013] 所述的步驟1)具體為：
[0014] 11)獲取漁業(yè)資源數(shù)據(jù)、海表溫度數(shù)據(jù)和葉綠素_a數(shù)據(jù)，換算出漁業(yè)CPUE，CPUE的 計(jì)算公式為：
[0015] CPUE = C/E (1)
[0016] 式中，C表示一艘漁船一天的產(chǎn)量，單位為噸，E表示其對應(yīng)的作業(yè)次數(shù)；
[0017] 12)在GIS環(huán)境下，展現(xiàn)出漁業(yè)CPUE數(shù)據(jù)在空間上的分布圖，并且分別繪制出SST 數(shù)據(jù)和CHL-a數(shù)據(jù)的空間分布圖。
[0018] 所述的步驟2)具體為：
[0019] 13)對數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)要素計(jì)算局部空間自相關(guān)量，即計(jì)算Getis-Ord Gi*，通 過該統(tǒng)計(jì)量得到z得分，其中每一個(gè)要素為每一個(gè)點(diǎn)的CPUE值；
[0020] 14)局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量Getis-〇rd Gi*表示為：
[0022] 式中，i，j是兩個(gè)不同位置的CPUE值，η是CPUE在空間的點(diǎn)位數(shù)量，其中Xj是位 置j的CPUE值，Wl]是要素i和j之間的空間權(quán)重，即歐幾里德距離的倒數(shù)，歹表示CPUE的 平均值，S表示標(biāo)準(zhǔn)差，BP :
[0025] 15)局部貧指數(shù)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量，即z得分公式為：
[0027] 式中，￡(〇和：^4/?(〇表示理論期望和理論方差，當(dāng)z〈-2. 58表示漁業(yè)資源的空 間冷點(diǎn)，而當(dāng)z>+2. 58表示漁業(yè)資源的空間熱點(diǎn)；
[0028] 16)在GIS環(huán)境下對z得分字段進(jìn)行渲染，判斷柔魚CPUE分布的空間熱點(diǎn)與冷點(diǎn) 區(qū)域。
[0029] 所述的步驟3)具體為：
[0030] 17)在擴(kuò)展的GWR模型中，常數(shù)β。是利用鄰近觀測值的子樣本數(shù)據(jù)信息進(jìn)行局部 回歸估計(jì)而得，涉及的變量有海表溫度SST和葉綠素-a濃度CHL-a，屬于混合地理加權(quán)回歸 模型，表示為：
[0032] 式中，Ui, ￥;是捕撈點(diǎn)i的調(diào)查海域地理位置；X u為第i個(gè)捕撈點(diǎn)的獨(dú)立變量； β。(^，Vl)為第i個(gè)點(diǎn)的常數(shù)估計(jì)值，aj (Ul，Vl) Xl為i點(diǎn)的參數(shù)SST估計(jì)值；P s為變量的個(gè) 數(shù)i點(diǎn)的參數(shù)CHL-a估計(jì)值，ε ;為誤差糾偏項(xiàng)；
[0033] 18)首先確定因變量，即CPUE ;再次確定解釋性變量，即SST和CHL-a，WR為數(shù)據(jù)集 中的各要素構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)立的方程，用于將落在各目標(biāo)要素的帶寬范圍內(nèi)的要素的因變量 和解釋變量進(jìn)行合并；在選擇AICc或CV帶寬方法時(shí)，對于FIXED核，GWR查找最佳距離，或 對于ADAPTIVE核，GWR查找最佳相鄰點(diǎn)數(shù)；
[0034] 19) GWR模型構(gòu)建并運(yùn)行之后，得到SST和CHL-a的參數(shù)，分別記為C1和C2,每個(gè) 數(shù)據(jù)點(diǎn)的C1和C2均不同，這表明SST和CHL-a對柔魚資源熱冷點(diǎn)的影響在空間上是變化 的，繼而，將C1和C2在GIS環(huán)境下繪制成為等值線圖。
[0035] 距離閾值法核函數(shù)FIXED就是選取合適的距離作為閾值D，用于解決每個(gè)局部回 歸分析，距離閾值法是自檢的權(quán)函數(shù)選取方法，其關(guān)鍵是選取合適的距離閾值D比較數(shù)據(jù) 點(diǎn)i與回歸點(diǎn)j之間的距離，如果大于閾值則權(quán)重為0,反之則為1，表示如下：
[0037] 指定帶寬的選擇，AICc (Akaike Information Criterion)/CV準(zhǔn)則會給出最優(yōu)距 離或鄰域，當(dāng)不知道如何確定距離閾值時(shí)通常選擇二者之一；帶寬參數(shù)由固定距離閾值或 固定閾值鄰域決定；
[0038] AICc信息量準(zhǔn)則是Akaike把統(tǒng)計(jì)學(xué)中的估計(jì)參數(shù)的極大似然原理加以修正得到 的選擇準(zhǔn)則，稱為AIC準(zhǔn)則，AIC定義式為：
[0040] 式中，GWR模型的似然函數(shù)為L( θ，X)，Θ的維數(shù)為p，X為隨機(jī)樣本，為Θ的 極大似然估計(jì)，a是參數(shù)個(gè)數(shù)，越大的似然函數(shù)估計(jì)量就越好。
[0041] 在GIS環(huán)境下繪制SST和CHL-a對CPUE的熱點(diǎn)分析圖，并分別與上述環(huán)境加權(quán)回 歸參數(shù)SST和CHL-a圖層疊加，進(jìn)行空間可視化顯示。
[0042] 得到熱冷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)柔魚資源的分布狀態(tài)，通過經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對不同年份的熱冷 點(diǎn)中的CPUE，最后分析熱冷點(diǎn)與C1和C2在空間分布上的關(guān)系。
[0043] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明確立了漁業(yè)資源CPUE的空間熱冷點(diǎn)與海洋環(huán)境GWR參數(shù) 之間的關(guān)系，當(dāng)用樣本數(shù)據(jù)建立GWR模型時(shí)，由于CPUE和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)在空間上表現(xiàn)出的 復(fù)雜性、自相關(guān)性和變異性，使得海洋環(huán)境對CPUE和z得分的影響在不同海域內(nèi)是不同的， 符合現(xiàn)實(shí)情況中柔魚（O.bartramii)捕撈在空間上具有異質(zhì)性的差異，提高了人們對漁業(yè) 資源及海洋環(huán)境響應(yīng)的認(rèn)識，提高了分析的正確性和準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0045] 圖2為研究區(qū)域內(nèi)柔魚資源數(shù)據(jù)分布圖；
[0046] 圖3為混合地理加權(quán)回歸模型中參數(shù)Cl (SST)估計(jì)值和熱點(diǎn)分析圖疊加圖；
[0047] 圖4混合地理加權(quán)回歸模型中參數(shù)C2 (CHL-a)估計(jì)值和熱點(diǎn)分析圖疊加圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0049] 1)以2004~2013年西北太平洋柔魚漁業(yè)點(diǎn)位及CPUE數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從已記錄的捕 撈數(shù)