全球人口越来越依赖海洋来获取食物、生产能源和进行全球贸易，但海上人类活动尚未得到充分量化。近期，Nature 的一项最新研究结合海量卫星图像、船舶 GPS 数据和深度学习模型，绘制了 2017 年至 2021 年的海洋工业化地图。该地图详细地刻画全球沿海水域工业船舶活动和海上能源基础设施的分布及演变趋势，有助于人们对海洋 " 蓝色经济 " 的更深入理解。
研究领域：卫星图像，深度学习模型，海洋工业化地图，海上基础设施监测
论文期刊：Nature
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06825-8
瓶颈：稀缺的海洋活动数据阻碍探索
海洋对人类生活意义重大。超过 10 亿人以海洋为主要食物来源，全球范围内仅海洋渔业就业人数约为 2.6 亿人。大约 80% 的贸易货物是通过海洋运输，世界上近 30% 的石油来源于在海上油田并分布在世界各地。海洋除了发挥这些作用以外，海上的可再生能源、水产养殖和采矿业也在蓬勃发展，为高达 1.5 – 2.5 万亿美元 " 蓝色经济 " 助力。
在陆地上，有几乎覆盖所有道路的地图和详细的林、农业数据。然而，由于许多船舶不公布其位置或未被公共监测系统检测到，导致涉及人类海上活动的数据资料很少。稀缺的全球性海洋活动观测数据限制了人们对于对蓝色经济的理解，包括它在何处扩张，如何扩张，以及如何影响沿海地区。
目前主要通过自动识别系统 AIS ( Automatic Identification System ) 识别人类海洋活动。该系统可以公布船舶坐标以跟踪船舶运动，并保障海上安全。但因为各国法规、船舶大小和活动性质不同，并非所有船舶都使用 AIS 设备。例如一些从事非法活动的船只经常关闭其 AIS 响应器。通常将无法在 AIS 系统数据中看到的船舶称为 " 未公开跟踪船只 " 或 " 暗船 "（dark vessels）。
创新：首张人类海上工业活动地图诞生
为了突破数据限制，更深入理解人类海上工业活动，该研究基于 2pb 的卫星图像、530 亿个船舶 GPS 数据和 3 个深度卷积神经网络，绘制了 2017 年至 2021 年全球沿海水域工业船舶活动和海上能源基础设施的地图。
渔船和非渔船活动监测
图 1 展示的是公开监测到的不同类型船只分布图。在 2017-2021 年期间，监测到的渔船约占 42-49%。全球 72-76% 的工业渔船没有被公开追踪，其中大部分捕鱼活动发生在南亚、东南亚和非洲附近（如图 1-a 所示）。从图 1-c 可知，各大洲的活动分布并不均匀，亚洲约占所有船只活动的 67%，其次是欧洲的 12%，北美的 7%，非洲的 7%，南美的 4% 和澳大利亚的 2%。与渔船不同的是，大多数非捕鱼船只会公开其位置，只有 21-30% 的运输和能源船只活动在 AIS 系统中未被公开追踪（如图 1-b 所示），其中亚洲运输和能源船舶的集中度最高（约 65%）。
该研究还可以揭示潜在的非法捕鱼活动热点地区。曾有研究表明，朝鲜东部海域存在大量非法活动。但这版全球地图显示，大多数未公开的捕捞活动实际上发生在朝鲜半岛西部，且该地区 2017 年到 2019 年渔船密度位于全世界榜首。
全球地图还追踪了船只活动随时间的变化（如图 2 所示）。中国境内渔船活动周期主要受中国新年和法定休渔期影响，而世界其他地区则由新年和相关假期驱动。研究发现在 2017-2021 年期间全球捕鱼活动减少了 12 ± 1%，这与新冠疫情相吻合。与此形成鲜明对比的是，运输和能源活动在 2017-2021 年保持稳定，甚至略有增长。此外，新冠疫情对中国以外渔业活动的影响要大得多，中国的运输和能源增长高于世界其他地区。
海上基础设施监测
该全球地图能够反映海上基础设施分布情况（如图 3 所示）。到 2021 年底，全球海上基础设施总数约为 28000 个，主要风力发电厂或产油地区的风力涡轮机、石油设施分别占所有海洋基础设施的 48%、38%，剩下的 14% 分布在其他区域。从图 3-a 可知，大部分石油设施集中在 13 个主要产油区，海上风电开发主要位于北欧（52%）和中国（45%）。
然而，海上能源开发趋势已经发生了转变。如图 3-c 所示在过去的 5 年里，海上石油设施的数量增加了约 16%。相比之下，自 2017 年以来，海洋中的风力涡轮机数量增加了 1 倍以上，到 2020 年底可能超过石油设施的数量。其中，当属中国引领海上风电的发展—— 5 年内涡轮机数量激增了 900%（平均每年约 950 台风力涡轮机），远远超出国际能源署的预期。
展望：全球地图的广泛应用
该研究融合多源大数据，绘制出详细的全球海上主要工业活动地图。该地图揭示了海上主要工业活动分布和特征，其中渔业是迄今为止非公共活动最多的海洋产业。该数据集和技术可以用于协助政府或学者寻找潜在非法活动的聚集地、更好地了解其水域的船舶活动。此外，全球地图还可以用于量化船舶交通和海上开发产生的温室气体排放规模，有助于制定合理的节能减排政策。
该研究还反映了海洋的工业活动的变化趋势。渔业是曾经最主要的海洋活动，然而随着全球贸易的趋势和可再生能源基础设施的快速发展，运输和能源船舶的占比可能会继续扩大。在这种情况下，基础设施和船舶交通对海洋生态系统的影响可能与捕鱼相媲美，准确绘制这些活动的地图对于理解和管理未来人类在海洋中的活动至关重要。
编译｜胡一冰
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