盧瀟楠，李國慶，楊凱迪，石澤平，孫嘉欣，張聰穎

摘 要：為分析中國光伏電站的空間分布及時(shí)空變化特征，以2010—2021年的Landsat-5數(shù)據(jù)和Landsat-8數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用目視解譯的方法提取光伏電站的空間分布，并判斷光伏電站所在區(qū)域的土地類型。研究結(jié)果表明：1）中國光伏電站主要分布在青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)等西北部地區(qū)。2） 2010—2021年間中國光伏電站的占地面積呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，但不同時(shí)間段的增長(zhǎng)幅度不同，中國光伏電站的占地面積增長(zhǎng)率呈現(xiàn)先快速上升，然后增速降低，最后又緩慢上升的變化趨勢(shì)，且2013年的增長(zhǎng)率最大。3）中國的光伏電站主要分布在草地、裸地和耕地等土地利用類型上，且分布在這3種土地利用類型上的光伏電站在2010—2021年間的占地面積占全國光伏電站總占地面積的比例均超過86%；而分布在城鎮(zhèn)住宅用地和水體上的光伏電站較少。

關(guān)鍵詞：光伏電站；空間分布；時(shí)空變化；中國

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

2020年9月22日，中國在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。面對(duì)減排壓力，中國電力行業(yè)的低碳發(fā)展成為必然趨勢(shì)[1-2]。光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用范圍廣、可靠性高、無需消耗燃料，因此其是一種可靠的新能源發(fā)電形式，光伏行業(yè)也成為當(dāng)今世界發(fā)展最快的行業(yè)之一[3]。中國光伏發(fā)電穩(wěn)步推進(jìn)，裝機(jī)容量從2015年起連續(xù)3年位居世界第一[4]。

獲取中國光伏電站的時(shí)空分布，對(duì)今后光伏電站的建設(shè)和中國電力行業(yè)的低碳發(fā)展，以及碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。目前也有研究人員利用人工智能方式獲取光伏電站的空間分布，但利用此種方式獲取光伏電站空間分布的依據(jù)是像素具有的多光譜特征，未考慮相鄰像素間的關(guān)系，分類精度會(huì)因受到光照條件、云、下墊面等的影響而受到限制[5-6]。因此，在中高分辨率的遙感圖像中目視解譯的解譯精度更高?；诖?，本文通過收集2010—2021年中國的Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，利用目視解譯的方法對(duì)光伏電站信息提取，分析2010—2021年中國光伏電站分布特征及時(shí)空變化規(guī)律。

1? 數(shù)據(jù)來源及處理方法

1.1? 數(shù)據(jù)來源

本研究以Landsat-5衛(wèi)星和 Landsat-8衛(wèi)星提供的2010—2021年遙感影像數(shù)據(jù)（來自USGS網(wǎng)站，網(wǎng)址為https：//glovis.usgs.gov/app）作為主要數(shù)據(jù)源，共1522景影像，分辨率為30 m。由于Landsat-5衛(wèi)星在2011年11月18日停止獲取遙感影像，且Landsat-8衛(wèi)星是于2013年2月11日成功發(fā)射，因此缺乏2012年的遙感影像數(shù)據(jù)。2010—2021年的遙感影像數(shù)據(jù)如表1所示，需要說明的是，本文所使用的遙感影像獲取時(shí)間多集中在6—8月。

從歐洲航天局（ESA）網(wǎng)站（網(wǎng)址為http：//maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/download.php）上分別下載了2010、2015和2020年的中國范圍的土地利用類型圖，用于分析光伏電站所在區(qū)域的土地利用類型。

1.2? 研究方法

1.2.1? 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文利用ENVI5.3軟件中的波段合成工具對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行真彩色合成，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。利用應(yīng)用程序ArcMap10.2中的合并工具將多景矢量數(shù)據(jù)合并成一幅矢量數(shù)據(jù)圖像，利用裁剪工具，以各省的行政圖作為裁剪要素，裁剪出全國的遙感影像數(shù)據(jù)。

1.2.2? 光伏電站信息提取方法

本文利用目視解譯的方法分別對(duì)2010—2021年的中國光伏電站遙感影像進(jìn)行信息提取。某光伏電站的遙感影像如圖1所示。

從圖1可以看出：光伏組件在遙感影像上表現(xiàn)為灰藍(lán)色或深褐色的矩形，中間鑲嵌白色的格紋，光伏組件緊密有序地排列形成較規(guī)則的光伏陣列。由于遙感影像的空間分辨率為30 m，而光伏陣列間距一般為5～10 m，利用目視解譯的方法，無法準(zhǔn)確區(qū)分各光伏陣列。因此在目視解譯的過程中，將光伏陣列間距小于40 m的光伏電站解譯為一個(gè)多邊形，間距大于40 m的光伏電站解譯為多個(gè)大小不同的多邊形。利用目視解譯法，根據(jù)光伏電站的形態(tài)特征提取其矢量數(shù)據(jù)。

完成光伏電站矢量數(shù)據(jù)提取后，采用混淆矩陣的方法，計(jì)算光伏電站的總體精度，對(duì)提取到的光伏電站數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。選取了約500個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，這些標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)分布較為均勻且具有代表性，利用混淆矩陣法計(jì)算得到提取的光伏電站的總體精度為91.3%，提取質(zhì)量較為理想。

2? 結(jié)果與分析

2.1近10年中國光伏電站占地面積的時(shí)空分布變化

2010—2021年中國光伏電站占地面積及增長(zhǎng)率情況如圖2所示。

從圖2可以看出：中國光伏電站的占地面積逐年增大，自2010年起，截至2021 年占地面積增加了約192689 hm2；但不同時(shí)段的變化幅度不同，從占地面積增加率來看，2011和2013年的增長(zhǎng)率均較高，且2013年的最高，達(dá)到672%；近10年間的增長(zhǎng)率呈先快速上升，然后增速降低，最后又緩慢上升的變化狀態(tài)。

2013年1月1日，國務(wù)院印發(fā)《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，提出大力發(fā)展太陽能發(fā)電，按照就近消納、有序開發(fā)的原則，重點(diǎn)在西藏自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、寧夏省、青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、云南省等太陽能資源豐富地區(qū)，利用沙漠、戈壁及無耕種價(jià)值的閑置土地，建設(shè)若干座大型光伏電站，結(jié)合資源和電網(wǎng)條件，探索水光互補(bǔ)、風(fēng)光互補(bǔ)的利用新模式[7]。因此，2013年光伏電站占地面積增長(zhǎng)率最高。隨著中國的光伏發(fā)電事業(yè)逐漸平穩(wěn)發(fā)展，光伏電站占地面積增長(zhǎng)率有所下降，最后增幅變小。由于缺少2012年的數(shù)據(jù)，所以2013年的增長(zhǎng)率實(shí)際統(tǒng)計(jì)的是2011到2013年兩年內(nèi)光伏電站的增長(zhǎng)，鑒于此，筆者做了以兩年為時(shí)間間隔的光伏電站占地面積增長(zhǎng)率變化統(tǒng)計(jì)，結(jié)果仍是2013年的光伏電站面積增長(zhǎng)率最高，因此無需考慮2012年數(shù)據(jù)缺失造成的影響。

2.2? 近10年中國光伏電站的空間分布變化

2010—2021年中國光伏電站空間分布如圖3所示。圖3數(shù)據(jù)來自天地圖的行政邊界數(shù)據(jù)接口，在QGIS軟件中獲得。QGIS軟件是一款功能強(qiáng)大的開源地理信息系統(tǒng)軟件，其可提供豐富的地理數(shù)據(jù)處理和空間分析功能。

從圖3可以看出：中國光伏電站集中分布在青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)等西北內(nèi)陸地區(qū)，從2010年到2021年，全國絕大部分省份的光伏電站分布逐漸密集，且該趨勢(shì)在西北部地區(qū)及華北地區(qū)尤為顯著；光伏電站的分布范圍也在擴(kuò)大，從2010年到2021年，有光伏電站分布的省份從11個(gè)增至30個(gè)。

2010、2015、2021年各省的光伏電站占地面積統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示。

從圖4可以看出：2021年青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)這5個(gè)地區(qū)的光伏電站總占地面積占全國光伏電站總占地面積的60%；在2010、2015和2021年，這5個(gè)地區(qū)的光伏電站總占地面積占全國光伏電站總占地面積的比例均超過了59%，甚至2015年更是超過了85%。除這5個(gè)地區(qū)外，河北省、陜西省、安徽省等其他省份的光伏發(fā)電事業(yè)也在迅速發(fā)展。

2.3? 光伏電站在不同土地利用類型上的分布

為分析光伏電站所在地的土地利用類型狀況，將2010—2013年的全國光伏電站分布圖與2010年的全國土地利用類型圖疊加，2014—2017年的全國光伏電站分布圖與2015年的全國土地利用類型圖疊加，2018—2021年的全國光伏電站分布圖與2020年的全國土地利用類型圖疊加分析。2010—2021年分布于不同土地利用類型的光伏電站占地面積情況如圖5所示。

從圖5可以看出：

1） 2010年中國光伏電站的占地面積為1087.90 hm2，到2021年該值增加了192688.57 hm2。

2） 光伏電站所在地的土地利用類型主要為草地、裸地和耕地等，在2010—2021年中，分布在草地、裸地和耕地上的光伏電站占地面積占全國光伏電站總面積的比例均在86%以上。且在草地上的占地面積最大，裸地的其次。

3） 2021年，在草地上分布的光伏電站的占地面積占全國光伏電站總面積的比例超過45%，在裸地上分布的光伏電站的占地面積占全國光伏電站總占地面積的25%；而在城鎮(zhèn)住宅用地和水體上分布的光伏電站的占地面積較少。

4） 隨著時(shí)間的推移，光伏電站分布在城鎮(zhèn)住宅用地和水體上比重有所增加，但仍較少，不足1%。中國光伏發(fā)電事業(yè)正蓬勃發(fā)展，未來要在注重光伏電站在草地和裸地等土地利用類型發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)光伏電站在城鎮(zhèn)住宅用地和水體上的建設(shè)。

3? ?討論

從本文研究來看，中國光伏電站的數(shù)量正在逐年上漲，規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。目前中國光伏電站主要分布在草地、裸地和耕地上，而分布在城鎮(zhèn)住宅用地及水體上的比例較小。水光互補(bǔ)光伏電站可以提高土壤含水量，減少土地水分蒸發(fā)，從而改善生態(tài)環(huán)境，與當(dāng)今世界倡導(dǎo)的碳中和發(fā)展理念相統(tǒng)一。因此，未來注重在草地、裸地和耕地上建設(shè)光伏電站的同時(shí)，也應(yīng)注重其在水體等土地利用類型上的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)光伏電站的普及，同時(shí)也要注重光伏電站在城鎮(zhèn)住宅用地上的建設(shè)，可以通過房屋屋頂?shù)鹊匕惭b光伏組件等方式來實(shí)現(xiàn)。

由于本文使用的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，不能完全獲取中小規(guī)模的建于城市或農(nóng)村的屋頂分布式光伏電站的光伏組件，所以解譯面積可能會(huì)小于實(shí)際的光伏電站占地面積。此外，本文只分析了全國大范圍下光伏電站的時(shí)空分布特征及不同土地利用類型上光伏電站的分布狀況，而不同省份光伏電站在相應(yīng)土地利用類型上的研究也對(duì)光伏電站今后的發(fā)展具有重要作用，需要后續(xù)進(jìn)一步研究。

4? 結(jié)論

為分析中國光伏電站的空間分布及時(shí)空變化特征，本文以2010—2021年的Landsat-5和Landsat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用目視解譯的方法提取光伏電站的空間分布，并判斷光伏電站所在地的土地類型。研究結(jié)果表明：

1） 2010年中國光伏電站的面積為1087.90 hm2，到2021年增加了192688.57 hm2，2010—2021年間中國光伏電站的占地面積呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但不同時(shí)間段的變化幅度不同，呈現(xiàn)先大幅增長(zhǎng)，然后增速降低，最后又緩慢上升的變化趨勢(shì)，且在2013年的增長(zhǎng)幅度最大，達(dá)到672%。

2）中國光伏電站主要分布在青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)等西北部地區(qū)；在2010、2015和2021年，這5個(gè)地區(qū)的光伏電站占地面積占全國光伏電站總占地面積均超過了59%，2015年更是超過了85%。

3）光伏電站所在地的土地利用類型主要為草地、裸地和耕地等，在2010—2021年中，分布在草地、裸地和耕地上的光伏電站占地面積占全國光伏電站總面積的比例均在86%以上。且在草地上的占地面積最大，裸地的其次。

本文研究可為今后光伏電站的建設(shè)和發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持，為加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系提供依據(jù)，推進(jìn)促進(jìn)中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，具有重要的實(shí)踐意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Analysis of spatial distribution and spatiotemporal changes of PV power stations in?China from 2010 to 2021

Lu Xiaonan，Li Guoqing，Yang Kaidi，Shi Zeping，Sun Jiaxin，Zhang Congying

（Resources and environment engineering institute of Ludong University，Yantai 264025，China）

Abstract：To analyze the spatial distribution and spatiotemporal changes of PV power stations in China，this paper uses Landsat-5 and Landsat-8 data from 2010 to 2021 as data sources，and uses visual interpretation methods to extract the spatial distribution of PV power stations and determine the type of land where PV power stations are located. The research results indicate that：1） China′s PV power stations are mainly distributed in northwestern regions such as Qinghai Province，Xinjiang Uygur Autonomous Region，Gansu Province，Inner Mongolia Autonomous Region，Ningxia Hui Autonomous Region，etc. 2） From 2010 to 2021，the land area of China′s PV power stations shows a trend of increasing year by year，but the growth rate vary in different time periods. The growth rate of the land area of China′s PV power stations shows a trend of first rapidly increasing，then decreasing，and finally slowly increasing，with the highest growth rate in 2013. 3） China′s PV power stations are mainly distributed in land use types such as grasslands，bare land，and cultivated land，and the proportion of PV power stations distributed in these three land use types to the total land area of PV power stations in China between 2010 and 2021 exceeds 86%；There are fewer PV power stations distributed on urban? residential land and water bodies.

Keywords：PV power stations；spatial distribution；spatiotemporal changes；China