2010—2021年中國光伏電站的空間分布及時空變化分析

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空變化特征，以2010—2021年的Landsat-5數據和Landsat-8數據為數據源，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域的土地類型。研究結果表明：1）中國光伏電站主要分布在青海省、新疆維吾爾自治區、甘肅省、內蒙古自治區、寧夏回族自治區等西北部地區。2） 2010—2021年間中國光伏電站的占地面積呈現逐年增長趨勢，但不同時間段的增長幅度不同，中國光伏電站的占地面積增長率呈現先快速上升，然后增速降低，最后又緩慢上升的變化趨勢，且2013年的增長率最大。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%；而分布在城鎮住宅用地和水體上的光伏電站較少。

關鍵詞：光伏電站；空間分布；時空變化；中國

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

2020年9月22日，中國在第75屆聯合國大會一般性辯論上宣布力爭于2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。面對減排壓力，中國電力行業的低碳發展成為必然趨勢[1-2]。光伏發電技術的應用范圍廣、可靠性高、無需消耗燃料，因此其是一種可靠的新能源發電形式，光伏行業也成為當今世界發展最快的行業之一[3]。中國光伏發電穩步推進，裝機容量從2015年起連續3年位居世界第一[4]。

獲取中國光伏電站的時空分布，對今后光伏電站的建設和中國電力行業的低碳發展，以及碳中和目標的實現具有重要意義。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是像素具有的多光譜特征，未考慮相鄰像素間的關系，分類精度會因受到光照條件、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。基于此，本文通過收集2010—2021年中國的Landsat系列衛星遙感影像，利用目視解譯的方法對光伏電站信息提取，分析2010—2021年中國光伏電站分布特征及時空變化規律。

1? 數據來源及處理方法

1.1? 數據來源

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

從歐洲航天局（ESA）網站（網址為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域的土地利用類型。

1.2? 研究方法

1.2.1? 數據預處理

本文利用ENVI5.3軟件中的波段合成工具對遙感影像數據進行真彩色合成，并導出數據。利用應用程序ArcMap10.2中的合并工具將多景矢量數據合并成一幅矢量數據圖像，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據。

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2010—2021年的中國光伏電站遙感影像進行信息提取。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為灰藍色或深褐色的矩形，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，無法準確區分各光伏陣列。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多邊形，間距大于40 m的光伏電站解譯為多個大小不同的多邊形。利用目視解譯法，根據光伏電站的形態特征提取其矢量數據。

完成光伏電站矢量數據提取后，采用混淆矩陣的方法，計算光伏電站的總體精度，對提取到的光伏電站數據進行精度評價。選取了約500個標準點，這些標準點分布較為均勻且具有代表性，利用混淆矩陣法計算得到提取的光伏電站的總體精度為91.3%，提取質量較為理想。

2? 結果與分析

2.1近10年中國光伏電站占地面積的時空分布變化

2010—2021年中國光伏電站占地面積及增長率情況如圖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年的增長率均較高，且2013年的最高，達到672%；近10年間的增長率呈先快速上升，然后增速降低，最后又緩慢上升的變化狀態。

2013年1月1日，國務院印發《能源發展“十二五”規劃》，提出大力發展太陽能發電，按照就近消納、有序開發的原則，重點在西藏自治區、內蒙古自治區、甘肅省、寧夏省、青海省、新疆維吾爾自治區、云南省等太陽能資源豐富地區，利用沙漠、戈壁及無耕種價值的閑置土地，建設若干座大型光伏電站，結合資源和電網條件，探索水光互補、風光互補的利用新模式[7]。因此，2013年光伏電站占地面積增長率最高。隨著中國的光伏發電事業逐漸平穩發展，光伏電站占地面積增長率有所下降，最后增幅變小。由于缺少2012年的數據，所以2013年的增長率實際統計的是2011到2013年兩年內光伏電站的增長，鑒于此，筆者做了以兩年為時間間隔的光伏電站占地面積增長率變化統計，結果仍是2013年的光伏電站面積增長率最高，因此無需考慮2012年數據缺失造成的影響。

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數據來自天地圖的行政邊界數據接口，在QGIS軟件中獲得。QGIS軟件是一款功能強大的開源地理信息系統軟件，其可提供豐富的地理數據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、內蒙古自治區、甘肅省、寧夏回族自治區等西北內陸地區，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，且該趨勢在西北部地區及華北地區尤為顯著；光伏電站的分布范圍也在擴大，從2010年到2021年，有光伏電站分布的省份從11個增至30個。

2010、2015、2021年各省的光伏電站占地面積統計圖如圖4所示。

從圖4可以看出：2021年青海省、新疆維吾爾自治區、內蒙古自治區、甘肅省、寧夏回族自治區這5個地區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個地區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個地區外，河北省、陜西省、安徽省等其他省份的光伏發電事業也在迅速發展。

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） 隨著時間的推移，光伏電站分布在城鎮住宅用地和水體上比重有所增加，但仍較少，不足1%。中國光伏發電事業正蓬勃發展，未來要在注重光伏電站在草地和裸地等土地利用類型發展的同時，實現光伏電站在城鎮住宅用地和水體上的建設。

3? ?討論

從本文研究來看，中國光伏電站的數量正在逐年上漲，規模也在不斷擴大。目前中國光伏電站主要分布在草地、裸地和耕地上，而分布在城鎮住宅用地及水體上的比例較小。水光互補光伏電站可以提高土壤含水量，減少土地水分蒸發，從而改善生態環境，與當今世界倡導的碳中和發展理念相統一。因此，未來注重在草地、裸地和耕地上建設光伏電站的同時，也應注重其在水體等土地利用類型上的建設，實現水光互補光伏電站的普及，同時也要注重光伏電站在城鎮住宅用地上的建設，可以通過房屋屋頂等地安裝光伏組件等方式來實現。

由于本文使用的Landsat衛星數據的空間分辨率較低，不能完全獲取中小規模的建于城市或農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小于實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土地利用類型上的研究也對光伏電站今后的發展具有重要作用，需要后續進一步研究。

4? 結論

為分析中國光伏電站的空間分布及時空變化特征，本文以2010—2021年的Landsat-5和Landsat-8衛星數據為數據源，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逐年增長的趨勢，但不同時間段的變化幅度不同，呈現先大幅增長，然后增速降低，最后又緩慢上升的變化趨勢，且在2013年的增長幅度最大，達到672%。

2）中國光伏電站主要分布在青海省、新疆維吾爾自治區、甘肅省、內蒙古自治區、寧夏回族自治區等西北部地區；在2010、2015和2021年，這5個地區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和發展提供數據支持，為加快構建清潔低碳安全高效能源體系提供依據，推進促進中國經濟社會發展全面綠色轉型，具有重要的實踐意義和應用價值。

[參考文獻]

[1] HE G，LIN J，SIFUENTES F，et al. Rapid cost decrease of renewables and storage accelerates the decarbonization of Chinas power system[J]. Nature communications，2020，11：2486.

[2] YU Y，JIN Z X，LI J Z，et al. Low-carbon development path research on Chinas power industry based on synergistic emission reduction between CO2 and air pollutants[J]. Journal of cleaner production，2020，275：123097.

[3] 王云釗，楊嶸春. 光伏發電技術與建筑一體化的實際應用[J]. 技術交流與應用，2010 （6）：72-75.

[4] 水電水利規劃設計總院. 改革開放40年新能源建設成就與展望（下）[J]. 中國電力企業管理，2019（7）：38-41.

[5] MELLIT A，KALOGIROU S A. Artificial intelligence techniques for photovoltaic applications： a review[J]. Progress in energy and combustion science，2008，34（5）：574-632.

[6] KALOGIROU S A. McEvoys Handbook of Photovoltaics： Fundamentals and Applications. 3ed[M]. USA：Academic Press，2017.

[7] 中華人民共和國中央人民政府. 國務院關于印發能源發展“十二五”規劃的通知[EB/OL].（2013-01-23）. http：//www.gov.cn/zwgk/2013-01/23/content_2318554.htm.

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