2010—2021年中国光伏电站的空间分布及时空变化分析

卢潇楠，李国庆，杨凯迪，石泽平，孙嘉欣，张聪颖

摘 要：为分析中国光伏电站的空间分布及时空变化特征，以2010—2021年的Landsat-5数据和Landsat-8数据为数据源，利用目视解译的方法提取光伏电站的空间分布，并判断光伏电站所在区域的土地类型。研究结果表明：1）中国光伏电站主要分布在青海省、新疆维吾尔自治区、甘肃省、内蒙古自治区、宁夏回族自治区等西北部地区。2） 2010—2021年间中国光伏电站的占地面积呈现逐年增长趋势，但不同时间段的增长幅度不同，中国光伏电站的占地面积增长率呈现先快速上升，然后增速降低，最后又缓慢上升的变化趋势，且2013年的增长率最大。3）中国的光伏电站主要分布在草地、裸地和耕地等土地利用类型上，且分布在这3种土地利用类型上的光伏电站在2010—2021年间的占地面积占全国光伏电站总占地面积的比例均超过86%；而分布在城镇住宅用地和水体上的光伏电站较少。

关键词：光伏电站；空间分布；时空变化；中国

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0  引言

2020年9月22日，中国在第75届联合国大会一般性辩论上宣布力争于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。面对减排压力，中国电力行业的低碳发展成为必然趋势[1-2]。光伏发电技术的应用范围广、可靠性高、无需消耗燃料，因此其是一种可靠的新能源发电形式，光伏行业也成为当今世界发展最快的行业之一[3]。中国光伏发电稳步推进，装机容量从2015年起连续3年位居世界第一[4]。

获取中国光伏电站的时空分布，对今后光伏电站的建设和中国电力行业的低碳发展，以及碳中和目标的实现具有重要意义。目前也有研究人员利用人工智能方式获取光伏电站的空间分布，但利用此种方式获取光伏电站空间分布的依据是像素具有的多光谱特征，未考虑相邻像素间的关系，分类精度会因受到光照条件、云、下垫面等的影响而受到限制[5-6]。因此，在中高分辨率的遥感图像中目视解译的解译精度更高。基于此，本文通过收集2010—2021年中国的Landsat系列卫星遥感影像，利用目视解译的方法对光伏电站信息提取，分析2010—2021年中国光伏电站分布特征及时空变化规律。

1  数据来源及处理方法

1.1  数据来源

本研究以Landsat-5卫星和 Landsat-8卫星提供的2010—2021年遥感影像数据（来自USGS网站，网址为https：//glovis.usgs.gov/app）作为主要数据源，共1522景影像，分辨率为30 m。由于Landsat-5卫星在2011年11月18日停止获取遥感影像，且Landsat-8卫星是于2013年2月11日成功发射，因此缺乏2012年的遥感影像数据。2010—2021年的遥感影像数据如表1所示，需要说明的是，本文所使用的遥感影像获取时间多集中在6—8月。

从欧洲航天局（ESA）网站（网址为http：//maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/download.php）上分别下载了2010、2015和2020年的中国范围的土地利用类型图，用于分析光伏电站所在区域的土地利用类型。

1.2  研究方法

1.2.1  数据预处理

本文利用ENVI5.3软件中的波段合成工具对遥感影像数据进行真彩色合成，并导出数据。利用应用程序ArcMap10.2中的合并工具将多景矢量数据合并成一幅矢量数据图像，利用裁剪工具，以各省的行政图作为裁剪要素，裁剪出全国的遥感影像数据。

1.2.2  光伏电站信息提取方法

本文利用目视解译的方法分别对2010—2021年的中国光伏电站遥感影像进行信息提取。某光伏电站的遥感影像如图1所示。

从图1可以看出：光伏组件在遥感影像上表现为灰蓝色或深褐色的矩形，中间镶嵌白色的格纹，光伏组件紧密有序地排列形成较规则的光伏阵列。由于遥感影像的空间分辨率为30 m，而光伏阵列间距一般为5～10 m，利用目視解译的方法，无法准确区分各光伏阵列。因此在目视解译的过程中，将光伏阵列间距小于40 m的光伏电站解译为一个多边形，间距大于40 m的光伏电站解译为多个大小不同的多边形。利用目视解译法，根据光伏电站的形态特征提取其矢量数据。

完成光伏电站矢量数据提取后，采用混淆矩阵的方法，计算光伏电站的总体精度，对提取到的光伏电站数据进行精度评价。选取了约500个标准点，这些标准点分布较为均匀且具有代表性，利用混淆矩阵法计算得到提取的光伏电站的总体精度为91.3%，提取质量较为理想。

2  结果与分析

2.1近10年中国光伏电站占地面积的时空分布变化

2010—2021年中国光伏电站占地面积及增长率情况如图2所示。

从图2可以看出：中国光伏电站的占地面积逐年增大，自2010年起，截至2021 年占地面积增加了约192689 hm2；但不同时段的变化幅度不同，从占地面积增加率来看，2011和2013年的增长率均较高，且2013年的最高，达到672%；近10年间的增长率呈先快速上升，然后增速降低，最后又缓慢上升的变化状态。

2013年1月1日，国务院印发《能源发展“十二五”规划》，提出大力发展太阳能发电，按照就近消纳、有序开发的原则，重点在西藏自治区、内蒙古自治区、甘肃省、宁夏省、青海省、新疆维吾尔自治区、云南省等太阳能资源丰富地区，利用沙漠、戈壁及无耕种价值的闲置土地，建设若干座大型光伏电站，结合资源和电网条件，探索水光互补、风光互补的利用新模式[7]。因此，2013年光伏电站占地面积增长率最高。随着中国的光伏发电事业逐渐平稳发展，光伏电站占地面积增长率有所下降，最后增幅变小。由于缺少2012年的数据，所以2013年的增长率实际统计的是2011到2013年两年内光伏电站的增长，鉴于此，笔者做了以两年为时间间隔的光伏电站占地面积增长率变化统计，结果仍是2013年的光伏电站面积增长率最高，因此无需考虑2012年数据缺失造成的影响。

2.2  近10年中國光伏电站的空间分布变化

2010—2021年中国光伏电站空间分布如图3所示。图3数据来自天地图的行政边界数据接口，在QGIS软件中获得。QGIS软件是一款功能强大的开源地理信息系统软件，其可提供丰富的地理数据处理和空间分析功能。

从图3可以看出：中国光伏电站集中分布在青海省、新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、甘肃省、宁夏回族自治区等西北内陆地区，从2010年到2021年，全国绝大部分省份的光伏电站分布逐渐密集，且该趋势在西北部地区及华北地区尤为显著；光伏电站的分布范围也在扩大，从2010年到2021年，有光伏电站分布的省份从11个增至30个。

2010、2015、2021年各省的光伏电站占地面积统计图如图4所示。

从图4可以看出：2021年青海省、新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、甘肃省、宁夏回族自治区这5个地区的光伏电站总占地面积占全国光伏电站总占地面积的60%；在2010、2015和2021年，这5个地区的光伏电站总占地面积占全国光伏电站总占地面积的比例均超过了59%，甚至2015年更是超过了85%。除这5个地区外，河北省、陕西省、安徽省等其他省份的光伏发电事业也在迅速发展。

2.3  光伏电站在不同土地利用类型上的分布

为分析光伏电站所在地的土地利用类型状况，将2010—2013年的全国光伏电站分布图与2010年的全国土地利用类型图叠加，2014—2017年的全国光伏电站分布图与2015年的全国土地利用类型图叠加，2018—2021年的全国光伏电站分布图与2020年的全国土地利用类型图叠加分析。2010—2021年分布于不同土地利用类型的光伏电站占地面积情况如图5所示。

从图5可以看出：

1） 2010年中国光伏电站的占地面积为1087.90 hm2，到2021年该值增加了192688.57 hm2。

2） 光伏电站所在地的土地利用类型主要为草地、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电站占地面积占全国光伏电站总面积的比例均在86%以上。且在草地上的占地面积最大，裸地的其次。

3） 2021年，在草地上分布的光伏电站的占地面积占全国光伏电站总面积的比例超过45%，在裸地上分布的光伏电站的占地面积占全国光伏电站总占地面积的25%；而在城镇住宅用地和水体上分布的光伏电站的占地面积较少。

4） 随着时间的推移，光伏电站分布在城镇住宅用地和水体上比重有所增加，但仍较少，不足1%。中国光伏发电事业正蓬勃发展，未来要在注重光伏电站在草地和裸地等土地利用类型发展的同时，实现光伏电站在城镇住宅用地和水体上的建设。

3   讨论

从本文研究来看，中国光伏电站的数量正在逐年上涨，规模也在不断扩大。目前中国光伏电站主要分布在草地、裸地和耕地上，而分布在城镇住宅用地及水体上的比例较小。水光互补光伏电站可以提高土壤含水量，减少土地水分蒸发，从而改善生态环境，与当今世界倡导的碳中和发展理念相统一。因此，未来注重在草地、裸地和耕地上建设光伏电站的同时，也应注重其在水体等土地利用类型上的建设，实现水光互补光伏电站的普及，同时也要注重光伏电站在城镇住宅用地上的建设，可以通过房屋屋顶等地安装光伏组件等方式来实现。

由于本文使用的Landsat卫星数据的空间分辨率较低，不能完全获取中小规模的建于城市或农村的屋顶分布式光伏电站的光伏组件，所以解译面积可能会小于实际的光伏电站占地面积。此外，本文只分析了全国大范围下光伏电站的时空分布特征及不同土地利用类型上光伏电站的分布状况，而不同省份光伏电站在相应土地利用类型上的研究也对光伏电站今后的发展具有重要作用，需要后续进一步研究。

4  结论

为分析中国光伏电站的空间分布及时空变化特征，本文以2010—2021年的Landsat-5和Landsat-8卫星数据为数据源，利用目视解译的方法提取光伏电站的空间分布，并判断光伏电站所在地的土地类型。研究结果表明：

1） 2010年中国光伏电站的面积为1087.90 hm2，到2021年增加了192688.57 hm2，2010—2021年间中国光伏电站的占地面积呈现逐年增长的趋势，但不同时间段的变化幅度不同，呈现先大幅增长，然后增速降低，最后又缓慢上升的变化趋势，且在2013年的增长幅度最大，达到672%。

2）中国光伏电站主要分布在青海省、新疆维吾尔自治区、甘肃省、内蒙古自治区、宁夏回族自治区等西北部地区；在2010、2015和2021年，这5个地区的光伏电站占地面积占全国光伏电站总占地面积均超过了59%，2015年更是超过了85%。

3）光伏电站所在地的土地利用类型主要为草地、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电站占地面积占全国光伏电站总面积的比例均在86%以上。且在草地上的占地面积最大，裸地的其次。

本文研究可为今后光伏电站的建设和发展提供数据支持，为加快构建清洁低碳安全高效能源体系提供依据，推进促进中国经济社会发展全面绿色转型，具有重要的实践意义和应用价值。

[参考文献]

[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，杨嵘春. 光伏发电技术与建筑一体化的实际应用[J]. 技术交流与应用，2010 （6）：72-75.

[4] 水电水利规划设计总院. 改革开放40年新能源建设成就与展望（下）[J]. 中国电力企业管理，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] 中华人民共和国中央人民政府. 国务院关于印发能源发展“十二五”规划的通知[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