基于GEE隨機(jī)森林算法的永仁縣光伏方陣提取及分布特征研究

摘" " 要：為準(zhǔn)確掌握永仁縣光伏電站具體建設(shè)年度、占地規(guī)模、分布規(guī)律等，基于谷歌地球引擎（GEE）云平臺(tái)，通過(guò)Sentinel-2影像及云南天地圖最新影像用目視解譯標(biāo)注了143個(gè)光伏方陣建成區(qū)及40個(gè)非光伏方陣建成區(qū)。提取了Sentinel-2影像6個(gè)原始波段、5個(gè)植被指數(shù)、8個(gè)紋理特征，并通過(guò)數(shù)字高程模型（DEM）提取了3個(gè)地形因子，共22個(gè)建模參數(shù)訓(xùn)練了隨機(jī)森林模型，提取了永仁縣光伏方陣數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，截至2024年5月，永仁縣集中式光伏電站光伏方陣占地面積約為1091.25hm2。

關(guān)鍵詞：GEE；隨機(jī)森林；Sentinel-2影像；光伏方陣

中圖分類號(hào)：TP751" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " 文章編號(hào)：1005-7897（2025）03-0193-03

0" 引言

永仁縣是云南省太陽(yáng)能最佳開(kāi)發(fā)區(qū)域之一，早在2012年既已建設(shè)了楚雄州第一座、云南省第二座光伏電站——維的太陽(yáng)能光伏電站[1]。近年來(lái)，在國(guó)家“雙碳”重大戰(zhàn)略和云南省新能源規(guī)劃的基礎(chǔ)上，永仁縣結(jié)合自身區(qū)位、資源優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，并對(duì)光伏方陣用地這種新的土地利用方式進(jìn)行了要求。根據(jù)《關(guān)于支持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)范用地管理有關(guān)工作的通知》（自然資辦發(fā)〔2023〕12號(hào)）[2]，光伏方陣用地不得改變地表形態(tài)，以第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查及后續(xù)開(kāi)展的年度國(guó)土變更調(diào)查成果為底版，依法依規(guī)進(jìn)行管理。實(shí)行用地備案，不需按非農(nóng)建設(shè)用地審批。但光伏方陣實(shí)際用地面積并不好做到精確統(tǒng)計(jì)，亟須通過(guò)遙感等技術(shù)手段提取縣域范圍內(nèi)光伏方陣用地情況，以便準(zhǔn)確、及時(shí)掌握不同時(shí)間段光伏方陣建設(shè)情況，為主管部門提供決策依據(jù)。

近年來(lái)，通過(guò)遙感影像對(duì)縣域范圍或更大空間尺度光伏電站提取的研究也逐漸增多。Feng[3]等提供了2020年我國(guó)10m空間分辨率的大型地面光伏電站遙感衍生數(shù)據(jù)集；劉蕓等[4-5]基于高分衛(wèi)星影像，并基于規(guī)則的面向?qū)ο蠓诸?、最鄰近法的監(jiān)督分類及ＣＡＲＴ分類器的監(jiān)督分類等３種不同分類方法，對(duì)威寧縣光伏電站提取進(jìn)行了研究；陳雨艷[6]等提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的多源高分辨率遙感影像提取新方法DAˉUNet，并以石林彝族自治縣作為測(cè)試區(qū)域，精度較高。

通過(guò)深度學(xué)習(xí)提取光伏方陣雖然精度較高，但所采用影像時(shí)限性較大（多為2年前的影像），不能實(shí)時(shí)反映光伏方陣建設(shè)情況。Sentinel-2是高分辨率多光譜成像衛(wèi)星（可見(jiàn)光分辨率為10m），兩顆衛(wèi)星互補(bǔ)后的重訪周期約為5天，能很好地解決提取光伏方陣的時(shí)限性問(wèn)題。同時(shí)谷歌地球引擎（GEE）云平臺(tái)可直接調(diào)用Sentinel-2影像、數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)集等進(jìn)行批量建模和處理。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合2024年5月Sentinel-2影像和最新云南天地圖影像，在ArcGIS平臺(tái)標(biāo)注了樣本并上傳至GEE云平臺(tái)，然后訓(xùn)練了隨機(jī)森林模型，提取了研究區(qū)最新光伏方陣數(shù)據(jù)，導(dǎo)出后在ArcGIS平臺(tái)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，并以緩沖區(qū)的方式改進(jìn)了椒鹽噪聲消除方法（原論文采用卷積算法，會(huì)帶來(lái)一定誤差），然后逐一進(jìn)行目視檢驗(yàn)將誤提為光伏方陣的區(qū)域進(jìn)行剔除，得到研究區(qū)最終的光伏方陣數(shù)據(jù)并對(duì)光伏方陣建設(shè)年度、占地規(guī)模、分布規(guī)律等進(jìn)行了分析。通過(guò)調(diào)用模型并更改不同年度，提取了不同時(shí)期光伏方陣數(shù)據(jù)，以最終的2024年光伏方陣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)不同光伏方陣建設(shè)年度進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 研究區(qū)概況

永仁縣地處云南省中北部，位于東經(jīng)101°14′～101°49′，北緯25°51′～26°30′，海拔為926～2884m，地勢(shì)西北高，東南低，中部地區(qū)有廣闊的丘狀高原面，地勢(shì)開(kāi)闊平緩。永仁縣境內(nèi)屬亞熱帶丘陵季風(fēng)氣候，受金沙江沿岸河谷地區(qū)熱源的影響，形成了冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，冬春干旱，夏秋多雨，干濕分明，雨量偏少，光照充足的獨(dú)特氣候特征。永仁縣平均降水量為833.9mm，降雨期集中在6—10月，雨季降水量占年度的94%，干季11月至次年的5月降水量?jī)H占全年的6%。永仁縣年平均日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射量多，是云南省開(kāi)發(fā)集中式光伏電站的理想?yún)^(qū)域。

2" 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

GEE平臺(tái)接入了Landsat、Sentinel-2等衛(wèi)星影像及ALOS World 3D-30m分辨率DEM數(shù)據(jù)，能快速、高效地對(duì)衛(wèi)星影像、DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和數(shù)據(jù)組合。

Sentinel-2是高分辨率多光譜成像衛(wèi)星（可見(jiàn)光分辨率為10m），同一地區(qū)重訪周期約為5天，可通過(guò)GEE官方提供的代碼便捷導(dǎo)出研究區(qū)的無(wú)云影像圖。

“天地圖·云南”平臺(tái)提供了云南省時(shí)空影像，可在線瀏覽2024年逐月歷史影像。影像分辨率為1m，已建成光伏方陣在云南天地圖歷史影像上紋理特征明顯、輪廓清晰，通過(guò)目視解譯很容易分辨。

通過(guò)GEE導(dǎo)出研究區(qū)2024年5月Sentinel-2影像后，在ArcGIS平臺(tái)將其與云南天地圖歷史影像作對(duì)照，對(duì)研究區(qū)光伏方陣進(jìn)行標(biāo)識(shí)，共標(biāo)識(shí)了143個(gè)光伏方陣面層（PV），并在光伏方陣周邊選擇了城鎮(zhèn)建設(shè)用地、村莊、耕地、林地、草地等40個(gè)面積較大的非光伏方陣面層（noPV），以供后期隨機(jī)森林模型建模對(duì)照使用。

隨機(jī)森林算法在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行建模，在分類問(wèn)題上具有很高的精度且對(duì)異常值（噪聲）有一定的容忍度，GEE為隨機(jī)森林算法提供了很好的支持。在GEE中對(duì)研究區(qū)Sentinel-2影像去云預(yù)處理后獲取6個(gè)原始波段（B2、B3、B4、B8、B11、B12）后，再分別計(jì)算5個(gè)植被指數(shù)（NDVI、MNDWI、NDPI、NDBI、SAVI）、8個(gè)紋理特征（ASM、CONTRAST、CORR、VARI、IDM、SAVG、ENT、DISS），并通過(guò)ALOS World 3D-30m分辨率DEM數(shù)據(jù)提取了3個(gè)地形因子（ELEVATION、SLOPE、ASPECT），將上述22個(gè)建模參數(shù)合并為一個(gè)數(shù)據(jù)集。通過(guò)將標(biāo)注的143個(gè)PV、40個(gè)noPV面層上傳至GEE平臺(tái)后，用GEE中ee.FeatureCollection.randomPoints命令在143個(gè)光伏方陣和40個(gè)非光伏方陣內(nèi)隨機(jī)生成1000個(gè)PV點(diǎn)及1000個(gè)noPV點(diǎn)，按點(diǎn)提取數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，再按7：3比例劃分訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，用ee.Classifier.smileRandomForest命令訓(xùn)練、調(diào)整模型參數(shù)，并進(jìn)行精度驗(yàn)證，再用訓(xùn)練好的模型對(duì)研究區(qū)PV數(shù)據(jù)進(jìn)行提取后導(dǎo)出。

因提取的PV數(shù)據(jù)有較多的椒鹽噪聲，需進(jìn)行噪聲去除以便提高數(shù)據(jù)精度。將導(dǎo)出的PV柵格數(shù)據(jù)添加至ArcGIS平臺(tái)，先用柵格轉(zhuǎn)矢量工具將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為PV矢量數(shù)據(jù)并計(jì)算橢球體面積，再將PV矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析（為控制電力輸送成本，不同光伏方陣間距離一般不會(huì)太遠(yuǎn)，通過(guò)多次測(cè)試后最終確定緩沖距離為100m）得到PV-100數(shù)據(jù)，最終對(duì)PV-100數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、拆分多部件后，用連接功能（基于空間位置另一圖層的數(shù)據(jù)，匯總屬性選最大值）與PV矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間連接，篩選最大面積大于0.5hm2（為控制建設(shè)成本及效益，單個(gè)光伏方陣面積一般不會(huì)太小，通過(guò)多次測(cè)試后最終確定面積為0.5hm2）的圖斑，得到PV-100-0.5數(shù)據(jù)，按位置選擇位于PV-100-0.5數(shù)據(jù)中的原始PV矢量即得到初步PV數(shù)據(jù)，以云南天地圖歷史影像作對(duì)照，對(duì)剩余噪聲進(jìn)行剔除即得到最終PV數(shù)據(jù)。

3" 結(jié)果與分析

研究結(jié)果表明，永仁縣光伏電站建設(shè)在近2年增長(zhǎng)較快，截至2024年5月，永仁縣集中式光伏電站光伏方陣占地面積約為1091.25hm2。

3.1" 光伏方陣建設(shè)時(shí)間、分布區(qū)域分析

研究區(qū)已建設(shè)光伏方陣在2021年之前維持在202.75hm2（分布在維的鄉(xiāng)、蓮池鄉(xiāng)2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)），2022年開(kāi)始爆發(fā)式增長(zhǎng)，截至2024年5月面積達(dá)1091.25hm2，共分布在蓮池鄉(xiāng)、維的鄉(xiāng)、宜就鎮(zhèn)、永定鎮(zhèn)、永興傣族鄉(xiāng)等5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。研究區(qū)歷年已建成光伏方陣面積統(tǒng)計(jì)如表1所示。

3.2" 光伏方陣地形因子分析

在ArcGIS平臺(tái)將DEM數(shù)據(jù)用表面分析工具計(jì)算坡度、坡向后，把光伏方陣按Sentinel-2影像分辨率轉(zhuǎn)換為點(diǎn)層，并與DEM原始數(shù)據(jù)、坡度、坡向進(jìn)行疊加分析。

通過(guò)點(diǎn)層與DEM原始數(shù)據(jù)疊加分析發(fā)現(xiàn)，光伏方陣分布海拔在1200～2000m，其中光伏方陣像元點(diǎn)在1500～1600m分布最多，占比達(dá)38%。表2為研究區(qū)光伏方陣像元點(diǎn)按海拔統(tǒng)計(jì)。

通過(guò)點(diǎn)層與DEM計(jì)算的坡度疊加分析發(fā)現(xiàn)，光伏方陣架設(shè)坡度在0°～50°，其中光伏方陣像元點(diǎn)坡度小于20°的最多，占比達(dá)89%；光伏方陣像元點(diǎn)坡度大于30°的占比較低，主要位于光伏方陣邊緣且不連片，因坡度過(guò)大施工、維護(hù)成本過(guò)高與實(shí)際不符，經(jīng)分析該部分主要是DEM數(shù)據(jù)存在一定誤差引起的。表3為研究區(qū)光伏方陣像元點(diǎn)按坡度統(tǒng)計(jì)。

通過(guò)點(diǎn)層與DEM計(jì)算的坡向疊加分析發(fā)現(xiàn)，光伏方陣架設(shè)坡向各坡向均有涉及，但主要分布在陽(yáng)坡，少部分光伏方陣分布在陰坡（經(jīng)分析坡度較小，5°以內(nèi)），可通過(guò)適當(dāng)提高北側(cè)光伏方陣支架的方式將光伏方陣調(diào)整為南朝向。其中，東南坡向、南坡向、西南坡向的光伏方陣像元點(diǎn)最多，共計(jì)占比達(dá)69%。研究區(qū)光伏方陣像元點(diǎn)按坡向統(tǒng)計(jì)如表4所示。

4" 結(jié)論

研究表明，GEE隨機(jī)森林算法能很好地提取出光伏方陣范圍（模型總體精度為0.95，Kappa系數(shù)為0.90），且通過(guò)最新影像訓(xùn)練的模型，更改不同Sentinel-2影像成像時(shí)間仍可以得到較高的精度。

研究區(qū)光伏電站建設(shè)在近2年內(nèi)呈增長(zhǎng)較快，主要是國(guó)家、云南省政策利好及光伏電站單位面積建設(shè)成本降低等因素的影響，吸引了更多企業(yè)更愿意投資光伏電站。

光伏方陣分布海拔在1200～2000m，坡度主要分布在20°以下，朝向以南為主。光熱效果、日照時(shí)長(zhǎng)更好的干熱河谷區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)建設(shè)，主要原因是河谷兩岸坡度較大，施工、維護(hù)成本均較高導(dǎo)致的。

通過(guò)GEE隨機(jī)森林模型雖然能快速提取到光伏方陣且精度超過(guò)90%，但Sentinel-2影像分辨率僅為10m，給光伏方陣邊界提取帶來(lái)一定誤差。永仁縣正在推廣分布式光伏，但通過(guò)GEE隨機(jī)森林很難被提取到，可能需要采取更高分辨率影像通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行提取，以準(zhǔn)確掌握研究區(qū)全部光伏電站數(shù)據(jù)，供主管部門更好地決策，并為其他地區(qū)光伏研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王暢（1979— ），男，漢族，云南昆明人，本科，工程師，主要從事林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃工作。