基于多源遥感数据和GIS的城市太阳能资源时空分布调查与利用评价

The effective utilization of solar energy in urban area depends on the potential of solar energy resource in the area, the accessibility of the energy impacted by the urban complex 3D morphology, and the location decision for setting the solar energy equipment. Accurate assessment of the solar energy resource for the city and investigation of the spatio-temporal distribution of solar radiation for a specific region in the city are significantly important for the fully use of solar energy in the urban area. Due to the lack of methods and models of solar energy utilization investigation and assessment for the urban area at the single city scale (medium scale), this study takes the central area of Shanghai as an example and aims to 1) propose new methods for investigating impacts of geographical location, season, weather condition, and urban 3D morphology on spatio-temporal variations of solar energy, and 2) to model the solar energy use considering the spatio-temporal distribution of solar energy resource, location of solar energy equipment, and economic benefits in the urban area. Multi-source remotely sensed data, including airborne laser scanning data, mobile laser scanning data (namely vehicle-based laser scanning data), high-resolution aerial and satellite Remote Sensing images, and meteorological satellite data will be employed to support the new methods and models based on GIS technologies in our study. This study will provide a useful tools and methods for the solar energy utilization assessment for the urban area at the single city scale.

城市区域对太阳能资源的利用需综合考虑该区域内太阳能资源的总体可利用潜力、城市三维形态对区域内具体位置太阳能资源可获得性的影响和太阳能设备安装选址。准确的估算城市整体的太阳能资源状况和调查城市内部的太阳能资源时空分布特征，对于充分有效的利用太阳能资源有着重要的意义。针对现有对于城市区域中观尺度太阳能资源调查和利用评价的研究中方法和模型缺乏的现状，本项目拟选择上海市中心城区为样区，以多源遥感数据（包括机载、车载激光扫描数据，高分辨率航空、卫星遥感影像，气象卫星数据）为基础、以GIS技术为支撑，探索综合考虑地理位置、季节、气象条件、城市复杂三维形态等因子所影响的城市区域精细化的太阳能资源时空分布调查方法；建立考虑太阳能资源时空分布、太阳能设备安装选址和经济效益等因素的城市区域太阳能资源利用评估模型。项目预期研究成果将为城市区域中观尺度太阳能资源的调查和利用评价提供有效的新方法与新模型。

为了更充分有效的在城市区域内利用太阳能资源，需要在中观尺度综合考虑该区域内太阳能资源的总体可利用潜力、城市三维形态对区域内具体位置太阳能资源可获得性的影响和太阳能设备安装选址等因素。本研究按照既定计划完成了所有预期目标，通过多源遥感数据生产了上海市外环以内的高精度DSM数据（0.5米分辨率），并提出了基于GPU并行计算的SHORTWAVE-C模型，实现了多因子的太阳辐射量估计，并生产了2016年上海市外环以内的太阳辐射量（直射、散射和反射辐射量）以及日照时长数据，弥补了当前精细尺度的太阳能资源时空分布数据集的空白。基于不同的太阳能使用场景（光伏和光热），从经济效益和生态效益两方面开展了太阳能利用潜力评估，并有机地结合了Landsat 8遥感影像、MODIS产品数据以及夜间灯光遥感数据，构建了城市区域的下垫面热环境和城市发展状况评估模型，为今后的城市发展与生态文明建设提前做好准备。基于以上研究成果，本项目绘制了不同时长下的太阳能资源时空分布图一套以及不同利用情景（光伏或光热）下的太阳能设备安装选址规划图一套，发表SCI/SSCI论文21篇（预期8-12篇），研发原型系统软件2套（预期1套原型系统），且均已获得软件著作权，并完成了1项专利申请。