基于高分辨率影像的光伏电场信息提取鲁棒性分析及其热环境效应研究

摘要

以光伏电场为代表的新能源在我国尤其是西部荒漠地区发展迅猛，利用遥感信息分析方法自动、快速、准确获取该类能源用地，分析其对周边沙漠热环境场的影响，将有助于政府及时掌握光伏电场的动态信息，对土地覆被、工程建设、能源利用及环境保护等都具有重要意义。本文采用基于对象影像分析方法，通过分割参数优选，结合光谱、几何和纹理等特征建立了沙漠地区光伏电场专家知识库，在中高分辨率遥感影像上完成了光伏电场的精准获取，并使用基于对象的规则集鲁棒性分析模型探讨了时相、传感器、空间分辨率和区域差异对规则集鲁棒性的影响，得出了光伏电场提取模型在不同数据源上使用时需注意的事项。最后，通过温度反演分析了宁夏中卫市沙漠光伏产业园对周边沙漠热环境场的影响。得到的结论主要有以下几点：　　1、通过ED2分割参数优选算法获得了光伏电场在空间分辨率为0.5-30m之间的几种主要光学遥感影像上的最优分割参数组合，最优分割尺度与空间分辨率之间呈现一定的幂函数关系y=300.98x-0.571，且具有较高的形状因子，这对光伏电场的分割参数优选具有一定的借鉴意义。　　2、通过相关特征分析，在基于对象影像分析方法的支持下，分别利用GF-1融合影像和Landsat8 OLI融合影像建立了2个规则集，实现了光伏电场在中高分辨率遥感影像上的精准提取。对于空间分辨率优于2m的高分辨率遥感影像，可利用比值居民地指数、长宽比、差异性、亮度4个特征对光伏方阵进行提取，进而根据上下文、几何特征提取内部道路和间隙等，最后使用数学形态学对提取结果进行优化，完成光伏电场的综合提取，规则集特征少、结构清晰、可读性强，提取结果的总体精度高于93％。对于Landsat8 OLI遥感影像，可使用比值居民地指数、归一化建筑物指数、归一化植被指数、亮度和蓝光波段标准差5个特征完成大部分光伏电场的提取，总体精度略低于高分辨率遥感影像，在85%至90%之间。　　3、通过基于对象规则集鲁棒性分析模型定量分析了时相、传感器、空间分辨率和区域4个因素对两种规则集鲁棒性的影响。对于利用GF-1融合影像建立的规则集（规则集一）而言，在获得最优分割的情况下，其在不同遥感影像上的鲁棒性为时相＞传感器＞区域＞空间分辨率。（1）在相同区域、相同传感器、相同空间分辨率、不同时相的遥感影像上鲁棒性最高，规则集一可直接使用，有利于规模化生产；（2）在相同区域、相同空间分辨率、不同传感器的遥感影像上鲁棒性较好，在使用时仅需对光谱特征阈值进行适当调整；（3）在相同传感器、相同空间分辨率、不同区域的遥感影像上规则集鲁棒性较好，在使用时只需对纹理特征阈值进行调整；（4）空间分辨率对规则集鲁棒性影响最大，体现在纹理、几何和上下文特征等各个方面。对于利用Landsat8 OLI融合影像建立的规则集（规则集二）而言，其在不同数据源上的鲁棒性为时相＞区域＞空间分辨率，相对于规则集一，3个因素对规则集二鲁棒性影响较大。基于高分辨率遥感影像建立的规则集一更适合光伏电场的自动或半自动化提取。　　4、通过基于热红外波段的温度反演发现光伏电场相对沙漠的平均温度低了了2.37℃，光伏电场的建设有利于降低沙漠地区的局部温度，单从降温效果来看等同于荒漠灌丛。光伏电场的面积、周长及形状指数3个形状特征与温度之间的相关性较差，光伏板和植被均是光伏电场对沙漠地区产生降温效应的因素，两种因素是相互影响、相互增益的，其中光伏板的降温效应占主导地位。对比分析沙漠光伏产业园区域的MODIS昼夜温度产品，发现光伏电场对沙漠的降温效应主要集中在白天且易形成一个“冷岛”中心，在夜间对沙漠热环境场的影响不明显。

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第一章 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标和内容

1.4 技术路线

1.5 论文特色

1.6 论文结构

第二章 原理与方法

2.1 基于对象影像分析

2.2 规则集鲁棒性分析模型

2.3 基于单窗算法的温度反演

第三章 研究区概况与数据预处理

3.1 研究区概况

3.2 数据源及预处理

第四章 基于对象的光伏电场提取及鲁棒性分析

4.1 分割参数优选

4.2 特征分析

4.3 建立分类规则集

4.4 规则集鲁棒性分析

第五章 光伏电场热环境效应分析

5.1 地表热场空间分布格局

5.2 影响光伏电场对沙漠降温效应的主要因素

5.3 光伏电场对沙漠降温效应的昼夜差异

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢