中国可再生能源GIS的设计与开发

收稿日期： !""#$"#$%& ； 修订日期： !""#$"&$!’ 。 基金项目：联合国开发计划署 ( 全球环境基金项目—— —中国可再生能源数据库与地理信息系统建设。 第一作者简介： 王瑛（ ， 女， 云南陆良人， 讲师， 在职博士生， 主要从事自然资源、 %)&*+ ） ,-. 等研究。
/ 通讯作者： 0123435671897:;97<8
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化程度不够； 不同类型数据的监测机构不同， 现存数据分散储存在不同的机构， 缺乏统一管 理。因此， 至今仍然没有建立起国家统一的、 标准的可再生能源数据库。其次， 现有的数据监 测和采集手段较落后， 不能进行实时的动态监测和数据采集。 第三， 数据采集、 处理技术和数 据质量评估方法需要进一步完善， 以使数据采集和处理的结果能够与国际标准接轨。第四， 资源分析、 评估方法需进一步完善。 将地学空间数据处理与计算机技术相结合， 以地理空间数据库为基 地理信息系统（ #$%） 础， 采用地理模型分析方法， 可以适时提供多种空间的和动态的地理信息。因此， 在资源环 境、 区域规划、 管理决策、 灾害防治等方面都有着较为广泛的应用， 但在能源方面 #$% 的应用 尚处于起步阶段。 在联合国开发计划署 & 全球环境基金项目—— —加速中国可再生能源商业化能力建设项 ， 实现了对我国可再生能源数据的统一、 规 目的资助下， 开发完成的“ 中国可再生能源 #$%” 范管理， 通过数据库中资源数量、 质量、 开发利用等各项监测指标， 以及相应的资源评价空间 模型能够较好地确定资源在各区域的可利用程度和经济价值，为投资者和决策者提供参考 信息， 从而扩大中国可再生能源的应用。基于我国目前可再生能源的特点和开发利用现状， 系统的设计开发主要是针对太阳能、 风能、 生物质能、 地热能资源四种能源进行的。 本文重点 介绍该系统的功能设计、 指标体系建立、 数据组织以及应用实例等。
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源的各种数据进行统一管理， 并生成相应的专题图件， 用来分析和评估中国可再生能源的可 开发情况。因此， 系统需要实现的主要功能有： （ 数据管理 根据建立的指标体系， 系统中主要有两类数据： 空间数据和属性数据， 其 !） 中空间数据又包括遥感影像等栅格数据以及各类资源分布图的矢量数据。系统要具备对上 述几种数据的获取、 不同格式的转换、 处理、 输出功能， 以及查询、 检索功能。 资源评价 根据全国 $%% 多个气象站点的观测数据， 进行空间插值运算， 从而及时 （ #） 准确地提供全国范围的太阳能、 风能信息和空间分布图。 根据各种相关要素， 如粮食生产量、 牲畜出栏数等对生物质能进行资源评价。 针对我国已经探明的各地的温泉、 地热站点进行地 热能资源评价。 分析和预测 在数据库和模型 ’ 如动态监测模型、 经济评价模型、 空间分析模型、 数 （ &） 具备较强的模型分析、 运算能力； 提供诸如较佳开发利用地区、 经 理统计模型等等 ( 支持下， 济开发规模以及开发利用装置在地理上的合理分布等的分析和预测。 中国可再生能源 )*+ 的功能结构设计如图 #。
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王瑛等： 中国可再生能源 "#$ 的设计与开发
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系统监测指标体系
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在选择动态监测指标中， 必须遵循以下原则： 所获取的监测指标在有效 ! 稳定性原则， 的时间界定范围内是稳定的， 能用于长期的动态监测和统计运算； 由于可再 " 区域性原则， 生能源资源的地带性分布和区域非均匀性特点，监测指标必须能够充分反映资源区域分布 的空间格局属性特征， 即采集数据的地面站点分布可以覆盖所界定区域的整体变化； # 连续 性原则， 所有的指标可以进行长时间的连续观测和记录， 能与遥感影像的时相观测记录相匹 指标体系数据在时间和空间上必须是协调一致的， 可以进行资源的模型 配； $ 一致性原则， 模拟分析； 无论是直接观测或间接获取的数据指标， 都必须在系统分析中具 % 实用性原则， 动态监测指标体系 有明确的物理含义， 并且在资源评价时是经济实用的； & 可模拟性原则， 必须有利于模拟模型的构建，尽可能避免由于系统结构元素间关系的复杂而给资源评价分 析带来困难。 根据上述原则， 系统中风能、 太阳能监测数据主要由我国的气象站点观测资料获得， 生 物质能监测数据主要根据全国的统计部门资料以及部分地区的抽样数据获得，地热能监测 数据则根据我国地质勘查数据获得。 建立了以下 以风能为例， 根据我国的气象站点监测指标和各种相关气象资料和手册%&’()， 几类主要指标： 资源监测指标 气象站序列号、 气象站位置、 观测地点序列号、 观测地点位置、 风速、 （ *） 风向、 平均温度、 气压、 风的切变 + 地面 *,- 以上 .、 风能密度、 每天阵风次数、 地表粗糙度等。 以上指标在我国 !,, 多个基本气象站点都有观测数据。 风能设备指标 生产企业序列号、 生产企业名称、 生产企业地点、 风力装置序列号、 （ /） 风力装置名称、 风力装置型号、 风力装置规格、 单机容量、 风轮直径、 切入风速、 切出风速、 安 全风速、 启动风速、 额定电压、 频率、 功率、 发电量、 设备使用寿命、 生产能量、 购买成本和安装 成本、 风机功率曲线等。这些指标均由生产风能设备的厂家提供。 经济评价指标 风场序列号、 风场名称、 风场位置、 风场启用时间、 风场并网时间、 风 （ 0） 场停用时间、 数据记录时间、 安装时间、 设备安装数量、 实际发电量、 电能损耗率、 上网电量、 可利用小时数、 可利用率、 运行和维护费用、 月统计量、 年统计量、 风能设备开发信息、 风能设 备分布等。以上指标由各个风场提供。 环境评价指标 $2/、 难 （ 1） 32/ 减排量等。由于环境质量评价是一个比较复杂的问题， 以进行量化， 因此在环境质量评价方面， 系统目前只设置了 / 个指标： 即提 $2/、 32/ 减排量， 供相同能源量的条件下， 使用可再生能源比常规能源可以减少的 $2/ 和 32/ 排放量。 将资源监测指标输入到资源评价模型中，系统可以实时输出全国范围的风能理论资源 量、 可开发资源量， 再结合风能设备指标和经济评价指标， 就可以得到风能资源的可利用能 源量。 !"# 系统的主要功能 开发中国可再生能源 "#$ 的主要目的就在于对中国太阳能、 风能、 生物质能、 地热能资
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系统设计
系统的目标 自然资源管理系统的开发与资源的自然属性密切相关。 可再生能源的基本特点是： !可 再生性， 一定条件下它们可以定期重现和再生， 而不会因为人类的开发利用而枯竭 (" 低密 度性， 与化石能源相比， 可再生能源的载体是地球表面一些质量密度较低或者通量密度较低 的物质， 这就决定了它们的能量密度较低， 在单位体积内和单位时间内释放出来的能量也较 在地球表面某一确定的位置上， 可再生能源的能量释放不是连续的， 例如太阳 少(# 波动性， 能会随着昼夜的变化而呈日周期性变化， 风能具有季节的周期变化($ 非均匀性 ) 由于地球表 面的非均质性以及能源载体在地球表面分布的不连续性，造成了可再生能源资源在地球表 面空间的非均匀性， 一方面受到地球形状的制约， 表现出明显的地带性特征， 另一方面受到 能源载体的空间分布属性的制约， 表现出明显的景观地域性特征 (% 生态关联性 ) 由于可再 生能源的承载物质与生态环境关系密切， 因此 ) 可再生能源资源与生态环境具有不可分割的 关联属性*+,。 根据上述特点， 可再生能源的能源密度低、 不确定性程度大， 可获得量与技术密切相关， 同 时， 可再生能源的地域性强， 不易输送， 一般不进行地区间的贸易， 其资源量的实际开发程度 ., ， 要实现可再生能源的大范围高效利用， 不仅需 受当地不可再生能源资源供应情况的制约*-、 要可再生能源的理论资源量， 更重要的是各种能源可开发量、 开发条件的空间分布情况， 以及 各个地区的经济发展水平、 能源需求量等。因此， 开发可再生能源 #$% 的目标就是通过空间信 息处理技术， 对随时间、 地域不断变化的可再生能源的资源量进行动态监测， 了解其地域分布 情况， 分析开发、 利用的可能性， 为政府部门、 能源开发商等制定开发利用规划提供决策支持。 !"! 系统的指标体系 只有建立一套科学、 合理的资源数量及质量评估指标体系， 才可能对可再生能源进行准 确、 实时的动态监测。可再生能源资源就其数量特征可分为： 理论资源量、 技术可开发资源 量、 可利用资源量。此外， 还要考虑可再生能源资源开发技术与市场分析。因此， 根据我国目 前可再生能源数据的获得途径以及方法的不同， 将其分为六大类： 基本图件资料、 遥感影像 数据、 动态监测指标、 装置参数以及由资源评价模型得到的资源数量、 资源经济量等， 如图 ! 所示。
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中国可再生能源 !"# 的设计与开发
王 瑛 % I 李晓兵 /% I 扈海波 % I 孔平涛 ! I 张东宏 ! 李俊峰 # I 王忠颖 # I 时!丽 #
（ %7 北京师范大学 资源科学研究所 I 环境演变与自然灾害教育部重点实验室 I 北京 %""’&JK
!7 中国饲料工业协会信息中心 I 北京 %"""’&K #7 宏观经济研究院 能源研究所 I 北京 %"""#’ ）
摘要： 可再生能源资源具有的可再生性和清洁性， 使其逐渐成为世界性的能源建设发展方向。根 据可再生能源的特殊自然属性， 建立了包括： 资源监测指标、 设备指标、 经济评价指标、 环境 评 价 指 标的一套稳定、 可操作的指标体系， 并依照此体系开发了中国可再生能源地理信息系统。系统采用 基 于 G23:8Q ( .:5R:5 模 式 ， 是 第 一 个 全 国 范 围 的 可 再 生 能 源 资 源 ,-. ， 它 ,:LM:;3N O5LP:663L8N2 平 台 ， 实现了对中国可再生能源资源中的风能、 太阳能、 生物质能、 地热能四种能源资源的空间、 属性数据 的统一管理和动态监测。 同时， 利用 ,-. 特有的空间分析功能， 结合资源开发评估模型， 为中国可再 生能源资源的开发和利用提供辅助决策支持。 关 键 中国 词： 可再生能源； ,-. ； 文献标识码： B 文章编号： %"""$#"#& （ !""# ） "H$"&J#$"& 中图分类号： O!普遍使用的仍然是石油、 煤、 天然气等常规能源， 但是随着这些化石性燃料的 大量开采和燃用， 其储量日渐下降， 可供人类开发利用的时间不会很长； 而最为突出的是， 化 石性燃料的使用带来了诸如大气污染、 气候变暖等全球性环境问题。因此， 开发和利用可再 生能源已经成为世界性能源建设和发展的战略方向。 中国地处北半球， 幅员广阔， 大部分地区位于北纬 *JU以南。每年日照时数在 ! """V 以 ・ 平均为 J ’J! W= ( M! ・ 上。各地的太阳年总辐射量大致在 # #""+’ *""W= ( M! N 之间， N 。根据 中国的太阳能资源区划， 太阳能丰富区的面积占全国总面积的 H&X 以上 Y%Z。根据气象部门的 可开发量为 !7!J[%"’\]， 居世界第三位。 %))* 年， 资料， 我国风能总量理论数为 %H[%"’\]， 种植面积 ! !!HVM!， 养殖面积 % %"!VM! Y!Z。然而， 这些充足的 我国有 % %"’ 处地热用于农业， 中国的风力发电总 可再生能源资源并没有得到有效的利用。以风能和地热能为例， %))’ 年， 装机容量仅为美国的 %"X左右， 地热电站装机容量也约为美国的 %"XY!Z。生物量资源作为一 种能源， 其现阶段利用方式主要包括直接燃烧、 炭化燃烧、 沼气、 气化成气体燃料、 发酵为醇 类燃料 I但在我国尚未得到大范围应用Y#Z。 对可再生能源的具体资源量、 空间分布情况缺乏准确了解， 是我国可再生能源没有得到 充分开发的重要原因之一。虽然我国在 %)’"6 曾相继建立了一些示范性可再生能源数据库， 主要支持各种可再生能源的资源调查， 但是这些数据库是不完备的： 数据量不足； 数据标准