诊断快速城市化大都市区屋顶光伏自给能力缺口：一个23年地理空间评估框架

《Building and Environment》：Diagnosing rooftop photovoltaic self-sufficiency gaps in a rapidly urbanizing megaregion: A 23-year geospatial evaluation framework

　　

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  一个涵盖23年的时间框架重建了粤港澳大湾区屋顶光伏的上限潜力。
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  年度光伏自给率缺口揭示了各城市潜力与需求之间分化的发展趋势。
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  地理空间重建将屋顶资源、光伏潜力和电力需求联系起来。
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  城市类型识别出差异化的光伏建筑一体化（BIPV）和需求侧规划优先事项。
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  该框架支持建筑环境与区域能源的战略规划。

引言

城市是气候缓解的核心，因为它们集中了能源需求、建筑活动和碳排放[[1], [2], [3]]。在此背景下，屋顶光伏（PV）已成为气候中和建筑环境的战略选择[[4], [5], [6]]：它们利用现有建筑表面，减少对土地的竞争[7,8]，并能缩短发电与消费之间的距离[9]。然而，屋顶光伏的规划价值不仅取决于屋顶能产生多少电力，还取决于这种潜力是否出现在电力需求增长的地方[10,11]。这一区别在高密度特大城市地区尤为重要，因为城市化加剧可能在扩大建筑存量的同时，产生超过本地屋顶容量的电力需求[12,13]。

屋顶光伏评估通常区分物理、地理、技术和经济潜力[14]。在建筑或街区尺度上，可以利用激光雷达（LiDAR）、超高分辨率影像或三维建筑模型来评估详细的屋顶几何形状、坡度、遮挡、朝向和设备约束[15,16]。然而，在超大区域尺度上，物理细节、空间覆盖和长期时间连续性之间存在权衡[6,17,18]。那些精于绘制当前可部署屋顶面积的研究往往无法重建过去二十年的屋顶资源演变[19]；相反，长期区域模型必须简化建筑层面的约束条件，因此需要谨慎的边界说明。

近期研究说明了这种权衡。以U-Net、SegFormer和基于提示的分割为代表的深度学习方法，改进了武汉、深圳以及粤港澳大湾区（GBA）的屋顶提取[18,20,21]。这些研究提供了高度详细的静态或近静态屋顶资源估计，在某些情况下还明确区分了屋顶总面积与可安装面积。另一条途径使用夜光、人口密度、建成区指数和其他城市发展指标等代理变量，在历史高分辨率影像不完整的情况下推断屋顶面积[[22], [23], [24]]。这一途径在屋顶对象层面的精度较低，但更适合对大区域进行一致性的长期重建。

因此，剩余的空白不仅仅在于屋顶检测。缺乏的是纵向评估工具，这些工具能将屋顶光伏上限潜力与年度电力需求的变化地理格局联系起来。城市化重塑了分布式能源系统的两个方面：它扩大了承载屋顶光伏的建筑存量，同时也改变了产业结构、人口分布和终端电力消费[[25], [26], [27]]。一座城市在绝对数值上可能拥有巨大的光伏潜力，但如果需求增长快于本地屋顶资源，仍面临年度光伏自给率（SSR）缺口不断扩大的问题[28,29]。这一规划问题无法仅通过静态的供给侧盘点来解决。

本研究通过将屋顶光伏评估重新定义为一个面向特大城市地区的23年地理空间评估框架来填补这一空白。聚焦粤港澳大湾区——中国城市化最快、开发最密集的特大城市地区之一——我们提出三个问题：(1)从2000年到2022年，宏观技术上限屋顶光伏潜力如何演变；(2)这种潜力是与城市年度电力需求更加协调，还是更加脱节；(3)当潜力与需求被联合解读时，会出现哪些城市转型类型？其贡献在于一个评估工具，该工具将建筑环境变化、可再生能源潜力和年度需求压力联系起来，从而支持差异化的BIPV筛选和区域协调。

章节摘要

研究区域

粤港澳大湾区（GBA）位于中国广东省中南部，由广州、深圳等九个内地城市以及香港、澳门特别行政区组成[30]（图1）。该区域位于亚热带季风气候区，年日照时间超过1800小时，为太阳能开发提供了有利的自然条件[31]。作为城市化程度最高、建筑最密集的地区之一

方法论

方法论框架包含三个相互关联的模块（图2）：基于多源代理变量的屋顶面积重建；部署情景下宏观技术上限屋顶光伏潜力的量化；以及年度自给率缺口和城市转型类型的诊断。

空间重建模型的验证

消融实验表明，多源特征融合提高了屋顶面积重建的效果。在相同的卷积神经网络（CNN）架构下，融合模型达到了R2 = 0.88，并将均方根误差（RMSE）降低了17.5%，至4.10 × 10? m2，相较于最强的单特征模型表现更优。这一结果表明，夜光、归一化差异建成区指数（NDBI）和人口密度捕捉到了城市扩张和建筑存量强度的互补维度。

建筑屋顶面积评估（BRAE）模型针对异质城市形态展示了规划级别的精度

与近期屋顶光伏评估研究的关系

为评估长期数据驱动框架的可靠性，我们将估计结果与粤港澳大湾区已有的屋顶光伏评估进行了对标。城市层面的比较表明，所提出的框架重现了屋顶光伏潜力的量级和排序。例如，2020年广州的估计值与Pan等人[48]报告的自下而上结果高度一致，香港估计值与Peng和Lu[49]报告的范围一致。这些比较

结论

本研究开发了一个23年的地理空间评估框架，用于诊断快速城市化超大区域中屋顶光伏上限潜力与年度电力需求之间的分化。通过整合多源地理空间数据、遥感代理变量和基于CNN的BRAE模型，本研究重建了2000年至2022年粤港澳大湾区的年度屋顶光伏潜力，并评估了各城市的年度自给率缺口。主要发现如下。

• (1)
  BRAE模型提供了规划级别的

CRediT作者贡献声明

梁汉玮：概念构思、方法论、监督、原创草稿撰写、审阅与编辑。梁志豪：方法论、数据整理、形式化分析、调查研究、原创草稿撰写。李怡琳：形式化分析、调查研究。沈杰玲：数据整理、资源。董梁：资源、审阅与编辑。

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