CN113434495B - 一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，包括：选择用于订正中尺度风速数据的基准点；提取基准点的实测风速数据、中尺度风速数据进行分析，得到年度、月度、小时订正系数；采用多项式拟合方法得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型；使用年度、月度、小时订正系数修正初始数学模型得到中尺度风速订正模型；在ArcGIS系统中提取待订正的中尺度风速数据进行整型处理、按坡度分区；选取预设坡度分区所对应的中尺度风速整型数据使用中尺度风速订正模型进行订正。本发明还提供了一种使用上述订正方法的中尺度风速数据订正系统。本发明可以通过订正提升中尺度风速数据的准确率和可利用性，为风电场开发合理决策提供准确依据。

Description

一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法及系统。

背景技术

根据空间尺度和时间尺度的大小，可将天气系统分为行星尺度天气系统、大气尺度天气系统、天气尺度天气系统、中尺度天气系统和小尺度天气系统；中尺度风速属于中尺度天气系统范畴。

对于风力发电项目前期开发领域，目前大部分采用中尺度气象数据模拟生成中尺度风速数据，将中尺度风速数据作为风电场前期是否投资建设的计算基础。因此，中尺度气象数据已经成为精细化风资源评估不可或缺的数据依据。在现有技术中，对风电场的前期规划中，通常会使用ArcGIS(地理信息系统)，ArcGIS中有自带或录入的中尺度风速数据，可用于对风力的评估。

但是，ArcGIS中的中尺度风速数据是根据中尺度气象数据生成的模拟数据，和实测的风速并不完全一致。采用ArcGIS中的中尺度风速数据，应该对其在应用前进行订正，以提升数据的准确率和可利用性。在现有技术中，并没有一种对中尺度风速数据进行订正的方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法及系统，通过订正可提升中尺度风速数据的准确率和可利用性，为风电场开发合理决策提供准确依据。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，提供了一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，包括以下步骤：

选择用于订正中尺度风速数据的基准点；

提取基准点的实测风速数据、中尺度风速数据，根据实测风速数据、中尺度风速数据进行分析，得到年度订正系数、月度订正系数、小时订正系数；

根据基准点的实测风速数据和中尺度风速数据，采用多项式拟合方法得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型；

使用年度订正系数、月度订正系数、小时订正系数，对初始数学模型进行修正，得到中尺度风速订正模型；

在ArcGIS系统中提取待订正的中尺度风速数据，对待订正的中尺度风速数据进行整型处理，得到中尺度风速整型数据；

对中尺度风速整型数据按坡度进行分区；

选取预设坡度分区所对应的中尺度风速整型数据，使用中尺度风速订正模型进行订正，生成订正后的中尺度风速数据。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：通过本实施例的技术方案，采用在测风塔基准点的实测风速数据和中尺寸风速数据构建了中尺度风速订正模型，在ArcGIS系统中使用中尺度风速订正模型对中尺度风速进行订正，在中尺度风速数据的应用方面可进行更好的拓展，提升中尺度风速数据的准确率和可利用性，为风电场开发合理决策提供准确依据。

进一步的，选择用于订正中尺度风速数据的基准点具体按以下步骤进行：

根据实测风速数据选择实测点；

提取实测点位置处同时期的中尺度风速数据、测风塔风速数据；

中尺度风速数据和测风塔风速数据进行相关性分析，得到相关系数；

根据相关系数选择用于订正中尺度风速数据的基准点。

进一步的，选择相关系数为0.6～1范围内的测风塔作为用于订正中尺度风速数据的基准点。

进一步的，根据基准点的实测风速数据和中尺度风速数据，采用多项式拟合方法得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型，具体按以下步骤进行：

建立实测风速与中尺度风速之间对应关系的多项式；

对多项式的系数求解，得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型；初始数学模型如下：

y＝b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m

在上式中，y为基准点的实测风速，x为与y对应相同时间的中尺度风速，m，l，b₀，b₁，…，b_m为常系数。

进一步的，中尺度风速订正模型如下：

y＝a₁×a₂×a₃(b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m)

在上式中，y为基准点的实测风速，x为与y对应相同时间的中尺度风速，m，l，b₀，b₁，…，b_m为常系数，a₁为年度订正系数、a₂为月度订正系数、a₃为小时订正系数。

进一步的，预设坡度为5％-15％。

第二方面，提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现第一方面提供的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法。

第三方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法。

第四方面，提供了一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正系统，使用第一方面提供的的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，对中尺度风速数据进行订正，包括：

坡度数据加载模块，用于加载坡度数据；

图层导入配置模块：用于在图层导入配置时设置风资源数据和坡度数据库图层的对应关系；

数据整型模块：用于在中尺度风资源数据库中利用ArcGIS进行数据整型，还用于对中尺度风速整型数据按坡度进行分区；

中尺度风速数据订正模块：用于对按坡度分区所对应的中尺度风速整型数据使用中尺度风速数据订正模型进行订正，并导出订正后的中尺度风速数据；

成图模块：用于根据订正后的中尺度风速数据和坡度关联属性重新成图。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1的中尺度风速数据订正方法流程图；

图2为本发明实施例4的中尺度风速数据订正系统框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供了一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、选择用于订正中尺度风速数据的基准点

在具体的实施方式中，选择订正中尺度风速数据的基准点具体如下：

S1-1、根据实测风速数据选择实测点。

收集实测风速数据时，选择测风时间不少于1年，缺测时段不超过全年1％的实测点风速数据。举例说明，实测风速选择测风塔在80m高度处测得的风速；具体可以从中国海装LiGa风资源气象平台提取对应年的80m高度的测风塔实测风速。该平台是中国海装和国家气候中心合作开发，主要用于风电场前期评估和后期风电场气象服务；平台底层数据库的主要风资源数据包含全国范围30年时长，水平分辨率1km×1km的中尺度风速、年平均风速、年平均风功率密度。

S1-2、提取实测点位置处同时期的中尺度风速数据、测风塔风速数据。

在具体的实施方式中，提取某一实测点位置处同时期对应的中尺度风速数据时，可通过LiGa风资源气象平台提取到实测点周围四个经纬度的中尺度风速数据，以及实测点位置处的测风塔风速数据。中尺度风速数据为气象模拟数据，测风塔风速数据为风速实测数据。

S1-3、对中尺度风速数据和测风塔风速数据进行相关性分析，得到相关系数

分析中尺度风速数据和测风塔风速数据的相关性系数，相关性系数的分析方法采用现有技术中任意一种可实现的方式进行计算，比如皮尔逊相关系数，数值为从0到1。

S1-4、根据相关系数选择用于订正中尺度风速数据的基准点

在具体的实施方式中，选择相关系数为0.6～1范围内的测风塔作为订正中尺度风速数据的基准点，优选为相关系数略大于0.6的测风塔作为基准点。相关系数为0.6即表明两种数据之间具备数据分析的可信度。基准点可以是一个，也可以是多个。

S2、提取基准点的实测风速数据、中尺度风速数据，根据实测风速数据、中尺度风速数据进行分析，得到年度订正系数、月度订正系数、小时订正系数。

本步骤具体按以下方式进行：

S2-1、提取基准点的实测年平均风速数据、中尺度年平均风速数据，进行年平均分析，得到年度订正系数a₁。

在具体的实施方式中，可通过LiGa风资源气象平台提取到基准点的实测年平均风速数据，中尺度年平均风速数据。

对基准点的实测年平均风速数据和中尺度年平均风速数据进行年平均分析，按以下公式(2-1)进行计算，得到年度订正系数a₃；

在上式(2-1)中，v_k为基准点的实测年平均风速，

基准点的中尺度年平均风速，n为整数，表示计算时选取的年份数量，优选为n>20。

S2-2、提取基准点的实测月平均风速数据、中尺度月平均风速数据，进行月平均分析，得到月度订正系数a₂。

在具体的实施方式中，可通过LiGa风资源气象平台提取到基准点的实测月平均风速数据，中尺度月平均风速数据。

对基准点的实测月平均风速数据和中尺度月平均风速数据进行月平均分析，按以下公式(2-2)进行计算，得到月度订正系数a₂：

在上式(2-2)中，v_i为基准点的实测月平均风速，

为基准点的中尺度月平均风速。

S2-3、提取基准点的实测小时平均风速数据、中尺度小时平均风速数据，进行小时平均分析，得到小时订正系数a₃。

在具体的实施方式中，可通过LiGa风资源气象平台提取到基准点的实测小时平均风速数据，中尺度小时平均风速数据。

对基准点的实测小时平均风速数据和中尺度小时平均风速数据进行小时平均分析，按以下公式(2-3)进行计算，得到1天24小时的小时订正系数a₂：

在上式(2-3)中，v_j为基准点的实测小时平均风速，

为基准点的中尺度小时平均风速。

S3、根据基准点的实测风速数据和中尺度风速数据，采用多项式拟合方法得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型。

基准点的实测风速数据和中尺度风速数据之间有一对应关系，在本实施例中，采用多项式拟合的方法求出实测风速数据和中尺度风速数据这两组数据之间的数学模型，具体如下：

S3-1、建立实测风速与中尺度风速之间对应关系的多项式

在本实施例中，建立的实测风速与中尺度风速之间对应关系的多项式如下式(3-1)：

y＝b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m (3-1)

在上式(3-1)中，y为基准点的实测风速，x为与y对应相同时间的中尺度风速，m，l，b₀，b₁，…，b_m为多项式的系数。

对于中尺度风速数据x，可以改写为包含x的函数f(x)，令f(x)＝b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m。将y和f(x)进行多项式拟合，可求得m，l，b₀，b₁，…，b_m，得出实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型。

S3-2、对多项式的系数求解，得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型

对多项式的系数求解，具体如下：

设基准点的实测风速为y₁,y₂,…y_m，对应相同时间中尺度风速为x₁,x₂,…x_m，拟合系数为b₀,b₁,…b_m，可以得到如下m+1个等式：

……

将式(3-2)改成为x_p×b＝y形式，得到线性方程组如下式(3-3)：

求解系数时，使拟合函数中尺度风速f(x)与实测风速y之差的平方和最小：

将多项式带入上式(3-5)，可得：

为了求得b值，在(3-6)的等式右边分别对b求偏导，得到结果为(m+1)个等式(3-7)：

……

整理式(3-7)，得到式(3-8)：

……

将式(3-8)转换为矩阵表达形式式(3-9)：

设：

那么式(3-9)的矩阵计算可以简化为式(3-12)

X^TXb＝X^TY (3-12)

根据式(3-12)，可计算得到系数B矩阵：

B＝(X^TX)^-1X^TY (3-13)

根据式(3-13)得到的矩阵B中，包含有m，l，b₀，b₁，…，b_m的值，B实质为多个系数的矩阵形式。在具体的实施方式中，求得的m，l为正整数，b₀，b₁，…，b_m为有理数。

将矩阵形式的系数B带入式(3-1)，可得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型。

y＝b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m (3-1)

在上式(3-1)中，y为基准点的实测风速，x为与y对应相同时间的中尺度风速，m，l，b₀，b₁，…，b_m为常系数。

S4、根据年度订正系数、月度订正系数、小时订正系数，对初始数学模型进行修正，得到中尺度风速订正模型

将年度订正系数a₁、月度订正系数a₂、小时订正系数a₃代入式(3-1)得到最终的中尺度风速订正模型：

y＝a₁×a₂×a₃(b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m) (4-1)

在上式(4-1)中，y为基准点的实测风速，x为与y对应相同时间的中尺度风速，m，l，b₀，b₁，…，b_m为常系数，a₁为年度订正系数、a₂为月度订正系数、a₃为小时订正系数。

S5、在ArcGIS系统中提取待订正的中尺度风速数据，对待订正的中尺度风速数据进行整型处理，得到中尺度风速整型数据。

ArcGIS系统中有自带或录入的中尺度风速数据，这些中尺度风速数据在使用前需要进行订正。通过转换工具将待订正的中尺度风速数据进行整型处理，得到中尺度风速整型数据。具体的，利用ArcGIS系统导入中尺度1km的栅格文件，通过整形处理，得到可以读取属性表字段的中尺度数据。

S6、对中尺度风速整型数据按坡度进行分区。

在具体的实施方式中，在ArcGIS系统中对中尺度风速整型数据根据坡度进行分区域处理，将中尺度风速整型数据划分为多个坡度分区的中尺度风速整型数据。坡度为百分比的形式，划分的依据优选为间隔5％划为同一区域。

S7、选取预设坡度分区所对应的中尺度风速整型数据，使用中尺度风速订正模型进行订正，生成订正后的中尺度风速数据。

在具体的实施方式中，预设坡度范围为5％～15％，选取坡度分区为5％～15％所对应的中尺度风速整型数据，使用中尺度风速订正模型对中尺度风速整型数据进行订正，生成订正后的中尺度风速数据。

在本步骤可以实现某坡度分区内的中尺度风速数据的快速订正，订正的过程中还可以将订正前、订正后的中尺度风速数据分别存入数据库中。

以下举例说明订正后的中尺度风速数据，其准确率的提升情况：

从上表中可以看出，订正后的中尺度风速数据其准确率均有所提升，提升的百分比平均值为5％。

通过本实施例的技术方案，采用在测风塔基准点的实测风速数据和中尺寸风速数据构建了中尺度风速订正模型，在ArcGIS系统中使用中尺度风速订正模型对中尺度风速进行订正，在中尺度风速数据的应用方面可进行更好的拓展，提升中尺度风速数据的准确率和可利用性，为风电场开发合理决策提供准确依据。

实施例2

提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现实施例1提供的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法。

实施例3

提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时实现实施例1提供的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法。

实施例4

本实施例提供了一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正系统，使用实施例1提供的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，对中尺度风速数据进行订正。如图2所示，订正系统包括：

坡度数据加载模块，用于加载1km分辨率的全国范围坡度数据。

图层导入配置模块：用于在图层导入配置时设置国家气候中心全国范围风资源数据和坡度数据库图层的对应关系。具体的，在建立中尺度风资源数据和坡度的关系过程中，设置坡度为5％～15％的区域范围。

数据整型模块：用于在中尺度风资源数据库中利用ArcGIS进行数据整型，还用于对中尺度风速整型数据按坡度进行分区。

中尺度风速数据订正模块：用于对导入的、按坡度分区所对应的中尺度风速整型数据，使用中尺度风速数据订正模型进行订正，并导出订正后的中尺度风速数据。

成图模块：用于根据订正后的中尺度风速数据和坡度关联属性重新成图。重新生成的图可用于后续的风场宏观分析。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择用于订正中尺度风速数据的基准点，具体按以下步骤进行：根据实测风速数据选择实测点；提取实测点位置处同时期的中尺度风速数据、测风塔风速数据；中尺度风速数据和测风塔风速数据进行相关性分析，得到相关系数；根据相关系数选择用于订正中尺度风速数据的基准点；

提取基准点的实测风速数据、中尺度风速数据，根据实测风速数据、中尺度风速数据进行分析，得到年度订正系数、月度订正系数、小时订正系数；

根据基准点的实测风速数据和中尺度风速数据，采用多项式拟合方法得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型；

使用年度订正系数、月度订正系数、小时订正系数，对初始数学模型进行修正，得到中尺度风速订正模型；

在ArcGIS系统中提取待订正的中尺度风速数据，对待订正的中尺度风速数据进行整型处理，得到中尺度风速整型数据；

对中尺度风速整型数据按坡度进行分区；

选取预设坡度分区所对应的中尺度风速整型数据，使用中尺度风速订正模型进行订正，生成订正后的中尺度风速数据。

2.根据权利要求1所述的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，其特征在于，选择相关系数为0.6～1范围内的测风塔作为用于订正中尺度风速数据的基准点。

3.根据权利要求1所述的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，其特征在于，根据基准点的实测风速数据和中尺度风速数据，采用多项式拟合方法得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型，具体按以下步骤进行：

建立实测风速与中尺度风速之间对应关系的多项式；

对多项式的系数求解，得到实测风速与中尺度风速之间对应关系的初始数学模型；所述初始数学模型如下：

y＝b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m

在上式中，y为基准点的实测风速，x为与y对应相同时间的中尺度风速，m，l，b₀，b₁，…，b_m为常系数。

4.根据权利要求1所述的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，其特征在于，所述中尺度风速订正模型如下：

y＝a₁×a₂×a₃(b₀x^l+b₁x^l-1+b₂x^l-2+…+b_m)

在上式中，y为基准点的实测风速，x为与y对应相同时间的中尺度风速，m，l，b₀，b₁，…，b_m为常系数，a₁为年度订正系数、a₂为月度订正系数、a₃为小时订正系数。

5.根据权利要求1所述的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，其特征在于，所述预设坡度为5％-15％。

6.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-5中任一所述的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法。

7.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一所述的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法。

8.一种基于ArcGIS的中尺度风速数据订正系统，其特征在于，使用权利要求1-5中任一所述的基于ArcGIS的中尺度风速数据订正方法，对中尺度风速数据进行订正，包括：

坡度数据加载模块，用于加载坡度数据；

图层导入配置模块：用于在图层导入配置时设置风资源数据和坡度数据库图层的对应关系；

数据整型模块：用于在中尺度风资源数据库中利用ArcGIS进行数据整型，还用于对中尺度风速整型数据按坡度进行分区；

中尺度风速数据订正模块：用于对按坡度分区所对应的中尺度风速整型数据使用中尺度风速数据订正模型进行订正，并导出订正后的中尺度风速数据；

成图模块：用于根据订正后的中尺度风速数据和坡度关联属性重新成图。

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