CN115546244A - 一种适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开了一种适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，旨在提高山地风电开发区域规划的准确性，方案主要包括：获取山地的山脊线，将山脊线端点和分支节点作为节点，将相邻两个节点之间的山脊线作为脊线段；确定各脊线段的平均风功率密度、海拔高度、第一起伏坡度和平均起伏坡度；根据平均风功率密度和第一起伏坡度对脊线段进行筛选；根据海拔高度和平均起伏坡度从筛选后的脊线段中提取得到多条主山脊线；根据提取的多条主山脊线确定最终适用于山地风电场开发的主山脊线。本发明提高了山地风电开发区域规划的准确性，进而减少了项目投产后的工程量和低效机组，提高了经济效益，适用于山地风电场开发区域的规划。

Description

一种适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体来说涉及一种适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法。

背景技术

山脊是由两个坡向相反、坡度不一的斜坡相遇组合而成的条形脊状延伸的凸形地貌形态，山脊最高点连线即为山脊线。由于山脊上的风能资源通常比山体其它部位更为丰富，山地风电场一般沿山脊线布置风电机组。在山地风电开发区域规划时，通常是基于山脊线进行，即剔除山脊线范围内不适用于风电开发的限制性区域，从而筛选出适宜的山地风电开发区域。

在现有技术方法中，用于山地风电开发区域规划的山脊线通常是直接利用基于分水岭特征提取的山脊线，这种方法至少存在以下弊端：

1、存在不适合风电开发的山脊线分支支脉。对于存在多个分支的山脊线而言，各分支可能存在坡度起伏较大、海拔呈下降趋势、山体较陡峭、风机布置较离散等不适合风电开发的山脊线分支支脉。例如，对于风功率密度相对较低和坡度整体呈现出下降趋势的山脊线分支支脉而言，将其统一选取为适用于风电开发的区域，容易产生低效机组。

2、设计结果不精确，导致低效机组、工程量较大。该类做法会造成资源普查阶段结果不精确，从而导致风电场选址阶段设计结果不精确，不能正确的选取适用于山地风电开发的区域，造成风电机组规划布置的设计方案与项目投产后的实际布置方案存在明显差异，增大项目投产后的工程量、增加施工难度以及降低经济效益。

综上所述，现有将基于分水岭特征提取的山脊线直接应用于山地风电开发区域的选取，存在设计结果不精确、项目投产后工程量较大且容易产生低效机组导致经济效益较低的问题。

发明内容

本发明旨在一种适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，以提高山地风电开发区域规划的准确性，进而减少项目投产后的工程量，同时避免低效机组，提高经济效益。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，包括以下步骤：

步骤1、获取山地的山脊线，将山脊线端点和山脊线的分支节点作为节点，将相邻两个节点之间的山脊线作为脊线段；

步骤2、确定各脊线段的平均风功率密度、海拔高度、第一起伏坡度和平均起伏坡度；

步骤3、根据所述平均风功率密度和第一起伏坡度对脊线段进行筛选；

步骤4、根据所述海拔高度和平均起伏坡度从筛选后的脊线段中提取得到多条主山脊线；

步骤5、根据提取的多条主山脊线确定最终适用于山地风电场开发的主山脊线。

为了确定脊线段第一起伏坡度，所述第一起伏坡度的确定方法包括：

确定脊线段内最高点与最低点的第一海拔高度差和第一水平距离，根据所述第一海拔高度差和第一水平距离的比值确定脊线段的第一起伏坡度。

为了确定脊线段的平均起伏坡度，所述平均起伏坡度的确定方法包括：

根据第一预设值对脊线段进行等间距划分，并依次确定两个相邻间断点的第二起伏坡度；

将脊线段对应的第二起伏坡度的平均值作为该脊线段的平均起伏坡度。

为了实现对脊线段的等间距划分，所述根据第一预设值对脊线段进行等间距划分，具体包括：

将脊线段的一个节点作为第一个间断点开始等间距划分，即依次根据第一预设值确定下一间断点，若间断点与脊线段的另一个节点之间的距离小于第一预设值，则将脊线段的另一个节点作为最后一个间断点。

为了确定两个相邻间断点的第二起伏坡度，所述第二起伏坡度的确定方法包括：

确定两个相邻间断点的第二海拔高度差和第二水平距离，根据所述第二海拔高度差和第二水平距离的绝对值的比值确定该两个相邻间断点的第二起伏坡度。

为了减少项目投产后工程量和避免低效机组，根据所述平均风功率密度和第一起伏坡度对脊线段进行筛选，具体包括：

剔除平均风功率密度小于第二预设值的脊线段，并剔除第一起伏坡度大于第三预设值的脊线段。

为了提取得到多条主山脊线，所述提取得到多条主山脊线的方法具体包括：

步骤41、确定所有脊线段中的海拔最高点，并以所述海拔最高点为起点沿着脊线段分别向两端延伸，直至山脊线端点，若在延伸过程中经过分支节点，则选择平均起伏坡度最小的脊线段进行延伸；

步骤42、提取延伸过程经过的脊线段并将其作为一条主山脊线；

步骤43、排除已经作为主山脊线的脊线段后，判断是否存在剩余脊线段，若是，则将剩余的脊线段作为所有脊线段，进入步骤41，否则，结束主山脊线提取流程。

为了避免海拔最高点位于山脊线的分支节点对延伸造成的影响，所述步骤41中，若所述海拔最高点位于山脊线的分支节点，则以所述海拔最高点为起点，分别沿着经过该分支节点并且平均起伏坡度最小的两条脊线段进行延伸。

为了确定适用于山地风电场开发的主山脊线，所述根据提取的多条主山脊线确定最终适用于山地风电场开发的主山脊线，具体包括：

分别确定提取的各主山脊线的长度，将长度大于第四预设值的主山脊线作为最终适用于山地风电场开发的主山脊线。

为了进一步减少项目投产后工程量和避免低效机组，所述获取山地的山脊线，具体包括：

根据山地的可用地资源数据和风能资源数据并基于分水岭特征提取山地的山脊线。

本发明的有益效果是：本发明所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，通过剔除不利于山地风电开发的山脊线分支，并且考虑海拔高度以及平均起伏坡度来自动提取适用于山地风电场开发区域规划的主山脊线，提高了风电开发区域规划的准确性，减少了风电项目投产后的工程量，同时也避免了低效机组，提高了山地风电的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例所述适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述山脊线的示意图；

图3为本发明实施例所述对脊线段进行等间距划分的示意图；

图4为本发明实施例所述多条主山脊线的提取流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明提供的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，主要的技术方案包括：获取山地的山脊线，将山脊线端点和山脊线的分支节点作为节点，将相邻两个节点之间的山脊线作为脊线段；确定各脊线段的平均风功率密度、海拔高度、第一起伏坡度和平均起伏坡度；根据所述平均风功率密度和第一起伏坡度对脊线段进行筛选；根据所述海拔高度和平均起伏坡度从筛选后的脊线段中提取得到多条主山脊线；根据提取的多条主山脊线确定最终适用于山地风电场开发的主山脊线。

本发明的主要构思是先基于分水岭特征提取山地的山脊线，再从山脊线中自动提取出适用于山地风电场开发区域规划的主山脊线。具体而言，山脊线存在多个分支支脉，本发明首先确定出山脊线端点和分支支脉对应的分支节点，并将其作为节点，以及将两个相邻节点之间的山脊线作为脊线段；然后分别确定每条脊线段的平均风功率密度、海拔高度、第一起伏坡度和平均起伏坡度；再然后剔除不满足平均风功率密度要求以及第一起伏坡度要求的脊线段，针对剩余的脊线段，根据海拔高度和平均起伏坡度提取得到多条主山脊线；最后根据提取的各主脊线的长度确定出最终适用于山地风电场开发区域规划的主山脊线。通过剔除不利于山地风电开发的山脊线分支，并且考虑海拔高度以及平均起伏坡度来自动提取适用于山地风电场开发区域规划的主山脊线，提高了风电开发区域规划的准确性，减少了风电项目投产后的工程量，同时也避免了低效机组，提高了山地风电的经济效益。

实施例

本发明实施例提供的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、获取山地的山脊线，将山脊线端点和山脊线的分支节点作为节点，将相邻两个节点之间的山脊线作为脊线段；

本实施例中，山脊线可以基于分水岭特征进行提取获得，例如，可以基于数字高程模型数据并结合ArcGIS软件的水文分析等工具对山脊线进行自动提取。为了减少计算量，本实施例还可以在基于分水岭特征提取山脊线时，根据山地的可用地资源数据和风能资源数据进行初步筛选，剔除不可用地以及风能资源特别差的山脊线。

在获得山地的山脊线后，根据山脊线端点和分支节点将其划分为多个脊线段。如图2所示，A、B、C、D、E、F和G为山脊线端点，H、I、J和K为分支节点，将山脊线端点和分支节点作为节点，并将相邻两个节点之间的山脊线作为脊线段，得到的脊线段为1-10。

需要说明的是，在实际应用时，山地的山脊线可能是不连续的，例如山地的山脊线可以包含多个图2所示的山脊线，本步骤需要获取山地的所有山脊线，并得到所有山脊线对应的脊线段。

步骤2、确定各脊线段的平均风功率密度、海拔高度、第一起伏坡度和平均起伏坡度；

其中，风功率密度为气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能，与风速的三次方和空气密度成正比关系。平均风功率密度的确定方法属于现有技术，本实施例对此不再赘述。例如，可以通过观测或模拟输出的风速值来计算设定时间段的平均风功率密度。

海拔高度也称绝对高度，就是与海平面的高度差，通常以平均海平面做标准来计算，各脊线段的海拔高度用于表示脊线段上各位置高出海平面的垂直距离。海拔高度的确定方法属于现有技术，本实施例对此不再赘述。例如，可以通过三角高程测量、卫星定位高程测量、重力高程测量等方法确定。

本实施例中，第一起伏坡度的确定方法包括：确定脊线段内最高点与最低点的第一海拔高度差和第一水平距离，根据所述第一海拔高度差和第一水平距离的比值确定脊线段的第一起伏坡度。

具体而言，针对得到的每条脊线段，分别确定各脊线段的最高点与最低点，并计算最高点与最低点的第一海拔高度差和第一水平距离，并将第一海拔高度差和第一水平距离的比值作为对应脊线段的第一起伏高度。

本实施例中，平均起伏高度的确定方法包括：根据第一预设值对脊线段进行等间距划分，并依次确定两个相邻间断点的第二起伏坡度；将脊线段对应的第二起伏坡度的平均值作为该脊线段的平均起伏坡度。

具体而言，针对得到的每条脊线段，将脊线段的一个节点作为第一个间断点开始等间距划分，即依次根据第一预设值确定下一间断点，若间断点与脊线段的另一个节点之间的距离小于第一预设值，则将脊线段的另一个节点作为最后一个间断点。例如，参阅图3，对于脊线段3而言，首先将节点H作为第一个间断点，依次根据第一预设值确定下一间断点N、O、P，使得H与N、N与O、O与P之间的长度均等于第一预设值，若间断点P与节点B之间的长度小于第一预设值，则将节点B作为最后一个间断点，完成对脊线段3的等间距划分。在实际应用时，也可以将节点B作为第一间断点，依次根据第一预设值确定下一间断点P、O、N，使得B与P、P与O、O与N之间的长度均等于第一预设值，若间断点N与节点H之间的长度小于第一预设值，则将节点H作为最后一个间断点，完成对脊线段3的等间距划分。

其中，第一预设值可以根据实际情况设置，本实施例对此不作限制，例如，第一预设值可以为50m。

在对脊线段进行等间距划分后，依次确定两个相邻间断点的第二起伏坡度，再将第二起伏坡度的平均值作为该脊线段的平均起伏坡度。例如，参阅图3，对于脊线段3而言，依次确定间断点H与N、N与O、O与P、P与B的第二起伏坡度，再计算间断点H与N、N与O、O与P、P与B的第二起伏坡度的平均值，并将其作为脊线段3的平均起伏坡度。

本实施例中，两个相邻间断点的第二起伏坡度的确定方法包括：确定两个相邻间断点的第二海拔高度差和第二水平距离，根据所述第二海拔高度差和第二水平距离的绝对值的比值确定该两个相邻间断点的第二起伏坡度。例如，参阅图3，对于脊线段3而言，间断点H与N的第二起伏坡度为间断点H与N的第二海拔高度差和第二水平距离的绝对值的比值。

步骤3、根据所述平均风功率密度和第一起伏坡度对脊线段进行筛选；

本实施例中，对脊线段进行筛选，具体包括：剔除平均风功率密度小于第二预设值的脊线段，并剔除第一起伏坡度大于第三预设值的脊线段。

具体而言，根据《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》(NB/T·31147-2018)，将平均风功率密度小于150W/㎡的区域的风功率等级定义为D-1级，即风能资源较差，不利于风电开发。因此，本实施例剔除平均风功率密度小于150W/㎡的脊线段，进而避免低效机组。当然，根据实际需求不同，第二预设值还可以取150W/㎡之外的数据，本实施例对此不作限制。

此外，第一起伏坡度太大的区域不利于风电场建设，本实施例还剔除第一起伏坡度大于第三预设值的脊线段，进而减少风电场建设的工程量。其中，第三预设值可以根据实际需求设置，本实施例对此不作限制，例如，第三预设值可以为25°。

通过剔除不满足平均风功率密度要求和第一起伏坡度要求的脊线段，不仅能够避免低效机组和减少风电场建设的工程量，还能够减少后续主山脊线提取的计算量。

步骤4、根据所述海拔高度和平均起伏坡度从筛选后的脊线段中提取得到多条主山脊线；

如图4所示，本实施例中，提取主山脊线的步骤包括：

步骤41、确定所有脊线段中的海拔最高点，并以所述海拔最高点为起点沿着脊线段分别向两端延伸，直至山脊线端点，若在延伸过程中经过分支节点，则选择平均起伏坡度最小的脊线段进行延伸；

步骤42、提取延伸过程经过的脊线段并将其作为一条主山脊线；

步骤43、排除已经作为主山脊线的脊线段后，判断是否存在剩余脊线段，若是，则将剩余的脊线段作为所有脊线段，进入步骤41，否则，结束主山脊线提取流程。

请参阅图2，假设所有脊线段中的海拔最高点为脊线段2上的M1，则以M1为起点，沿着脊线段2分别向两端延伸。在以M1为起点向左延伸时经过分支节点H，此时判断脊线段1和脊线段3的平均起伏坡度的大小关系，假设脊线段1的平均起伏坡度小于脊线段3的平均起伏坡度，则沿着脊线段1进行延伸，延伸至脊线段1的节点A，节点A为山脊线端点，延伸结束；在以M1为起点向右延伸时经过分支节点I，此时判断脊线段4和脊线段5的平均起伏坡度的大小关系，假设脊线段4的平均起伏坡度小于脊线段5的平均起伏坡度，则沿着脊线段4进行延伸，然后经过分支节点J，此时判断脊线段6、脊线段7和脊线段8的平均起伏坡度的大小关系，假设脊线段7的平均起伏坡度最小，则沿着脊线段7进行延伸，延伸至脊线段7的节点D，节点D为山脊线端点，延伸结束；最后将延伸过程经过的脊线段1、脊线段2、脊线段4和脊线段7作为第一条主山脊线。然后排除脊线段1、脊线段2、脊线段4和脊线段7，此时还剩余脊线段3、脊线段5、脊线段6、脊线段8、脊线段9和脊线段10，从剩余脊线段中确定海拔最高点，假设剩余脊线段中的海拔最高点为脊线段10上的M2，则以M2为起点，沿着脊线段10分别向两端延伸。在以M2为起点向左延伸时经过分支节点K，此时判断脊线段5和脊线段9的平均起伏坡度的大小关系，假设脊线段5的平均起伏坡度小于脊线段9的平均起伏坡度，则沿着脊线段5进行延伸，延伸至脊线段5的节点I，由于脊线段2和脊线段4已被排除，节点I为山脊线段端点，延伸结束；在以M2为起点向右延伸时，延伸至脊线段10的节点G，节点G为山脊线段端点，延伸结束；最后将延伸过程经过的脊线段5和脊线段10作为第二条主山脊线。然后排除脊线段5和脊线段10，此时还剩余脊线段3、脊线段6、脊线段8和脊线段9，从剩余脊线段中确定海拔最高点，再以相同的方法提取主山脊线，以此推类，直至遍历完所有的脊线段，即不存在剩余的脊线段。如此即可提取得到多条主山脊线。

在一些特殊情况下，所有脊线段中的海拔最高点可能为分支节点，此时以所述海拔最高点为起点，分别沿着经过该分支节点并且平均起伏坡度最小的两条脊线段进行延伸。

请参阅图2，假设所有脊线段中的海拔最高点为分支节点I，并且脊线段2和脊线段4的平均起伏坡度均小于脊线段5的平均起伏坡度，则以分支节点I为起点，向左沿着脊线段2进行延伸，向右沿着脊线段4进行延伸，延伸方法与上述方案相同，此处不再赘述。

步骤5、根据提取的多条主山脊线确定最终适用于山地风电场开发的主山脊线。

本实施例中，首先分别确定提取的各主山脊线的长度，然后将长度大于第四预设值的主山脊线作为最终适用于山地风电场开发的主山脊线。

其中，第四预设值可以根据实际需求设置，为保证主山脊线以及风机布置的基地化、规模化、集约化，本实施例中第四预设值为2km。

综上所述，本实施例通过剔除不利于山地风电开发的山脊线分支，并且考虑海拔高度以及平均起伏坡度来自动提取适用于山地风电场开发区域规划的主山脊线，提高了风电开发区域规划的准确性，减少了风电项目投产后的工程量，同时也避免了低效机组，提高了山地风电的经济效益。

Claims (10)

1.一种适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取山地的山脊线，将山脊线端点和山脊线的分支节点作为节点，将相邻两个节点之间的山脊线作为脊线段；

步骤2、确定各脊线段的平均风功率密度、海拔高度、第一起伏坡度和平均起伏坡度；

步骤3、根据所述平均风功率密度和第一起伏坡度对脊线段进行筛选；

步骤4、根据所述海拔高度和平均起伏坡度从筛选后的脊线段中提取得到多条主山脊线；

步骤5、根据提取的多条主山脊线确定最终适用于山地风电场开发的主山脊线。

2.如权利要求1所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述第一起伏坡度的确定方法包括：

确定脊线段内最高点与最低点的第一海拔高度差和第一水平距离，根据所述第一海拔高度差和第一水平距离的比值确定脊线段的第一起伏坡度。

3.如权利要求1所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述平均起伏坡度的确定方法包括：

根据第一预设值对脊线段进行等间距划分，并依次确定两个相邻间断点的第二起伏坡度；

将脊线段对应的第二起伏坡度的平均值作为该脊线段的平均起伏坡度。

4.如权利要求3所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述根据第一预设值对脊线段进行等间距划分，具体包括：

将脊线段的一个节点作为第一个间断点开始等间距划分，即依次根据第一预设值确定下一间断点，若间断点与脊线段的另一个节点之间的距离小于第一预设值，则将脊线段的另一个节点作为最后一个间断点。

5.如权利要求3所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述第二起伏坡度的确定方法包括：

确定两个相邻间断点的第二海拔高度差和第二水平距离，根据所述第二海拔高度差和第二水平距离的绝对值的比值确定该两个相邻间断点的第二起伏坡度。

6.如权利要求1所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，根据所述平均风功率密度和第一起伏坡度对脊线段进行筛选，具体包括：

剔除平均风功率密度小于第二预设值的脊线段，并剔除第一起伏坡度大于第三预设值的脊线段。

7.如权利要求1至6任一项所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述提取得到多条主山脊线的方法具体包括：

步骤41、确定所有脊线段中的海拔最高点，并以所述海拔最高点为起点沿着脊线段分别向两端延伸，直至山脊线端点，若在延伸过程中经过分支节点，则选择平均起伏坡度最小的脊线段进行延伸；

步骤42、提取延伸过程经过的脊线段并将其作为一条主山脊线；

步骤43、排除已经作为主山脊线的脊线段后，判断是否存在剩余脊线段，若是，则将剩余的脊线段作为所有脊线段，进入步骤41，否则，结束主山脊线提取流程。

8.如权利要求7所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述步骤41中，若所述海拔最高点位于山脊线的分支节点，则以所述海拔最高点为起点，分别沿着经过该分支节点并且平均起伏坡度最小的两条脊线段进行延伸。

9.如权利要求1所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述根据提取的多条主山脊线确定最终适用于山地风电场开发的主山脊线，具体包括：

分别确定提取的各主山脊线的长度，将长度大于第四预设值的主山脊线作为最终适用于山地风电场开发的主山脊线。

10.如权利要求1所述的适用于山地风电场开发的主山脊线自动提取方法，其特征在于，所述获取山地的山脊线，具体包括：

根据山地的可用地资源数据和风能资源数据并基于分水岭特征提取山地的山脊线。

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