CN117972970A - 一种基于地形相似度估算基准风速方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于地形相似度估算基准风速方法，包括以下步骤：(1)获取目标地形和标准地形的DEM数据；(2)生成特征向量描述的地形分布情况；(3)度量目标地形和标准地形相似性；(4)得到目标地形的基准风速；(5)计算该点的风速分布；该方法可以根据流场分析的需要，以地形相似度为系数，通过比较目标地形与理想地形的地形相似度，得出更加准确的基准风速数值，实现对目标地形10m处基准风速的预测，为输电塔的静力分析以及风灾风险预测提供可靠的基础。
Description
技术领域
本发明涉及流场分析风速测量技术领域，特别涉及一种丘陵地区输电线路区域10m高处基准风速估计方法，即一种基于地形相似度估算基准风速方法。
背景技术
丘陵地区地表沟壑纵横、结构复杂，其宏观风速、风向等气象资料数据受地表丘陵沟壑影响而不断发生演化，容易在局部演化形成各类湍流、高速气旋等强对流型微气象。气象台、气象站在当地空旷平坦地面上10m高处观测到的10min平均风速资料，通过极值分析得出相应于规定平均重现期(30年、50年或100年)的年平均最大风速，作为这一地区的基准风速，亦或根据现场实测风速资料推算基准风速。
目前基准风速的测量方法通常是采用实测的方法，如专利申请CN201520163158.0公布的一种标准风速检测系统；也有一些采用计算机算法，如专利申请CN202110142012.8公布的“一种基于BP算法的风速预测方法”。这些方法只能得到丘陵地区在长时间段内的平均风速，是一个常数值，忽略了特定地形，如峡谷、迎风坡，对风速的细微影响；又或者只包含部分地形信息，可信度不高。而且气象站测量的风速的高度不一定符合要求，需要通过指数律平均风速计算方法折算到10m处风速，这一表达式以地表粗糙度系数为幂指数，地表粗糙度系数根据区域类型直接选择，可能存在判断不准确的情况。另外，单个气象台、气象站对风速的有效观测范围有限，可能存在观测盲区，这些区域的基准风速没有可信的数据支撑。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于地形相似度估算基准风速方法，该方法可以根据流场分析的需要，以地形相似度为系数，通过比较目标地形与理想地形的地形相似度，得出更加准确的基准风速数值，实现对目标地形10m处基准风速的预测，为输电塔的静力分析以及风灾风险预测提供可靠的基础。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案
一种基于地形相似度估算基准风速方法，包括以下步骤：
(1)获取目标地形和标准地形的DEM数据；
(2)生成特征向量描述的地形分布情况；
(3)度量目标地形和标准地形相似性；
(4)得到目标地形的基准风速；
(5)计算该点的风速分布。
所述的步骤(1)具体包括以下几个步骤
(1.1)、确定输电塔所在目标地形的边界范围；
(1.2)、寻找输电塔所在目标地形的点阵型数字高程数据；
(1.3)、获得可用的理想地形点阵型数字高程数据，建立一个理想高山地形的模型，获得理想地形点阵型数字高程数据。
所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)、数据缺失值的插值，错误数据的筛选；
利用反距离加权插值(IDW)、克里金插值方式进行插值处理来填补这些空缺，根据周围已知数据点的高程值，推测缺失位置的高程值；
基于统计方法来检测异常值，对错误数据的筛选和剔除；
(2.2)、将步骤(2.1)处理后的高程数据转化为0-255的颜色代码，生成颜色统计直方图；统计直方图由一系列高度不等的纵向条纹或线段表示数据分布的情况，横轴表示高程值分类的范围，纵轴表示处在该范围内的高程值出现的次数；将高程值除以高程值的最大值，并乘255，得到当前位置的颜色代码；
(2.3)、由统计直方图计算描述地形模型斜率分布的特征向量；
统计直方图的横轴组距为特征向量的长度，特征向量中每个位置的值是对应位置的纵轴值；提取特征向量前将理想地形和目标地形的统计直方图的纵轴统一为同一长度。
所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)、对特征向量进行归一化处理；
(3.2)、计算理想地形和目标地形的特征向量的余弦相似度以度量二者相似性；余弦相似度通过计算两个向量的夹角余弦值来评估相似度，计算公式如下：
其中，A为理想地形特征向量，B为目标地形征向量；两个向量越相似，余弦相似度的值越接近1；反之，余弦相似度的值越接近-1。
所述的步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)、获得理想地形各位置的基准风速；
理想地形基准风速通过实地测量，或者对气象站风速观测资料进行统计分析得到，或者通过风场模拟来推算；
(4.2)、确定修正系数；
对每种理想地形的余弦相似度的值除以其中的最大值，作为风速的修正系数；
(4.3)、得到目标地形各位置基准风速估计值；
使用修正系数和地图中气象站定点的风速数据对每一个点的风速相乘，作为此处基准风速的估算，修正原有的基准风速分布。
所述的步骤(5)具体包括以下步骤：以指数律公式计算距地面高度z处的平均风速：标准高度处的平均风速为即步骤(4)获取的基准风速估计值，则在距离地面高度为z处的平均风速/>用指数律公式求得：
其中，z为距离地面的高度；zb为基准高度；为距离地面高度为z处的平均风速；为基准高度处风速估计值；a为地表粗糙度系数。
相较于现有技术，本发明存在以下优点：
1、本发明步骤(1)将风速预测与数字地形相结合，在不监测额外数据的情况下，可以帮助从业人员预估丘陵区的基本风速大小，使其更具有合理性。
2、本发明步骤(3)基于相似度的预估方法，可以对目前影响抗风设计较严重的微地形情况进行良好的预估，对包括垭口型，地势抬升型，高山分水岭地形的周围地形基准风速的预估更加符合地形特点。
3、本发明将抗风设计与相似度评估方法结合，利用数字地图数据进一步解决了丘陵区基准风速的估值问题。相较于现有方法，避免了现场收集额外数据，可以在短时间内有效估计符合特殊地形下的基准风速分布情况。
附图说明
图1是标准地形区域高山区域整体建模图。
图2是标准地形斜率统计直方图。
图3是目标地形各点与标准地形相似度示意图。
图4是优化后的输电塔结构的抗风设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
一种基于地形相似度的基准风速估计方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)获取目标地形和标准地形的DEM数据
(1.1)确定输电塔所在目标地形的边界范围：
通过地理信息系统(GIS)工具或在线地图服务来查找和标记地区范围，选取输电塔所在一定区域内的目标地形边界范围，获得边界的具体经纬度坐标。
(1.2)寻找输电塔所在目标地形的点阵型数字高程数据：
寻找输电塔所在目标地形可用的点阵型数字高程数据。这些数据来自地方政府、测绘机构、遥感数据提供商或其他可靠的数据源；使用激光雷达测量、航空摄影测量或卫星遥感数据等获取高程数据。
(1.3)获得可用的理想地形点阵型数字高程数据：
建立一个理想高山地形的模型，获得理想地形点阵型数字高程数据，选取的标准地形如图1所示；计算地图中的山脊线和山谷线：通过计算地图中的山脊线和山谷线，可以得到地图中显著的地形特征，作为相似度算法的起点或参考地区；从山脊线或山谷线出发，可以通过地形相似度算法来评估其他地区与参考地区之间的地形相似性。
步骤(2)利用数据生成特征向量描述的地形分布情况
(2.1)数据缺失值的插值，错误数据的筛选：
缺失值插值：如果高程数据中存在缺失值，需要利用反距离加权插值(IDW)、克里金插值等方式进行插值处理来填补这些空缺。然后根据周围已知数据点的高程值，推测缺失位置的高程值。
在高程数据中可能存在异常值或错误数据，这些数据可能会对最终地图结果产生负面影响，因此，需要进行错误数据的筛选和剔除。可以使用统计方法或规则来检测异常值。
(2.2)将高程数据转化为斜率值，绘制斜率统计直方图：
将步骤(2.1)处理后的高程数据转化为0-255的颜色代码，生成颜色统计直方图；统计直方图由一系列高度不等的纵向条纹或线段表示数据分布的情况，横轴表示高程值分类的范围，纵轴表示处在该范围内的高程值出现的次数；将高程值除以高程值的最大值，并乘255，得到当前位置的颜色代码，统计直方图能够反映图像的特征。标准地形的斜率统计结果如图2所示。根据某一方向，如x方向的高程值，当前位置高程值减去同一方向上上一个位置的高程，除以两个栅格中心间的距离，得到当前位置的斜率值。
(2.3)由统计直方图计算描述地形模型斜率分布的特征向量：
统计直方图的横轴组距为特征向量的长度，特征向量中每个位置的值是对应位置的纵轴值；提取特征向量前将理想地形和目标地形的统计直方图的纵轴统一为同一长度。特征向量保留了统计直方图的信息，能够作为地形图像的代表。
步骤(3)度量目标地形和标准地形相似性
(3.1)对特征向量进行归一化处理：
计算相似度前，必须将直方图向量归一化在合适的相似度距离范围内，避免相似度的值超出相似度距离能够解释的范围。通常是将向量的除以向量的模，得到直方图各数据类型的出现频率。
(3.2)计算理想地形和目标地形的特征向量的余弦相似度以度量二者相似性；余弦相似度通过计算两个向量的夹角余弦值来评估他们的相似度，计算公式如下：
其中，A为理想地形特征向量，B为目标地形征向量；两个向量越相似，余弦相似度的值越接近1；反之，余弦相似度的值越接近-1。以两个直方图向量的余弦能够度量二者相似性，将目标地形转化为一系列与标准地形相似的部分的组合。目标地形中各部分和标准地形的相似度结果如图3所示。
步骤4得到目标地形的基准风速
(4.1)获得标准地形各位置的基准风速：
标准地形基准风速可以通过实地测量，或者对气象站风速观测资料进行统计分析得到，也可以通过风场模拟来推算。风场模拟方法是在标准地形边界施加基准风速，通过仿真方法计算标准地形各位置的基准风速。
(4.2)确定修正系数
根据风速在标准地形下的分布特性，将余弦相似度矩阵转化为修正系数，即对每种理想地形的余弦相似度的值除以其中的最大值，作为风速的修正系数；该修正系数可以在一定程度上反映实际地形下的风速变化情况。
(4.3)得到目标地形各位置10m处基准风速估计值：
使用修正系数和地图中气象站定点的风速数据对每一个点的风速相乘，作为此处基准风速的估算，修正原有的基准风速分布。
步骤5计算该点的风速分布；
风速分布计算需要考虑大气流动过程中地面带来的阻力，以指数风剖面对其进行构建。通常情况下，若设定标准高度为zb＝10，标准高度处的平均风速为即步骤(4)获取的基准风速估计值，则在距离地面高度为z处的平均风速/>可以用指数律公式求得：
其中，z为距离地面的高度；zb为基准高度；为距离地面高度为z处的平均风速；为基准高度处风速估计值；a为地表粗糙度系数，目标区域为B类地形，取值0.16。
基于本发明的方法进行输电塔静力分析：
将风速变为载荷施加在输电塔上，查看其最大应力位置与最大位移位置。
风压是风速和风阻系数的乘积。输电塔的风阻系数(Cd)可以通过实验或计算来确定。实验方法是将输电塔置于风洞中，测量风速和输电塔受到的阻力。计算方法是使用风阻系数计算公式，计算风速、输电塔的形状和粗糙度等参数。使用计算出的风压乘以投影面积即可得到风载荷。
风载荷的施加通过对输电塔有限元模型的节点施加外载荷的形式实现的。
在后处理中，使用Get命令的MaxStressNode和MaxDisplacementNode来提取最大应力位置和最大位移位置。
根据计算结果，使用增加横隔面、增加塔身宽度或跟开等方法优化输电塔结构的抗风设计如图4。
本发明方法考虑了峡谷、迎风坡等特定地形对风速的影响，为进一步的研究提供基础。
本发明方法提供了一种修正各地形基准风速分布的方法，能够提高相关研究准确性。
Claims (6)
1.一种基于地形相似度估算基准风速方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取目标地形和标准地形的DEM数据；
(2)生成特征向量描述的地形分布情况；
(3)度量目标地形和标准地形相似性；
(4)得到目标地形的基准风速；
(5)计算该点的风速分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于地形相似度估算基准风速方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下几个步骤：
(1.1)、确定输电塔所在目标地形的边界范围；
(1.2)、寻找输电塔所在目标地形的点阵型数字高程数据；
(1.3)、获得可用的理想地形点阵型数字高程数据，建立一个理想高山地形的模型，获得理想地形点阵型数字高程数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于地形相似度估算基准风速方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)、数据缺失值的插值，错误数据的筛选；
利用反距离加权插值(IDW)、克里金插值方式进行插值处理来填补这些空缺，根据周围已知数据点的高程值，推测缺失位置的高程值；基于统计方法来检测异常值，对错误数据的筛选和剔除；
(2.2)、将步骤(2.1)处理后的高程数据转化为0-255的颜色代码，生成颜色统计直方图；统计直方图由一系列高度不等的纵向条纹或线段表示数据分布的情况，横轴表示高程值分类的范围，纵轴表示处在该范围内的高程值出现的次数；将高程值除以高程值的最大值，并乘以255，得到当前位置的颜色代码；
(2.3)、由统计直方图计算描述地形模型斜率分布的特征向量；
统计直方图的横轴组距为特征向量的长度，特征向量中每个位置的值是对应位置的纵轴值；提取特征向量前将理想地形和目标地形的统计直方图的纵轴统一为同一长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于地形相似度估算基准风速方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)、对特征向量进行归一化处理；
(3.2)、计算理想地形和目标地形的特征向量的余弦相似度以度量二者相似性；余弦相似度通过计算两个向量的夹角余弦值来评估相似度，计算公式如下：
其中，A为理想地形特征向量，B为目标地形征向量；两个向量越相似，余弦相似度的值越接近1；反之，余弦相似度的值越接近-1。
5.根据权利要求1所述的一种基于地形相似度估算基准风速方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)、获得理想地形各位置的基准风速；
理想地形基准风速通过实地测量，或者对气象站风速观测资料进行统计分析得到，或者通过风场模拟来推算；
(4.2)、确定修正系数；
对每种理想地形的余弦相似度的值除以其中的最大值，作为风速的修正系数；
(4.3)、得到目标地形各位置基准风速估计值；
使用修正系数和地图中气象站定点的风速数据对每一个点的风速相乘，作为此处基准风速的估算，修正原有的基准风速分布。
6.根据权利要求5所述的一种基于地形相似度估算基准风速方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：
以指数律公式计算距地面高度z处的平均风速：标准高度处的平均风速为即步骤(4)获取的基准风速估计值，则在距离地面高度为z处的平均风速/>用指数律公式求得：
其中，z为距离地面的高度；zb为基准高度；为距离地面高度为z处的平均风速；/>为基准高度处风速估计值；a为地表粗糙度系数。
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