基于SRTM數(shù)據(jù)的地形測量方法研究*

荀建敏，蘇麗營，宮玉鵬，趙海春

（華銳風(fēng)電科技（集團）股份有限公司，北京 100872）

0 引言

風(fēng)能是一種沒有污染的可再生能源，自20世紀(jì)80年代以來，風(fēng)能利用的主要趨勢是發(fā)電[1]。風(fēng)電機組可以通過葉輪吸收風(fēng)能，再通過發(fā)電機進行發(fā)電。

風(fēng)電機組功率特性測試是風(fēng)電機組型式認(rèn)證之一，功率特性測試是風(fēng)電機組準(zhǔn)入制度必不可少的一個環(huán)節(jié)[2-5]，但風(fēng)電機組一般都安裝在比較偏遠的山區(qū)或者草原，不同的地形及氣流畸變對風(fēng)電機組的功率特性測試時測風(fēng)塔安裝處風(fēng)速的測量有較大的影響，從而與風(fēng)電機組安裝處的風(fēng)速偏差較大[6-8]。因此，根據(jù)國際電工委員會頒布的IEC 61400－12－1標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)研究成果[9-11]，其前期工作需要對測試場地進行評估，判定測試場地地形是否滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400－12－1表1中地形要求，若不滿足，則判定是否進行場地標(biāo)定，及時地完成功率特性測試前期的場地評估工作。

表1中*表示過塔基中心的最佳地形擬合平面斜率；**表示連接塔基中心與地形扇區(qū)內(nèi)單獨某點連線最大斜率；L表示風(fēng)電機組與測風(fēng)塔的間距；H表示風(fēng)電機組輪轂高度；D表示風(fēng)輪直徑；d表示 測量位置與被測風(fēng)電機組的距離；測量扇區(qū)外是指風(fēng)電機組對測風(fēng)塔測量產(chǎn)生影響的角度范圍，測量扇區(qū)內(nèi)則為360°減去該角度。

表1 測試場地地形變化要求

對測試場地地形進行評估可以通過人工現(xiàn)場通過GPS采集特殊點地形數(shù)據(jù)，但是該方法采集的數(shù)據(jù)點不完全，而且費時費力。本文提供的方法是通過利用美國國防部國家測繪局（NIMA）和航空航天署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）在2000年2月共同主持實施的SRTM計劃而制成的高精度全球三維地圖[12]，再結(jié)合MATLAB具有強大的數(shù)據(jù)處理、可視化繪圖和解決難題工具箱功能，對數(shù)據(jù)進行編程繪制與處理[13]，擬合出地形的最佳平面，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計算地形評估相關(guān)參數(shù)，從而判定地形是否滿足要求。

1 地形評估原理

功率特性測試時測風(fēng)塔安裝位置標(biāo)準(zhǔn)距離風(fēng)電機組L=2.5D，但一般以現(xiàn)場風(fēng)電機組與測風(fēng)塔實際距離為準(zhǔn)。風(fēng)電機組在測風(fēng)塔的上風(fēng)向時，會影響測風(fēng)塔采集的氣象數(shù)據(jù)，故需要刪除該扇區(qū)，即不在評估范圍內(nèi)，當(dāng)L=2.5時，根據(jù)以下公式（1）可以計算出α＝74°，

如表1中所示，需要評估以風(fēng)電機組為中心，半徑2L、4L、8L范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)，主要評估參數(shù)為特定扇區(qū)過塔基中心的最佳地形擬合平面的斜率與偏離該最佳平面的最小偏差。詳細的區(qū)域說明如圖1所示。

2 地形平面擬合方法

SRTM地形數(shù)據(jù)提供的是大量的散點數(shù)據(jù)，利用這些散點數(shù)據(jù)擬合出最佳地形平面且過塔基中心坐標(biāo)，本文采用MATLAB 中 的 PCA（Principal Components Analysis）方法。

PCA算法是一種常用的基于變量協(xié)方差矩陣對信息進行處理、壓縮和抽提的有效方法，其程序計算的步驟為：

（1）去均值；

（2）計算協(xié)方差矩陣及其特征值和特征向量；

（3）計算協(xié)方差矩陣的特征值大于閾值的個數(shù)；

（4）降序排列特征值；

（5）去掉較小的特征值；

（6）去掉較大的特征值；

（7）合并選擇的特征值；

（8）選擇相應(yīng)的特征值和特征向量；

（9）計算白化矩陣；

（10）提取主分量。

利用該算法擬合出三維平面模型距離最小的線性回歸問題，通過MATLAB中Princomp（X）函數(shù)求出擬合平面的法向量，從而得到過塔基最低點的平面方程為：

圖1 地形評估區(qū)域

圖2 SRTM等高線地形數(shù)據(jù)

圖3 地形數(shù)據(jù)散點

圖4 地形平面擬合

其中，[xWTyWTzWT]為風(fēng)電機組塔基中心坐標(biāo)，為擬合平面的法向量。

具體執(zhí)行步驟如下：

（1）風(fēng)電機組的經(jīng)緯坐標(biāo)可以利用GPS現(xiàn)場測量得到，并且拍攝現(xiàn)場的地形照片用于出具地形評估報告；

（2）根據(jù)該機位的經(jīng)緯坐標(biāo)在網(wǎng)站www.srtm.csi.cgiar.org/selection/inputcoord.asp下載由NASA提供的該機位半徑8L內(nèi)的SRTM地形數(shù)據(jù)；

（3）在Global Mapper12.0中導(dǎo)入下載的SRTM地形數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)化成等高線地形，分別取出以風(fēng)電機組為中心半徑為2L、4L、8L的圓并導(dǎo)出地形數(shù)據(jù)到Excel中，包括WGS84坐標(biāo)與海拔高度。

（4）在MATLAB中導(dǎo)入處理的Excel地形散點數(shù)據(jù)；

（5）調(diào)用PCA算法程序，對散點數(shù)據(jù)進行計算得到最佳擬合平面的法向量，并且繪制出最佳平面及計算出不同區(qū)域內(nèi)的最佳地形擬合平面的斜率與偏離該最佳平面的最小偏差。

表2 測試場地地形計算結(jié)果

3 工程實例

以南非某風(fēng)場8#機組3MW機組為例，塔筒高度H=90m，葉輪直徑D=113m，風(fēng)電機組與測風(fēng)塔之間的距離L=2.24D=252.8m，風(fēng)電機組坐標(biāo)WT為（Easting 351457.0，Northing 6211154.3）。

首先根據(jù)風(fēng)電機組坐標(biāo)WT在網(wǎng)站www.srtm.csi.cgiar.org/selection/inputcoord.asp下載該機位半徑8L內(nèi)的SRTM地形數(shù)據(jù)，然后在Global Mapper12.0中導(dǎo)入該SRTM地形數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)化成等高線地形，以該機位為中心截取需要分析的2L、4L與8L半徑區(qū)域內(nèi)的等高線地形數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出到Excel中，如圖2所示。

在MATLAB中分別導(dǎo)入2L、4L與8L區(qū)域內(nèi)的散點地形數(shù)據(jù)，分別進行計算，如圖3所示。

在MATLAB中分別對導(dǎo)入的2L、4L與8L區(qū)域內(nèi)的散點地形數(shù)據(jù)，使用PCA分析方法進行正交回歸擬合，擬合出2L、4L、8L范圍內(nèi)的地形平面，并計算出各個區(qū)域內(nèi)不同扇區(qū)過塔基中心的最佳地形擬合平面的斜率與偏離該最佳平面的最小偏差，如圖4與表2所示。

表1中的各項計算結(jié)果如表2所示。

從表2中計算的結(jié)果可以看出，地形不滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進行場地標(biāo)定。

4 結(jié)論

通過直接引用由NASA提供的SRTM地形數(shù)據(jù)，基于MATLAB軟件利用PCA算法擬合出地形平面，對地形的坡度與高度偏差做出評估，為風(fēng)電機組的功率特性場地評估提供了有效的方法與數(shù)據(jù)依據(jù)，具有重要參考意義。

[1] 李亞西,武鑫,趙斌,等.世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].太陽能,2004(1):1.

[2] 范高鋒,裴哲義,辛耀中.風(fēng)電功率預(yù)測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國電力,2011,44(6):38-41.

[3] 尹明,葛旭波,王成山,等.我國風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)相關(guān)問題探討[J].中國電力,2010,43(3):59-62.

[4] 王建東,汪寧渤,何世勇,等.甘肅酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電預(yù)測預(yù)報階段性研究[J].中國電力,2010,43(10):66-69.

[5] 裴哲義,董存,辛耀中.我國風(fēng)電并網(wǎng)運行最新進展[J].中國電力,2010,43(11):78-82.

[6] 陳慶斌.風(fēng)力發(fā)電機組和風(fēng)電場的功率特性測試研究[D].重慶:重慶大學(xué),2008:19-21.

[7] 陳樹勇,戴慧珠,白曉民,等.尾流效應(yīng)對風(fēng)電場輸出功率的影響[J].中國電力,1998,31(11):28-31.

[8] 李慶.風(fēng)電機組和風(fēng)電場的功率特性及電能質(zhì)量測試研究[D].北京:中國電力科學(xué)研究院,2006:6-10.

[9] GB/T 18451.2-2003 風(fēng)力發(fā)電機組+功率特性試驗[S].2003.

[10] IEC 61400 Ed1.0-1998.Wind turbine generator system,part12: wind turbine power performance testing[S].1998.

[11] IEC 61400-12-1-2005,Wind turbines Part 12-1:Power performance measurements of electricity producing wind turbines[S].

[12] 盧輝,劉長星.MATLAB在GPS高程擬合中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2009,34(2):191-193.

[13] 左美蓉.SRTM高程數(shù)據(jù)及其應(yīng)用研究[D].中南大學(xué),2009:1.