張 磊，袁鵬博，李小林

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

風(fēng)能是一種可再生能源，很早就被人們利用。對(duì)于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，因地制宜地利用風(fēng)力發(fā)電，非常適合[1]。同時(shí)由于利用風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，所以國(guó)內(nèi)外都很重視開(kāi)發(fā)這一種新能源。然而風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)是一個(gè)比較復(fù)雜的工程，第一個(gè)需要考慮的問(wèn)題就是風(fēng)電場(chǎng)的選址工作。這需要在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)綜合考慮風(fēng)力資源、地形地貌和交通等因素,選擇出適合風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的區(qū)域,然后再考慮風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的排布問(wèn)題,確定每臺(tái)風(fēng)機(jī)的位置,以取得風(fēng)電場(chǎng)最大的年發(fā)電量和最佳經(jīng)濟(jì)效益[2]。

進(jìn)入20 世紀(jì)90年代以來(lái)，一場(chǎng)以信息技術(shù)為核心的革命正在深刻的改變著人類的生活，地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)隨著信息技術(shù)的發(fā)展迅速地發(fā)展壯大，并且被應(yīng)用于各行各業(yè)，在各行各業(yè)的社會(huì)實(shí)踐中，GIS 技術(shù)發(fā)揮它獨(dú)特的強(qiáng)大分析能力，為各行各業(yè)的從業(yè)者提供解決方案。在資源與環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域中，GIS 技術(shù)發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用。GIS 技術(shù)不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，便于制定決策、進(jìn)行科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，而且可以有效地對(duì)多時(shí)期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動(dòng)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過(guò)程綜合為一個(gè)共同的信息流，明顯地提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，為解決資源環(huán)境問(wèn)題提供技術(shù)支持[3]。GIS 技術(shù)的大場(chǎng)景空間分析能力非常適合應(yīng)用于我們風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的選址工作中。

1 風(fēng)電場(chǎng)微觀選址

風(fēng)電場(chǎng)微觀選址是指選出風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)區(qū)域后再根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況布置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組即安裝風(fēng)機(jī)。為使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)獲得最大發(fā)電量,并且盡可能降低整個(gè)工程的施工成本。風(fēng)機(jī)一般適宜選擇坡度在一定范圍內(nèi)的區(qū)域，坡向結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)向選取能更好利用風(fēng)力資源的坡向范圍。除此之外風(fēng)機(jī)距離村莊一般不小于500 m(或600 m)，風(fēng)機(jī)距離線路、道路一般大于200 m。距離礦區(qū)一般要滿足爆破安全距離，大于300 m 等[4]。

2 GIS空間分析技術(shù)在風(fēng)機(jī)微觀選址中的應(yīng)用

風(fēng)機(jī)微觀選址不僅要考慮坡度因素、坡向因素，還要保證距離村莊、礦區(qū)、道路、線路等要素有一定的安全距離，此時(shí)在這種大范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域篩選，GIS空間分析技術(shù)可以大顯身手。我們只需獲取風(fēng)場(chǎng)區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM），運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行坡度、坡向分析，根據(jù)選擇的坡度坡向范圍進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域范圍確定。而后再運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)對(duì)村莊、礦區(qū)、線路、道路等數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，將緩沖區(qū)分析的結(jié)果與坡度坡向分析的結(jié)果進(jìn)行疊加分析，在目標(biāo)范圍里剔除可能影響村莊、線路、道路等的區(qū)域，這樣就能篩選出最適宜進(jìn)行風(fēng)機(jī)排布的目標(biāo)區(qū)域，最后只需在篩選出的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)機(jī)合理排布，無(wú)需考慮坡度過(guò)大，是否影響村莊、礦區(qū)等因素，為風(fēng)機(jī)選址大大縮小可選目標(biāo)區(qū)域，極大地提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

3 案例分析

選取烏蘭察布風(fēng)電基地一期600 萬(wàn)kW 示范項(xiàng)目為例，運(yùn)用GIS空間分析方法，進(jìn)行風(fēng)機(jī)微觀選址工作。

3.1 項(xiàng)目背景

2019年9 月26 日，內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府與國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司深化合作框架協(xié)議簽約儀式暨烏蘭察布風(fēng)電基地一期600 萬(wàn)kW 示范項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)動(dòng)員大會(huì)在四子王旗召開(kāi)。會(huì)上宣布，烏蘭察布600 萬(wàn)kW 風(fēng)電示范項(xiàng)目作為我國(guó)首個(gè)大規(guī)模風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)示范項(xiàng)目，也是目前全球最大單體陸上風(fēng)電項(xiàng)目。

3.2 工作路線圖

選址工作路線圖見(jiàn)圖1。

圖1 工作路線圖

3.3 工作內(nèi)容

根據(jù)前文所述GIS空間分析工作方法，按步驟進(jìn)行烏蘭察布600 萬(wàn)kW 風(fēng)電示范項(xiàng)目的風(fēng)機(jī)選址工作研究。

首先，獲取整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域的DEM 數(shù)據(jù)、以及項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)村莊、礦區(qū)、道路、線路等敏感數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理方便運(yùn)用GIS空間分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

然后對(duì)項(xiàng)目區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析和坡向分析，而后根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選取閾值對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選出滿足條件的坡度范圍和坡向范圍，而后對(duì)兩個(gè)篩選的結(jié)果進(jìn)行疊加分析獲取重疊區(qū)域即同時(shí)滿足坡度條件和坡向條件的目標(biāo)范圍，而后再將疊加結(jié)果進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)矢量操作，獲取面狀矢量目標(biāo)區(qū)域范圍。

同時(shí)，對(duì)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)各種敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，形成緩沖面。

最后，將緩沖區(qū)分析形成的緩沖面和坡度坡向分析最終形成的面狀矢量目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行疊加分析，剔除敏感數(shù)據(jù)緩沖范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，形成最終的目標(biāo)區(qū)域。此目標(biāo)區(qū)域即為最終我們需要的較適宜布置風(fēng)機(jī)的區(qū)域范圍。

3.4 工作步驟

3.4.1 坡度計(jì)算

地表面某一點(diǎn)的坡度是表示地表在該點(diǎn)的傾斜程度的量，是既有大小又有方向的矢量。在地形分析中，坡度表示經(jīng)過(guò)地表某一點(diǎn)的切平面和水平面所形成的夾角[5]。根據(jù)坡度圖，可以了解到區(qū)域內(nèi)各位置的地形陡峭程度。在坡度圖中，每個(gè)像元都有一個(gè)坡度值，值越大表示地勢(shì)越陡峭，值越小表示地勢(shì)越平坦[6]。

圖中中心點(diǎn)e 的坡度和坡向的計(jì)算公式如下：

柵格數(shù)據(jù)集的像元值即為中心點(diǎn)的值，在計(jì)算坡度和坡向時(shí)，可以通過(guò)插值得到每個(gè)點(diǎn)的高程值，然后計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的坡度和坡向。由于計(jì)算點(diǎn)的坡度和坡向沒(méi)有實(shí)際意義，所以該方法計(jì)算的是柵格數(shù)據(jù)集中各像元平面的坡度平均值。

坡度計(jì)算一般采用擬合曲面法。擬合曲面一般采用二次曲面，即3×3 的窗口，見(jiàn)圖2。每個(gè)窗口的中心為一個(gè)高程點(diǎn)。

圖2 窗口示意圖

3.4.2 坡向計(jì)算

坡向用度數(shù)表示，坡向分析結(jié)果的范圍是0～360°。以正北方0°為開(kāi)始，按順時(shí)針移動(dòng)，回到正北方以360°結(jié)束。坡度圖中每個(gè)像元的值代表了其像元面的斜坡面對(duì)的方向，平坦的坡面沒(méi)有方向，賦值為-1。

由于坡向是圓的度量，10°坡向比30°坡向更靠近360°。因此，用坡向做數(shù)據(jù)分析之前，用戶需要對(duì)坡向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即：將坡向分為東、西、南、北4 個(gè)基本方向（或者東、西、南、北、東南、西南、東北、西北8 個(gè)基本方向），可通過(guò)柵格重分級(jí)功能完成轉(zhuǎn)換，突出需要考慮的坡向范圍。在坡向計(jì)算時(shí)，也是在基于X和Y 的兩個(gè)方向進(jìn)行計(jì)算[7]，其結(jié)果見(jiàn)式（4）：

3.4.3 坡度與坡向的重分類和敏感數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分析

計(jì)算出坡度和坡向的結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果需要篩選符合相應(yīng)的數(shù)據(jù)。GIS 中常用的篩選，在烏蘭察布項(xiàng)目中我們根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用重分類方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將符合條件的范圍數(shù)據(jù)設(shè)置為1，將不符合條件的數(shù)據(jù)設(shè)置為0。對(duì)坡度和坡向的DEM 數(shù)據(jù)重分類后，采用兩個(gè)DEM 數(shù)據(jù)相乘的方法，將坡度和坡向的重分類結(jié)果相乘。結(jié)果數(shù)據(jù)為1就是符合坡度和坡向范圍的數(shù)據(jù)即同時(shí)滿足坡度和坡向篩選條件。柵格數(shù)據(jù)上數(shù)據(jù)為1 的區(qū)域范圍就是同時(shí)滿足坡度條件和坡向條件的數(shù)據(jù)。而后在進(jìn)行失柵轉(zhuǎn)換，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，形成同時(shí)滿足坡度坡向條件的矢量面數(shù)據(jù)。

同時(shí)通過(guò)各種敏感矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析形成敏感區(qū)緩沖面。

3.4.4 數(shù)據(jù)疊加

最后，將上一步緩沖區(qū)分析形成的敏感區(qū)緩沖面和坡度坡向分析最終形成的同時(shí)滿足坡度坡向條件的矢量面數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，剔除敏感數(shù)據(jù)緩沖范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，形成最終的目標(biāo)區(qū)域。此目標(biāo)區(qū)域即為最終我們需要的較適宜布置風(fēng)機(jī)的區(qū)域范圍。設(shè)計(jì)人員可在最終目標(biāo)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行風(fēng)機(jī)布設(shè)，無(wú)需考慮坡度，坡向以及敏感區(qū)域等影響因素，大大提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

GIS空間分析技術(shù)作為一種技術(shù)手段運(yùn)用于風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作中，能夠快速地運(yùn)用GIS 強(qiáng)大的空間分析能力進(jìn)行大范圍的數(shù)據(jù)分析，大大縮小設(shè)計(jì)人員風(fēng)機(jī)布設(shè)目標(biāo)范圍區(qū)域。為設(shè)計(jì)人員的風(fēng)機(jī)微觀選址工作提供十分有效的幫助，極大地減少設(shè)計(jì)人員去風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查勘工作以及進(jìn)行風(fēng)機(jī)布設(shè)的工作時(shí)間，降低風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本與建設(shè)周期。