基于数字高程模型的抽水蓄能电站上水库选址方法和系统与流程

本技术属于电力系统领域，具体涉及一种基于数字高程模型的抽水蓄能电站上水库选址方法和系统。

背景技术：

1、随着全球能源结构转型加速，风电、光伏等可再生能源渗透率持续攀升，对抽水蓄能电站装机容量的需求呈现快速增长态势。抽水蓄能电站的上水库选址是项目可行性研究的关键环节，上水库必须占据天然地形洼地，以最小的坝体工程量蓄存所需库容，因为坝体投资往往主导整个项目的总投资。

2、其中，基于数字高程模型的上水库自动化选址是当前工程技术领域的重要研究方向。数字高程模型能够以数字形式精确表达地表高程信息，为定量评估候选盆地的工程适宜性提供了数据基础。通过对数字高程模型进行地形分析，可自动识别闭合洼地、计算库容参数、生成边界多边形，从而替代人工判读地形图的传统方式。

3、然而，现有技术存在以下不足：早期基于地理信息系统的选址方法采用地形特征提取与空间查询技术，但通常需要大量手动参数调优，且仅能产出定性适宜性图，无法提供带有边界多边形的定量排序候选方案，难以直接应用于工程设计。近期发展的地理信息系统多准则决策分析框架虽扩展至拓扑驱动的选址模型，但仍缺少自动化洼地识别与闭口边界生成功能，无法实现从地形数据到工程候选的端到端自动化。中国专利文献中提出的垂直于谷线的坝轴线模型在地形崎岖、多鞍部区域存在不稳定性问题，局部谷线追踪可能产生沿水库周边延伸数公里的坝段，而非跨越真正的封闭口，导致坝体方量估算严重失真。此外，岩溶洼地识别技术虽已应用于岩溶区抽水蓄能水库建设，但仅限于特定地质环境，无法推广至一般地形条件。更为深层的局限在于，现有方法将选址问题视为二值分类问题，仅判定适宜或不适宜，丢弃了在不同设计参数下可能可行的边界候选方案。由于所需库容是项目级变量，对于所需库容较大的项目判定为过浅的盆地，可能恰是所需库容较小项目的理想选址，二值筛选方式无法识别这种参数敏感性。因此，亟需一种能够从数字高程模型数据自动识别所有闭合洼地、定量评估每个洼地的工程适宜性、生成施工级边界多边形、并以分级排名方式保留边界候选的端到端选址方法。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

2、本发明的目的在于提供一种基于数字高程模型的抽水蓄能电站上水库选址方法及系统，以实现从数字高程模型数据到施工级候选站点的端到端自动化选址，无需人工地形判读，并能够以分级排名方式保留边界候选、支持实时敏感性分析，可以有效解决现有技术中选址过程耗时长、主观性强、无法端到端自动化以及无法识别参数敏感性的问题。

3、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

4、一种基于数字高程模型的抽水蓄能电站上水库选址方法，包括以下步骤：

5、步骤1：获取目标区域的数字高程模型数据并进行预处理，将散点高程数据通过插值算法生成规则格网数字高程模型，并进行平滑处理；

6、步骤2：采用优先洪水填充算法对预处理后的数字高程模型进行洼地检测，识别闭合洼地并提取特征参数；

7、步骤3：对每个洼地基于水位库容曲线通过二分搜索求解满足所需库容的水位；

8、步骤4：对每个洼地施加扩展圆盘几何约束，限制水库淹没范围；

9、步骤5：提取水位等值线并进行douglas-peucker简化与最小边长约束，生成闭口边界多边形；

10、步骤6：基于周界低高程带估算坝体方量和坝长；

11、步骤7：对候选站点按满足工程条件的数目进行分级排序输出；

12、步骤8：基于预计算水位曲线支持实时参数调整与更新排名。

13、进一步地，步骤1中所述插值算法为双线性插值方法或最近邻插值方法，所述平滑处理采用高斯核滤波器进行。

14、进一步地，步骤2中用所有边界格元初始化最小堆优先队列，边界格元为网格外缘格元或与无效值格元相邻的格元，无效值格元视为墙体即无穷高程；

15、从优先队列弹出最低高程格元，向内传播，将内部格元抬升至其溢流前驱高程；

16、对填充后数字高程模型与原始数字高程模型的差值进行连通分量标记；

17、采用优先洪水填充算法进行洼地检测时，还包括：

18、施加高海拔约束，仅种子高程不小于预设阈值的洼地作为候选；

19、用所有边界格元初始化最小堆优先队列，所述边界格元为网格外缘格元或与无数据nan格元相邻的格元，其中nan格元视为墙体即无穷高程；

20、从优先队列中弹出最低高程格元，向内传播，将内部格元抬升至其溢流前驱高程，等效于将所有洼地填充至溢流高程；

21、对填充后dem与原始dem的差值进行连通分量标记，提取各闭合洼地及其溢流高程、底面高程和天然库容。

22、进一步地，步骤2中还包括施加洼地面积阈值过滤，排除面积小于预设阈值的洼地。

23、进一步地，步骤3中所述二分搜索的搜索区间根据天然库容与所需库容的关系确定；

24、当所需库容小于等于天然库容时，搜索区间为底面高程至溢流高程；

25、当所需库容大于天然库容时，搜索区间为溢流高程至溢流高程加预设最大坝高，坝高等于水位减去溢流高程。

26、进一步地，步骤4中以洼地种子为圆心，确定扩展圆盘几何约束的半径；

27、将水库淹没范围限制为低于水位的连通区域与圆盘的交集；

28、所述扩展圆盘几何约束的半径rdisk=α·sqrt(vreq/(dmin·π))，其中α为扩展因子取值1.0-2.0，dmin为最小可接受平均水深，vreq为所需库容；

29、所述扩展圆盘几何约束将水库淹没范围限制为连通区域{z

30、进一步地，步骤5中生成闭口边界多边形的过程包括：

31、在淹没范围掩膜上提取水位的等值线，选择包含种子点的多边形；

32、以设定容差进行多边形简化；

33、施加最小边长约束，迭代删除相邻边长小于设定值的顶点；

34、对自相交多边形进行修复，若修正版面积损失超过预设比例则回退至未简化多边形；

35、步骤5中估算坝体方量的过程包括：

36、在淹没范围外侧识别周界低高程带，对每个坝格元采用三角形截面估算坝体方量。

37、进一步地，步骤7中所述工程条件包括：

38、平均水深处于设定窗口内、坝高不大于设定最大值、坝长不大于设定最大值、淹没范围不触碰数字高程模型数据边界；

39、候选站点按满足条件的数目排序，在各数目级内按坝体方量升序和水库面积降序排列，贴边界和库容不足站点施加方量惩罚后排末位。

40、进一步地，步骤8包括：

41、对每个洼地在等间距的多个水位上预计算水位库容曲线、水面面积曲线和坝体方量曲线，因水位库容曲线单调递增，任意所需库容通过插值在常数时间内求解，支持用户实时调整参数后获得更新排名。

42、根据本发明第二方面，本发明请求保护一种基于数字高程模型的抽水蓄能电站上水库选址系统，用于执行所述的一种基于数字高程模型的抽水蓄能电站上水库选址方法，包括：

43、数据预处理模块，获取目标区域的数字高程模型数据并进行预处理，将散点高程数据通过插值算法生成规则格网数字高程模型，并进行平滑处理；

44、洼地检测模块，采用优先洪水填充算法对预处理后的数字高程模型进行洼地检测，识别闭合洼地并提取特征参数；

45、水位求解模块，对每个洼地基于水位库容曲线通过二分搜索求解满足所需库容的水位；

46、几何约束模块，对每个洼地施加扩展圆盘几何约束，限制水库淹没范围；

47、边界生成模块，提取水位等值线并进行douglas-peucker简化与最小边长约束，生成闭口边界多边形；

48、坝体估算模块，基于周界低高程带估算坝体方量和坝长；

49、分级排名模块，对候选站点按满足工程条件的数目进行分级排序输出；

50、敏感性分析模块，基于预计算水位曲线支持实时参数调整与更新排名7。

51、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

52、1.端到端自动化选址能力：本发明实现了从数字高程模型数据到施工级候选站点的端到端自动化选址，无需人工地形判读，显著提升了选址效率，传统人工选址需要较长时间，本方法全自动化流程大幅缩短选址周期。

53、2.定量排序与工程级输出：本发明不仅能识别闭合洼地，还能生成可直接用于工程设计的闭口边界多边形，并输出定量排序候选方案，解决了现有技术仅产出定性适宜性图、无法提供施工级边界多边形的问题。

54、3.参数敏感性与实时分析能力：本发明采用分级排名方式保留边界候选，能够识别参数敏感性，通过预计算水位曲线和插值技术，用户调整参数后可快速获得更新排名，突破了现有二值筛选方法无法实现实时敏感性分析的局限。

55、4.工程判断精准编码：本发明通过扩展圆盘几何约束，利用平均水深这一天然指标，在单一区间内完整编码工程判断，深度窗口精确捕获工程直觉，使选址结果更加符合工程实际需求。