terrain-hydrology

地形与水文

目的：生成数值具有物理意义的地形产品。反复出现的两种问题是：单位不匹配（经纬度坐标与米制高程混用，会悄然破坏所有导数计算）和未进行水文处理的 DEM（水流汇入虚假的洼地，导致河网零散且不真实）。

先处理 DEM

检查项	规则
地表类型	水文分析／坡度分析使用 DTM（裸地）；视域分析／太阳能分析使用 DSM（包含树冠／建筑物）。使用 DSM 划分流域会导致河流沿着树冠流淌。
来源	对大多数全球范围的工作，Copernicus GLO-30 优于 SRTM；有条件时使用国家级 LiDAR DTM（参见 point-cloud-lidar 自行制作）。记录来源和采集日期。
无数据值	识别无数据值（-9999、-32768、3.4e38）并进行掩膜处理——切勿让它进入统计或填洼算法，被当作“极深的坑”。
空洞	在水文处理之前填补数据空洞（从边缘插值）；记录填补区域。
CRS + 单位	重投影到投影 CRS，使水平单位与垂直单位一致（米）。对 4326 DEM 计算坡度而不校正 z 因子，是典型的隐蔽错误。如果继续使用地理坐标系，则应用随纬度变化的 z 因子——更好的做法是：不要这样做。

派生指标

import whitebox
wbt = whitebox.WhiteboxTools()
wbt.slope("dem.tif", "slope_deg.tif", units="degrees")
wbt.aspect("dem.tif", "aspect_deg.tif")
wbt.plan_curvature("dem.tif", "plan_curv.tif")

• 坡度：注明单位（度数还是百分比——45° = 100%）；Horn 方法 （3×3）是标准方法；地形越陡，越应考虑分辨率的影响 （像元尺寸增大时，坡度会变缓——每项坡度统计都应报告像元尺寸）。
• 坡向：这是循环变量——切勿直接进行算术平均；使用向量 （sin/cos）平均；平坦像元的坡向未定义（应进行掩膜处理，不要赋值为 0）。
• 曲率：平面曲率（汇流）与剖面曲率（流速变化）—— 根据问题选择。
• 山体阴影用于制图（参见 cartography-geoviz），切勿作为分析输入。
• 地形崎岖度／位置：TRI、TPI（取决于半径——应报告半径）、 用于地貌分类的 geomorphons。

水文处理——顺序很重要

voids filled → breach depressions (preferred) → fill remaining pits
→ flow direction → flow accumulation → streams → watersheds

• 先挖沟后填洼（WhiteboxTools BreachDepressionsLeastCost）：在障碍物中开挖通道（例如穿过涵洞上方的道路堤坝），而不是将上游区域淹平。对平坦／有堤坝的地形直接填洼，会形成大型人工湖，流路也会随意生成。
• 真实洼地确实存在（喀斯特、草原壶穴、蓄水池）。如果地貌确实蓄水，就不要把它们处理掉——应使用显式洼地处理进行建模，并说明这一点。
• 流向：用于河网／流域划分时使用 D8（离散、标准）；在坡面上计算扩散量（湿润度指数、侵蚀）时使用 D-infinity/MFD。

河流与流域

• 河流提取阈值（最小汇流累积量）是建模选择：根据已绘制的参考河网推导（使河流总长度相匹配），或报告阈值并展示两种备选结果——切勿将某个阈值生成的河网说成“真实”的河流。
• 出口点捕捉：出口坐标很少正好落在建模的河流像元上。将其捕捉到搜索半径内汇流累积量最高的像元（wbt.jenson_snap_pour_points）——未捕捉的出口点会悄然产生一个很小且错误的流域。
• 验证划分结果：将流域面积与权威流域数据对比（误差 ±5-10%），并在 3 处将建模河网叠加到影像／地形图上检查。
• 湿润度指数（TWI）、河流功率（SPA）：根据经过水文处理的 DEM 和 MFD 汇流累积量计算；它们是相对指数——不要跨区域比较绝对阈值。

可视域

• 使用 DSM（或 DTM + 地物高度）——裸地可视域会夸大树木或建筑物所在区域的可见性；请注明使用了哪种表面。
• 明确设置观察者高度（约 1.7 m 的行人高度、基础设施的塔高）和目标高度；不同工具的默认值各不相同。
• 在距离超过约 5 km 时考虑地球曲率和折射（wbt.viewshed 会处理；请核实相关标志）。
• 在元数据中提供二值可见/不可见结果、观察点和参数；对于选址问题，候选点集的累积可视域可用于 mcda-suitability-analysis。

工具

WhiteboxTools（地形校正、完整水文分析套件、速度快）· pysheds（轻量级 Python 流域分析）· richdem（地形派生量）· GDAL（gdaldem），用于快速计算坡度/山体阴影 · GRASS（r.watershed），用于超大 DEM（无需显式填洼——采用最小成本路径）。

验证流程

1. 派生量直方图：大范围坡度 > 60° 或负值累积量 = 单位/NoData 错误。
2. 在 3 处将河网叠加到影像上检查，其中包括一处平坦区域（伪影容易集中于此）。
3. 将流域面积与权威流域多边形交叉核对。
4. 报告中应列出 DEM 来源/日期/分辨率、地形校正方法、流向算法和河流阈值。

常见问题检查清单

• 从地理坐标系 DEM 计算坡度时未使用 z-factor（数值偏差约 100 倍）。
• 使用 DSM 划分流域（河流会流过树冠）。
• 仅填洼进行地形校正，导致道路路堤处出现虚假湖泊。
• 出水口未吸附到河网，导致产生 3 个像元的“流域”。
• 对坡向取算术平均（350° 和 10° 的平均值指向南方，而非北方）。
• 在填洼/统计时将 NoData 当作高程处理。
• 将一个任意的河流阈值当作排水网络呈现。

执行规范

• **工作流：**检查 DEM 来源、CRS、垂直单位、基准面、分辨率和 NoData；校正地形；推导梯度和流向；划定产品；测试阈值；根据影像和控制点进行验证。
• **决策规则：**对栅格高程产品使用地形工作流，在生成 DEM 前使用点云工作流，并根据景观特征和尺度选择地形校正方法及流向算法。
• **验证流程：**检查派生量分布、山体阴影伪影、河网叠加结果、流域面积、出水口吸附、阈值敏感性和高程控制点残差。
• **失败模式：**因误用 DSM、地理坐标单位下的坡度、垂直基准面不匹配、障碍物未校正、NoData 污染、出水口未吸附，或分辨率超出源数据支持范围而拒绝产品。
• **交付物：**校正后的 DEM、派生量和水文产品、参数与阈值记录、CRS 和垂直基准面、QA 地图、验证指标及局限性。
• **来源时效性：**应用工具算法或产品规则前，请查阅权威来源注册表，并记录查阅日期。