Chapter 2 平台工作原理
GHDC 在收到你提交的流域边界和建模参数后，会自动完成一系列数据处理工作，最终输出水文模型所需的全套输入文件。本章简要介绍这个自动化流程的主要步骤，帮助你理解平台”在幕后做了什么”。
2.1 从边界到模型的处理流程
整个处理流程可以分为五个阶段，如图 2.1 所示：
Figure 2.1: GHDC 数据处理管线：从用户边界到模型输入文件的五个自动化阶段。
第一阶段：空间基础数据准备
以你上传的流域边界为范围，从全球数据仓库中裁剪对应区域的数据：
- 高程数据（DEM）：提取流域数字高程模型，计算坡度与坡向
- 土壤质地：提取各空间单元的土壤类型与物理属性（孔隙率、导水率等）
- 土地利用/覆被：提取各空间单元的植被类型与覆盖度
第二阶段：水系与子流域提取
基于 DEM，运用水文分析方法自动提取：
- 河网（水系）：依据汇流累积量阈值确定河道位置与层级
- 子流域边界：以每条河段为出口划定对应的汇水区域
第三阶段：非结构网格生成
根据你设定的网格参数（最小单元数、最大单元面积），将流域剖分为非结构三角网格——这是 SHUD 模型的基本计算单元。网格密度越高，模型空间精度越高，计算量也越大。
第四阶段：气象驱动数据制备
从选定的大气再分析数据集（如 GLDAS）中提取模拟时段内的逐小时气象数据，并插值到每个网格单元的质心位置，生成模型所需的气象强迫文件。
第五阶段：模型输入文件生成与打包
将以上所有空间数据和气象数据转换为 SHUD 模型可直接读取的输入格式，连同 GIS 矢量文件、模型可执行程序和分析脚本一并打包为 ZIP 文件，供用户下载。
图 2.2 展示了系统内部数据处理的详细模块结构：
Figure 2.2: GHDC 数据处理模块（英文原版）：流域边界经裁剪、格式转换、重投影后，由模型部署工具生成 SHUD 模型输入文件。
图 2.3 以黑河上游为例，展示了从提交边界到生成模型输入的六个实际处理步骤：
Figure 2.3: 黑河上游的实际处理步骤：(a) 网站界面；(b) 流域边界与缓冲区；(c) DEM 裁剪；(d) 非结构三角网格；(e) 提取水系；(f) 气象格网覆盖。
2.2 数值模型简介
GHDC 当前使用 SHUD 模型完成水文模拟数据制备。SHUD 采用有限体积法（Finite Volume Method, FVM）求解水文常微分方程，将流域中的水量守恒方程在每个三角形单元上离散求解，并通过单元间的通量交换模拟地表水与地下水的动态交互。
有限体积法的优势在于：天然满足质量守恒，数值稳定性好，且能处理空间上高度不规则的网格形状——这使得 SHUD 可以用较少的网格单元精确刻画复杂地形与水系。
2.3 数据资源
GHDC 所使用的所有数据均来自公开发布的全球或区域数据集，版权为 Public Domain（公共领域），允许自由使用、处理、再发布，且不附加版权声明义务。
本章介绍平台当前支持的数据集及其特性，帮助你在提交任务时做出合适的选择。
2.3.1 高程数据（DEM）
高程数据（Digital Elevation Model，DEM）是水系提取和网格生成的基础。
| 数据集 | 分辨率 | 覆盖范围 | 版权 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| ASTER GDEM v3 | 30 m | 全球（83°N–83°S） | Public Domain | 默认选项；适合大多数流域 |
| MERIT Hydro DEM | 90 m | 全球 | Public Domain | 大流域或计算资源有限时 |
Figure 2.4: ASTER GDEM 高程数据示例：30 m 分辨率，可清晰展现流域地形起伏与山谷形态。
建议：对于面积小于 500 km² 的流域，优先使用 ASTER 30m 以获得更精细的水系提取结果；面积超过 5000 km² 的流域可选用 MERIT 90m 以节省处理时间。
2.3.2 气象驱动数据
气象驱动（Forcing）数据为水文模型提供逐小时的降水、气温、太阳辐射、风速等输入。
| 数据集 | 空间分辨率 | 时间分辨率 | 可用年份 | 覆盖范围 |
|---|---|---|---|---|
| GLDAS 2.1 | 0.25° | 3 小时 | 2000 年至今 | 全球（60°N–60°S） |
| NLDAS-2 | 0.125° | 1 小时 | 1979 年至今 | 北美地区 |
| CMFD v1.0 | 0.1° | 3 小时 | 1979–2018 年 | 中国大陆 |
Figure 2.5: GLDAS、FLDAS、NLDAS 数据集的空间覆盖范围示意图。GLDAS 覆盖全球，NLDAS 仅覆盖北美。
选择建议：
- 研究区在全球任意位置，且模拟年份在 2000 年之后：选 GLDAS（默认）
- 研究区在北美，需要更高分辨率或更长时间序列：选 NLDAS
- 研究区在中国大陆，模拟年份在 1979–2018 年之间：可选 CMFD（分辨率更高）
注意：NLDAS 仅覆盖美国境内；CMFD 数据时间截止至 2018 年。若模拟年份超出所选数据集的时间范围，提交时系统会给出提示。
2.3.3 土壤数据
| 数据集 | 分辨率 | 覆盖范围 | 版权 |
|---|---|---|---|
| HWSD v1.0 | 1 km | 全球 | Public Domain |
HWSD（Harmonized World Soil Database）提供土壤质地（砂粒/粉粒/黏粒比例）、容重、有机质含量等属性，GHDC 根据这些属性估算土壤水力参数（饱和导水率、田间持水量等）供 SHUD 模型使用。
2.3.4 土地利用/覆被数据
| 数据集 | 分辨率 | 覆盖范围 | 时间 | 版权 |
|---|---|---|---|---|
| MODIS MCD12Q1 | 500 m | 全球 | 2001 年至今 | Public Domain |
MODIS 土地利用数据提供 17 类 IGBP 土地覆盖类型，GHDC 根据分类结果设定叶面积指数、植被截留、根系深度等参数。
2.3.5 原始数据版权说明
GHDC 平台本身不生产数据，仅提供数据处理服务。数据版权归原始数据发布者所有。使用 GHDC 处理的数据成果发表论文时，请引用相应的原始数据集文献（见第 9 章）。