Топография — наука о формах и особенностях земной поверхности . Топография территории может относиться к самим формам и особенностям местности, а также к описанию или изображению на картах.
Топография — это область геонауки и планетологии , которая занимается местными деталями в целом, включая не только рельеф , но также природные , искусственные и культурные особенности, такие как дороги, границы земель и здания. [1] В США под топографией часто понимают именно рельеф , хотя топографические карты Геологической службы США фиксируют не только контуры высот , но и дороги, населенные пункты, сооружения, границы земель и так далее. [2]
Топография в узком смысле включает в себя запись рельефа или местности , трехмерность поверхности и выявление конкретных форм рельефа ; это также известно как геоморфометрия . В современном использовании это предполагает генерацию данных о высоте в цифровой форме ( ЦМР ). Часто считается, что графическое представление формы рельефа на карте включает в себя различные методы картографического изображения рельефа , включая контурные линии , гипсометрические оттенки и штриховку рельефа .
Термин топография возник в Древней Греции и продолжился в Древнем Риме как подробное описание места. Слово происходит от греческого τόπος ( топос , «место») и -γραφία ( -graphia , «письмо»). [3] В классической литературе это относится к описанию места или мест, что сейчас в основном называется « местной историей ». В Британии и в Европе в целом слово «топография» до сих пор иногда используется в его первоначальном смысле. [4]
Подробные военные исследования в Великобритании (начиная с конца восемнадцатого века) назывались артиллерийскими исследованиями , и этот термин использовался в 20 веке как общий для топографических съемок и карт. [5] Самые ранние научные исследования во Франции назывались картами Кассини по имени семьи, которая создавала их на протяжении четырех поколений. [ нужна цитата ] Термин «топографические исследования», по-видимому, имеет американское происхождение. Самые ранние детальные исследования в Соединенных Штатах были проведены «Топографическим бюро армии», сформированным во время войны 1812 года , [6] которое в 1838 году стало Корпусом инженеров-топографов. [7] После того, как работа по национальному картографированию была принятый Геологической службой США в 1878 году, термин «топографический» оставался общим термином для детальных исследований и картографических программ и был принят большинством других стран в качестве стандарта.
В 20 веке термин «топография» начал использоваться для описания описания поверхности в других областях, где используется картографирование в более широком смысле, особенно в таких областях медицины, как неврология .
Целью топографии является определение положения любого объекта или, в более общем смысле, любой точки с точки зрения горизонтальной системы координат , такой как широта, долгота и высота . Идентификация (наименование) особенностей и распознавание типичных моделей рельефа также являются частью этой области.
Топографическое исследование может быть проведено по разным причинам: военное планирование и геологоразведочные работы были основными мотивами для начала программ изысканий, но подробная информация о местности и особенностях поверхности необходима для планирования и строительства любого крупного гражданского строительства , общественных работ , или проекты рекультивации .
Существуют различные подходы к изучению топографии. Какой метод(ы) использовать, зависит от масштаба и размера исследуемой территории, ее доступности и качества существующих исследований.
Геодезические работы помогают точно определить положение точек в земном или трехмерном пространстве , а также расстояния и углы между ними с помощью нивелиров, таких как теодолиты , нивелиры и клинометры . Также используются GPS и другие глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС).
Работу над одной из первых топографических карт начал во Франции Джованни Доменико Кассини , великий итальянский астроном.
Несмотря на то, что дистанционное зондирование значительно ускорило процесс сбора информации и позволило повысить точность контроля на больших расстояниях, прямая съемка по-прежнему обеспечивает основные контрольные точки и основу для всех топографических работ, как вручную, так и на основе ГИС .
В районах, где проводилась обширная программа прямых исследований и картографирования (например, большая часть Европы и континентальная часть США), скомпилированные данные составляют основу базовых наборов цифровых данных о высотах, таких как данные DEM Геологической службы США . Эти данные часто приходится «подчищать», чтобы устранить расхождения между опросами, но они по-прежнему образуют ценный набор информации для крупномасштабного анализа.
Первоначальные американские топографические исследования (или британские «артиллерийские» исследования) включали не только регистрацию рельефа, но и выявление ориентиров и растительного покрова.
Дистанционное зондирование — это общий термин для сбора геоданных на расстоянии от предметной области.
Помимо своей роли в фотограмметрии, аэрофотоснимки и спутниковые снимки могут использоваться для выявления и очерчивания особенностей местности и более общих особенностей земного покрова. Конечно, они все больше и больше становятся частью геовизуализации , будь то карты или системы ГИС . Изображения в искусственных цветах и невидимых спектрах также могут помочь определить рельеф местности за счет более четкого разграничения растительности и другой информации о землепользовании. Изображения могут быть как в видимых цветах, так и в другом спектре.
Фотограмметрия — это метод измерений, при котором координаты точек трехмерного объекта определяются путем измерений, выполненных на двух фотографических изображениях (или более), снятых начиная с разных положений, обычно с разных проходов аэрофотосъемки. В этом методе на каждом изображении выявляются общие точки . Линию взгляда (или луч ) можно построить от места расположения камеры до точки на объекте. Именно пересечение ее лучей ( триангуляция ) определяет относительное трехмерное положение точки. Известные контрольные точки можно использовать для придания этим относительным положениям абсолютных значений. Более сложные алгоритмы могут использовать другую информацию о сцене, известную априори (например, симметрии, в некоторых случаях позволяющие перестроить трехмерные координаты, начиная с одного единственного положения камеры).
Спутниковое радиолокационное картирование является одним из основных методов создания цифровых моделей рельефа (см. ниже). Подобные методы применяются при батиметрических съемках с использованием гидролокатора для определения рельефа дна океана. В последние годы LIDAR ( обнаружение и определение дальности света ), метод дистанционного зондирования , в котором вместо радиоволн используется лазер, все чаще используется для сложных картографических задач, таких как картографирование куполов и мониторинг ледников .
Рельеф обычно моделируется с использованием векторных ( триангулированная нерегулярная сеть или TIN) или математических моделей с сеткой ( растровое изображение ). В большинстве приложений в области наук об окружающей среде поверхность земли представляется и моделируется с использованием моделей с координатной сеткой. В гражданском строительстве и сфере развлечений в большинстве представлений земельной поверхности используются те или иные варианты моделей TIN. В геостатистике поверхность суши обычно моделируется как комбинация двух сигналов – гладкого (пространственно коррелированного) и неровного (шумового) сигнала.
На практике геодезисты сначала берут данные о высотах на определенной территории, а затем используют их для создания цифровой модели поверхности земли в форме TIN . Затем DLSM можно использовать для визуализации местности, создания изображений дистанционного зондирования, количественной оценки экологических свойств поверхности или извлечения объектов земной поверхности. Данные контуров или любые другие выборочные наборы данных высот не являются DLSM. DLSM подразумевает, что высота доступна постоянно в каждом месте исследуемой области, т. е. карта представляет всю поверхность. Цифровые модели поверхности суши не следует путать с цифровыми моделями поверхности, которыми могут быть поверхности навеса, зданий и подобных объектов. Например, в случае моделей поверхности, создаваемых с использованием лидарной технологии, можно иметь несколько поверхностей – начиная от вершины полога и заканчивая реальной твердой землей. Разницу между двумя моделями поверхности можно затем использовать для получения объемных показателей (высота деревьев и т. д.).
Информация топографической съемки исторически основана на записях геодезистов. Они могут получать информацию о названиях и культуре из других местных источников (например, определение границ может быть получено на основе местного кадастрового картографирования). Несмотря на исторический интерес, эти полевые заметки по своей сути содержат ошибки и противоречия, которые разрешаются на более поздних этапах создания карт.
Как и в случае с полевыми заметками, данные дистанционного зондирования (например, аэрофотоснимки и спутниковые фотографии) являются необработанными и неинтерпретированными. Он может содержать дыры (например, из-за облачности) или несоответствия (из-за времени съемки конкретных изображений). Большинство современных топографических карт включают в процесс составления большой компонент данных дистанционного зондирования.
В современном понимании топографическое картографирование показывает рельеф. В США топографические карты Геологической службы США показывают рельеф с помощью горизонталей . Геологическая служба США называет карты, основанные на топографических съемках, но без контуров, «контурными картами».
На этих картах показаны не только контуры, но и любые значительные ручьи или другие водоемы, лесной покров , застроенные территории или отдельные здания (в зависимости от масштаба), а также другие особенности и достопримечательности.
Национальные исследования других стран официально не являются «топографическими» картами, но имеют многие из тех же особенностей, поэтому их часто называют «топографическими картами».
Существующие топографические карты из-за их всестороннего и энциклопедического охвата составляют основу для многих дополнительных топографических работ. Например, цифровые модели рельефа часто создаются не на основе новых данных дистанционного зондирования, а на основе существующих бумажных топографических карт. Многие государственные и частные издатели используют изображения (особенно горизонтали) из существующих листов топографических карт в качестве основы для своих собственных специализированных или обновленных топографических карт. [8]
Топографическое картографирование не следует путать с геологическим картированием . Последнее касается лежащих в основе структур и процессов на поверхности, а не идентифицируемых поверхностных особенностей.
Цифровая модель рельефа (DEM) представляет собой набор цифровых данных на основе растра о топографии ( гипсометрии и/или батиметрии ) всей или части Земли (или теллурической планеты ). Каждому пикселю набора данных присваивается значение высоты, а часть заголовка набора данных определяет область покрытия, единицы, которые покрывает каждый пиксель, и единицы высоты (и нулевую точку). ЦМР могут быть получены на основе существующих бумажных карт и данных съемки или же они могут быть созданы на основе данных нового спутника или других данных дистанционного зондирования или гидролокатора .
Географическая информационная система (ГИС) может распознавать и анализировать пространственные отношения, существующие в пространственных данных, хранящихся в цифровой форме. Эти топологические отношения позволяют выполнять сложное пространственное моделирование и анализ. Топологические отношения между геометрическими объектами традиционно включают смежность (что с чем примыкает), вложение (что что включает в себя) и близость (насколько близко что-то к чему-то другому).
Топография применяется в различных областях науки. В нейробиологии дисциплина нейровизуализации использует такие методы , как топография ЭЭГ для картирования мозга . В офтальмологии топография роговицы используется как метод картирования кривизны поверхности роговицы . В тканевой инженерии атомно -силовая микроскопия используется для картирования нанотопографии .
В анатомии человека топография – это поверхностная анатомия человека .
В математике понятие топографии используется для обозначения закономерностей или общей организации объектов на карте или как термин, обозначающий закономерность, по которой переменные (или их значения) распределяются в пространстве.
Топографы – знатоки топографии.