Топография — это изучение форм и особенностей земных поверхностей . Топография местности может относиться к самим формам и особенностям земной поверхности или к описанию или изображению на картах.
Топография — это область наук о Земле и планетологии , которая занимается местными деталями в целом, включая не только рельеф , но и естественные , искусственные и культурные особенности, такие как дороги, границы земельных участков и здания. [1] В Соединенных Штатах топография часто означает именно рельеф , хотя топографические карты USGS фиксируют не только контуры высот , но и дороги, населенные пункты, сооружения, границы земельных участков и т. д. [2]
Топография в узком смысле включает в себя запись рельефа или местности , трехмерное качество поверхности и идентификацию определенных форм рельефа ; это также известно как геоморфометрия . В современном использовании это включает в себя генерацию данных о высоте в цифровой форме ( ЦМР ). Часто считается, что она включает в себя графическое представление рельефа на карте с помощью различных методов картографического изображения рельефа , включая контурные линии , гипсометрические оттенки и рельефную штриховку .
Термин топография возник в Древней Греции и продолжил свое существование в Древнем Риме как подробное описание места. Слово происходит от греческого τόπος ( topos , «место») и -γραφία ( -graphia , «письмо»). [3] В классической литературе это относится к написанию о месте или местах, что сейчас в основном называется « местной историей ». В Британии и в Европе в целом слово топография все еще иногда используется в своем первоначальном смысле. [4]
Подробные военные съемки в Великобритании (начиная с конца восемнадцатого века) назывались Ordnance Surveys , и этот термин использовался в 20 веке как общий для топографических съемок и карт. [5] Самыми ранними научными съемками во Франции были карты Кассини по имени семьи, которая создавала их на протяжении четырех поколений. [6] Термин «топографические съемки», по-видимому, имеет американское происхождение. Самые ранние подробные съемки в Соединенных Штатах были сделаны «Топографическим бюро армии», образованным во время войны 1812 года , [7] которое стало Корпусом топографических инженеров в 1838 году. [8] После того, как работа по национальному картографированию была взята на себя Геологической службой США в 1878 году, термин «топографический» остался как общий термин для подробных съемок и картографических программ и был принят большинством других стран в качестве стандарта.
В 20 веке термин «топография» начал использоваться для описания поверхности в других областях, где картирование применяется 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 в терминах как горизонтальной системы координат, такой как широта, долгота и высота . Определение (название) объектов и распознавание типичных моделей рельефа также являются частью этой области.
Топографическое исследование может проводиться по разным причинам: военное планирование и геологическая разведка были основными мотиваторами начала программ обследования, но подробная информация о рельефе и особенностях поверхности имеет важное значение для планирования и строительства любых крупных проектов гражданского строительства , общественных работ или мелиорации .
Существует множество подходов к изучению топографии. Выбор метода зависит от масштаба и размера исследуемой территории, ее доступности и качества имеющихся обследований.
Геодезия помогает точно определить наземное или трехмерное пространственное положение точек, а также расстояния и углы между ними с помощью нивелирных приборов, таких как теодолиты , нивелиры и клинометры . Также используются GPS и другие глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS).
Работа над одной из первых топографических карт была начата во Франции Джованни Доменико Кассини , великим итальянским астрономом.
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 ручных, так и на основе ГИС .
В районах, где была проведена обширная программа прямой съемки и картирования (например, большая часть Европы и континентальной части США), собранные данные формируют основу базовых наборов цифровых данных рельефа, таких как данные USGS DEM . Эти данные часто приходится «чистить», чтобы устранить расхождения между съемками, но они по-прежнему представляют собой ценный набор информации для крупномасштабного анализа.
Первоначальные американские топографические съемки (или британские «артиллерийские» съемки) включали не только регистрацию рельефа, но и выявление особенностей рельефа и растительного покрова земли.
Дистанционное зондирование — общий термин, обозначающий сбор геоданных на расстоянии от исследуемой территории.
Помимо своей роли в фотограмметрии, аэрофотоснимки и спутниковые снимки могут использоваться для идентификации и разграничения особенностей рельефа и более общих особенностей земельного покрова. Конечно, они все больше становятся частью геовизуализации , будь то карты или ГИС- системы. Изображения в ложных цветах и невидимых спектрах также могут помочь определить положение земли, более четко разграничивая растительность и другую информацию о землепользовании. Изображения могут быть в видимых цветах и в другом спектре.
Фотограмметрия — это метод измерения, при котором координаты точек в 3D объекта определяются измерениями, выполненными на двух фотографических изображениях (или более), снятых с разных позиций, обычно с разных проходов полета аэрофотосъемки. В этом методе общие точки определяются на каждом изображении . Линия визирования (или луч ) может быть построена от местоположения камеры до точки на объекте. Именно пересечение ее лучей ( триангуляция ) определяет относительное трехмерное положение точки. Известные контрольные точки могут использоваться для придания этим относительным положениям абсолютных значений. Более сложные алгоритмы могут использовать другую информацию о сцене, известную априори (например, симметрии в некоторых случаях, позволяющие перестраивать трехмерные координаты, начиная с одного единственного положения камеры).
Картографирование с помощью спутникового радара является одним из основных методов создания цифровых моделей рельефа (см. ниже). Аналогичные методы применяются в батиметрических исследованиях с использованием сонара для определения рельефа дна океана. В последние годы LIDAR ( LI ght Detection And R anging ), метод дистанционного зондирования, использующий лазер вместо радиоволн, все чаще используется для сложных картографических задач, таких как картографирование покровов и мониторинг ледников.
Рельеф обычно моделируется с использованием векторных ( триангулированная нерегулярная сеть или TIN) или сеточных ( растровое изображение ) математических моделей. В большинстве приложений в науках об окружающей среде поверхность земли представляется и моделируется с использованием сеточных моделей. В гражданском строительстве и индустрии развлечений большинство представлений поверхности земли используют тот или иной вариант моделей TIN. В геостатистике поверхность земли обычно моделируется как комбинация двух сигналов — гладкого (пространственно коррелированного) и грубого (шумового) сигнала.
На практике геодезисты сначала берут образцы высот на участке, а затем используют их для создания цифровой модели поверхности земли в форме TIN . Затем DLSM можно использовать для визуализации рельефа, наложения изображений дистанционного зондирования, количественной оценки экологических свойств поверхности или извлечения объектов поверхности земли. Контурные данные или любые другие выборочные наборы данных о высоте не являются DLSM. DLSM подразумевает, что высота доступна непрерывно в каждом месте в исследуемой области, т. е. что карта представляет собой полную поверхность. Цифровые модели поверхности земли не следует путать с цифровыми моделями поверхности, которые могут быть поверхностями полога, зданий и подобных объектов. Например, в случае моделей поверхности, созданных с использованием технологии лидара, можно иметь несколько поверхностей — начиная с вершины полога до фактической твердой земли. Затем разницу между двумя моделями поверхности можно использовать для получения объемных мер (высоты деревьев и т. д.).
Топографическая информация о съемке исторически основана на заметках геодезистов. Они могут получать названия и культурную информацию из других местных источников (например, разграничение границ может быть получено из местного кадастрового картирования). Хотя эти полевые заметки представляют исторический интерес, они по своей сути включают ошибки и противоречия, которые разрешаются на более поздних этапах создания карты.
Как и полевые заметки, данные дистанционного зондирования (например, аэрофотоснимки и спутниковые фотографии) являются сырыми и неинтерпретированными. Они могут содержать пробелы (например, из-за облачности) или несоответствия (из-за времени получения определенных изображений). Большинство современных топографических карт включают в себя большой компонент данных дистанционного зондирования в процессе компиляции.
В современном определении топографическое картирование показывает рельеф. В Соединенных Штатах топографические карты USGS показывают рельеф с помощью контурных линий . USGS называет карты, основанные на топографических съемках, но без контуров, «планиметрическими 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 объекты и достопримечательности.
Хотя официально карты не являются «топографическими», национальные топографические карты других стран имеют много общих черт, поэтому их часто называют «топографическими картами».
Существующие топографические карты обследования, благодаря своему всеобъемлющему и энциклопедическому охвату, формируют основу для многих производных топографических работ. Например, цифровые модели рельефа часто создавались не из новых данных дистанционного зондирования, а из существующих бумажных топографических карт. Многие государственные и частные издательства используют художественные работы (особенно контурные линии) из существующих листов топографических карт в качестве основы для своих собственных специализированных или обновленных топографических карт. [9]
Топографическое картирование не следует путать с геологическим картированием . Последнее касается глубинных структур и процессов на поверхности, а не идентифицируемых поверхностных особенностей.
Цифровая модель рельефа (ЦМР) — это растровый цифровой набор данных топографии ( гипсометрии и/или батиметрии ) всей или части Земли (или теллурической планеты ). Каждому пикселю набора данных присваивается значение высоты, а заголовок набора данных определяет область покрытия, единицы, которые покрывает каждый пиксель, и единицы высоты (и нулевую точку). ЦМР могут быть получены из существующих бумажных карт и данных съемки, или они могут быть созданы из новых спутниковых или других дистанционно зондируемых радиолокационных или гидролокационных данных.
Географическая информационная система ( ГИС ) может распознавать и анализировать пространственные отношения, которые существуют в цифровых пространственных данных. Эти топологические отношения позволяют выполнять сложное пространственное моделирование и анализ. Топологические отношения между геометрическими сущностями традиционно включают смежность (что к чему примыкает), сдерживание (что что-то охватывает) и близость (насколько близко что-то к чему-то).
Топография применялась в различных областях науки. В нейронауке 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, относящийся к закономерности распределения переменных (или их значений) в пространстве.
Топографы — эксперты в топографии. Они изучают и описывают особенности поверхности места или региона.