Топография (от греч. τόπος topos, "место” и γράφω graphō, “писать”) – это раздел планетологии, который занимается изучением и изображением (на картах) форм и свойств поверхности Земли, а также других наблюдаемых астрономических объектов, – планет, спутников и астероидов. Топографией местности также называют свойства или форму её поверхности.
В более широком смысле слова, топография связана со всеми деталями местности, включая не только рельеф, но и особенности растительного покрова, промышленных объектов и даже местную историю и культуру. Такое значение слова не совсем привычное для американцев, где топографические карты с обозначениями изолиний давно сделали “топосъёмку” всего лишь синонимом рельефа. С прежним значением топографии, как науки, что изучает местность, можно еще столкнуться в Европе.
Топосъёмка включает изображение рельефа, трёхмерных свойств поверхности, а также обозначение специальных участков ландшафта. Этот процесс еще называют геоморфометрией. В современном потреблении слова, сюда входит еще составление данных о высотах рельефа определённой местности в электронной форме. Графическое изображение рельефа на карте принято обозначать с помощью условностей, например, контурных линий, гипсометрических слоев или отмывки рельефа.
Топосъёмка в медицине и других областях
Топосъёмка также применяется в других областях науки. В неврологии, нейровизуализация использует ЭЭГ-топографию для картирования головного мозга. В офтальмологии, топография роговицы используется как метод картирования кривизны поверхности роговицы.
В анатомии человека, топосъёмка – это поверхностная анатомия человеческого тела.
В математике, концепцию топосъёмки используют, чтобы определить систему или общую организацию топографических элементов на карте, или как термин, который относится к системе, где переменные или их величины распределяются в пространстве.
Этимология
Происхождение термина “топография” берет начало с Древней Греции, а далее распространяется в Древнем Риме, и обозначал детальное описание местности. “Топография” происходит от греческих слов τόπος topos, "место” и γράφω graphō, “писать”. В классической литературе этот термин связывают с описанием места или нескольких мест, что сейчас называют краеведением. В Англии и Европе ещё сохранилось прежнее значение этого слова.
Детальные военные съёмочные работы в Англии (начиная с позднего XVIII века) в то время назывались топографическими государственными съёмками, а уже в XX веке этот термин обычно использовали для топосъёмок и топографических карт. Самыми первыми топосъёмками с научной точки зрения во Франции стали карты Кассини, названые в честь фамилии четырёх поколений Кассини, которые занимались картографированием. Термин “топосъёмка”, как выяснилось, имеет американские корни. Самые ранние детальные съёмочные работы в США были сделаны “Военным топографическим бюро”, которое сформировалось во время Англо-американской войны в 1812, а уже в 1838 году бюро преобразовалось в “Корпус военных топографов”. После выполнения работ по картографическим съёмкам страны Геологической Службой США в 1878 году, термин “топографический” остался условным термином для обозначения детальных съёмок и картографических программ, и был принят другими национальностями как стандарт.
В XX веке, термин “топография” начали использовать для описания поверхности в других областях, где составление карт используется в более широком значении, особенно в таком направлении медицины, как неврология.
Объект топографии
Объектом топографии является определение положения каждого элемента, или более глобально, каждой точки рельефа в измерениях горизонтальной системы координат, – таких как широта и долгота к высоте. К топографии также относится обозначение (нейминг) свойств элементов рельефа, а также распознавание его типических ландшафтных образов.
Топосъёмку делают по многим причинам: военные планирования и геологические исследования было первым, что мотивировало появление съёмочных работ, и конечно, детальная информация о свойствах рельефа и поверхности является неотъемлемой частью планирования и строительства любой строительной инженерии, общественных сооружений или мелиоративных объектов.
Методы топографии
Существует несколько методов изучения топографии. Какой метод выбрать, – зависит от масштаба и размера исследованной территории, её доступности и качества существующих топосъёмок.
Наземная топосъёмка
Наземная топосъёмка помогает с точностью определить террестриальную или трёхмерную позицию элементов рельефа, а также расстояния и угловые наклоны между ними с помощью геодезических инструментов, таких как нивелир, теодолит, или инклинометр. Несмотря на то, что дистанционное зондирование Земли намного ускорило процесс обработки информации, и позволило сделать дистанционный контроль более точным, наземная топосъёмка все еще устанавливает базовые контрольные точки для съёмочных работ, будь это материалы для учебников или систем обработки географической информации.
В местах, где проводились интенсивные наземные съёмки и картографические работы (большая часть Европы и континентальной Америки, например), собранная информация формирует основу для базовых цифровых данных местности, таких как Цифровые Модели Рельефа (ЦМР) Геологической службы США. Эти данные нуждаются в постоянном контроле, чтобы выявить любые неточности топосъёмок, но все же являются необходимой информацией при анализе масштабов широкого плана.
Первые топосъёмки в Америке (или государственные съёмки в Англии), включали в себя не только воспроизведение рельефа, но и установление свойств архитектуры и растительного покрова местности.
Дистанционное зондирование Земли
Дистанционным зондированием Земли называют способ получения геоинформации на расстоянии от исследуемой области.
Аэрофотосъёмка и спутниковая топосъёмка
Помимо фотограмметрии, аэрофотосъёмку и спутниковую топосъёмку еще используют для идентификации и изображения рельефа местности, а также растительного покрова. Бесспорно, что эти методы топографии постепенно стали главной частью геовизуализации, будь это карта или ГИС системы. Псевдоцветные изображения, которые получают посредством регистрирования невидимого спектра излучений местности, помогают определить обман рельефа и более четко описывают свойства растительности или других свойств земельных угодий.
Фотограмметрия
Фотограмметрия – это технология, позволяющая определить координаты объекта в трёхмерном пространстве с помощью измерений, выполняемых по двум или более фотографиям, снятых из разных положений, обычно с разных точек аэрофотосъёмки. При этом на каждом изображении отыскиваются общие точки. Луч видимости (или световой луч) проводится от местоположения фотоаппарата до точки на объекте. Пересечение этих лучей и определяет расположение точки в трёхмерном пространстве. Известные пространственные координаты точек могут помочь сделать относительное положение этих точек абсолютным значением. Более сложные алгоритмы могут использовать другую, известную заранее, информацию об объекте: например, симметрию составляющих его элементов, в некоторых случаях позволяющую реконструировать пространственные координаты точек лишь по одному фотографическому изображению.
Радарная и эхолокационная топосъёмка
Радиолокационное картографирование считается одной с наиболее важных методов создания Цифровой Модели Рельефа (ЦМР). Похожие методы применяет батиметрическая топосъёмка, которая использует сонар для исследования рельефа морского дна. В последние годы, ЛИДАР (транслитерация от англ. Light Identification, Detection and Ranging), метод дистанционного зондирования с помощью лазера вместо радиоволн, стал часто использоваться для потребностей комплексного картографирования, например исследований растительного покрова или ледников.
Типы данных топографических материалов
Обычно макет местности составляют с помощью векторных математических моделей (триангуляционные сетки, TIN), или математических моделей с координатной сеткой (растровые изображения). В области применения наук об окружающей среде, земную поверхность представляют в качестве сеточной модели. В проектированиях жилищного строительства или развлекательного бизнеса, большую часть изображений поверхности включают некоторые варианты моделирования с помощью триангуляционных сеток. В геостатистике, модель земной поверхности составляется как соотношение сигнал/шум.
На практике, топографы сначала замеряют высоты местности, далее используют эти данные, чтобы построить Цифровую Модель Рельефа. Затем ЦМР можно использовать для визуализации ландшафта, набросить изображения дистанционного зондирования, определить экологические свойства или выделить ландшафтные объекты. Нужно запомнить, что контурная информация или любая отобранная информация о высотах рельефа не являются ЦМР. ЦМР делает возможным наблюдать за высотами постоянно в любом положении исследованной местности, то есть карта изображает поверхность в целом. Цифровые Модели Рельефа нельзя путать с Цифровыми Моделями Поверхности, которые могут исследовать поверхность растительного покрова, зданий или других объектов. Например, в случае построения моделей поверхности с помощью метода ЛИДАР, можно получить несколько изображений поверхности, начиная от вершин растительного покрова и заканчивая твердой средой. Различия между двумя моделями поверхностей затем можно использовать, чтобы получить объемные параметры (например, высоту деревьев и т.д.).
Первоначальные данные топосъёмки
Информация, предоставлена топосъёмкой, исторически основана на заметках топографов. Они могут заимствовать названия или культурную информацию с местных источников (например, термин “делимитация границы” мог быть позаимствован с местного кадастрового плана). Хотя эти заметки представляют определенную историческую ценность, тем не менее, такие полевые данные, по существу, содержат ошибки и противоречия, которые потом становятся почвой для создания карты.
Данные дистанционного зондирования
Так же, как и в случае с полевыми данными, данные дистанционного зондирования (например, аэрофотосъёмка и спутниковая топосъёмка), являются непроверенными и неоправданными. Они могут иметь неточности (связанные с облачностью, например), или размытость (например, связанные с настройкой выдержки для захвата изображения). Процесс составления большинства современных топографических карт, включает большой объем данных по дистанционной топосъёмке.
Топосъёмка
В своем современном значении, топосъёмка изображает рельеф. В Соединенных Штатах, топографические карты Геологической службы США изображают рельеф с помощью изолиний. Карты без обозначения рельефа, и составлены с помощью топосъёмки, Геологическая служба США называет “планиметрическими картами”.
Эти карты изображают не только контуры, но и любые значимые реки или другие водные объекты, лесной покров, территории общих или частных зданий (зависит от масштаба), а также другие достопримечательности.
Хотя и неофициально названные “топографическими”, национальные съёмки других стран имеют много общего, поэтому такие карты часто называют “топографическими картами”.
Существующие топографические карты, представляя всеохватывающий энциклопедический материал, являются результатом объемной топографической работы. Например, составление Цифровых Моделей Рельефа осуществлялось не за счет новых данных дистанционного зондирования, а с помощью уже существующих бумажных топографических карт. Много государственных и приватных издательств пользуются оригинальными данными (особенно с контурными линиями) существующих карт, как основой для составления своих собственных специализированных или обновленных топографических карт.
Составление топографических карт не следует путать с геологическим картографированием. Геологическое картографирование скорее относится к глубинной структуре и процессам рельефа, чем к его легко определимым поверхностным свойствам.
Создание Цифровых Моделей Рельефа
Цифровая Модель Рельефа (ЦМР) – это растровое цифровое представление топосъёмки (гипсометрия и/или батиметрия) всей или какой-либо части Земли (или планеты земной группы). Каждый пиксель несет определенное значение рельефа местности, а главная доля полученных данных определяет графы покрытия местности, каждую точку под каждым пикселем, каждую вершину или нулевую точку. ЦМР можно построить с помощью существующих бумажных топографических карт, данных топосьёмки, а также с помощью данных нового спутника, дистанционно зондирующего радара, или эхолокатора.
Составление топологической модели
Географическая информационная система (ГИС) – умеет распознавать и анализировать пространственные отношения в системе цифровых пространственных данных. Такие топографические связи позволяют анализировать и создавать комплексные трёхмерные модели. Топологические отношения с геометрическими элементами обычно включают: смежность (что с чем граничит), удерживание (что находится в чем-то), и близость (насколько близко что-то к чему-то находится).
- Воссоздание местности в синтезированном изображении земли
- Определение траектории перелета над землей
- Вычисление плоскости или объема
- Установление топографических профилей
