Topografie - Topography

Topografická mapa s vrstevnicemi

Topografie je studium forem a vlastností povrchů pevnin . Topografie oblasti může odkazovat na samotné povrchové formy a rysy nebo popis (zejména jejich zobrazení v mapách).

Topografie je oblastí geověd a planetárních věd a zabývá se místními detaily obecně, a to nejen reliéfem , ale také přírodními a umělými prvky, a dokonce i místní historií a kulturou . Tento význam je méně obvyklý ve Spojených státech , kde topografické mapy s výškovými obrysy učinily topografii synonymem reliéfu .

Topografie v užším smyslu zahrnuje záznam reliéfu nebo terénu , trojrozměrnou kvalitu povrchu a identifikaci konkrétních reliéfů ; toto je také známé jako geomorfometrie . V moderním použití to zahrnuje generování výškových dat v digitální podobě ( DEM ). Často se uvažuje o zahrnutí grafického znázornění reliéfu na mapě pomocí různých technik zobrazování kartografického reliéfu , včetně vrstevnic , hypsometrických odstínů a stínování reliéfu .

Etymologie

Termín topografie vznikl ve starověkém Řecku a pokračoval ve starověkém Římě jako podrobný popis místa. Slovo pochází z řeckého τόπος ( topos , „místo“) a -γραφία ( -graphia , „psaní“). V klasické literatuře se to týká psaní o místě nebo místech, čemuž se dnes do značné míry říká „ místní historie “. V Británii a v Evropě obecně se slovo topografie stále někdy používá v původním smyslu.

Podrobné vojenské průzkumy v Británii (počínaje koncem osmnáctého století) se nazývaly Ordnance Surveys a tento termín byl do 20. století používán jako generikum pro topografické průzkumy a mapy. Nejstarší vědecké průzkumy ve Francii se nazývaly mapy Cassini podle rodiny, která je vyráběla po čtyři generace. Zdá se, že termín „topografické průzkumy“ má americký původ. Nejdříve podrobné průzkumy ve Spojených státech byly provedeny "Topografickým úřadem armády", vytvořeným během války v roce 1812 , který se stal Sborem topografických inženýrů v roce 1838. Poté, co práci národního mapování převzal americký geologický průzkum v roce 1878, termín topografický zůstal jako obecný termín pro podrobné průzkumy a mapovací programy a byl přijat většinou ostatních národů jako standard.

Ve 20. století se termín topografie začal používat k popisu povrchového popisu v jiných oblastech, kde se používá mapování v širším smyslu, zejména v lékařských oborech, jako je neurologie .

Cíle

Cílem topografie je určit polohu jakéhokoli prvku nebo obecněji jakéhokoli bodu z hlediska horizontálního souřadného systému, jako je zeměpisná šířka, zeměpisná délka a nadmořská výška . Součástí pole je také identifikace (pojmenování) rysů a rozpoznávání typických reliéfních vzorů.

Topografické studie mohou být vyrobeny z různých důvodů: vojenského plánování a geologický průzkum byly primární motivací ke spuštění programů průzkumů, ale podrobnější informace o terénu a povrch je k dispozici, je nezbytné pro plánování a výstavbu jakéhokoli důležitého inženýrských staveb , veřejně prospěšné práce , nebo rekultivační projekty.

Techniky

Ke studiu topografie existuje celá řada přístupů. Které metody použijete, závisí na rozsahu a velikosti zkoumané oblasti, její dostupnosti a kvalitě stávajících průzkumů.

Terénní průzkum

Zeměměřický bod v Německu

Geodézie pomáhá přesně určit pozemskou nebo trojrozměrnou vesmírnou polohu bodů a vzdálenosti a úhly mezi nimi pomocí nivelačních nástrojů, jako jsou teodolity , slepé úrovně a klinometry .

Práce na jedné z prvních topografických map zahájil ve Francii Giovanni Domenico Cassini , velký italský astronom.

Přestože vzdálené snímání výrazně urychlilo proces shromažďování informací a umožnilo větší kontrolu přesnosti na dlouhé vzdálenosti, přímý průzkum stále poskytuje základní kontrolní body a rámec pro všechny topografické práce, ať už manuální nebo založené na GIS .

V oblastech, kde proběhl rozsáhlý program přímého průzkumu a mapování (například většina Evropy a kontinentálních USA), kompilovaná data tvoří základ základních datových sad digitálních výšek, jako jsou data USGS DEM . Tato data je často nutné „vyčistit“, aby se odstranily nesrovnalosti mezi průzkumy, ale stále tvoří cenný soubor informací pro rozsáhlou analýzu.

Původní americké topografické průzkumy (nebo britské průzkumy „arzenálu“) zahrnovaly nejen zaznamenávání reliéfu, ale také identifikaci orientačních bodů a vegetativní krajinnou pokrývku.

Dálkový průzkum

Dálkový průzkum Země je obecný termín pro sběr geodat ve vzdálenosti od předmětné oblasti.

Metodiky pasivních senzorů

Kromě jejich role ve fotogrametrii lze k identifikaci a vymezení terénních prvků a obecnějších funkcí krajinného pokrytí použít letecké a satelitní snímky. Určitě se staly stále více součástí geovisualizace , ať už map nebo GIS systémů. Falešná a neviditelná spektrální zobrazení mohou také pomoci určit polohu země jasnějším vymezením vegetace a dalších informací o využití půdy. Obrázky mohou být ve viditelných barvách a v jiném spektru.

Fotogrametrie

Fotogrammetrie je měřicí technika, pro kterou jsou souřadnice bodů ve 3D objektu určeny měřením provedeným na dvou (nebo více) fotografických snímcích pořízených z různých pozic, obvykle z různých průchodů letu letecké fotografie. Při této technice jsou na každém obrázku identifikovány společné body. Přímou viditelnost (nebo paprsek ) lze vytvořit z místa kamery do bodu na objektu. Je to průsečík jeho paprsků ( triangulace ), který určuje relativní trojrozměrnou polohu bodu. Známé kontrolní body lze použít k tomu, aby tyto relativní polohy získaly absolutní hodnoty. Sofistikovanější algoritmy mohou využívat další informace o scéně známé a priori (například symetrie v určitých případech umožňující přestavět trojrozměrné souřadnice začínající z jediné polohy kamery).

Metodiky aktivních senzorů

Mapování satelitního radaru je jednou z hlavních technik generování digitálních výškových modelů (viz níže). Podobné techniky jsou aplikovány v batymetrických průzkumech pomocí sonaru k určení terénu dna oceánu. V posledních letech, LIDAR ( LI GHT D etection A nd R anging), vzdálený snímací technika, která používá laser namísto rádiové vlny, se stále více používají pro komplexní mapování potřeby, jako je mapovat markýzy a monitorování ledovce.

Formy topografických dat

Terén je běžně modelován buď pomocí vektorových ( trojúhelníková nepravidelná síť nebo TIN) nebo mřížkových ( rastrový obrázek ) matematických modelů. Ve většině aplikací v environmentálních vědách je povrch země reprezentován a modelován pomocí mřížkovaných modelů. V inženýrských a zábavních podnicích většina reprezentací povrchu země využívá nějakou variantu modelů TIN. V geostatistice je povrch země běžně modelován jako kombinace dvou signálů - hladkého (prostorově korelovaného) a hrubého (šumového) signálu.

V praxi geodeti nejprve vzorkují výšky v oblasti a poté je použijí k vytvoření digitálního modelu zemského povrchu ve formě DIČ . DLSM pak lze použít k vizualizaci terénu, vytváření snímků dálkového průzkumu, kvantifikaci ekologických vlastností povrchu nebo extrahování pozemních povrchových objektů. Všimněte si, že data obrysu nebo jakékoli jiné vzorkované datové sady výšek nejsou DLSM. DLSM znamená, že nadmořská výška je k dispozici nepřetržitě na každém místě ve studované oblasti, tj. Že mapa představuje kompletní povrch. Digitální modely povrchových povrchů by neměly být zaměňovány s digitálními povrchovými modely, kterými mohou být povrchy vrchlíku, budovy a podobné objekty. Například v případě povrchových modelů vyráběných pomocí technologie lidar může mít člověk několik povrchů - od horní části vrchlíku po skutečnou pevnou zem. Rozdíl mezi těmito dvěma povrchovými modely lze poté použít k odvození objemových měr (výška stromů atd.).

Surová data z průzkumu

Informace topografického průzkumu jsou historicky založeny na poznámkách geodetů. Mohou odvozovat pojmenování a kulturní informace z jiných místních zdrojů (například vymezení hranic může být odvozeno z místního katastrálního mapování). I když jsou historicky zajímavé, tyto terénní poznámky neodmyslitelně obsahují chyby a rozpory, které vyřeší pozdější fáze výroby map.

Data dálkového průzkumu

Stejně jako u terénních poznámek jsou data dálkového průzkumu (například letecké a satelitní fotografie) nezpracovaná a neinterpretovaná. Může obsahovat díry (například kvůli oblačnosti) nebo nesrovnalosti (kvůli načasování konkrétních snímků). Většina moderních topografických map zahrnuje v procesu kompilace velkou část vzdáleně snímaných dat.

Topografické mapování

Mapa Evropy pomocí výškového modelování

Ve své současné definici topografické mapování ukazuje úlevu. Ve Spojených státech ukazují USGS topografické mapy reliéf pomocí vrstevnic . USGS nazývá mapy založené na topografických průzkumech, ale bez vrstevnic, „planimetrické mapy“.

Tyto mapy ukazují nejen obrysy, ale také jakékoli významné vodní toky nebo jiné vodní plochy, lesní porosty , zastavěné oblasti nebo jednotlivé budovy (v závislosti na měřítku) a další rysy a zajímavosti.

Ačkoli to nejsou oficiálně „topografické“ mapy, národní průzkumy jiných národů sdílejí mnoho stejných vlastností, a proto se jim často říká „topografické mapy“.

Stávající mapy topografického průzkumu jsou díky svému komplexnímu a encyklopedickému pokrytí základem pro mnoho odvozených topografických prací. Například digitální výškové modely často nebyly vytvořeny z nových dat dálkového průzkumu, ale ze stávajících papírových topografických map. Mnoho vládních a soukromých vydavatelů používá umělecká díla (zejména vrstevnice) ze stávajících topografických mapových listů jako základ pro své vlastní specializované nebo aktualizované topografické mapy.

Topografické mapování by nemělo být zaměňováno s geologickým mapováním . Ten se týká spíše podkladových struktur a procesů na povrchu, než identifikovatelných povrchových znaků.

Digitální výškové modelování

3D vykreslování DEM použitého pro topografii Marsu

Digitální model převýšení (DEM) je rastr na bázi digitální datové sady topografie ( hypsometrie a / nebo batymetrie ) všech nebo části Země (nebo telurickém planetě ). Tyto pixely z datového souboru jsou každá přiřazena hodnotu elevace, a záhlaví část datové sady definuje oblast pokrytí, jednotky každý pixel kryty, a jednotky výšky (a nulového bodu). DEM mohou být odvozeny ze stávajících papírových map a průzkumných dat, nebo mohou být generovány z nových satelitních nebo jiných dálkově snímaných radarových nebo sonarových dat.

Topologické modelování

STL 3D model Země bez kapalné vody s 20 × nadsázkou nadmořské výšky

Geografický informační systém (GIS), může rozpoznat a analyzovat prostorové vztahy, které existují v digitálně uložených prostorových dat. Tyto topologické vztahy umožňují provádět komplexní prostorové modelování a analýzy. Topologické vztahy mezi geometrickými entitami tradičně zahrnují sousedství (co co sousedí s čím), zadržování (co co uzavírá) a blízkost (jak blízko je něco něčemu jinému).

  • rekonstituovat pohled na syntetizované obrazy země,
  • určit trajektorii přeletu země,
  • vypočítat povrchy nebo objemy,
  • sledovat topografické profily,

Topografie v jiných oborech

Topografie byla použita v různých vědních oborech. V neurologii se neuroimaging disciplína používá techniky, jako je EEG topografie pro mapování mozku . V oftalmologii se topografie rohovky používá jako technika mapování povrchového zakřivení rohovky . V tkáňovém inženýrství , mikroskopie atomárních sil se používá k mapování nanotopography .

V lidské anatomii je topografie povrchní lidská anatomie .

V matematice je koncept topografie používán k označení vzorců nebo obecné organizace prvků na mapě nebo jako termín odkazující na vzor, ​​ve kterém jsou proměnné (nebo jejich hodnoty) distribuovány v prostoru.

Topografové

Topografové jsou odborníky na topografii.

Viz také

Reference