Topographie - Topography

Eine topografische Karte mit Höhenlinien
Dieses Falschfarben- Satellitenbild zeigt die Topographie des urbanen Kerns der Metropolregion New York mit Manhattan im Zentrum.

Topographie ist das Studium der Formen und Merkmale von Landoberflächen . Die Topographie eines Gebiets kann sich auf die Oberflächenformen und -merkmale selbst oder eine Beschreibung (insbesondere deren Darstellung in Karten) beziehen .

Topographie ist ein Gebiet der Geo- und Planetenwissenschaften und beschäftigt sich mit lokalen Details im Allgemeinen, einschließlich nicht nur Reliefs , sondern auch natürlicher und künstlicher Merkmale und sogar lokaler Geschichte und Kultur . Diese Bedeutung ist weniger häufig in den Vereinigten Staaten , wo topographische Karten mit Höhenkonturen gemacht haben Topographie mit auch Erleichterung .

Topographie im engeren Sinne umfasst die Aufnahme von Reliefs oder Gelände , die dreidimensionale Beschaffenheit der Oberfläche und die Identifizierung spezifischer Landschaftsformen ; Dies wird auch als Geomorphometrie bezeichnet . In der modernen Nutzung werden dabei Höhendaten in digitaler Form ( DEM ) erzeugt. Es wird oft angenommen, dass es die grafische Darstellung der Landschaftsform auf einer Karte durch eine Vielzahl von kartografischen Reliefdarstellungstechniken umfasst , einschließlich Höhenlinien , hypsometrischer Farbton und Reliefschattierung .

Etymologie

Der Begriff Topographie stammt aus dem antiken Griechenland und wurde im antiken Rom als detaillierte Beschreibung eines Ortes fortgeführt . Das Wort kommt aus dem Griechischen τόπος ( topos , „Ort“) und -γραφία ( -graphia , „Schrift“). In der klassischen Literatur bezieht sich dies auf das Schreiben über einen oder mehrere Orte, was heute weitgehend als „ Lokalgeschichte “ bezeichnet wird. In Großbritannien und in Europa im Allgemeinen wird das Wort Topographie manchmal noch in seiner ursprünglichen Bedeutung verwendet.

Detaillierte militärische Vermessungen in Großbritannien (beginnend im späten 18. Jahrhundert) wurden Ordnance Surveys genannt , und dieser Begriff wurde bis ins 20. Jahrhundert als Oberbegriff für topografische Vermessungen und Karten verwendet. Die frühesten wissenschaftlichen Erhebungen in Frankreich wurden nach der Familie, die sie über vier Generationen produzierte, Cassini-Karten genannt . Der Begriff "topographische Vermessungen" scheint amerikanischen Ursprungs zu sein. Die frühesten detaillierten Vermessungen in den Vereinigten Staaten wurden vom "Topographical Bureau of the Army" durchgeführt, das während des Krieges von 1812 gebildet wurde und das 1838 zum Corps of Topographical Engineers wurde. Nachdem die Arbeit der nationalen Kartierung vom US Geological Survey übernommen wurde 1878 blieb der Begriff topographisch ein allgemeiner Begriff für detaillierte Vermessungen und Kartierungsprogramme und wurde von den meisten anderen Nationen als Standard übernommen.

Im 20. Jahrhundert wurde der Begriff Topographie verwendet, um Oberflächenbeschreibungen in anderen Bereichen zu beschreiben, in denen Kartierung im weiteren Sinne verwendet wird, insbesondere in medizinischen Bereichen wie der Neurologie .

Ziele

Ein Ziel der Topographie besteht darin, die Position eines beliebigen Merkmals oder allgemeiner eines jeden Punktes in Bezug auf ein horizontales Koordinatensystem wie Breitengrad, Längengrad und Höhe zu bestimmen . Auch das Identifizieren (Benennen) von Merkmalen und das Erkennen typischer Landschaftsformmuster sind Teil des Feldes.

Eine topografische Studie kann aus verschiedenen Gründen durchgeführt werden: Militärische Planung und geologische Exploration waren die Hauptgründe für den Start von Vermessungsprogrammen, aber detaillierte Informationen über Gelände- und Oberflächenmerkmale sind für die Planung und den Bau größerer Tiefbauarbeiten , öffentlicher Arbeiten , oder Sanierungsprojekte.

Techniken

Es gibt verschiedene Ansätze, Topographie zu studieren. Welche Methode(n) anzuwenden ist/sind, hängt vom Umfang und der Größe des Untersuchungsgebiets, seiner Zugänglichkeit und der Qualität der bestehenden Erhebungen ab.

Feldstudie

Ein Vermessungspunkt in Deutschland

Vermessung hilft festzustellen , genau die terrestrische oder dreidimensionale Raum Lage der Punkte und die Abstände und Winkel zwischen ihnen mit Nivelliergeräten wie Theodoliten , pummelig Ebene und Klinometer .

Die Arbeit an einer der ersten topographischen Karten wurde in Frankreich von Giovanni Domenico Cassini , dem großen italienischen Astronomen, begonnen.

Auch wenn die Fernerkundung den Prozess der Informationssammlung erheblich beschleunigt und eine genauere Kontrolle über große Entfernungen ermöglicht hat, bietet die direkte Vermessung immer noch die grundlegenden Kontrollpunkte und den Rahmen für alle topografischen Arbeiten, ob manuell oder GIS- basiert.

In Gebieten, in denen ein umfangreiches Direktvermessungs- und Kartierungsprogramm durchgeführt wurde (zum Beispiel in den meisten europäischen Ländern und den kontinentalen USA), bilden die zusammengestellten Daten die Grundlage für grundlegende digitale Höhendatensätze wie USGS DEM- Daten. Diese Daten müssen oft "bereinigt" werden, um Diskrepanzen zwischen den Erhebungen zu beseitigen, bilden aber dennoch wertvolle Informationen für umfangreiche Analysen.

Die ursprünglichen amerikanischen topographischen Vermessungen (oder die britischen "Ordnance"-Vermessungen) beinhalteten nicht nur die Aufzeichnung des Reliefs, sondern auch die Identifizierung von Landmarkmerkmalen und der vegetativen Landbedeckung.

Fernerkundung

Fernerkundung ist ein allgemeiner Begriff für die Erfassung von Geodaten aus der Entfernung zum Untersuchungsgebiet.

Passive Sensormethoden

Neben ihrer Rolle in der Photogrammetrie können Luft- und Satellitenbilder verwendet werden, um Geländemerkmale und allgemeinere Landbedeckungsmerkmale zu identifizieren und abzugrenzen. Sicherlich sind sie immer mehr Teil der Geovisualisierung geworden , seien es Karten oder GIS- Systeme. Falschfarben- und nicht sichtbare Spektrenabbildungen können auch helfen, die Lage des Landes zu bestimmen, indem sie Vegetation und andere Landnutzungsinformationen klarer abgrenzen. Bilder können in sichtbaren Farben und in anderen Spektren vorliegen.

Photogrammetrie

Photogrammetrie ist eine Messtechnik, bei der die Koordinaten der Punkte in 3D eines Objekts durch die Messungen in zwei fotografischen Bildern (oder mehr) bestimmt werden, die von verschiedenen Positionen aus aufgenommen wurden, normalerweise von verschiedenen Durchgängen eines Luftbildfluges. Bei dieser Technik werden die gemeinsamen Punkte auf jedem Bild identifiziert. Eine Sichtlinie (oder Strahl ) kann von der Kameraposition zum Punkt auf dem Objekt erstellt werden. Es ist der Schnittpunkt seiner Strahlen ( Triangulation ), der die relative dreidimensionale Lage des Punktes bestimmt. Bekannte Kontrollpunkte können verwendet werden, um diesen relativen Positionen absolute Werte zu geben. Ausgefeiltere Algorithmen können andere a priori bekannte Informationen über die Szene ausnutzen (zum Beispiel Symmetrien in bestimmten Fällen, die die Wiederherstellung dreidimensionaler Koordinaten ausgehend von einer einzigen Position der Kamera ermöglichen).

Aktive Sensormethoden

Satelliten- RADAR- Mapping ist eine der wichtigsten Techniken zur Generierung digitaler Höhenmodelle (siehe unten). Ähnliche Techniken werden bei bathymetrischen Vermessungen mit Sonar angewendet , um das Terrain des Meeresbodens zu bestimmen. In den letzten Jahren LIDAR ( LI ght D etection A nd R anging), eine Fernerkundung Technik , die ein Laser-Anwendungen anstelle von Radiowellen wurde für komplexe Mapping Bedürfnisse wie Charting Überdachungen und Überwachung Gletscher zunehmend eingesetzt.

Formen topografischer Daten

Gelände wird im Allgemeinen entweder mit Vektormodellen ( trianguliertes unregelmäßiges Netzwerk oder TIN) oder gerasterten ( Rasterbild ) mathematischen Modellen modelliert. Bei den meisten Anwendungen in den Umweltwissenschaften wird die Landoberfläche mit Gittermodellen dargestellt und modelliert. In Tiefbau- und Unterhaltungsunternehmen verwenden die meisten Darstellungen der Landoberfläche eine Variante von TIN-Modellen. In der Geostatistik wird die Landoberfläche im Allgemeinen als Kombination der beiden Signale modelliert – dem glatten (räumlich korrelierten) und dem rauen (Rauschen) Signal.

In der Praxis erfassen Vermessungsingenieure zunächst Höhen in einem Gebiet und verwenden diese dann, um ein digitales Landoberflächenmodell in Form einer TIN zu erstellen . Das DLSM kann dann verwendet werden, um Gelände zu visualisieren, Fernerkundungsbilder zu drapieren, ökologische Eigenschaften einer Oberfläche zu quantifizieren oder Landoberflächenobjekte zu extrahieren. Beachten Sie, dass die Höhenliniendaten oder andere erfasste Höhen-Datasets keine DLSM sind. Ein DLSM impliziert, dass an jedem Ort im Untersuchungsgebiet ständig Höhen verfügbar sind, dh dass die Karte eine vollständige Oberfläche darstellt. Digitale Landoberflächenmodelle sollten nicht mit digitalen Oberflächenmodellen verwechselt werden, bei denen es sich um Oberflächen von Baumkronen, Gebäuden und ähnlichen Objekten handeln kann. Bei Oberflächenmodellen, die mit der Lidar-Technologie hergestellt werden, kann man beispielsweise mehrere Oberflächen haben – angefangen von der Spitze des Kronendachs bis hin zur eigentlichen festen Erde. Aus der Differenz der beiden Oberflächenmodelle können dann volumetrische Maße (Höhe der Bäume etc.) abgeleitet werden.

Rohdaten der Umfrage

Topografische Vermessungsinformationen basieren historisch auf den Aufzeichnungen von Vermessungsingenieuren. Sie können Benennungs- und Kulturinformationen aus anderen lokalen Quellen ableiten (z. B. kann die Grenzziehung aus der lokalen Katasterkartierung abgeleitet werden). Obwohl diese Feldnotizen von historischem Interesse sind, enthalten sie von Natur aus Fehler und Widersprüche, die in späteren Stadien der Kartenerstellung behoben werden.

Fernerkundungsdaten

Wie bei Feldnotizen sind Fernerkundungsdaten (z. B. Luft- und Satellitenfotografie) roh und uninterpretiert. Es kann Löcher (zum Beispiel aufgrund von Wolkenbedeckung) oder Inkonsistenzen (aufgrund des Timings bestimmter Bildaufnahmen) enthalten. Die meisten modernen topografischen Kartierungen beinhalten eine große Komponente von Fernerkundungsdaten in ihrem Zusammenstellungsprozess.

Topografische Kartierung

Eine Karte von Europa mit Höhenmodellierung

In ihrer heutigen Definition zeigt die topografische Kartierung Relief. In den Vereinigten Staaten zeigen topografische Karten des USGS das Relief mithilfe von Höhenlinien . Die USGS nennt Karten, die auf topographischen Vermessungen basieren, jedoch ohne Konturen, "planimetrische Karten".

Diese Karten zeigen nicht nur die Höhenlinien, sondern auch signifikante Bäche oder andere Gewässer, Waldbedeckungen , bebaute Gebiete oder einzelne Gebäude (je nach Maßstab) und andere Merkmale und Sehenswürdigkeiten.

Obwohl es sich nicht um offiziell "topografische" Karten handelt, weisen die nationalen Vermessungen anderer Nationen viele der gleichen Merkmale auf und werden daher oft als "topografische Karten" bezeichnet.

Vorhandene topografische Vermessungskarten bilden aufgrund ihrer umfassenden und enzyklopädischen Abdeckung die Grundlage für viele abgeleitete topografische Arbeiten. Digitale Höhenmodelle zum Beispiel wurden oft nicht aus neuen Fernerkundungsdaten, sondern aus bestehenden topografischen Papierkarten erstellt. Viele staatliche und private Verlage verwenden die Grafiken (insbesondere die Höhenlinien) aus bestehenden topografischen Kartenblättern als Grundlage für ihre eigenen spezialisierten oder aktualisierten topografischen Karten.

Topographische Kartierungen sollten nicht mit geologischen Kartierungen verwechselt werden . Letzteres befasst sich eher mit darunterliegenden Strukturen und Prozessen an der Oberfläche als mit identifizierbaren Oberflächenmerkmalen.

Digitale Höhenmodellierung

3D-Rendering eines DEM für die Topographie des Mars

Das digitale Höhenmodell (DEM) ist ein Raster - basierten digitalen Datensatz der Topographie ( Hypsometrie und / oder bathymetry ) aller oder eines Teils der Erde (oder einer telluric Planeten ). Den Pixeln des Datasets wird jeweils ein Höhenwert zugewiesen, und ein Header-Abschnitt des Datasets definiert den Abdeckungsbereich, die Einheiten, die jedes Pixel abdeckt, und die Höheneinheiten (und den Nullpunkt). DEMs können aus bestehenden Papierkarten und Vermessungsdaten abgeleitet oder aus neuen Satelliten- oder anderen fernerfassten Radar- oder Sonardaten erzeugt werden.

Topologische Modellierung

STL-3D-Modell der Erde ohne flüssiges Wasser mit 20-facher Höhenüberhöhung

Ein Geoinformationssystem (GIS) kann die räumlichen Zusammenhänge, die in digital gespeicherten Geodaten bestehen, erkennen und analysieren. Diese topologischen Beziehungen ermöglichen die Durchführung komplexer räumlicher Modellierungen und Analysen. Topologische Beziehungen zwischen geometrischen Einheiten umfassen traditionell Nachbarschaft (was an was angrenzt), Einschließung (was umschließt was) und Nähe (wie nah etwas an etwas anderem ist).

  • einen Anblick in synthetisierten Bildern des Bodens rekonstruieren,
  • eine Flugbahn des Überflugs des Bodens bestimmen,
  • Flächen oder Volumina berechnen,
  • topografische Profile verfolgen,

Topographie in anderen Bereichen

Topographie wurde auf verschiedene Wissenschaftsbereiche angewendet. In den Neurowissenschaften verwendet die Neuroimaging- Disziplin Techniken wie die EEG-Topographie für das Gehirn-Mapping . In der Augenheilkunde wird die Hornhauttopographie als Technik zur Kartierung der Oberflächenkrümmung der Hornhaut verwendet . Beim Tissue Engineering wird die Rasterkraftmikroskopie verwendet, um die Nanotopographie abzubilden .

In der menschlichen Anatomie ist Topographie die oberflächliche menschliche Anatomie .

In der Mathematik wird das Konzept der Topographie verwendet, um die Muster oder die allgemeine Organisation von Merkmalen auf einer Karte anzuzeigen oder als Begriff, der sich auf das Muster bezieht, in dem Variablen (oder ihre Werte) in einem Raum verteilt sind.

Topographen

Topographen sind Experten für Topographie.

Siehe auch

Verweise