Topographie

Die Topographie ist die Lehre von den Formen und Merkmalen der Landoberfläche . Die Topographie eines Gebiets kann sich auf die Landformen und Merkmale selbst beziehen oder auf eine Beschreibung oder Darstellung in Karten.

Die Topographie ist ein Teilgebiet der Geowissenschaften und Planetenforschung und befasst sich allgemein mit lokalen Details, einschließlich des Reliefs , aber auch natürlicher , künstlicher und kultureller Merkmale wie Straßen, Grundstücksgrenzen und Gebäude. ^{[ 1 ]} In den Vereinigten Staaten wird unter Topographie oft spezifisch das Relief verstanden, obwohl die topographischen Karten des USGS nicht nur Höhenlinien , sondern auch Straßen, Siedlungen, Bauwerke, Grundstücksgrenzen usw. erfassen . ^{[ 2 ]}

Topografie im engeren Sinne umfasst die Erfassung von Relief oder Geländebeschaffenheit , die dreidimensionale Beschaffenheit der Oberfläche und die Identifizierung spezifischer Landformen ; dies wird auch als Geomorphometrie bezeichnet . Im modernen Sprachgebrauch beinhaltet dies die Erstellung digitaler Höhendaten ( DEM ). Oft wird auch die grafische Darstellung der Landform auf einer Karte mithilfe verschiedener kartografischer Reliefdarstellungstechniken , wie Höhenlinien , hypsometrische Farbgebung und Reliefschattierung , als Teil der Topografie betrachtet .

Der Begriff Topographie hat seinen Ursprung im antiken Griechenland und wurde im antiken Rom als detaillierte Beschreibung eines Ortes weitergeführt. Das Wort stammt aus dem Griechischen τόπος ( topos , „Ort“) und -γραφία ( -graphia , „Schrift“). ^{[ 3 ]} In der klassischen Literatur bezeichnet er das Schreiben über einen oder mehrere Orte, was heute allgemein als „ Lokalgeschichte “ bezeichnet wird. In Großbritannien und Europa allgemein wird der Begriff Topographie teilweise noch in seiner ursprünglichen Bedeutung verwendet. ^{[ 4 ]}

Detaillierte militärische Vermessungen in Großbritannien (beginnend im späten 18. Jahrhundert) wurden als Ordnance Surveys bezeichnet , und dieser Begriff wurde bis ins 20. Jahrhundert als Oberbegriff für topografische Vermessungen und Karten verwendet. ^{[ 5 ]} Die frühesten wissenschaftlichen Vermessungen in Frankreich waren die Cassini-Karten, benannt nach der Familie, die sie über vier Generationen hinweg erstellte. ^{[ 6 ]} Der Begriff „topografische Vermessungen“ scheint amerikanischen Ursprungs zu sein. Die ersten detaillierten Vermessungen in den Vereinigten Staaten wurden vom „Topographical Bureau of the Army“ durchgeführt, das während des Krieges von 1812 gegründet wurde [ ^{7 ]} und 1838 zum Corps of Topographical Engineers wurde. ^{[ 8 ]} Nachdem die nationale Kartierung 1878 vom United States Geological Survey übernommen wurde, blieb der Begriff „topografisch ^“ als Oberbegriff für detaillierte Vermessungen und Kartierungsprogramme bestehen und wurde von den meisten anderen Nationen als Standard übernommen.

Im 20. Jahrhundert begann man, den Begriff Topographie auch zur Beschreibung von Oberflächen in anderen Bereichen zu verwenden, in denen Kartierung in einem weiteren Sinne gebraucht wird, insbesondere in medizinischen Bereichen wie der Neurologie .

Eine Aufgabe der Topographie ist die Bestimmung der Lage von Objekten oder allgemein von Punkten mithilfe eines horizontalen Koordinatensystems wie Breitengrad, Längengrad und Höhe . Auch die Identifizierung (Benennung) von Objekten und das Erkennen typischer Landformmuster gehören zu diesem Fachgebiet.

Eine topografische Studie kann aus verschiedenen Gründen durchgeführt werden: Militärische Planung und geologische Erkundung waren die Hauptmotivatoren für den Beginn von Vermessungsprogrammen, aber detaillierte Informationen über Gelände und Oberflächenmerkmale sind für die Planung und den Bau von größeren Tiefbau- , öffentlichen Bau- oder Landgewinnungsprojekten unerlässlich .

Es gibt verschiedene Ansätze zur Untersuchung der Topographie. Welche Methode(n) angewendet werden, hängt von der Größe und dem Umfang des Untersuchungsgebiets, seiner Zugänglichkeit und der Qualität vorhandener Vermessungen ab.

Die Vermessung hilft dabei, die Position von Punkten im terrestrischen oder dreidimensionalen Raum sowie die Entfernungen und Winkel zwischen ihnen mithilfe von Nivellierinstrumenten wie Theodoliten , Nivelliergeräten und Klinometern genau zu bestimmen .

GPS und andere globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) werden ebenfalls verwendet.

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

Auch wenn die Fernerkundung den Prozess der Informationsgewinnung erheblich beschleunigt und eine höhere Genauigkeitskontrolle über große Entfernungen ermöglicht hat, liefert die direkte Vermessung nach wie vor die grundlegenden Kontrollpunkte und das Gerüst für alle topografischen Arbeiten, ob manuell oder GIS- gestützt.

In Gebieten mit umfangreichen Vermessungs- und Kartierungsprogrammen (beispielsweise in weiten Teilen Europas und den kontinentalen USA) bilden die gesammelten Daten die Grundlage für digitale Höhendatensätze wie die USGS-DEM- Daten. Diese Daten müssen häufig bereinigt werden, um Diskrepanzen zwischen verschiedenen Vermessungen zu beseitigen, stellen aber dennoch einen wertvollen Datensatz für großflächige Analysen dar.

Die ursprünglichen amerikanischen topographischen Vermessungen (oder die britischen „Ordnance“-Vermessungen) umfassten nicht nur die Erfassung des Reliefs, sondern auch die Identifizierung von Landmarken und der Vegetationsdecke.

Fernerkundung ist ein Oberbegriff für die Erfassung von Geodaten aus einer gewissen Entfernung vom Untersuchungsgebiet.

Topografische Vermessungen mit Laserscannern, allgemein bekannt als LiDAR ( Light Detection and Ranging ), sind eine Methode zur Erfassung hochauflösender Geodaten von Landschaften, Bauwerken und Gelände mit einer vertikalen Genauigkeit von 10 Zentimetern. Diese Vermessungen nutzen einen Laserscanner, der Millionen von Laserimpulsen pro Sekunde aussendet. Die Laufzeit dieser Impulse beim Reflektieren oder Zurückprallen vom Boden wird gemessen, wodurch eine detaillierte Punktwolke entsteht, die die gescannte Umgebung repräsentiert. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Zu den Produkten von LiDAR gehören digitale Höhenmodelle (DEMs), die die topografische Oberfläche des unbewachsenen Erdreichs (ohne Vegetation, Gebäude und andere Oberflächenobjekte) darstellen. ^{[ 11 ]}

Neben ihrer Rolle in der Photogrammetrie können Luft- und Satellitenbilder zur Identifizierung und Abgrenzung von Geländemerkmalen und allgemeinen Landnutzungsstrukturen genutzt werden. Sie sind zunehmend Bestandteil der Geovisualisierung geworden , sei es in Form von Karten oder GIS- Systemen. Falschfarben- und nicht-sichtbare Spektralbilder tragen ebenfalls zur Bestimmung der Geländebeschaffenheit bei, indem sie Vegetation und andere Landnutzungsinformationen deutlicher darstellen. Die Bilder können im sichtbaren Farbspektrum und in anderen Spektralbereichen vorliegen.

Photogrammetrie ist ein Messverfahren, bei dem die 3D -Koordinaten von Punkten eines Objekts anhand von Messungen in zwei oder mehr fotografischen Bildern bestimmt werden, die aus verschiedenen Positionen, üblicherweise aus verschiedenen Überflügen eines Luftbildes, aufgenommen wurden. Dabei werden die gemeinsamen Punkte auf jedem Bild identifiziert. Von der Kameraposition aus kann eine Sichtlinie (oder ein Strahl ) zum Punkt auf dem Objekt konstruiert werden. Der Schnittpunkt dieser Strahlen ( Triangulation ) bestimmt die relative dreidimensionale Position des Punktes. Bekannte Kontrollpunkte können verwendet werden, um diesen relativen Positionen absolute Werte zuzuweisen. Komplexere Algorithmen können weitere, a priori bekannte Informationen über die Szene nutzen (beispielsweise Symmetrien, die es in bestimmten Fällen ermöglichen, die dreidimensionalen Koordinaten allein von einer Kameraposition aus zu rekonstruieren).

Die Satellitenradar - Kartierung ist eine der wichtigsten Techniken zur Erstellung digitaler Höhenmodelle (siehe unten). Ähnliche Verfahren werden bei bathymetrischen Vermessungen mit Sonar zur Bestimmung der Meeresbodenbeschaffenheit eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich Lidar, eine Fernerkundungstechnik, die Laser anstelle von Radiowellen nutzt, zunehmend für komplexe Kartierungsaufgaben wie die Erfassung von Vegetationsbeständen und die Überwachung von Gletschern etabliert.

Geländemodelle werden üblicherweise entweder mithilfe von Vektormodellen ( triangulierte unregelmäßige Netze oder TIN) oder Rastermodellen ( Rasterbilder ) erstellt. In den meisten Anwendungen der Umweltwissenschaften wird die Landoberfläche mithilfe von Rastermodellen dargestellt und modelliert. Im Bauwesen und in der Unterhaltungsbranche werden zur Darstellung der Landoberfläche meist Varianten von TIN-Modellen verwendet. In der Geostatistik wird die Landoberfläche üblicherweise als Kombination zweier Signale modelliert: des glatten (räumlich korrelierten) und des rauen (Rausch-)Signals.

In der Praxis erfassen Vermesser zunächst Höhen in einem Gebiet und erstellen daraus ein digitales Landoberflächenmodell (DLSM) in Form eines TIN . Das DLSM kann anschließend zur Visualisierung von Gelände, zur Überlagerung von Fernerkundungsbildern, zur Quantifizierung ökologischer Oberflächeneigenschaften oder zur Extraktion von Oberflächenobjekten verwendet werden. Konturdaten oder andere erfasste Höhendatensätze stellen kein DLSM dar. Ein DLSM impliziert, dass die Höhe an jedem Punkt im Untersuchungsgebiet kontinuierlich verfügbar ist, d. h., dass die Karte eine vollständige Oberfläche repräsentiert. Digitale Landoberflächenmodelle sind nicht mit digitalen Oberflächenmodellen (DOM) zu verwechseln, die Oberflächen von Baumkronen, Gebäuden und ähnlichen Objekten darstellen können. Beispielsweise können bei Oberflächenmodellen, die mit LiDAR-Technologie erstellt werden, mehrere Oberflächen vorliegen – von der Baumkrone bis zum festen Erdreich. Die Differenz zwischen den beiden Oberflächenmodellen kann dann zur Ableitung von Volumenmessungen (z. B. Baumhöhe) genutzt werden.

Topografische Vermessungsdaten basieren historisch gesehen auf den Aufzeichnungen von Vermessern. Diese können Namensgebungen und kulturelle Informationen aus anderen lokalen Quellen entnehmen (beispielsweise können Grenzziehungen aus lokalen Katasterkarten abgeleitet werden ). Obwohl diese Feldaufzeichnungen von historischem Interesse sind, enthalten sie naturgemäß Fehler und Widersprüche, die in späteren Phasen der Kartenerstellung korrigiert werden.

Wie Feldnotizen sind auch Fernerkundungsdaten (z. B. Luft- und Satellitenbilder) roh und uninterpretiert. Sie können Lücken (z. B. durch Wolkenbedeckung) oder Inkonsistenzen (aufgrund des Aufnahmezeitpunkts einzelner Bilder) aufweisen. Die meisten modernen topografischen Kartierungen beziehen Fernerkundungsdaten in großem Umfang in ihren Erstellungsprozess ein.

Topografische Karten zeigen nach heutiger Definition das Relief. In den Vereinigten Staaten stellen topografische Karten des USGS das Relief mithilfe von Höhenlinien dar . Karten, die auf topografischen Vermessungen basieren, aber keine Höhenlinien enthalten, werden vom USGS als „planimetrische Karten“ bezeichnet.

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

Obwohl sie offiziell keine „topografischen“ Karten sind, weisen die nationalen Vermessungen anderer Nationen viele ähnliche Merkmale auf und werden daher oft als „topografische Karten“ bezeichnet.

Vorhandene topografische Karten bilden aufgrund ihrer umfassenden und enzyklopädischen Abdeckung die Grundlage für viele abgeleitete topografische Arbeiten. Digitale Höhenmodelle wurden beispielsweise häufig nicht aus neuen Fernerkundungsdaten, sondern aus bestehenden topografischen Papierkarten erstellt. Viele staatliche und private Verlage verwenden die Grafiken (insbesondere die Höhenlinien) bestehender topografischer Kartenblätter als Grundlage für ihre eigenen spezialisierten oder aktualisierten topografischen Karten. ^{[ 12 ]}

Topografische Kartierung sollte nicht mit geologischer Kartierung verwechselt werden . Letztere befasst sich mit den unter der Oberfläche liegenden Strukturen und Prozessen und nicht mit identifizierbaren Oberflächenmerkmalen.

Das digitale Höhenmodell (DHM) ist ein rasterbasierter digitaler Datensatz der Topographie ( Hypsometrie und/oder Bathymetrie ) der gesamten Erde oder eines Teils davon (oder eines erdähnlichen Planeten ) . Jedem Pixel des Datensatzes ist ein Höhenwert zugewiesen. Im Header des Datensatzes werden das Abdeckungsgebiet, die von jedem Pixel abgedeckten Einheiten und die Höheneinheit (sowie der Nullpunkt) definiert. DHMs können aus vorhandenen Papierkarten und Vermessungsdaten abgeleitet oder aus neuen Satelliten- oder anderen Fernerkundungsdaten ( Radar oder Sonar ) generiert werden .

Ein Geographisches Informationssystem (GIS) kann die räumlichen Beziehungen in digital gespeicherten Geodaten erkennen und analysieren. Diese topologischen Beziehungen ermöglichen komplexe räumliche Modellierungen und Analysen. Zu den topologischen Beziehungen zwischen geometrischen Objekten gehören traditionell Adjazenz (was grenzt an was), Enthaltensein (was umschließt was) und Nähe (wie nah etwas an etwas anderem liegt).

• eine Ansicht in synthetischen Bildern des Bodens rekonstruieren,
• eine Flugbahn für den Überflug des Bodens bestimmen,
• Oberflächen oder Volumina berechnen,
• topografische Profile nachzeichnen,

Die Topografie findet in verschiedenen Wissenschaftsbereichen Anwendung. In den Neurowissenschaften nutzt die Neurobildgebung Techniken wie die EEG-Topografie zur Kartierung des Gehirns . In der Augenheilkunde dient die Hornhauttopografie der Kartierung der Oberflächenkrümmung der Hornhaut . Im Tissue Engineering wird die Rasterkraftmikroskopie zur Kartierung der Nanotopografie eingesetzt .

In der menschlichen Anatomie ist die Topographie die oberflächliche menschliche Anatomie .

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

Topografen sind Experten für Topografie. Sie untersuchen und beschreiben die Oberflächenmerkmale eines Ortes oder einer Region.

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