Τοπογραφία

Δεν πρέπει να συγχέεται με την τοπολογία, την τοπιογραφία, την τυπογραφία και την τομογραφία. Τοπογραφία ονομάζεται η μελέτη του σχήματος και των χαρακτηριστικών της επιφάνειας της Γης ή άλλων παρατηρήσιμων από κοντά ουράνιων σωμάτων (πλανητών, φυσικών δορυφόρων ή αστεροειδών). Πιο συγκεκριμένα, είναι ο επιστημονικός κλάδος που αφορά την περιγραφή και τις μεθόδους για την απεικόνιση και αποτύπωση κάθε τέτοιας επιφανειας, φυσικής ή διαμορφωμένης από ανθρώπινα έργα πάνω σε έναν τοπογραφικό χάρτη. Κατά μία άλλη έννοια, η τοπογραφία μιας περιοχής αναφέρεται στα ίδια τα σχήματα και τα χαρακτηριστικά της γήινης επιφάνειας στη συγκεκριμένη περιοχή. Αυτός ο κλάδος των γεωεπιστημών και των πλανητικών επιστημών έχει επεκταθεί τελευταία ώστε να συμπεριλαμβάνει την τοπική γεωγραφία, ακόμα και την τοπική ιστορία και πολιτισμό. Με τη στενότερη έννοια, αφορά την καταγραφή του αναγλύφου μιας περιοχής και την ταυτοποίηση συγκεκριμένων γεωμορφών, πρακτική γνωστή διεθνώς ως γεωμορφομετρία (geomorphometry). Σήμερα πλέον αυτό περιλαμβάνει την παραγωγή υψομετρικών δεδομένων σε ψηφιακή μορφή (DEM). Τον 20ό αιώνα ο όρος «τοπογραφία» άρχισε να χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη χαρτογράφηση, με τη βοήθεια των πειραματικών και μετρητικών δεδομένων, περιοχών ενός βιολογικού συστήματος ή οργανισμού, ιδίως σε πεδία όπως η νευρολογία («τοπογραφία του εγκεφάλου»).

 Ο όρος τοπογραφία γεννήθηκε στην αρχαία Ελλάδα και υιοθετήθηκε από τους αρχαίους Ρωμαίους με την έννοια της λεπτομερούς περιγραφής ενός τόπου. Στόχος της τοπογραφίας είναι ο προσδιορισμός της θέσεως του οποιουδήποτε χαρακτηριστικού (ή γενικότερα σημείου) σε ένα σύστημα οριζόντιων και κάθετων συντεταγμένων, συνήθως του γεωγραφικού πλάτους και μήκους, και του υψομέτρου. Η ταυτοποίηση χαρακτηριστικών και η αναγνώριση τυπικών γεωμορφών είναι επίσης στόχοι της τοπογραφίας. Μία τοπογραφική μελέτη μπορεί να γίνει για διάφορους λόγους: ο στρατιωτικός σχεδιασμός και η γεωλογική έρευνα υπήρξαν μέχρι και σήμερα βασικά κίνητρα για την έναρξη τέτοιων προγραμμάτων, αλλά η λεπτομερής γνώση του εδάφους και των χαρακτηριστικών της επιφάνειας είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό και την κατασκευή κάθε μεγάλου έργου πολιτικού μηχανικού. Υπάρχει μία ποικιλία προσεγγίσεων στην τοπογραφία. Το ποιες μέθοδοι εφαρμόζονται εξαρτάται από την κλίμακα και το μέγεθος της περιοχής που μελετάται, την προσβασιμότητά της και την ποιότητα των υπαρχουσών επισκοπήσεων μέχρι τη δεδομένη στιγμή. Η επισκόπηση βοηθά στον ακριβή προσδιορισμό των θέσεων σημείων στην επιφάνεια ή στον τριδιάστατο χώρο, καθώς και των αποστάσεων και των γωνιών ανάμεσά τους, με τη χρήση οργάνων στάθμης, όπως είναι οι θεοδόλιχοι και τα κλισιόμετρα. Μία τέτοια εργασία για τη σχεδίαση ενός από τους πρώτους τοπογραφικούς χάρτες άρχισε στη Γαλλία ο Ιταλός αστρονόμος Τζοβάνι Ντομένικο Κασίνι τη δεκαετία του 1670. Παρά το ότι η τηλεπισκόπηση έχει επιταχύνει κατά πολύ τη διαδικασία της συλλογής δεδομένων και έχει επιφέρει μεγαλύτερο έλεγχο της ακρίβειας σε μεγάλες αποστάσεις, η απευθείας επισκόπηση παρέχει ακόμα τα βασικά σημεία ελέγχου και το πλαίσιο για όλες τις τοπογραφικές εργασίες. Σε περιοχές όπου υπήρξαν εκτεταμένα προγράμματα επισκοπήσεων και χαρτογραφήσεων (π.χ. το μεγαλύτερο μέρος της Ευρώπης και των ΗΠΑ), τα δεδομένα που αποκτήθηκαν αποτελούν τη βάση συλλογών ψηφιακών υψομετρικών δεδομένων, όπως η USGS DEM. Αυτά τα δεδομένα χρειάζεται συχνά να «ξεκαθαριστούν» για την αναίρεση ασυμφωνιών ανάμεσα σε διαφορετικές επισκοπήσεις, αλλά είναι ένα πολύτιμο σύνολο πληροφοριών για ανάλυση μεγάλης κλίμακας. Ο όρος τηλεπισκόπηση αναφέρεται γενικά στη συλλογή γεωδεδομένων από απόσταση. Αεροφωτογράφηση και δορυφορική απεικόνιση Εκτός από τη χρησιμοποίησή τους για φωτογραμμετρία (βλ. παρακάτω), οι αεροφωτογραφίες και οι δορυφορικές απεικονίσεις μπορούν να παρέχουν στοιχεία για την ταυτοποίηση και την οριοθέτηση τοπογραφικών χαρακτηριστικών, π.χ. τη μορφή του εδάφους και τη δασοκάλυψη. Ολοένα και περισσότερο αποτελούν τη βάση για διαδραστικές οπτικοποιήσεις με τη χρήση υπολογιστή, είτε με τη μορφή διαδραστικών χαρτών, είτε με τη μορφή GIS. Η απεικόνιση με ψευδοχρώματα σε μη ορατά τμήματα του φάσματος μπορεί επίσης να βοηθήσει στον προσδιορισμό των περιβαλλοντικών παραμέτρων, δείχνοντας τα όρια της βλάστησης και άλλα δεδομένα για τις χρήσεις γης καθαρότερα. Φωτογραμμετρία Η φωτογραμμετρία είναι μία μετρητική μέθοδος προσδιορισμού των συντεταγμένων και των διαστάσεων αντικειμένων στον τριδιάστατο χώρο με χρήση φωτογραφιών, δύο ή περισσότερων για την ίδια ομάδα αντικειμένων, που λαμβάνονται από διαφορετικές θέσεις, συνήθως σε διαφορετικές διαβάσεις μιας αεροφωτογραφικής πτήσεως. Στην τεχνική αυτή ταυτοποιούνται τα κοινά σημεία πάνω σε κάθε εικόνα. Στη συνέχεια, με τριγωνισμό προσδιορίζεται η σχετική θέση του κάθε σημείου του αντικειμένου στον χώρο. Γνωστά σημεία ελέγχου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετατρέψουν αυτές τις σχετικές θέσεις σε απόλυτες. Περισσότερο εξελιγμένοι αλγόριθμοι μπορούν να εκμεταλλευθούν άλλα στοιχεία για την περιοχή, που είναι γνωστά εκ των προτέρων (π.χ. τυχόν συμμετρίες που επιτρέπουν την ανακατασκευή των τριδιάστατων συντεταγμένων αρχίζοντας από μία μόνο θέση της φωτογραφικής μηχανής). Ραντάρ και σόναρ Η δορυφορική χαρτογράφηση με τη χρήση ραντάρ είναι μία από τις κυριότερες μεθόδους για την κατασκευή Ψηφιακών Υψομετρικών Μοντέλων. Παρόμοιες τεχνικές εφαρμόζονται σε βαθυμετρικές επισκοπήσεις με τη χρήση σόναρ για τον προσδιορισμό της μορφολογίας του θαλάσσιου βυθού. Την τελευταία δεκαετία το LIDAR, μία τεχνική τηλεπισκοπήσεως με χρήση λέιζερ αντί ραδιοκυμάτων, εφαρμόζεται όλο και περισσότερο για σύνθετες χαρτογραφικές ανάγκες, όπως η παρακολούθηση παγετώνων. Η μορφή του εδάφους προτυποποιείται με τη χρήση είτε διανυσματικών («τριγωνισμένα ακανόνιστα δίκτυα», TIN), είτε πλεγματικών (Raster image) μαθηματικών μοντέλων (προτύπων). Στις περισσότερες εφαρμογές στις επιστήμες του περιβάλλοντος, η επιφάνεια του εδάφους προτυποποιείται με τη χρήση πλεγματικών μοντέλων. Σε εφαρμογές πολιτικού μηχανικού, οι περισσότερες αναπαραστάσεις επιφάνειας γίνονται με χρήση κάποιας εκδοχής των μοντέλων TIN. Στη γεωστατιστική η κοινή πρακτική είναι η προτυποποίηση ως συνδυασμός των δύο σημάτων – του χωρικά συσχετισμένου και του σήματος θορύβου. Στην πράξη οι τοπογράφοι πρώτα κάνουν μία δειγματοληψία υψομέτρων σε μία περιοχή και μετά τη χρησιμοποιούν για την κατασκευή ενός ψηφιακού μοντέλου της γεωεπιφάνειας στη μορφή ενός TIN. Στη συνέχεια, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οπτικοποίηση του εδάφους, την εφαρμογή εικόνων τηλεπισκοπήσεων, την ποσοτικοποίηση οικολογικών χαρακτηριστικών μιας περιοχής ή την εξαγωγή αντικειμένων από την επιφάνεια. Τα δεδομένα υψομετρικών περιγραμμάτων ή όποια άλλα δειγματοληπτικά σύνολα υψομετρικών δεδομένων δεν αποτελούν ψηφιακό μοντέλο της γεωεπιφάνειας (DLSM). Το DLSM σημαίνει ότι το υψόμετρο είναι γνωστό με συνεχή τρόπο σε κάθε τοποθεσία στην υπό μελέτη περιοχή, δηλαδή ότι ο χάρτης αναπαριστά μία πλήρη επιφάνεια. Τα μοντέλα γεωεπιφάνειας δεν πρέπει να συγχέονται με τα μοντέλα επιφάνειας, η οποία μπορεί να είναι επιφάνεια του θόλου που σχηματίζουν οι κορυφές των δένδρων ενός δάσους, κτηρίων κλπ.. Στην περίπτωση ιδίως μοντέλων επιφάνειας που παράχθηκαν με LIDAR, μπορούμε να έχουμε αρκετές διαφορετικές επιφάνειες, π.χ. για διάφορα ύψη δένδρων ενός δάσους. Η διαφορά ανάμεσα στα δύο μοντέλα επιφάνειας μπορεί τότε να δώσει ογκομετρικές μετρήσεις, την κατανομή του ύψους των δένδρων, κ.ά.. Ιστορικά, οι πληροφορίες των τοπογραφικών επισκοπήσεων βασίζονταν πάνω στις σημειώσεις των τοπογράφων, οι οποίοι μπορεί να αντλούσαν πληροφορίες ονομασιών ή πολιτιστικά στοιχεία από άλλες τοπικές πηγές. Παρά το ότι έχουν ιστορικό ενδιαφέρον, αυτές οι σημειώσεις πεδίου εμπεριέχουν ενδογενώς λάθη και αντιφάσεις που πρέπει να διορθωθούν σε μεταγενέστερα στάδια εκπονήσεως χαρτών. Τα δεδομένα τηλεπισκοπήσεων, όπως συμβαίνει και με τις σημειώσεις πεδίου, είναι αρχικώς ανεπεξέργαστα. Μπορεί να περιέχουν χάσματα (εξαιτίας π.χ. νεφώσεων) ή αντιφάσεις (εξαιτίας του χρονισμού συγκεκριμένων λήψεων εικόνων). Οι περισσότερες σύγχρονες τοπογραφικές χαρτογραφήσεις περιέχουν μεγάλη συνιστώσα από δεδομένα τηλεπισκοπήσεων στην διαδικασία της συντάξεώς τους. Με τον σύγχρονο ορισμό τους, οι τοπογραφικοί χάρτες δείχνουν το ανάγλυφο μιας περιοχής. Στις ΗΠΑ οι τοπογραφικοί χάρτες της USGS δείχνουν το ανάγλυφο με χρήση ισοϋψών γραμμών. Χάρτες που βασίζονται σε τοπογραφικές μελέτες αλλά δεν έχουν ισοϋψείς γραμμές αποκαλούνται και «πλανιμετρικοί χάρτες» (planimetric maps). Συνηθισμένα χαρακτηριστικά που απεικονίζονται σε τοπογραφικούς χάρτες εκτός από τα υψόμετρα είναι ποτάμια και ρυάκια, η δασοκάλυψη, οι οικοδομημένες εκτάσεις ή και (στις μεγαλύτερες κλίμακες) σημαντικά μεμονωμένα κτήρια, καθώς και άλλα σημεία ενδιαφέροντος. Οι υπάρχοντες τοπογραφικοί χάρτες από επισκοπήσεις, εξαιτίας της ευσύνοπτης καλύψεως και των ποικίλων χαρακτηριστικών τους, αποτελούν συχνά τη βάση για δευτερογενές τοπογραφικό έργο. Για παράδειγμα, ψηφιακά υψομετρικά μοντέλα δημιουργήθηκαν συχνά όχι από νέα δεδομένα τηλεπισκοπήσεων, αλλά από προϋπάρχοντες τυπωμένους τοπογραφικούς χάρτες. Πολλές ιδιωτικές και κρατικές εκδόσεις χρησιμοποιούν τις γραμμές υψομετρικού περιγράμματος και καλλιτεχνικό σχέδιο από υπάρχοντα φύλλα τοπογραφικών χαρτών ως τη βάση για τους δικούς τους πιο εξειδικευμένους ή επικαιροποιημένους τοπογραφικούς χάρτεςΗ τοπογραφική χαρτογράφηση δεν πρέπει να συγχέεται με τη γεωλογική. Η τελευταία ασχολείται κυρίως με υπεδάφιες δομές, παρά με ταυτοποιήσιμα επιφανειακά χαρακτηριστικά. Το Ψηφιακό Υψομετρικό Μοντέλο (DEM) είναι ένα σύνολο ψηφιακών δεδομένων της τοπογραφίας (υψομετρίας και/ή βαθυμετρίας) τμήματος ή και όλης της Γης (ή ενός γεώμορφου πλανήτη) σε μορφή πίνακα αριθμών, το κάθε στοιχείο του οποίου είναι ένα υψόμετρο και αντιστοιχεί σε ένα εικονοστοιχείο. Μία επικεφαλίδα στην αρχή του συνόλου δεδομένων ορίζει την περιοχή που καλύπτεται, την έκταση που καλύπτει το κάθε εικονοστοιχείο και τις μονάδες στις οποίες εκφράζεται το υψόμετρο, καθώς και το πού αντιστοιχεί το σημείο μηδέν. Τα DEM μπορούν να εξάγονται από προϋπάρχοντες έντυπους χάρτες και δεδομένα επισκοπήσεων, ή από νέα δορυφορικά ή άλλα δεδομένα, από ραντάρ, σόναρ και άλλες μεθόδους. Κάποια συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) μπορούν να αναγνωρίσουν και να αναλύσουν τις χωρικές συσχετίσεις που ενυπάρχουν σε ψηφιακά αποθηκευμένα χωρικά δεδομένα. Αυτές οι τοπολογικές σχέσεις επιτρέπουν πολύπλοκη χωρική προτυποποίηση και ανάλυση. Τοπολογικές σχέσεις ανάμεσα σε γεωμετρικές οντοτητες παραδοσιακά περιλαμβάνουν τη γειτονία (τι συνορεύει με τι), το τι περιέχεται σε τι, και την εγγύτητα. Ενέργειες που μπορούν να γίνουν με βάση τα παραπάνω είναι η ανασύνθεση μιας θέας από συντιθέμενες εικόνες του εδάφους, ο προσδιορισμός μιας τροχιάς «υπερπτήσεως» πάνω από την περιοχή, ο υπολογισμός εμβαδών ή όγκων και η ιχνηλάτηση τοπογραφικών προφίλ. Ο όρος τοπογραφία άρχισε να χρησιμοποιείται και σε άλλα επιστημονικά πεδία: Στη νευροεπιστήμη, η νευροαπεικόνιση εφαρμόζει τεχνικές όπως η «τοπογραφία EEG» για να χαρτογραφεί τον εγκέφαλο. Στην οφθαλμιατρική, η τοπογραφία του κερατοειδούς είναι μία τεχνική για τη χαρτογράφηση της επιφανειακής καμπυλότητας του κερατοειδούς χιτώνα. Στη μηχανική των ιστών, η μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων χρησιμοποιείται για τη νανοτοπογραφία. Στα μαθηματικά η έννοια της τοπογραφίας υποδεικνύει τη γενική οργάνωση ή τα μοτίβα των χαρακτηριστικών σε έναν χάρτη, ή τα μοτίβα σύμφωνα με τα οποία μεταβλητές ή οι τιμές τους κατανέμονται στον χώρο. Χαρτογραφία Γεωματική Γεωμορφολογία Υψόμετρο Τοπογραφικός χάρτης Ιστοσελίδα του Τομέα Τοπογραφίας του ΕΜΠ