Топографическая картография: история, техники и будущие инновации

Исторический контекст

Топографическая карта — двухмерное изображение трехмерной земной поверхности. В отличие от других типов карт, она представляет как горизонтальные, так и вертикальные позиции, используя изолинии, цвета, символы, подписи и графические подсказки для иллюстрации гор, лесов, рек, озер, городов, дорог, мостов и других натуральных и искусственных объектов. Эти карты также встраивают справочные данные для геодезистов и картографов, такие как бенчмарки, базовые линии, меридианы и магнитные деклинации. Топографические карты служат гражданским инженерам, экологическим менеджерам, городским планировщикам, любителям активного отдыха, службам экстренной помощи и историкам.

История

Самые ранние известные карты границ земли датируются около 2400 г. до н.э. в Месопотамии, созданные для налогообложения. К IV веку н.э. римская карта выделяла дороги, города, реки и горы. Термин топография происходит от греческих topos (место) и graphien (писать).

Принципы геодезии существовали уже в 1200 г. до н.э., но крупномасштабное картографирование опиралось на эскизы или журналы исследователей, часто приводя к значительным позиционным ошибкам. В 1539 году Рейнер Гемма Фризиус ввел триангуляцию — метод, все еще фундаментальный для полевой геодезии. 1670-е увидели начало Джованни Доменика Кассини первого национального триангуляционного проекта Франции, завершившегося Carte de Cassini (1793), первой точной всей страны топографической картой. Дюпен-Триель добавил изолинии в 1791 году, позволяя представлять рельеф на плоских картах, хотя широкое принятие подождало до середины XIX века.

В США президент Томас Джефферсон основал Береговое измерение в 1807 году для картографирования Атлантики, позже переименованное в У.S. Coast Survey (1836) и У.S. Coast and Geodetic Survey (1878). Внутреннее картографирование росло через экспедицию Льюиса и Кларка (1804–06) и Армейский корпус топографических инженеров (1838–1861). Перекрытие среди измерений привело к У.S. Geological Survey (USGS) в 1879 году, упростившему национальное картографирование.

Раннее картографирование было трудоемкой полевой работой. С 1930-х USGS включил аэрофотосъемку, а 1980-е принесли компьютерную оцифровку, сократившие время обновлений. Сегодня USGS хранит >56 000 топографических карт США в множестве масштабов и публикует специальные геологические, гидрологические и фотообразные карты.

Масштабы карт, символы и цвета

Эффективные карты балансируют масштаб и деталь. Наиболее распространенный масштаб USGS — 1:24 000, где 1 дюйм равен 24 000 дюймам (2000 футов) на земле. Эти 7,5-минутные квадранглы покрывают 7,5 минут широты и долготы, давая размеры ~23 × 27 дюймов ниже 31° с.ш. и ~22 × 27 дюймов выше этой широты. Другие масштабы — 1:63 360, 1:100 000, 1:250 000 — покрывают более крупные территории с меньшей гранулярностью.

Символы и цвета кодируют рельеф: здания появляются как очерченные формы; железные дороги как длинные линии с перекрестными метками. Водные объекты — синие, леса — зеленые, второстепенные дороги — черные, главные шоссе — красные, изолинии — коричневые, недавние обновления — фиолетовые.

Процесс производства

Производство точной топографической карты — многолетнее предприятие, обычно пять лет, вовлекающее геодезистов, граверов, фактчекеров и принтеров. Ниже рабочий процесс USGS для 7,5-минутного квадрангла.

Аэрофотосъемка территории

• 2 × стереоскопических аэрофотоснимков делают для каждого участка земли для генерации 3D-изображения для извлечения изолиний. Чистое небо и оптимальные солнечные углы необходимы; лиственные леса фотографируют поздней осенью или ранней весной, когда листва минимальна.
• Самолеты летят на постоянных высотах по предопределенным северо-южным маршрутам, делая 10 точно позиционированных снимков на квадрангл. Высококлассные камеры стоят $250 000+.

Геодезические контрольные точки

• Точные карты требуют полевых контрольных точек — пересечений дорог или заметных ориентиров — для фиксации долготы, широты и высоты. Эти точки привязывают аэрофотоснимки и значения изолиний.
• Геодезисты также проверяют объекты, которые могли измениться со времени снимков, такие как скрытые ручьи или новостроенные сооружения.

Проверка объектов карты

• Полевые проверки подтверждают прерывистые ручьи (представленные пунктирно-точечными линиями), частные дороги и другие аномалии. Местные записи и интервью с жителями обеспечивают правильные названия и написание.

Компиляция рукописи карты

• Перекрывающиеся аэрофотоснимки проецируют стереоскопически. Двухлучевой указатель регулируют для пересечения в конкретной точке высоты; оператор трассирует изолинии и объекты на трассировочном столе, производя черно-белую рукопись.
• После трассировки рукопись фотографируют для создания негативной пленки, затем переносят на тонкие пластиковые листы, покрытые полупрозрачным скриб-коутом.

Скрибирование и редактирование карты

• Каждый пластиковый лист подсвечивают снизу; гравер удаляет скриб-коут вдоль линий, обозначенных для каждого цвета. Отдельные листы готовят для рек (синий), лесов (зеленый), дорог и т.д.
• Листы с надписями выравнивают со скрибированными объектами; стиль и размер шрифта следуют стандартам USGS для консистентности.
• Цветной проф-лист генерируют под различными цветовыми светами; после рецензии карта финализируется для печати.

Печать карты

• Печатные пластины для каждого цвета создают из скрибированных листов и негативов надписей. Литографический пресс прогоняет бумагу через последовательные цветовые проходы, некоторые крупные прессы обрабатывают до пяти цветов без перезагрузки.

Контроль качества

USGS придерживается Национальных стандартов точности карт (установленных 1947). С 1958 года он полевые проверяет ≥20 хорошо определенных точек на ~10 % ежегодных карт.

Для карты 1:24 000, 7,5-минутной, стандарт горизонтальной точности требует ≥90 % точек в пределах 40 футов (12,2 м) от истинных наземных позиций. Вертикальная точность требует ≥90 % точек в пределах половины интервала изолиний — например, с 10-футовыми интервалами высоты должны быть в пределах 5 футов (1,5 м). Это переводится в позиционную толерантность 0,02 дюйма (0,05 см) на карте.

Будущее

Пока большинство текущих карт остаются вручную произведенными, спутниковая технология теперь лежит в основе Глобальной системы позиционирования (GPS), позволяя полевым геодезистам точно определять позиции в пределах нескольких футов, даже в отдаленном рельефе.

Будущее картографирование будет все больше опираться на спутниковые снимки. Спутники Landsat (первый запуск 1972) достигли 30-метрового разрешения к 1984 году; к 1998 году спутники могли детектировать 1-метровые объекты, сравнимые с деталями USGS 7,5-минутных карт. Цифровое получение данных ускорит производство карт, повысит точность и сократит время оборота.