Topografische Karte

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Hintergrund

Eine topografische Karte ist eine zweidimensionale Darstellung einer dreidimensionalen Landoberfläche. Topografische Karten unterscheiden sich von anderen Karten dadurch, dass sie sowohl die horizontale als auch die vertikale Position des Geländes zeigen. Durch eine Kombination von Höhenlinien, Farben, Symbolen, Beschriftungen und anderen grafischen Darstellungen stellen topografische Karten die Formen und Lagen von Bergen, Wäldern, Flüssen, Seen, Städten, Straßen, Brücken und vielen anderen natürlichen und von Menschenhand geschaffenen Merkmalen dar. Sie enthalten auch wertvolle Referenzinformationen für Vermessungsingenieure und Kartenhersteller, einschließlich Benchmarks, Basislinien und Meridiane sowie magnetische Deklinationen. Topografische Karten werden von Bauingenieuren, Umweltmanagern und Stadtplanern ebenso verwendet wie von Outdoor-Enthusiasten, Rettungsdiensten und Historikern.

Verlauf

Einige der frühesten bekannten Karten wurden in Mesopotamnien angefertigt, in dem Gebiet, das heute als Irak bekannt ist, wo um 2400 v. Chr. eine Reihe von Karten mit Eigentumsgrenzen gezeichnet wurde. zum Zwecke der Bodenbesteuerung. Eine römische Karte aus der Zeit um 335-366 n. Chr. zeigten topografische Merkmale wie Straßen, Städte, Flüsse und Berge. Das Wort Topographie leitet sich von den griechischen Wörtern topos, . ab bedeutet einen Ort und graphien, was bedeutet zu schreiben. Topographie ist also die geschriebene oder gezeichnete Beschreibung eines Ortes.

Obwohl die Grundlagen der Landvermessung bereits 1200 v. , und vielleicht sogar früher war die Verwendung von Vermessungstechniken bei der Erstellung von Karten auf Städte und andere kleinräumige Gebiete beschränkt. Karten in größerem Maßstab wurden aus Skizzen oder Tagebüchern von Entdeckern erstellt und spiegelten manchmal mehr Phantasie als Beobachtung wider. Als Ergebnis waren die genauen Positionen von Punkten auf einer Karte oft grob falsch.

1539 beschrieb der niederländische Mathematiker und Geograph Reiner Gemma Frisius eine Methode zur Vermessung eines Gebietes, indem er es in Dreiecke aufteilte. Dieses Konzept der Triangulation wurde zu einer der Grundtechniken der Feldvermessung und wird noch heute verwendet. Eines der ersten groß angelegten Kartierungsprojekte mit Triangulation wurde in den 1670er Jahren von Giovanni Domenico Cassini begonnen, der überredet worden war, eine detaillierte Karte von Frankreich zu erstellen. Nach Cassinis Tod arbeiteten seine Kinder und Enkel weiter an dem Projekt. Das Endergebnis, genannt Carte de Cassini, wurde 1793 veröffentlicht und war die erste genaue topographische Karte eines ganzen Landes. Sein einziges Manko war das generelle Fehlen von Höhenmessungen, abgesehen von einigen Höhenpunkten, die durch Messung der Luftdruckänderung mit der Höhe mit einem Barometer bestimmt wurden. Das Konzept der Höhenlinien zur Darstellung verschiedener Höhen auf einer Karte wurde 1791 von dem französischen Ingenieur JL Dupain-Triel entwickelt. Obwohl diese Methode die genaue Darstellung von Landkonturen und Höhen auf einer flachen, zweidimensionalen Karte ermöglichte, war sie nicht weit verbreitet bis Mitte des 19. Jahrhunderts verwendet.

In den Vereinigten Staaten hat die Bundesregierung die Bedeutung genauer topografischer Karten in einem schnell wachsenden Land erkannt. Im Jahr 1807 gründete Präsident Thomas Jefferson den Survey of the Coast, um die Atlantikküste als Hilfe für Reisen und Handel zu kartieren. 1836 wurde diese Organisation in U.S. Coast Survey umbenannt, und 1878 wurde der Name in U.S. Coast and Geodetic Survey geändert. In der Zwischenzeit fiel die Kartierung des Landesinneren einer Vielzahl von Einzelpersonen und Organisationen zu, darunter der Lewis-und-Clark-Expedition in den Jahren 1804-1806, die ihre Route von St. Louis, Missouri, in den pazifischen Nordwesten kartierte. In der Zeit von 1838 bis zum Ausbruch des Bürgerkriegs im Jahr 1861 leistete das Corps of Topographical Engineers der Armee wichtige Beiträge zur Kartierung des Westens der Vereinigten Staaten, einschließlich einer detaillierten Karte, die 1848 auf der Grundlage von John Fremonts Erkundungen veröffentlicht wurde. In den 1870er Jahren führten so viele verschiedene Gruppen Umfragen durch, dass sich ihre Arbeiten überschnitten. Um diese Bemühungen zu konsolidieren, wurde 1879 der U.S. Geological Survey (USGS) gegründet.

Der größte Teil der frühen Kartenerstellung wurde durch mühsame Felduntersuchungen durchgeführt. Ab den 1930er Jahren begann die USGS, Luftbildaufnahmen zu verwenden, um Karten zu erstellen und zu aktualisieren. In den 1980er Jahren reduzierte die Verwendung von Computern zum Scannen und Neuzeichnen vorhandener Karten die Zeit, die für die Aktualisierung von Karten in Gebieten mit schnellem Wachstum erforderlich war, erheblich.

Heute verfügt das USGS über mehr als 56.000 topografische Karten der Vereinigten Staaten in verschiedenen Maßstäben sowie Karten des Mondes und der Planeten. Sie veröffentlichen auch Spezialkarten, einschließlich geologischer, hydrologischer und Bildkarten für eine Vielzahl von Anwendungen.

Kartenmaßstäbe, Symbole,
und Farben

Um nützlich zu sein, müssen topografische Karten ausreichende Informationen in einer Kartengröße aufweisen, die bequem zu verwenden ist. Dies wird durch die Wahl eines weder zu großen noch zu kleinen Kartenmaßstabs und durch die Aufwertung der Kartendetails durch die Verwendung von Symbolen und Farben erreicht.

Der gebräuchlichste topografische Kartenmaßstab des USGS ist 1:24.000. In diesem Maßstab entspricht 1 Zoll auf der Karte 24.000 Zoll oder 2.000 Fuß (1 cm entspricht 240 m) auf dem Boden. Diese Karten werden 7,5-Minuten-Viereck-Karten genannt, weil jede Karte einen vierseitigen Bereich auf der Erdoberfläche abdeckt, der 7,5 Minuten lang und 7,5 Minuten hoch ist, wobei 60 Minuten einem Winkelgrad entsprechen. Da der Abstand zwischen den Längengradlinien kleiner wird, wenn Sie sich vom Äquator zu den Polen bewegen, variieren auch die Breiten der Karten. Für Karten der Vereinigten Staaten sind die Karten etwa 58,4 cm breit und 68,6 cm hoch für Orte unter einem Breitengrad von 31 Grad und etwa 55,9 cm breit und 68,6 cm hoch ) für Standorte über diesem Breitengrad. Andere gängige USGS-Kartenmaßstäbe sind 1:63.360, 1:100.000 und 1:250.000. Diese Maßstäbe decken größere Gebiete ab als die Karten im Maßstab 1:24.000, jedoch mit weniger Details.

Um die Interpretation der topografischen Karten zu erleichtern, werden Symbole und Farben verwendet, um verschiedene natürliche und von Menschenhand geschaffene Merkmale darzustellen. Einige Symbole sind so konzipiert, dass sie von oben betrachtet wie das Feature aussehen. Gebäude werden beispielsweise als feste Objekte in Form des Gebäudeumrisses dargestellt. Andere Symbole sind allgemein anerkannte Darstellungen wie eine lange Linie mit kleinen Kreuzmarkierungen, um eine Eisenbahn darzustellen. Farben spielen eine noch wichtigere Rolle. Flüsse, Seen und andere Gewässer werden blau dargestellt. Wälder und stark bewachsene Flächen werden grün dargestellt. Nebenstraßen und Autobahnen werden in Schwarz dargestellt, während Hauptstraßen in Rot angezeigt werden. Höhenlinien, die die Form des Bodens selbst darstellen, werden in Braun dargestellt. Die letzten Überarbeitungen der Karte werden in Violett angezeigt.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Erstellung einer genauen topografischen Karte ist ein langer und komplexer Prozess, der von Anfang bis Ende bis zu fünf Jahre dauern kann. Es braucht ein erfahrenes Team von Vermessern, Graveuren, Faktenprüfern, Druckern und anderen, um eine gute Karte zu erstellen. Hier ist eine typische Abfolge von Operationen, die vom U.S. Geological Survey verwendet wird, um eine 7,5-minütige topografische Viereckkarte zu erstellen.

Die Gegend fotografieren

• 1 Das zu kartierende Gebiet muss zuerst aus der Luft fotografiert werden. Jeder Bodenabschnitt wird aus zwei verschiedenen Blickwinkeln fotografiert, um ein stereoskopisches dreidimensionales Bild zu erhalten, das in Höhenlinien umgewandelt werden kann. Der Himmel muss klar sein und die Sonne muss im richtigen Winkel für die Art des fotografierten Geländes stehen. Saisonal Jeder Bodenabschnitt wird aus zwei verschiedenen Blickwinkeln fotografiert, um ein stereoskopisches dreidimensionales Bild zu erhalten, das in . umgewandelt werden kann Umriss. Faktoren müssen ebenfalls berücksichtigt werden. In Gebieten mit Laubbäumen werden die Fotos beispielsweise normalerweise zwischen dem späten Herbst und dem frühen Frühjahr aufgenommen, wenn die Bäume kahl und die darunter liegenden Bodenmerkmale besser sichtbar sind.
• 2 Das Flugzeug überfliegt das Gebiet in konstanter Höhe in Nord-Süd-Richtung auf sorgfältig festgelegten Flugwegen, während Spezialkameras von jedem Viereck 10 präzise positionierte Aufnahmen machen. Jede Kamera kann 250.000 US-Dollar oder mehr kosten.

Vermessung der Kontrollpunkte

• 3 Um die Genauigkeit einer Karte zu gewährleisten, muss die genaue Lage verschiedener Kontrollpunkte durch Feldvermessungen ermittelt werden. Typische Kontrollpunkte können der Schnittpunkt zweier Straßen oder andere markante Merkmale innerhalb des Kartenbereichs sein. Horizontale Passpunkte werden vermessen, um den Längen- und Breitengrad zu bestimmen, während vertikale Passpunkte separat vermessen werden, um die Höhe zu bestimmen. Die Lage und Höhe dieser Passpunkte hilft den Kartenherstellern, die Luftbildbilder richtig zu positionieren und den Höhenlinien Werte zuzuordnen.
• 4 Während die Vermessungsingenieure vor Ort sind, suchen sie auch nach Merkmalen, die möglicherweise einer weiteren Überprüfung bedürfen, wie beispielsweise Straßen oder Bächen, die unter überhängendem Laub verborgen sind, oder Gebäude, die seit der Aufnahme der Luftaufnahmen gebaut oder abgerissen wurden.

Überprüfen der Kartenfunktionen

• 5 Einige Kartenfunktionen erfordern möglicherweise eine zusätzliche Überprüfung. Einige Streams können beispielsweise nur zeitweise ausgeführt werden. In diesem Fall werden sie auf der Karte durch einen Strichpunkt oder eine geringere Gewichtung anstelle einer durchgezogenen Linie dargestellt. Bestimmte Straßen können sich als Privatstraßen und nicht als öffentliche Straßen erweisen, und diese müssen gekennzeichnet werden. Feldprüfer gehen in das Gebiet und überprüfen diese Merkmale, indem sie mit Anwohnern sprechen oder lokale Immobiliendatensätze einsehen. Alle von den Vermessungsteams festgestellten fragwürdigen Merkmale müssen ebenfalls überprüft werden. Die korrekte Schreibweise von Ortsnamen muss ermittelt werden.

Erstellen des Kartenmanuskripts

• 6 Nachdem das Gebiet vermessen und alle Merkmale überprüft wurden, werden die Paare von überlappenden Luftbildern in einen stereoskopischen Projektor gelegt. Ein Bild wird auf das linke Auge des Bedieners und das andere Bild auf sein rechtes Auge projiziert. Das Ergebnis ist eine dreidimensionale Ansicht des Geländes. Zwei kleine Lichtstrahlen sind mit einem Zeiger verbunden und werden so eingestellt, dass sie sich in einem winzigen weißen Punkt schneiden, der einer bestimmten Höhe auf dem dreidimensionalen Geländebild entspricht. Durch Um die Genauigkeit einer Karte zu gewährleisten, muss die genaue Position verschiedener Kontrollpunkte nach Feld bestimmt werden Umfragen. Für jede verwendete Farbe wird ein separater Schreibermantel hergestellt. Durch Bewegen des Zeigers, während die beiden Strahlen in einem Punkt fokussiert bleiben, verfolgt der Bediener jede Konturlinie des Bodens und die Position verschiedener Merkmale. Der Zeiger ist mit einem Stift auf dem Abtasttisch verbunden, der die Kontur oder das Merkmal zeichnet, das verfolgt wird. Alle Konturen und Features werden an dieser Stelle schwarz gezeichnet. Dieser Vorgang wird als Kompilieren des Kartenmanuskripts bezeichnet.
• 7 Wenn das Durchzeichnen abgeschlossen ist, wird das fertige Kartenmanuskript fotografiert und ein Filmnegativ in Kartengröße hergestellt. Dieses Negativ wird photochemisch auf mehrere dünne Plastikfolien reproduziert, die mit einer weichen, durchscheinenden Beschichtung, der sogenannten Ritzbeschichtung, beschichtet sind.

Die Karte schreiben und bearbeiten

• 8 Die Plastikfolien werden einzeln genommen und auf einen Leuchttisch gelegt, wo ein weiches Licht durch eine weiße Plastikoberfläche scheint. Diese Beleuchtung von unten macht die Linien der Kartenhandschrift durch den Schreibermantel sichtbar. Ein Graveur schneidet den Schreibermantel entlang der Linien und Bereiche, die auf der fertigen Karte eine bestimmte Farbe haben sollen, vorsichtig ab. Ein Blatt enthält beispielsweise alle Linien für Flüsse, Seen und andere Gewässer, die blau sein sollen. Dieser Vorgang wird für jede Farbe wiederholt.
• 9 Separate Blätter für die Beschriftung werden vorbereitet, indem über jedes geritzte Blatt eine durchsichtige Plastikfolie gelegt und die Beschriftung sorgfältig an den zu beschriftenden Merkmalen ausgerichtet wird. Schriftgrößen, Stile und Schriftarten werden nach Standards ausgewählt, die Konsistenz und Lesbarkeit von einer Karte zur anderen gewährleisten. Von jedem fertigen Typblatt wird dann ein Filmnegativ hergestellt.
• 10 Nachdem die beschrifteten Blätter mehrmals überprüft und bearbeitet wurden, wird ein Farbprüfblatt erstellt, indem jedes Blatt unterschiedlichem Farblicht ausgesetzt wird, um einen Farbdruck zu erzeugen, der der fertigen Karte sehr ähnlich sieht. Nach weiterer Überprüfung und Bearbeitung kann die Karte gedruckt werden.

Karte drucken

• 11 Für jede Kartenfarbe wird eine Druckplatte hergestellt, indem die geritzten Blätter und die Beschriftungsnegative belichtet werden. Papier wird in eine lithografische Druckmaschine geladen und die erste Farbe wird gedruckt. Die Druckplatte und die Farbe werden gewechselt und das Papier wird ein zweites Mal durch die Druckmaschine geführt, um die zweite Farbe zu drucken. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis alle Farben gedruckt sind. Einige der größten Druckmaschinen können bis zu fünf Farben nacheinander drucken, ohne die Platten zu wechseln oder das Papier neu einzulegen.

Qualitätskontrolle

Die USGS verwendet die 1947 aufgestellten National Map Accuracy Standards. Ab 1958 begann die USGS damit, die Genauigkeit ihrer Karten zu testen, indem sie 20 oder mehr genau definierte Punkte auf etwa 10 % der jährlich produzierten Karten vor Ort überprüfte.

Für eine 7,5-Minuten-Karte im Maßstab 1:24.000 erfordert der horizontale Genauigkeitsstandard, dass die auf der Karte angezeigten Standorte für mindestens 90 % der überprüften Punkte auf eine Genauigkeit von 12,2 m von den tatsächlichen Standorten auf dem Boden entfernt sein müssen . Der vertikale Genauigkeitsstandard erfordert, dass die auf der Karte angezeigten Höhen für mindestens 90 % der überprüften Punkte auf die Hälfte des Höhenlinienintervalls auf dem Boden genau sein müssen. Für eine Karte mit Höhenlinienintervallen von 10 Fuß (3 m) bedeutet dies, dass die auf der Karte angezeigten Höhen mit einer Genauigkeit von 5 Fuß (1,5 m) von den tatsächlichen Höhen am Boden sein müssen. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, was diese Standards für Kartenhersteller bedeuten, erfordert der horizontale Genauigkeitsstandard, dass die Position von mindestens 90 % der Kontrollpunkte auf der Karte innerhalb von 0,02 Zoll (0,05 cm) von der korrekten Position gezeichnet werden muss.

Die Zukunft

Die meisten der derzeit verwendeten topografischen Karten wurden manuell erstellt. Für Kartenhersteller ist die Zukunft jedoch schon heute da. Ein gut ausgebautes Netzwerk von Navigationssatelliten bildet die Grundlage des Global Positioning System (GPS). Dieses System ermöglicht es Feldvermessern, horizontale Positionen innerhalb von wenigen Metern genau zu bestimmen, selbst in den entlegensten Gebieten, in denen herkömmliche Vermessungstechniken unmöglich sind.

Andere Satelliten, die eine Vielzahl von Sensoren tragen, könnten die Luftbildmethode zur Kartenerstellung bald ersetzen. Der erste einer Reihe von Landsat-Satelliten wurde 1972 gestartet, und 1984 konnten sie Objekte auf der Erdoberfläche mit einer Größe von etwa 30 m erkennen. Im Jahr 1998 bereitete ein amerikanisches Unternehmen den Start eines Satelliten vor, der Objekte bis zu einer Größe von 3 Fuß (1 m) erkennen konnte, der Bilder mit so vielen Details wie aktuelle USGS-Karten mit einer Länge von 7,5 Minuten erzeugen würde. Noch wichtiger wäre, dass diese Bilder als digitale Daten erfasst und übertragen würden, die dann von Computern verarbeitet und gedruckt werden könnten. Dies würde die zum Erstellen oder Aktualisieren von Karten erforderliche Zeit erheblich reduzieren und auch die Gesamtgenauigkeit verbessern.