التضاريس

علم التضاريس هو دراسة أشكال وخصائص أسطح الأرض . وقد تشير تضاريس منطقة ما إلى أشكال الأرض وخصائصها نفسها، أو إلى وصف أو تصوير لها في الخرائط.

علم التضاريس هو فرع من فروع علوم الأرض والكواكب ، ويهتم بالتفاصيل المحلية بشكل عام، بما في ذلك التضاريس ، بالإضافة إلى المعالم الطبيعية والصناعية والثقافية كالشوارع وحدود الأراضي والمباني. ^{[ 1 ]} في الولايات المتحدة، يُقصد بالتضاريس غالبًا التضاريس تحديدًا، على الرغم من أن خرائط هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) الطبوغرافية لا تسجل خطوط الكنتور فحسب ، بل تسجل أيضًا الطرق والمناطق المأهولة والمنشآت وحدود الأراضي، وما إلى ذلك. ^{[ 2 ]}

يشمل علم التضاريس، بمعناه الضيق، تسجيل التضاريس أو الأرض ، أي الخصائص ثلاثية الأبعاد للسطح، وتحديد معالمها الجغرافية ؛ ويُعرف هذا أيضًا باسم علم الجيومورفومترية . أما في الاستخدام الحديث، فيتضمن ذلك توليد بيانات الارتفاع بصيغة رقمية ( نموذج الارتفاع الرقمي ). وغالبًا ما يُعتبر أنه يشمل التمثيل البياني للمعالم الجغرافية على الخريطة باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات تصوير التضاريس الكارتوغرافية ، بما في ذلك خطوط الكنتور ، وتدرجات الارتفاع ، وتظليل التضاريس .

نشأ مصطلح "الطوبوغرافيا" في اليونان القديمة واستمر استخدامه في روما القديمة ، بمعنى الوصف التفصيلي للمكان. الكلمة مشتقة من الكلمتين اليونانيتين τόπος ( توبوس ، "مكان") و- γραφία ( غرافيا ، "كتابة"). ^{[ 3 ]} في الأدب الكلاسيكي، يشير هذا المصطلح إلى الكتابة عن مكان أو أماكن، وهو ما يُعرف اليوم باسم " التاريخ المحلي ". في بريطانيا وأوروبا عمومًا، لا تزال كلمة "الطوبوغرافيا" تُستخدم أحيانًا بمعناها الأصلي. ^{[ 4 ]}

كانت المسوحات العسكرية التفصيلية في بريطانيا (التي بدأت في أواخر القرن الثامن عشر) تُسمى " مسوحات الذخائر" ، وقد استُخدم هذا المصطلح حتى القرن العشرين كمصطلح عام للمسوحات والخرائط الطبوغرافية. ^{[ 5 ]} أما أقدم المسوحات العلمية في فرنسا فكانت خرائط كاسيني، نسبةً إلى العائلة التي أنتجتها على مدى أربعة أجيال. ^{[ 6 ]} ويبدو أن مصطلح "المسوحات الطبوغرافية" أمريكي الأصل. فقد أُجريت أقدم المسوحات التفصيلية في الولايات المتحدة من قِبل "المكتب الطبوغرافي للجيش"، الذي شُكّل خلال حرب 1812 ، ^{[ 7 ]} والذي أصبح فيما بعد فيلق المهندسين الطبوغرافيين عام 1838. ^{[ 8 ]} وبعد أن تولت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية مهمة رسم الخرائط الوطنية عام 1878، ظل مصطلح "طبوغرافي" مصطلحًا عامًا للمسوحات التفصيلية وبرامج رسم الخرائط، وقد اعتمدته معظم الدول الأخرى كمعيار.

في القرن العشرين، بدأ استخدام مصطلح التضاريس لوصف وصف السطح في مجالات أخرى حيث يتم استخدام رسم الخرائط بمعنى أوسع، وخاصة في المجالات الطبية مثل علم الأعصاب .

يهدف علم التضاريس إلى تحديد موقع أي معلم، أو بشكل أعم أي نقطة، باستخدام نظام إحداثيات أفقي كخطوط الطول والعرض والارتفاع . كما يشمل هذا العلم تحديد (تسمية) المعالم، والتعرف على أنماط التضاريس النموذجية.

يمكن إجراء دراسة طبوغرافية لأسباب متنوعة: فقد كان التخطيط العسكري والاستكشاف الجيولوجي من الدوافع الرئيسية لبدء برامج المسح، ولكن المعلومات التفصيلية حول التضاريس والمعالم السطحية ضرورية لتخطيط وبناء أي مشاريع هندسية مدنية أو أشغال عامة أو استصلاح رئيسية .

توجد طرق متنوعة لدراسة التضاريس. ويعتمد اختيار الطريقة (أو الطرق) المناسبة على نطاق وحجم المنطقة قيد الدراسة، وسهولة الوصول إليها، وجودة المسوحات الموجودة.

مسح ميداني

تساعد عمليات المسح في تحديد الموقع الأرضي أو ثلاثي الأبعاد للنقاط بدقة والمسافات والزوايا بينها باستخدام أدوات التسوية مثل الثيودوليتات ومستويات التسوية والميل .

كما يتم استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS ) وأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية الأخرى (GNSS).

بدأ العمل على إحدى أولى الخرائط الطبوغرافية في فرنسا على يد جيوفاني دومينيكو كاسيني ، عالم الفلك الإيطالي العظيم.

على الرغم من أن الاستشعار عن بعد قد سرّع بشكل كبير عملية جمع المعلومات، وسمح بتحكم أكثر دقة على مسافات طويلة، إلا أن المسح المباشر لا يزال يوفر نقاط التحكم الأساسية والإطار لجميع الأعمال الطبوغرافية، سواء كانت يدوية أو قائمة على نظم المعلومات الجغرافية .

في المناطق التي شهدت برامج مسح ورسم خرائط مباشرة واسعة النطاق (معظم أوروبا والولايات المتحدة القارية، على سبيل المثال)، تُشكّل البيانات المُجمّعة أساس مجموعات بيانات الارتفاع الرقمية الأساسية، مثل بيانات نموذج الارتفاع الرقمي لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية . غالبًا ما تتطلب هذه البيانات "تنقية" لإزالة التباينات بين عمليات المسح، إلا أنها تظل مصدرًا قيّمًا للمعلومات اللازمة للتحليل واسع النطاق.

لم تقتصر المسوحات الطبوغرافية الأمريكية الأصلية (أو المسوحات البريطانية "للذخائر") على تسجيل التضاريس فحسب، بل شملت أيضًا تحديد المعالم البارزة والغطاء النباتي للأراضي.

يُنمذج التضاريس عادةً باستخدام نماذج رياضية متجهة ( شبكة مثلثية غير منتظمة أو TIN) أو نماذج شبكية ( صورة نقطية ). في معظم تطبيقات العلوم البيئية ، يُمثل سطح الأرض ويُنمذج باستخدام نماذج شبكية. أما في الهندسة المدنية وقطاع الترفيه، فتستخدم معظم تمثيلات سطح الأرض أحد أشكال نماذج TIN. في الإحصاء الجيولوجي ، يُنمذج سطح الأرض عادةً كمزيج من إشارتين: الإشارة الملساء (المرتبطة مكانيًا) والإشارة الخشنة (الضوضاء).

عمليًا، يقوم المساحون أولًا بأخذ عينات من الارتفاعات في منطقة ما، ثم يستخدمونها لإنتاج نموذج رقمي لسطح الأرض على شكل شبكة مثلثية غير منتظمة (TIN) . يمكن استخدام هذا النموذج لتصوير التضاريس، وتغطية صور الاستشعار عن بُعد، وقياس الخصائص البيئية للسطح، أو استخراج عناصر سطح الأرض. بيانات خطوط الكنتور أو أي مجموعات بيانات ارتفاعات أخرى مأخوذة لا تُعدّ نموذجًا رقميًا لسطح الأرض. يشير النموذج الرقمي لسطح الأرض إلى توفر بيانات الارتفاع بشكل مستمر في كل موقع ضمن منطقة الدراسة، أي أن الخريطة تمثل سطحًا كاملًا. يجب عدم الخلط بين النماذج الرقمية لسطح الأرض ونماذج الأسطح الرقمية، التي قد تمثل أسطح الغطاء النباتي والمباني وما شابهها. على سبيل المثال، في حالة نماذج الأسطح المُنتجة باستخدام تقنية الليدار، يمكن أن يكون لدينا عدة أسطح - بدءًا من قمة الغطاء النباتي وصولًا إلى سطح الأرض الصلب. يمكن بعد ذلك استخدام الفرق بين نموذجي السطح لاستخلاص قياسات حجمية (ارتفاع الأشجار، إلخ).

رسم الخرائط الطبوغرافية

في تعريفها المعاصر، تُظهر الخرائط الطبوغرافية التضاريس. في الولايات المتحدة، تُظهر خرائط هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) التضاريس باستخدام خطوط الكنتور . وتُطلق الهيئة على الخرائط المستندة إلى المسوحات الطبوغرافية، ولكن بدون خطوط الكنتور، اسم "الخرائط المستوية".

لا تُظهر هذه الخرائط الخطوط الكنتورية فحسب، بل تُظهر أيضًا أي جداول مائية مهمة أو مسطحات مائية أخرى، وغطاء الغابات ، والمناطق المبنية أو المباني الفردية (حسب المقياس)، وغيرها من المعالم ونقاط الاهتمام.

على الرغم من أنها ليست خرائط "طبوغرافية" رسمياً، إلا أن المسوحات الوطنية للدول الأخرى تشترك في العديد من السمات نفسها، ولذلك غالباً ما يطلق عليها اسم "الخرائط الطبوغرافية".

تُشكّل خرائط المسح الطبوغرافي الحالية، نظرًا لتغطيتها الشاملة والموسوعية، أساسًا للعديد من الأعمال الطبوغرافية المشتقة. فعلى سبيل المثال، غالبًا ما تُنشأ نماذج الارتفاع الرقمية ليس من بيانات الاستشعار عن بُعد الجديدة، بل من خرائط طبوغرافية ورقية موجودة. ويستخدم العديد من الناشرين الحكوميين والخاصين الرسومات (وخاصة خطوط الكنتور) من أوراق الخرائط الطبوغرافية الموجودة كأساس لخرائطهم الطبوغرافية المتخصصة أو المُحدّثة. ^{[ 12 ]}

لا ينبغي الخلط بين رسم الخرائط الطبوغرافية ورسم الخرائط الجيولوجية . فالأخيرة تهتم بالبنى والعمليات الكامنة تحت السطح، بدلاً من السمات السطحية القابلة للتحديد.

نمذجة الارتفاع الرقمي

نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) هو مجموعة بيانات رقمية نقطية تمثل تضاريس ( قياس الارتفاع و/أو قياس الأعماق ) سطح الأرض (أو كوكب أرضي ) كليًا أو جزئيًا. تُخصص قيمة ارتفاع لكل بكسل في مجموعة البيانات، ويحدد جزء رأسي من مجموعة البيانات منطقة التغطية، ووحدات القياس التي يغطيها كل بكسل، ووحدات الارتفاع (ونقطة الصفر). يمكن استخلاص نماذج الارتفاع الرقمية من الخرائط الورقية وبيانات المسح الموجودة، أو يمكن إنشاؤها من بيانات الأقمار الصناعية الجديدة أو بيانات الرادار أو السونار التي يتم استشعارها عن بُعد .

النمذجة الطوبولوجية

يستطيع نظام المعلومات الجغرافية (GIS) التعرف على العلاقات المكانية الموجودة ضمن البيانات المكانية المخزنة رقميًا وتحليلها. وتتيح هذه العلاقات الطوبولوجية إجراء عمليات نمذجة وتحليل مكاني معقدة. وتشمل العلاقات الطوبولوجية بين الكيانات الهندسية عادةً التجاور (ما يجاور ما)، والاحتواء (ما يحيط بما)، والتقارب (مدى قرب شيء من شيء آخر).

• إعادة تكوين مشهد في صور مركبة للأرض،
• تحديد مسار التحليق فوق الأرض،
• حساب المساحات أو الأحجام،
• تتبع الملامح الطبوغرافية،

طُبقت تقنية التضاريس في مجالات علمية مختلفة. ففي علم الأعصاب ، يستخدم تخصص التصوير العصبي تقنيات مثل تضاريس تخطيط كهربية الدماغ لرسم خرائط الدماغ . وفي طب العيون ، تُستخدم تضاريس القرنية كتقنية لرسم خريطة انحناء سطح القرنية . وفي هندسة الأنسجة ، يُستخدم مجهر القوة الذرية لرسم خرائط التضاريس النانوية .

في علم التشريح البشري ، يعتبر التضاريس تشريحاً سطحياً للإنسان .

في الرياضيات، يُستخدم مفهوم التضاريس للإشارة إلى الأنماط أو التنظيم العام للمعالم على الخريطة أو كمصطلح يشير إلى النمط الذي تتوزع به المتغيرات (أو قيمها) في الفضاء.

يُعدّ علماء التضاريس خبراء في مجال التضاريس. فهم يدرسون ويصفون السمات السطحية لمكان أو منطقة ما.

• رسم الخرائط
• نموذج الارتفاع الرقمي
• خط السقوط (التضاريس)
• علم شكل الأرض
• نموذج الإغاثة العالمي
• التصوير تحت الأرض
• التضاريس البحرية
• تضاريس سطح البحر
• خريطة طبوغرافية
• علم الجبال