Carte topographique

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Contexte

Une carte topographique est une représentation en deux dimensions d'une surface terrestre en trois dimensions. Les cartes topographiques se différencient des autres cartes en ce qu'elles montrent à la fois les positions horizontale et verticale du terrain. Grâce à une combinaison de courbes de niveau, de couleurs, de symboles, d'étiquettes et d'autres représentations graphiques, les cartes topographiques représentent les formes et les emplacements des montagnes, des forêts, des rivières, des lacs, des villes, des routes, des ponts et de nombreuses autres caractéristiques naturelles et artificielles. Ils contiennent également des informations de référence précieuses pour les arpenteurs et les cartographes, y compris les repères, les lignes de base et les méridiens, et les déclinaisons magnétiques. Les cartes topographiques sont utilisées par les ingénieurs civils, les gestionnaires de l'environnement et les urbanistes, ainsi que par les amateurs de plein air, les agences de services d'urgence et les historiens.

Historique

Certaines des premières cartes connues ont été réalisées en Mésopotamie, dans la région maintenant connue sous le nom d'Irak, où une série de cartes montrant les limites des propriétés ont été tracées vers 2400 av. aux fins de la fiscalité foncière. Une carte romaine datant d'environ 335-366 A.D. ont montré des caractéristiques topographiques telles que les routes, les villes, les rivières et les montagnes. Le mot topographie est dérivé des mots grecs topos, signifiant un lieu, et graphiquen, le sens d'écrire. Ainsi, la topographie est la description écrite ou dessinée d'un lieu.

Bien que les bases de l'arpentage aient été connues dès 1200 av. , et peut-être même plus tôt, l'utilisation de techniques d'arpentage dans la préparation de cartes était limitée aux villes et autres zones à petite échelle. Des cartes à plus grande échelle étaient préparées à partir de croquis ou de journaux tenus par les explorateurs et reflétaient parfois plus d'imagination que d'observation. En conséquence, les positions exactes des points sur une carte étaient souvent grossièrement erronées.

En 1539, le mathématicien et géographe hollandais Reiner Gemma Frisius a décrit une méthode pour arpenter une zone en la divisant en triangles. Ce concept de triangulation est devenu l'une des techniques de base de l'arpentage sur le terrain et est encore utilisé aujourd'hui. L'un des premiers projets de cartographie à grande échelle utilisant la triangulation a été lancé dans les années 1670 par Giovanni Domenico Cassini, qui avait été persuadé de faire une carte détaillée de la France. Après la mort de Cassini, ses enfants et petits-enfants ont continué à travailler sur le projet. Le résultat final, appelé Carte de Cassini, a été publiée en 1793 et ​​a été la première carte topographique précise d'un pays entier. Son seul inconvénient était le manque général de mesures d'altitude, à l'exception de quelques points d'élévation déterminés en mesurant la variation de la pression atmosphérique avec l'altitude à l'aide d'un baromètre. Le concept de courbes de niveau pour montrer différentes élévations sur une carte a été développé par l'ingénieur français JL Dupain-Triel en 1791. Bien que cette méthode ait permis la représentation précise des courbes de niveau et des élévations sur une carte plate en deux dimensions, elle n'était pas très répandue utilisé jusqu'au milieu des années 1800.

Aux États-Unis, le gouvernement fédéral a reconnu l'importance de cartes topographiques précises dans un pays en croissance rapide. En 1807, le président Thomas Jefferson a créé le Survey of the Coast pour cartographier la côte atlantique afin d'aider aux voyages et au commerce. En 1836, cette organisation a été rebaptisée U.S. Coast Survey, et en 1878, le nom a changé pour U.S. Coast and Geodetic Survey. Entre-temps, la cartographie de l'intérieur du pays incombait à une variété d'individus et d'organisations, y compris l'expédition Lewis et Clark en 1804-1806, qui a cartographié leur itinéraire de St. Louis, Missouri, au nord-ouest du Pacifique. Au cours de la période allant de 1838 jusqu'au déclenchement de la guerre civile en 1861, le Corps of Topographical Engineers de l'armée a apporté des contributions majeures à la cartographie de l'ouest des États-Unis, notamment une carte détaillée publiée en 1848 sur la base des explorations de John Fremont. Dans les années 1870, tant de groupes différents menaient des enquêtes que leurs travaux ont commencé à se chevaucher. Pour consolider cet effort, le U.S. Geological Survey (USGS) a été créé en 1879.

La plupart des premières cartes ont été faites par de laborieuses enquêtes sur le terrain. À partir des années 1930, l'USGS a commencé à utiliser des techniques de photographie aérienne pour produire et mettre à jour des cartes. Dans les années 1980, l'utilisation d'ordinateurs pour numériser et redessiner les cartes existantes a considérablement réduit le temps nécessaire à la mise à jour des cartes dans les zones à croissance rapide.

Aujourd'hui, l'USGS possède plus de 56 000 cartes topographiques des États-Unis à différentes échelles, ainsi que des cartes de la lune et des planètes. Ils publient également des cartes spécialisées, notamment des cartes géologiques, hydrologiques et photographiques pour une variété d'utilisations.

Échelles, symboles,
et couleurs de la carte

Pour être utiles, les cartes topographiques doivent montrer suffisamment d'informations sur une taille de carte pratique à utiliser. Ceci est accompli en sélectionnant une échelle de carte qui n'est ni trop grande ni trop petite et en améliorant les détails de la carte grâce à l'utilisation de symboles et de couleurs.

L'échelle de carte topographique USGS la plus courante est de 1:24 000. À cette échelle, 1 pouce sur la carte représente 24 000 pouces ou 2 000 pieds (1 cm représente 240 m) au sol. Ces cartes sont appelées cartes quadrangulaires de 7,5 minutes parce que chaque carte couvre une zone à quatre côtés sur la surface de la Terre qui est de 7,5 minutes de longitude de large et 7,5 minutes de latitude élevée, où 60 minutes équivaut à un degré d'angle. Étant donné que la distance entre les lignes de longitude se rétrécit à mesure que vous vous déplacez de l'équateur vers les pôles, les largeurs des cartes varient également. Pour les cartes des États-Unis, les cartes mesurent environ 23 pouces (58,4 cm) de large sur 27 pouces (68,6 cm) de haut pour les emplacements sous une latitude de 31 degrés et environ 22 pouces (55,9 cm) de large sur 27 pouces (68,6 cm de haut). ) pour les emplacements au-dessus de cette latitude. Les autres échelles de carte USGS courantes sont 1:63 360, 1:100 000 et 1:250 000. Ces échelles couvrent des zones plus vastes que les cartes au 1:24 000, mais avec moins de détails.

Afin de faciliter l'interprétation des cartes topographiques, des symboles et des couleurs sont utilisés pour représenter diverses caractéristiques naturelles et artificielles. Certains symboles sont conçus pour ressembler à l'entité lorsqu'ils sont vus du dessus. Par exemple, les bâtiments sont affichés sous forme d'objets solides ayant la forme du contour du bâtiment. D'autres symboles sont des représentations universellement reconnues telles qu'une longue ligne avec de petites croix pour représenter un chemin de fer. Les couleurs jouent un rôle encore plus important. Les rivières, lacs et autres plans d'eau sont représentés en bleu. Les forêts et les zones à forte végétation sont indiquées en vert. Les routes secondaires et les autoroutes sont représentées en noir, tandis que les autoroutes principales sont représentées en rouge. Les courbes de niveau, qui représentent la forme du sol lui-même, sont représentées en marron. Les révisions récentes de la carte sont indiquées en violet.

Le processus de fabrication

La production d'une carte topographique précise est un processus long et complexe qui peut prendre jusqu'à cinq ans du début à la fin. Il faut une équipe qualifiée d'arpenteurs, de graveurs, de vérificateurs de faits, d'imprimeurs et d'autres pour produire une bonne carte. Voici une séquence d'opérations typique utilisée par le U.S. Geological Survey pour produire une carte topographique quadrangulaire de 7,5 minutes.

Photographier la zone

• 1 La zone à cartographier doit d'abord être photographiée depuis les airs. Chaque section de sol est photographiée sous deux angles différents pour fournir une image tridimensionnelle stéréoscopique qui peut être convertie en courbes de niveau. Le ciel doit être dégagé et le soleil doit être à l'angle approprié pour le type de terrain photographié. Saisonnier Chaque section de terrain est photographiée sous deux angles différents pour fournir une image tridimensionnelle stéréoscopique qui peut être convertie en Lignes de contour. facteurs doivent également être pris en considération. Par exemple, dans les zones où il y a des arbres à feuilles caduques, les photos sont généralement prises entre la fin de l'automne et le début du printemps, lorsque les arbres sont nus et que les caractéristiques du sol sous-jacent sont plus visibles.
• 2 L'avion survole la zone à une altitude constante dans une direction nord-sud le long de trajectoires de vol soigneusement déterminées tandis que des caméras spéciales prennent 10 photographies précisément positionnées de chaque quadrilatère. Chaque caméra peut coûter 250 000 $ ou plus.

Arpentage des points de contrôle

• 3 Pour assurer l'exactitude d'une carte, l'emplacement exact des différents points de contrôle doit être établi par des relevés de terrain. Les points de contrôle typiques peuvent être l'intersection de deux routes ou d'autres éléments importants dans la zone de la carte. Les points de contrôle horizontaux sont levés pour déterminer la longitude et la latitude, tandis que les points de contrôle verticaux sont levés séparément pour déterminer les élévations. L'emplacement et l'élévation de ces points de contrôle aident les cartographes à positionner correctement les images de photos aériennes et à attribuer des valeurs aux courbes de niveau.
• 4 Pendant que les géomètres sont sur le terrain, ils recherchent également des caractéristiques qui peuvent nécessiter une vérification plus approfondie, telles que des routes ou des ruisseaux cachés sous le feuillage en surplomb, ou des bâtiments qui peuvent avoir été construits ou démolis depuis la prise de photographies aériennes.

Vérification des caractéristiques de la carte

• 5 Certaines fonctionnalités de la carte peuvent nécessiter une vérification supplémentaire. Par exemple, certains cours d'eau peuvent ne fonctionner que par intermittence, auquel cas ils seraient représentés sur la carte par un tiret-point ou un poids plus léger au lieu d'une ligne continue. Certaines routes peuvent s'avérer être des routes privées, plutôt que des routes publiques, et celles-ci doivent être balisées. Les contrôleurs sur le terrain se rendent dans la zone et vérifient ces caractéristiques en discutant avec les résidents locaux ou en consultant les registres de propriété locaux. Toutes les caractéristiques douteuses notées par les équipes d'enquête doivent également être vérifiées. L'orthographe correcte des noms de lieux doit être déterminée.

Compilation du manuscrit de la carte

• 6 Une fois la zone étudiée et toutes les caractéristiques vérifiées, les paires de photographies aériennes superposées sont placées dans un projecteur stéréoscopique. Une image est projetée vers l'œil gauche de l'opérateur et l'autre image vers son œil droit. Le résultat est une vue en trois dimensions du terrain. Deux petits faisceaux de lumière sont connectés à un pointeur et sont ajustés pour se croiser dans un petit point blanc correspondant à une élévation donnée sur l'image de terrain en trois dimensions. Par Pour assurer l'exactitude d'une carte, la localisation exacte des différents points de contrôle doit être établie par champ enquêtes. Un scribecoat séparé est fait pour chaque couleur utilisée. en déplaçant le pointeur tout en maintenant les deux faisceaux focalisés dans un point, l'opérateur trace chaque ligne de contour du sol et l'emplacement de divers éléments. Le pointeur est connecté à un stylo sur la table de traçage qui dessine le contour ou l'entité tracée. Tous les contours et caractéristiques sont dessinés en noir à ce stade. Ce processus est appelé compilation du manuscrit de la carte.
• 7 Une fois le traçage terminé, la carte manuscrite terminée est photographiée et un film négatif de la taille d'une carte est réalisé. Ce négatif est reproduit photochimiquement sur plusieurs feuilles de plastique minces recouvertes d'un revêtement doux et translucide appelé scribecoat.

Scribe et édition de la carte

• 8 Les feuilles de plastique sont prises une par une et placées sur une table lumineuse, où une douce lumière brille à travers une surface en plastique blanc. Cet éclairage par le bas rend les lignes de la carte manuscrite visibles à travers le scribecoat. Un graveur découpe soigneusement la couche de scribe le long des lignes et des zones qui doivent avoir une certaine couleur sur la carte finie. Par exemple, une feuille contiendra toutes les lignes des rivières, lacs et autres plans d'eau qui doivent être bleues. Ce processus est répété pour chaque couleur.
• 9 Des feuilles séparées pour le lettrage sont préparées en plaçant une feuille de plastique transparent sur chaque feuille tracée et en alignant soigneusement le lettrage avec les caractéristiques à étiqueter. Les tailles de caractères, les styles et les polices sont sélectionnés selon des normes, ce qui garantit la cohérence et la lisibilité d'une carte à l'autre. Un film négatif est ensuite réalisé à partir de chaque feuille type finie.
• 10 Après que les feuilles tracées aient été revues et modifiées plusieurs fois, une épreuve couleur est réalisée en exposant chaque feuille sous une lumière de couleur différente pour produire une impression couleur qui ressemble beaucoup à la carte finie. Après un examen et une édition supplémentaires, la carte est prête à être imprimée.

Impression de la carte

• 11 Une plaque de presse est préparée pour chaque couleur de carte en exposant les feuilles tracées et les négatifs de lettrage. Le papier est chargé dans une presse d'impression lithographique et la première couleur est imprimée. La plaque de presse et l'encre sont changées et le papier est passé dans la presse une deuxième fois pour imprimer la deuxième couleur. Ce processus est répété jusqu'à ce que toutes les couleurs aient été imprimées. Certaines des plus grandes presses peuvent imprimer jusqu'à cinq couleurs en séquence sans changer de plaque ni recharger le papier.

Contrôle qualité

L'USGS utilise les normes nationales de précision des cartes établies en 1947. À partir de 1958, l'USGS a commencé à tester la précision de ses cartes en vérifiant sur le terrain 20 points ou plus bien définis sur environ 10 % des cartes produites chaque année.

Pour une carte de 7,5 minutes à l'échelle 1:24 000, la norme de précision horizontale exige que les emplacements indiqués sur la carte pour au moins 90 % des points vérifiés soient précis à moins de 12,2 m (40 pi) des emplacements réels au sol. . La norme de précision verticale exige que les altitudes indiquées sur la carte pour au moins 90 % des points vérifiés soient précises à la moitié de l'intervalle de contour au sol. Pour une carte avec des intervalles de contour de 10 pi (3 m), cela signifie que les élévations indiquées sur la carte doivent être précises à moins de 5 pi (1,5 m) des élévations réelles au sol. Pour vous donner une idée de ce que ces normes signifient pour les cartographes, la norme de précision horizontale exige que l'emplacement d'au moins 90 % des points de contrôle sur la carte soit tracé à moins de 0,02 po (0,05 cm) de la position correcte.

Le futur

La plupart des cartes topographiques actuellement utilisées ont été produites manuellement. Pour les cartographes, cependant, l'avenir est là aujourd'hui. Un réseau bien établi de satellites de navigation constitue la base du système de positionnement global (GPS). Ce système permet aux arpenteurs sur le terrain de déterminer avec précision les positions horizontales à quelques mètres près, même sur les terrains les plus reculés où les techniques d'arpentage conventionnelles sont impossibles.

D'autres satellites transportant une variété de capteurs pourraient bientôt remplacer la méthode de photographie aérienne pour faire des cartes. Le premier d'une série de satellites Landsat a été lancé en 1972 et, en 1984, ils pouvaient détecter des objets à la surface de la Terre d'une taille d'environ 30 m. En 1998, une société américaine se préparait à lancer un satellite capable de détecter des objets aussi petits que 3 pi (1 m), qui produirait des images avec autant de détails que les cartes actuelles USGS de 7,5 minutes. Plus important encore, ces images seraient capturées et transmises sous forme de données numériques, qui pourraient ensuite être traitées et imprimées par des ordinateurs. Cela réduirait considérablement le temps requis pour produire ou mettre à jour les cartes et améliorerait également la précision globale.