La topographie (du grec topos = lieu et graphein = dessiner) est la science qui permet la mesure puis la représentation sur un plan ou une carte des formes et détails visibles sur le terrain, qu'ils soient naturels (notamment le relief et l'hydrographie) ou artificiels (comme les bâtiments, les routes, etc.). Son objectif est de déterminer la position et l'altitude de n'importe quel point situé dans une zone donnée, qu'elle soit de la taille d'un continent, d'un pays, d'un champ ou d'un corps de rue.

La topographie s'appuie sur la géodésie qui s'occupe de la détermination mathématique de la forme de la Terre (forme et dimensions de la Terre, coordonnées géographiques des points, altitudes, déviations de la verticale...). La topographie s'intéresse aux mêmes quantités, mais à une plus grande échelle, et elle rentre dans des détails de plus en plus fins pour établir des plans et cartes à différentes échelles. La cartographie proprement dite est l'art d'élaborer, de dessiner les cartes, avec souvent un souci artistique et ne doit pas être confondue avec la topographie.

Mais la topographie, nom générique, n’est qu’un aspect des sciences dites géographiques, au répertoire desquelles nous trouvons la topométrie, la géodésie, la photogrammétrie, la géomatique, etc.

Par extension, la topographie se dit aussi de la disposition ou du relief d'un lieu, voire de la description d'une personne dans son aspect physique et moral.

La notion de géomètre est souvent utilisée à la place de topographe. La distinction provient de la notion de droit foncier, le topographe peut réaliser des relevés mais sans valeur contradictoire et encore moins légale (aspect du droit foncier).

Histoire

Théodolite en 1900

Les premières traces de mesures de la surface de la terre semblent dater des Égyptiens, pour la construction des pyramides, pour remettre en place les limites de cultures après les crues du Nil mais aussi pour délimiter les terres soumises à l'autorité du pharaon. De nombreuses stèles ont été retrouvées au proche-orient. Il semble, comme le précise Hérodote, que le peuple égyptien disposait déjà d'un cadastre.

À partir de l'Empire romain, les arpenteurs ont été chargés de borner les terres, divisant les champs et mesurant ainsi le territoire en vue de l'application de l'impôt. Ils sont aussi chargés d'implanter les bâtiments et les routes. Les conquêtes des romains et leurs constructions démontrent une grande pratique basée en partie sur l'angle droit. L'une des fonctions essentielles des arpenteurs romains fut la réalisation d'un cadastre. Une fois la prise de mesures réalisée sur le terrain, l'ensemble du plan était transcrit sur des plaques de marbre en deux exemplaires identiques dont l'une était destinée aux archives de l'état, formant ainsi un cadastre juridique et technique.

En France pendant le Moyen Âge, les Mérovingiens, se contentent de maintenir l'organisation romaine. Les Carolingiens instaureront la taille, impôt au profit du Roi, qui nécessite la restauration des documents terriers mais sans mesurages. C'est à la Renaissance que les premiers plans de ville sont réalisés.

Mercator introduisit les premières projections sur globe et par ainsi les corrections de courbure de la terre sur les plans.

On peut citer quelques topographes célèbres, Claude Chastillon (1559-1616) fut le topographe du roi de France Henri IV pour lequel il réalisa 544 gravures. Jean-Dominique Cassini IV (1748-1845) fut chargé de terminer la carte de France entamée par son père, qui ne fut achevée qu'en 1815.

Les outils topographiques

Télémètre laser et l'ordinateur de terrain utilisés pour des relevés topographiques, technologie « Field-Map ».

Tachéomètre moderne

La lunette est adaptée à la topographie au XVII siècle. À cette époque l'instrument essentiel de l'arpenteur est la planchette (ou goniographe). Cet instrument est uniquement composé d'une lunette et d'une planche en bois. C'est au XX siècle que le théodolite apparaît. Il permet de mesurer des angles horizontaux et verticaux.

Depuis les années 1950 et 1960, les techniques évoluent. Avec l'invention des distancemètres électroniques, le théodolite électronique ou le tachéomètre, permettent à la fois de mesurer les distances et les angles. Jusque là, la mesure des distances se faisait à l'aide de rubans gradués (dits chaînes d'arpenteurs) : ces inventions constituent donc une évolution très significative dans le travail des topographes de terrain, presque une révolution.

Depuis les dernières décennies, l'apparition de l'électronique puis de l'informatique ont donné naissance à de nouvelles techniques de levé et de traitement des données : stations totales motorisées et télécommandées, positionnement par satellites (notamment GLONASS ou le plus connu : GPS), niveaux à code-barres, télémètre laser, etc.

Le but de la topographie

La topographie permet de mener des travaux à l'échelle d'une ville ou d'un pays en utilisant une représentation planimétrique (planimétrie) et altimétrique (altimétrie) identique sur l'ensemble de son territoire. Ces travaux peuvent être des constructions d'autoroutes, de ponts, de canaux, tunnels, etc.

Les travaux de topographie sont menés par des géomètres, des topographes ou des géomètres-experts.

Dans une perspective linguistique, la topographie sert à décrire l'espace d'un lieu. Elle fait partie de la typologie descriptive qui regroupe plusieurs types de descriptions selon l'objet décrit. Dans le domaine informatique, on parle par exemple de topographies de circuits intégrés, qui fait l'objet d'une protection intellectuelle via une loi propre au Canada.

La topographie dans l'espace

Exemple de carte topographique

Les cartes topographiques sont une représentation géométrique, en général plane, d'une partie de la Terre.

En France on utilise la projection de Lambert, afin de déterminer avec précision des points, appelés points géodésiques, qui seront connus en coordonnées. À l'aide de cette projection, on peut déterminer la position virtuelle de n'importe quel point situé sur le sol français. Celle-ci sera très proche de sa position réelle, de l'ordre de quelques décimètres.

Le système altimétrique français est le système IGN 69. Le niveau zéro du Niveau Général de la France (NGF) se situe au marégraphe de Marseille.

Sur chaque carte, l'échelle de représentation est toujours présente. Un quadrillage indiquant les coordonnées peut aussi être représenté, ainsi que des lignes de niveaux (Isohypse) représentant l'altimétrie.

Un curvimètre mécanique

Les cartes peuvent ne faire figurer que certains éléments du territoire à différentes échelles. Il existe ainsi des cartes d'intérêt général pour les particuliers (notamment les cartes IGN) et d'autres adaptées aux besoin plus spécifiques des professionnels. Les cartes au 1/25000 présentent les courbes de niveaux, les forêts, les routes, les villes, etc. Elles sont utiles pour les randonnées. Les cartes adaptées aux travaux publics sont à l'échelle du chantier et indiquent l'emplacement des futures constructions et les évolutions en cours.

Le service topographique national français s'appelle l'Institut géographique national (IGN).

Les cartes à plus grande échelle que sont les plans du cadastre sont, topographiquement, de qualités très inégales. Malgré le rattachement de tous au système Lambert, il reste imprudent de tirer des conclusions de discordances entre plan et terrain sans le conseil d'un professionnel.

Le curvimètre est un des instruments utilisé pour la mesure des courbes sur les cartes. Instrument utile car il permet grâce à sa roue ou à sa bille de calculer les distances en les retraçant sur la carte mais en plus, les curvimètres sont dotés de graduations d'échelle ou d'une conversion électronique entre la distance mesurée et la distance réelle.

Le planimètre sert à mesurer des surfaces sur des plans et des cartes.

Les disciplines associées

La topométrie

La topométrie concourt à la connaissance des lieux sous forme numérique : le topomètre mesure pour établir un modèle numérique du terrain dont le plan n’est qu’une image dressée à une échelle donnée. Selon les textes, « la topométrie s’appuie sur les points géodésiques et les repères de nivellement pour représenter la planimétrie (projection des détails naturels, artificiels et conventionnels de la surface de la terre sur un plan tangent) et l’altimétrie (représentation du relief) à grandes échelles. »

La géodésie

La géodésie est la science qui étudie les formes et les dimensions de la terre, mais aussi ses propriétés physiques, gravité, champ de pesanteur, et dont les travaux aboutissent à la représentation plane de vastes étendues. Selon les textes, « elle comprend l’établissement des canevas de références horizontaux et verticaux des 3 premiers ordres, l’astronomie de position, les mesures gravimétriques et la détermination du champ de pesanteur en utilisant des instruments conventionnels et électroniques, la photogrammétrie, l’inertiel, les satellites et autres moyens appropriés. »

La photogrammétrie

C'est l'art permettant de déterminer et de représenter des objets à partir d'images numériques ou argentiques. On parle de photogrammétrie aérienne ou terrestre.

La télédétection spatiale

La télédétection englobe toutes les techniques de mesures sans contact, cependant on distingue habituellement cette discipline de la lasergrammétrie et la photogrammétrie.

La lasergrammétrie

Véritable innovation technologique, la lasergrammétrie ou relevé par laser-scanner 3D permet l’acquisition, sans contact d’objet, de grandes scènes complexes en trois dimensions. Les résultats sont de véritables présentations numériques des objets et scènes scannées par le levé de plusieurs millions de points tridimensionnels par seconde.

Son utilisation apporte un gain de précision dans les mesures tout en offrant dans les plus brefs délais de nouvelles perspectives de résultats et de valorisation.

Cette technologie est aussi bien connue sous le nom de Lidar (Light Detection and Ranging).

La bathymétrie

La bathymétrie consiste à déterminer la forme des fonds aquatiques : étude des rivières, des rivages pour des projets d’installations portuaires. Le géomètre-topographe est rarement amené à utiliser un sondeur bathymétrique, mais peut en exploiter les résultats couplés, par exemple, à des coordonnées GPS ou à un nuage (scan) de points 3D. La bathymétrie est plutôt du ressort des hydrographes. Le lidar (lidar bathymétrique) peut être utilisé, alors avec un laser bleu vert qui pénètre facilement l'eau si elle n'est pas turbide ni trop riche en plancton.

L'astronomie

Il est important de se rappeler le lien entre l'astronomie de position et la géodésie.

La cartographie

Dans cette rubrique, le terme cartographie s'entend pour la notion de représentation cartographique. La cartographie est la représentation conventionnelle sur support physique ou numérique de tous les détails naturels et artificiels et mouvements du terrain qui caractérisent une portion de la surface du sol.

Système d'information géographique

Un système d'information géographique (SIG) est un système d'information conçu pour recueillir, stocker, traiter, analyser, gérer et présenter tous les types de données spatiales et géographiques. L’acronyme SIG est parfois utilisé pour définir les « sciences de l’information géographiques » ou « études sur l’information géospatiales ». Cela se réfère aux carrières ou aux métiers qui travaillent avec des systèmes d’information géographique et dans une plus large mesure avec les disciplines de la géo-informatique. Ce que l’on peut observer au-delà du simple concept de SIG a trait aux données de l’infrastructure spatiale.

测绘学研究测定和推算地面几何位置、地球形状及地球重力场，据此测量地球表面自然物体和人工设施的几何分布，编制各种比例尺地图的理论和技术的学科。测绘学的研究对象是地球的形态、位置、重力分布等地理空间信息，因而测绘学可认为是地球科学的一个分支学科。近年来，测绘学的研究对象还从地球表面扩大到了地外空间及地球内部构造等领域。

测绘学的发展

测绘学的进步倚赖人类对地球形状认识的深化、地图制图技术的提高和测绘仪器的创新及变革。 在世界上古史时代，就有利用测绘学治理尼罗河泛滥后农田边界的说法。公元前7世纪，管仲在其所着《管子》一书中已收集了早期的地图27幅。公元前5世纪至3世纪，中国已有利用磁石制成最早的指南工具“司南”的记载。公元前2世纪，在《史记·夏本纪》中就记载有大禹治水时“左准绳，右规矩”，说明当时已经有简单的测绘活动。 地球形状的认知 测绘学研究的是地球，而人类对地球形状的认识也出于不断的变化中。最初人们认为地球乃“天圆地方”，直到公元前6世纪毕达哥拉斯和公元前4世纪亚里士多德提出了“地圆说”。公元前3世纪，埃拉托斯特尼在亚历山大进行观测日影，推算出了子午圈的长度以及地球的半径，证实了地圆说，而该种方法则是“弧度测量”的初始形式。17世纪末，牛顿和惠更斯从力学原理出发，认为地球是两极稍扁的椭球形，称“地扁说”。18世纪中期法国科学院在南美洲和欧洲进行的弧度测量证实了“地扁说”。19世纪，随着测量得来的数据，拉普拉斯和高斯相继指出，地球并非为完美的椭球。1873年，利斯汀提出了大地水准面的概念，以与包围地球的静止海面重合的一个重力等位面表示地球的形状。1945年，莫洛坚斯基利用地球重力测量数据，才确定了地球的真实形状。 制图技术的发展 地理大发现时期绘制的地图 测绘学的成果之一是地图，因此测绘学发展的重要标志便是地图制图技术的提高。最早的地图刻画在陶片、铜板上，可靠性不高。公元前3世纪，埃拉托斯特尼首先将**线运用于地图上。公元前130年，西汉初期便有了《地形图》和《驻军图》，为目前所发现中国最早的地图。公元2世纪，托勒密在《地理学指南》中便阐述了编制地图的方法，并提出了地图投影问题。其后，西晋的裴秀创立了“制图六体”，使地图的可靠性得到了提升。第二次世界大战以后，计算机制图技术迅速发展，并由计算机辅助制图发展为多位一体的地理信息系统。 测绘仪器的变革 测绘学所依仗的工具是测绘仪器，因此测绘学的发展离不开测绘工具的革新。早期的测绘使用的是简单的绳尺、矩尺等，17世纪望远镜发明，测绘工具开始变革。1617年，威理博·斯涅尔发明了“三角测量法”，开创了角度测量。1730年，西森研制出测角用**仪。地理大发现开始后，许多国家研究出了海上测定**度的仪器以定位船只。19世纪50年代，洛斯达首创摄影测量法。20世纪以后，随着飞机的发明，出现了航空摄影测绘地图的方法。人造卫星升空后，卫星定位技术（GPS）和遥感技术（RS）得以广泛应用，这与地理信息系统技术（GIS）合称“3S技术”。

学科分支

大地测量学是一门量测和描绘地球表面的学科，也包括确定地球重力场和海底地形。

摄影测量学是研究利用被摄物体影像来重建物体空间位置和三维形状技术的学科。

地图（制图）学是研究地图的理论、编制技术与应用方法的科学。

工程测量学是研究工程建设和自然资源开发中进行测量工作的理论。

海洋测绘学是以海洋和海底为对象进行测量和编制海图的理论。

测量数据处理是研究如何消除各种误差并判定精度，如何处理分析各种形式的测量数据进行合理预报等的数学手段。