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地形学とは、地表面の形状や特徴を研究する学問である。ある地域の地形とは、地形そのものや特徴を指す場合もあれば、地図上の記述や描写を指す場合もある。
地形学は地球科学および惑星科学の一分野であり、一般的に地形の詳細、すなわち起伏だけでなく、道路、土地の境界、建物などの自然、人工、文化的な特徴も対象としています。 [ 1 ]米国では、地形学はしばしば起伏を特に意味しますが、USGSの地形図には等高線だけでなく、道路、居住地、建造物、土地の境界なども記録されています。[ 2 ]
狭義の地形学とは、起伏や地形、つまり地表面の三次元的な性質を記録し、特定の地形を識別することを指します。これは地形計測学とも呼ばれます。現代では、これはデジタル形式の標高データ（DEM ）の生成を伴います。等高線、等高線による色分け、陰影表現など、さまざまな地形表現技術を用いて地図上に地形を図示することも、地形学に含まれると考えられています。
地形学という用語は古代ギリシャに起源を持ち、古代ローマでも場所の詳細な記述として使われ続けました。この言葉はギリシャ語のτόπος（topos、「場所」）と-γραφία（-graphia、「書くこと」）に由来します。[ 3 ]古典文学では、これは場所について書くことを指し、現在では主に「地方史」と呼ばれています。イギリスやヨーロッパ全般では、地形学という言葉は今でも元の意味で使われることがあります。[ 4 ]
イギリスで行われた詳細な軍事測量（18世紀後半から始まった）はOrdnance Surveysと呼ばれ、この用語は20世紀まで地形測量と地図の総称として使われました。[ 5 ]フランスで最初に行われた科学的測量は、4世代にわたって地図を作成したカッシーニ家の名にちなんでカッシーニ地図と呼ばれました。 [ 6 ]「地形測量」という用語はアメリカ起源のようです。アメリカ合衆国で最初に行われた詳細な測量は、1812年の戦争中に設立された「陸軍地形局」によって行われ、[ 7 ] 1838年に地形工兵隊となりました。[ 8 ] 1878年にアメリカ合衆国地質調査所が国家地図作成の業務を引き継いだ後も、地形という用語は詳細な測量と地図作成プログラムの一般的な用語として残り、他のほとんどの国でも標準として採用されています。
20世紀には、地形学という用語は、より広い意味での地図作成が用いられる他の分野、特に神経学などの医学分野において、地表面の記述を表すために使われるようになった。
地形学の目的は、緯度、経度、高度といった水平座標系を用いて、あらゆる地形的特徴、より一般的にはあらゆる地点の位置を特定することである。地形の特徴を識別（命名）し、典型的な地形パターンを認識することも、この分野の一部である。
地形調査は様々な理由で行われる。軍事計画や地質調査は測量プログラムを開始する主な動機となってきたが、地形や地表の特徴に関する詳細な情報は、あらゆる主要な土木工事、公共事業、または埋め立て事業の計画と建設に不可欠である。
地形を研究するには様々な方法がある。どの方法を用いるかは、研究対象地域の規模や大きさ、アクセスしやすさ、既存の測量データの質によって決まる。
測量とは、セオドライト、ダンプレベル、クリノメーターなどの測量機器を用いて、点の地上または三次元空間上の位置、および点間の距離と角度を正確に決定する作業である。
GPSやその他の全地球航法衛星システム（GNSS）も利用されている。
最初の地形図の一つを作成する作業は、偉大なイタリアの天文学者ジョヴァンニ・ドメニコ・カッシーニによってフランスで始められた。
リモートセンシングによって情報収集のプロセスが大幅にスピードアップし、長距離にわたる精度管理も向上したとはいえ、直接測量は、手動測量であれGISベースであれ、あらゆる地形測量作業の基本的な基準点と枠組みを提供している。
大規模な直接測量と地図作成プログラムが実施された地域（例えば、ヨーロッパの大部分と米国本土）では、収集されたデータがUSGSのDEMデータなどの基本的なデジタル標高データセットの基礎となります。このデータは、測量間の不一致を解消するために「クリーニング」する必要がある場合が多いですが、それでも大規模な分析にとって貴重な情報源となります。
当初のアメリカの地形測量（あるいはイギリスの「陸地測量局」による測量）は、地形の起伏を記録するだけでなく、ランドマークとなる地形や植生被覆を特定することも含まれていた。
リモートセンシングとは、対象地域から離れた場所で地理データを収集する一般的な用語である。
レーザースキャナを使用した地形測量（一般にライダー（Light Detection and Ranging ）として知られる）は、景観、建築構造物、地形の高解像度空間データを垂直精度10センチメートルで取得する方法です。これらの測量では、毎秒数百万のレーザーパルスを発射するレーザースキャナを使用します。これらのパルスが地面から反射または跳ね返る際の伝搬時間が測定され、スキャンされた環境を表す詳細な点群が作成されます。[ 9 ] [ 10 ]ライダーの成果物には、デジタル標高モデル（DEM）が含まれます。これは、裸地の地形表面（植生、建物、その他の地表オブジェクトを除く）を表すものです。[ 11 ]
写真測量における役割に加え、航空写真や衛星画像は、地形の特徴やより一般的な土地被覆の特徴を識別・区画するためにも利用できます。地図やGISシステムなど、地理空間の可視化において、これらの画像はますます重要な役割を果たすようになっています。擬似カラー画像や非可視スペクトル画像は、植生やその他の土地利用情報をより明確に区画することで、地形の把握にも役立ちます。画像は可視色だけでなく、他のスペクトルでも表現できます。
写真測量法は、異なる位置（通常は航空写真撮影飛行の異なるパス）から撮影された2枚（またはそれ以上）の写真画像で測定を行い、対象物の3次元空間における点の座標を決定する計測技術です。この技術では、各画像上で共通点が特定されます。カメラの位置から対象物上の点まで視線（または光線）を構築できます。点の相対的な3次元位置は、これらの光線の交点（三角測量）によって決定されます。既知の基準点を使用することで、これらの相対位置に絶対値を与えることができます。より高度なアルゴリズムでは、事前に知られているシーンに関するその他の情報（例えば、特定のケースにおける対称性など、カメラの1つの位置からのみ3次元座標を再構築できる場合）を活用できます。
衛星レーダーによるマッピングは、デジタル標高モデル（下記参照）を作成する主要な技術の一つです。同様の技術は、ソナーを用いた海底地形測量にも応用されています。近年では、電波の代わりにレーザーを用いるリモートセンシング技術であるライダーが、樹冠の測量や氷河のモニタリングといった複雑なマッピングニーズに対応するために、ますます広く利用されるようになっています。
地形は一般的に、ベクトル（不規則三角形網またはTIN）またはグリッド（ラスター画像）の数理モデルを使用してモデル化されます。環境科学のほとんどのアプリケーションでは、地表面はグリッドモデルを使用して表現およびモデル化されます。土木工学およびエンターテイメント業界では、地表面の表現のほとんどにTINモデルの何らかのバリエーションが使用されています。地質統計学では、地表面は一般的に、滑らかな（空間的に相関のある）信号と粗い（ノイズ）信号という2つの信号の組み合わせとしてモデル化されます。
実際には、測量士はまずあるエリアの高さをサンプリングし、それらを使用してTINの形式でデジタル地表面モデルを作成します。DLSM は、地形の視覚化、リモートセンシング画像の重ね合わせ、地表面の生態学的特性の定量化、または地表面オブジェクトの抽出に使用できます。等高線データやその他のサンプリングされた標高データセットは DLSM ではありません。DLSM は、調査エリアの各場所で標高が連続的に利用可能であることを意味し、つまり、マップが完全な表面を表します。デジタル地表面モデルは、樹冠、建物、および同様のオブジェクトの表面であるデジタル表面モデルと混同しないでください。たとえば、ライダー技術を使用して作成された表面モデルの場合、樹冠の頂上から実際の固体の地表面まで、複数の表面を持つことができます。2 つの表面モデルの差を使用して、体積測定値 (樹木の高さなど) を導出できます。
地形測量情報は、歴史的に測量士の記録に基づいて作成されてきた。測量士は、地名や文化に関する情報を他の地域資料から得ている場合がある（例えば、境界線は地域の地籍図から得られる）。これらの野帳は歴史的に興味深いものであるが、本質的に誤りや矛盾を含んでおり、それらは地図作成の後の段階で修正される。
野帳と同様に、リモートセンシングデータ（例えば、航空写真や衛星写真）も未加工で解釈されていないデータです。そのため、（例えば雲量による）欠落や（特定の画像撮影のタイミングによる）矛盾が生じる可能性があります。現代の地形図作成においては、リモートセンシングデータが大きな割合を占めています。
現代の定義では、地形図は地形の起伏を示すものである。米国では、USGS（米国地質調査所）の地形図は等高線を用いて起伏を示している。USGSは、地形測量に基づいて作成されたものの等高線のない地図を「平面図」と呼んでいる。
これらの地図には、等高線だけでなく、主要な河川やその他の水域、森林被覆、市街地や個々の建物（縮尺による）、その他の地形や見どころなども示されています。
公式には「地形図」ではないものの、他国の国家測量図は多くの点で共通点があり、そのためしばしば「地形図」と呼ばれる。
既存の地形測量図は、その包括的かつ百科事典的な網羅性から、多くの派生地形作業の基礎となっている。例えば、デジタル標高モデルは、新しいリモートセンシングデータからではなく、既存の紙の地形図から作成されることが多い。多くの政府機関や民間出版社は、既存の地形図シートの図案（特に等高線）を、独自の専門的な地形図や更新された地形図の基礎として使用している。[ 12 ]
地形図作成と地質図作成を混同してはならない。後者は、地表の識別可能な特徴ではなく、地表の下にある構造やプロセスに関心を持つ。
デジタル標高モデル（DEM）は、地球全体または一部（あるいは地球型惑星）の地形（高度分布および／または水深分布）を表すラスターベースのデジタルデータセットです。データセットの各ピクセルには標高値が割り当てられ、データセットのヘッダー部分では、対象領域、各ピクセルがカバーする単位、標高の単位（およびゼロ点）が定義されます。DEMは、既存の紙地図や測量データから作成することも、新しい衛星データやその他のリモートセンシングによるレーダーまたはソナーデータから生成することもできます。
地理情報システム（GIS）は、デジタル保存された空間データ内に存在する空間的な関係を認識し、分析することができます。これらのトポロジー的な関係により、複雑な空間モデリングと分析が可能になります。幾何学的実体間のトポロジー的な関係には、従来、隣接関係（何が何に隣接しているか）、包含関係（何が何を囲んでいるか）、近接関係（あるものが他のものにどれだけ近いか）などが含まれます。
地形学は様々な科学分野に応用されている。神経科学では、脳画像分野で脳マッピングにEEGトポグラフィーなどの技術が用いられている。眼科学では、角膜トポグラフィーが角膜表面の曲率をマッピングする技術として用いられている。組織工学では、原子間力顕微鏡がナノトポグラフィーのマッピングに用いられている。
人体解剖学において、地形学とは人体の表面解剖学のことである。
数学において、地形という概念は、地図上の地形の特徴のパターンや一般的な配置を示すために用いられるか、あるいは変数（またはその値）が空間内でどのように分布しているかを示すパターンを指す用語として用いられる。
地形学者は地形の専門家です。彼らは場所や地域の地表の特徴を調査し、記述します。