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1 Università degli Studi di Cassino Facoltà di Ingegneria La ricerca del vicino Aspetti teorici e sperimentali della moderna Geomatica Maria Grazia D Urso Cassino, 31 maggio 2011

2 Che cos è la Geomatica DEFINIZIONE La Geomatica è definita come un approccio sistematico integrato multidisciplinare per selezionare gli strumenti e le tecniche appropriate per acquisire(in modo metrico e tematico), integrare, trattare, analizzare, archiviare e distribuire dati spaziali geodefiniti con continuità in formato digitale

3 Che cos è la Geomatica DISCIPLINE Le discipline che costituiscono la geomatica sono: Geodesia Topologia Cartografia Fotogrammetria Telerilevamento Sistemi di posizionamento satellitare (GNSS,GPS, Glonass,Galileo, ecc.) Sistemi di scansione laser Sistemi XXXX territoriali o Geographical Information System (GIS) Web GIS

4 Cartografia e GIS: algoritmo pointpolygonal-test Si consideri un filo di lunghezza indefinita e γ la sua densità di carica elettrica costante CAMPO ELETTROSTATICO IN UN PUNTO ARBITRARIO Q DI TALE PIANO: γ r(q) E = 2 πò r(q) r(q) TEOREMA DI GAUSS: F γ = ò ove F è il flusso del campo elettrostatico attraverso la sola superficie laterale del cilindro

5 Cartografia e GIS: algoritmo pointpolygonal-test xi pi = yi r ( si ) n( si ) df ( si ) = E( si ) n( si )dsi = c dsi r ( si ) r ( si ) li Fi = df ( si ) 0 r j rij ri rij Fi = c arctg arctg = cfi 2 Aij p 2 Aij p n n i =1 i =1 F = Fi = c fi n 1 e ricordando il teorema di Gaussdell algoritmo Figura 2 Uno dei poligonali impiegati nella verifica fi = 1 2π i =1 e la definizione della costante c

6 Geodesia: nuova espressione del potenziale gravitazionale

7 Geodesia: nuova espressione del potenziale gravitazionale

8 Geodesia: nuova espressione del potenziale gravitazionale

9 Geodesia: nuova espressione del potenziale gravitazionale

10 Geodesia: nuova espressione del potenziale gravitazionale

11 Geodesia: nuova espressione del potenziale gravitazionale

12 Geodesia: nuova espressione del potenziale gravitazionale

13 Sistemi si scansione laser e fotogrammetria: algoritmo per l integrazione di misure da laser scanning e fotogrammetria digitale Obiettivo dell algoritmo di integrazione è quello di stabilire una corrispondenza biunivoca tra i punti appartenenti alla nuvola e quelli nell immagine fotogrammetrica

14 Sistemi si scansione laser e fotogrammetria: algoritmo per l integrazione di misure da laser scanning e fotogrammetria digitale R R = d sin( α ) 2 = d sin( α )

15 Sistemi si scansione laser e fotogrammetria: algoritmo per l integrazione di misure da laser scanning e fotogrammetria digitale R R = 3 d sin( α ) 2 = 3 d sin( α )

16 Sistemi si scansione laser e fotogrammetria: algoritmo per l integrazione di misure da laser scanning e fotogrammetria digitale Diagramma Esplicativo della Logica di funzionamento del software d Integrazione

17 Sistemi si scansione laser e fotogrammetria: algoritmo per l integrazione di misure da laser scanning e fotogrammetria digitale

18 Sistemi si scansione laser e fotogrammetria: algoritmo per l integrazione di misure da laser scanning e fotogrammetria digitale

19 Sistemi si scansione laser e fotogrammetria: algoritmo per l integrazione di misure da laser scanning e fotogrammetria digitale

20 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali Classificazione di dati spaziali Gli algoritmi di classificazione di dati spaziali permettono di rappresentarli in uno spazio geometrico. Tra i metodi di classificazione dei dati spaziali è trattato il metodo del calcolo dei MOMENTI GEOMETRICI Viene di seguito descritto un algoritmo per il calcolo dei momenti geometrici di ordine qualsiasi per figure piane arbitrarie

21 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali In un dominio W piano e regolare : [ M ] 1 x da Ω = y da Ω Algoritmo Calcolo dei Momenti Geometrici in domini piani = Ω m è la generica componente del tensore di ordine z=p+q simbolo M0 = ò da (3) M W 1 r da (4) pq = Ω p q x y da M z = r r... r dalla (2) per z=0 per z=1 per z=2 Ω z volte da denota prodotto diadico (1) (2) M2 = r r da (5) Momento ordine zero Momento di primo ordine Momento di secondo ordine Il vettore associato al momento di ordine M1 e la matrice associata al momento di ordine 2, M2 sono rispettivamente: 2 x da xy da Ω Ω (6) [ M2 ] = (7) 2 xy da y da Ω Ω Ω

22 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali Algoritmi dei Momenti Geometrici in domini poligonali L espressione (2) si semplifica attraverso i teorema divergenza di Gauss come segue: M 1 z = ò r Ä r Ä Ä r da = ( Ä Ä... Ä )( ) ds W d + z ò r r r r n Fr( W) z volte z volte Nel caso di dominio con frontiera POLIGONALE,definita da un numero n di lati rettilinei, la (8) si esprime mediante una sommatoria dipendente dalle sole coordinate dei vertici del dominio Momento Ordine zero Momento di primo ordine Momento di secondo ordine (8) A = 1 2 n i= 1 r r + i i 1 1 M ( r r )( r r ) n ^ 1 = å i i+ 1 i + i+ 1 6 i= 1 Formula Proposta n 1 1 M2 = ( ri ri + 1) ri ri ( ri ri + 1 ri + 1 ri ) ri + 1 ri i= æ p ö m p q j j x x y y n p+ q s ^ p+ 1- a a- 1 q+ 1- b b- 1 pq = ( i i 1) ( )!! å r r + å + - å i i+ 1 i i+ 1 ( p + q + 2)! ç i= 1 j= 0 a= r èa - 1ø dove b = min(q+1,j+2-a) r = max(1,j-q+1)

23 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali Costruzione dell image ellipse Nel riconoscimento della forma del dominio dell oggetto, in accordo con la letteratura (Mukundan, Ramakrishnan 1998) è stata utilizzata la formula dei momenti geometrici invarianti che permette di calcolare le direzioni degli assi principali. Momenti invarianti ( x - x ) p ( y - y ) m pq = S S G G x y J tan æ 2m ö ç = ç m20 - m çè 02 ø q Image ellipse proporzionale all ellisse d inerzia ed è scalata rispetto ad essa in modo tale che approssimi sufficientemente la figura æ 2 2 ö é ù 2 m20 + m02 + ( m20 - m02 ) + 4m 11 ú ê ú a = ë û m 00 ç çè ø 1/ 2 æ ( ) 2 2 ö é ù 2 m20 + m02 - m20 - m02 + 4m 11 ú ê ú b = ë û m 00 ç çè ø

24 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali Caso di Studio: ricostruzione geometrica di modelli di edifici da immagini digitali relative al Comune di Eboli (Provincia di Salerno)

25 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali Edifici selezionati per il test

26 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali

27 Telerilevamento: algoritmi per la ricostruzione geometrica di oggetti da immagini digitali Edificio_Te st Edificio_Te st_1 Edificio_Te st_2 Edificio_Te st_3 Edificio_Te st_4 Edificio_Te st_5 Edificio_Te st_6 Edificio_Te st_7 Program ma Area(mq) Perimetro (m) Matlab ,01 130,22 ArcGis ,44 130,66 Matlab , ,20 ArcGis , ,88 Matlab ,83 120,88 ArcGis 9 692, ,622 Matlab ,68 291,42 ArcGis ,12 290,99 Matlab ,12 226,843 ArcGis ,91 226,65 Matlab ,53 305,67 ArcGis ,08 304,26 Matlab ,71 692,87 ArcGis ,37 692,01

28 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare Obiettivo del lavoro è la gestione delle informazioni relative a due differenti sistemi di rappresentazione: il catastale e il cartografico nazionale. In tal modo la cartografia catastale può diventare uno strato informativo a livello cartografico regionale utile per consentire scambio di informazioni. Un siffatto problema va risolto istituzionalmente.

29 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare Cassini Soldner (Catastale) WGS84 (GPS)

30 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di posizionamento satellitare basato sull emissione, da parte di una costellazione di satelliti artificiali, di segnali elettromagnetici che permettono di ricavare informazioni relative al tempo e alle distanze tra i satelliti ed una stazione ricevente. Tramite l acquisizione di tali segnali è possibile il posizionamento tridimensionale della stazione ricevente in un sistema geocentrico (WGS84). Il sistema GNSS (Global Navigation Satellite System) rappresenta il sistema di posizionamento su scala globale, che unisce i sistemi GPS, GLONASS e il sistema Galileo, quando sarà operativo. L unione di questi sistemi, aumenta di molto le prestazioni dei ricevitori a terra che possono ricevere più segnali, quindi, diminuisce il tempo di acquisizione del segnale, aumenta la precisione. Segmento spaziale Segmento di utilizzo Segmento di controllo

31 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare La REte Sperimentale regionale di stazioni GPS per il Posizionamento e la NAvigazione (RESNAP-GPS), attiva in una parte del territorio della regione Lazio dal 1 settembre 2005, è stata realizzata per valutare i servizi di posizionamento erogabili su base regionale. Attualmente, comprende 10 ricevitori GPS collocati nei capoluoghi delle seguenti province: L'Aquila Frosinone Latina Rieti Roma Foligno (PG) Gubbio(PG) Perugia Pontecorvo (FR) Viterbo Il centro di controllo è collocato presso l Area di Geodesia e Geomatica dell Università degli Studi di Roma La Sapienza. Le coordinate delle stazioni permanenti sono espresse nel sistema di riferimento WGS84-IGb00

32 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare area di circa 800 km² oltre 1100 km percorsi

33 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare

34 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare Coordinate WGS84 rilevate Coordinate Cassini Soldnerda cartografia Proiezione su piano ausiliario di Gauss Compensazione ai minimi quadrati Stima dei parametri della rototraslazione Da WGS84 a Cassini - Soldner Da Cassini Soldnera WGS84

35 Sistemi GNSS: aggiornamento cartografico con impiego di sistemi di posizionamento satellitare σ = 1,84 m o PF RILEVATI Colfelice F01 PF20 Sant' Elia Fiumerapido F11 PF19 Piedimonte San Germano F04 PF02 Cervaro F03 PF09 Pignataro Interamna F09 PF18 Pignataro Interamna F20 PF18 Sant'Elia Fiumerapido F10 PF15 San Vittore del Lazio F16 PF09 Colfelice F01 PF04 ΔN -1, ΔE 0, ΔN -0, ΔE 1, ΔN -0, ΔE -2, ΔN 1, ΔE -3, ΔN 1, ΔE 0, ΔN 0, ΔE 0, ΔN 2, ΔE -0, ΔN -3, ΔE 2, ΔN 0, ΔE 0, Residuo 1,54 2,04 2,43 3,52 1,41 0,31 2,27 3,80 0,87 σ = 1,59 m o PF RILEVATI Colfelice F01 PF20 Sant' Elia Fiumerapido F11 PF19 Piedimonte San Germano F04 PF02 Cervaro F03 PF09 Pignataro Interamna F09 PF18 Pignataro Interamna F20 PF18 Sant'Elia Fiumerapido F10 PF15 San Vittore del Lazio F16 PF09 Colfelice F01 PF04 ΔN -1, ΔE 0, ΔN -1, ΔE 2, ΔN -1, ΔE -2, ΔN 1,22388 ΔE -2, ΔN 0, ΔE 0, ΔN -0, ΔE 0,15465 ΔN 1, ΔE -0, ΔN -0, ΔE 0, ΔN 0, ΔE 0, Residuo 1,22 2,75 2,42 2,68 0,85 0,55 1,93 0,98 0,88

36 Topografia: monitoraggio di cedimenti strutturali Obiettivo del presente lavoro è l illustrazione e l analisi dei risultati di campagne di monitoraggio progettate ed attuate per il controllo di potenziali effetti indotti da opere di scavo, eseguite per la costruzione di un parcheggio sotterraneo, su strutture e edifici esistenti nell area limitrofa a quella interessata dall attività di costruzione.

37 Topografia: monitoraggio di cedimenti strutturali Lavori di scavo profondo per la realizzazione di un parcheggio interrato in Piazza XXIV Maggio - Salerno

38 CASO STUDIO: Monitoraggio dei cedimenti dei fabbricati prospicienti Piazza XXIV Maggio I motivi che hanno suggerito un attento monitoraggio sono stati: la notevole profondità dello scavo; la vasta area di influenza; Profondità di scavo: 12,00 m l esigua distanza tra scavo e fondazioni dei fabbricati adiacenti. Superficie d influenza: 2230 m 2 Distanza minima dai fabbricati: 5,50 m

39 Gli spostamenti verticali sono stati determinati con la livellazione geometrica dal mezzo. AB = QB QA = li la

40 LE RETI ALTIMETRICHE PER IL MONITORAGGIO

41 Topografia: monitoraggio ambientale con sensori accelerometrici CAMPAGNE DI MISURA E QUOTE COMPENSATE 12/07/04 15/07/05 07/07/06 07/10/06 22/11/06 27/01/07 24/04/07 26/10/07 Tempo Tempo [mesi] [mesi] H [m] H [m] H [m] H [m] H [m] H [m] H [m] H [m] 2,00 10, , , , , , , , , , , , , , ,0308 0,0 15, , , , , , , CS 12 14, , , , , , , , , , , , , , ,3030CS 13, , , , , , , , ,4400-4,0 Abbassamenti Abbassamenti Abbassamenti CS 15 12, , , , , , ,1836CS CS ,1832 [mm] [mm] [mm] 13, , , , , , ,0766CS CS CS ,0759-6, Capisaldi -8, DIFFERENZE DI QUOTA TRA LE VARIE CAMPAGNE DI MISURA CS H [mm] H [mm] H [mm] H [mm] H [mm] H [mm] H [mm] Cs rif 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1-10,0-6 -0,6-1,9-2,9-3,3-3,2-3,2-4,8 2-0,6-2,4-3,6-4,5-4,6-5,0-6, ,0-2,1-3,7-5,9-7,3-7,7-7,8-10,3 4 0,2 0,3-0,7-1,7-1,2-1,0-2,2-2, ,7-0,6-1,1-1,5-1,7-1,2-1,6 39-1,0-0,7-1,0-1,5-1,5-1,1-1,5 40-0,6 0,0-0,6-1,0-0,8-0,3-1,0 CS CS 18 CS 14 CS CS 29 CS CS 517 G iuseppe Patraccone

42 Topografia: monitoraggio ambientale con sensori accelerometrici OBIETTIVI Illustrazione di una tecnica di monitoraggio a basso costo e alta densità di punti di misura dello strato superficiale di versanti in frana; Tecnica di monitoraggio basata sulla tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System); Presentazione dei tests di calibrazione e di sensibilità al fine di stimare i principali parametri di errore sistematico; Risultati della elaborazione di una serie temporale mensile di sensori accelerometrici installati su un versante franoso prospiciente la linea ferroviaria della Circumvesuviana di Napoli.

43 LA CALIBRAZIONE DEI SENSORI ACCELEROMETRICI MEMS TEST N.01: TEST STATICO DELLE SEI FACCE Terna di accelerometri MEMS Piastra metallica solidale ad un teodolite Monitoraggio ad alta risoluzione temporale di tutti gli stati di navigazione, ossia posizione, velocità e assetto negli istanti di campionamento Movimento contemporaneo dei tre sensori

44 LA CALIBRAZIONE DEI SENSORI ACCELEROMETRICI MEMS Si esegue il test statico delle sei facce (six position static test), una procedura a basso costo volta alla determinazione degli errori sistematici ed accidentali. I parametri stimati rappresentano gli errori strumentali e vengono utilizzati per correggere le accelerazioni statiche rilevate dal sensore. ERRORI SISTEMATICI ERRORI ACCIDENTALI MODELLAZIONE DELLA PROVA Bias Fattore di scala Noise di osservazione La terna di accelerometri può essere scomposta secondo l equazione I parametri b a, s a e c T possono essere ritenuti costanti, con valore da determinarsi nel corso di una misura statica della durata di min.

45 LA CALIBRAZIONE DEI SENSORI ACCELEROMETRICI MEMS TEST IN LABORATORIO TEST ALL ESTERNO

46 LA CALIBRAZIONE DEI SENSORI ACCELEROMETRICI MEMS

47 CASO DI STUDIO: UNA RETE PILOTA DI SENSORI PER IL MONITORAGGIO DELLE FRANE CASO DI STUDIO Monitoraggio relativo al costone in frana prospiciente la stazione ferroviaria di Castellammare di Stabia Una rete discreta di sensori accelerometrici triassiali ad alta densità di punti di misura realizza un monitoraggio di potenziali instabilità lungo il versante a varia pendenza prospiciente il 3 binario Monitoraggio in continuo cinematica lenta cinematica veloce

48 LA CALIBRAZIONE DEI SENSORI ACCELEROMETRICI MEMS IL SISTEMA DI MONITORAGGIO Sensori accelerometrici MEMS installati su un asta rigida di un metro che funzionano come inclinometri Rete wireless di 50 UF -Unità Funzionali 1 UAD Unità Acquisizione Dati Software di acquisizione dati Binario Unità Funzionale Area protetta con rete STAZIONE BINARIO 3 BINARIO 3 BINARIO 2 BINARIO BINARIO 3 BINARIO 3 PLANIMETRIA GENERALE E CABLAGGIO

49 LA CALIBRAZIONE DEI SENSORI ACCELEROMETRICI MEMS CONSIDERAZIONI SUI RISULTATI 1) TEST STATICO DELLE SEI FACCE 2) TEST PARAMETRI DI ACQUISIZIONE 3) RETE DI MONITORAGGIO - Affidabilità strumentale -Precisione test eseguito in laboratorio di σ = g -Precisione test eseguito all esterno σ = g -Frequenza di acquisizione di 40 Hz -Fondo scala di 2g -Inclinazioni rispetto la verticale di 10-2 gradi -Spostamenti lineari di 10-3 m SVILUPPI DELLA RICERCA - Studio di un cluster di sensori per il fitraggio del rumore installati su versanti in frana; - Modalità di monitoraggio real time attraverso l analisi di serie temporali a lungo periodo; - Confronto della tecnica MEMS con la strumentazione geodetica tradizionale.

50 Grazie per l'attenzione

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