CRITERI DI ACQUISIZIONE DEI DATI TOPOGRAFICI E RAPPRESENTAZIONE CARTOGRAFICA DEI RISULTATI RELAZIONE

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1 Unione Europea Repubblica Italiana Regione Calabria Autorità di Bacino POR Calabria Asse I - Risorse naturali Misura Azione 1.4.c "STUDIO E SPERIMENTAZIONE DI METOLOGIE E TECNICHE PER LA MITIGAZIONE DEL RISCHIO IDROGEOLOGICO" LOTTO N. 8 - METODOLOGIE DI INDIVIDUAZIONE DELLE AREE SOGGETTE A RISCHIO IDRAULICO DI ESONDAZIONE SOGGETTO COORDINATORE: Università della Calabria Dipartimento di Difesa del Suolo RESPONSABILE SCIENTIFICO : Prof. Ing. Francesco Macchione Università della Calabria Dipartimento di Difesa del Suolo LAMPIT (Laboratorio di Modellistica Numerica per la Protezione Idraulica del Territorio) f.macchione@unical.it Università della Calabria Dipartimento di Difesa del Suolo Sottogruppo A: Identificazione degli idrogrammi di piena da porre alla base dei calcoli Responsabile: Prof. Pasquale Versace Sottogruppo D: Propagazione in aree urbane ed extraurbane da trattare con schematizzazione bidimensionale Responsabile: Prof. Francesco Macchione Università della Calabria Dipartimento di Pianificazione Territoriale Università di Pavia Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Ambientale Università di Trento CUDAM Centro Universitario per la Difesa Idrogeologica dell'ambiente Montano Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS) Trieste Sottogruppo F: Rappresentazione cartografica dei risultati Sottogruppo C: Simulazione degli eventi con schematizzazioni monodimensionali Sottogruppo E: Simulazione degli eventi caratterizzati da consistenti modifiche della geometria dell'alveo Sottogruppo B: Allestimento della cartografia Responsabile: Prof. Luigi Natale Responsabile: Prof. Aronne Armanini Responsabile: Prof. Fabrizio Ferrucci Responsabile: Prof. Giuseppe Artese CRITERI DI ACQUISIZIONE DEI DATI TOPOGRAFICI E RAPPRESENTAZIONE CARTOGRAFICA DEI RISULTATI RELAZIONE A cura di: Sottogruppo D Prof. Giuseppe Artese NOME FILE: TOPORELAZIONE.PDF DATA: 30/03/2011

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3 CRITERI DI ACQUISIZIONE DEI DATI TOPOGRAFICI E RAPPRESENTAZIONE CARTOGRAFICA DEI RISULTATI RELAZIONE A cura di: Sottogruppo F: Università della Calabria Dipartimento di Pianificazione Territoriale Responsabile : Prof. Giuseppe Artese

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5 DEFINIZIONE DI TECNICHE E METODOLOGIE PER L ACQUISIZIONE DEI DATI NECESSARI PER LA MODELLAZIONE DEL TERRENO La scelta delle tecniche da utilizzare per l'acquisizione dei dati necessari per la modellazione del terreno dipende essenzialmente da tre fattori: - il livello di dettaglio; - la precisione richiesta (planimetrica e altimetrica); - l'estensione dell'area da modellare. Accanto a questi fattori bisogna, ovviamente, considerare le risorse economiche a disposizione. Possiamo suddividere le tipologie per il rilievo del territorio in due categorie: rilievi terrestri e rilievi aerei, atteso che i dati satellitari non consentono attualmente di realizzare DTM più accurati di quelli già disponibili per l intero territorio regionale e nazionale. I rilievi terrestri possono essere a loro volta suddivisi in rilievi di tipo puntuale e rilievi di tipo areale. I dati per la realizzazione di modelli del terreno possono essere ricavati anche da cartografia esistente, soprattutto se a grande scala. 1 RILIEVI TERRESTRI Sono adoperati in genere per limitate estensioni di terreno. Consentono di ottenere alte precisioni e massimo dettaglio nella definizione degli oggetti rilevati. I tempi necessari sono lunghi. Sono insostituibili nei casi in cui si debbano rilevare terreni coperti da fitta vegetazione o da sovrastrutture realizzate dall'uomo (ponti). I costi complessivi sono legati al tempo necessario per l'esecuzione delle misure. I costi fissi, dovuti al trasferimento delle strumentazioni sono bassi e quelli di ammortamento bassi o medi. 1.1 Rilievi terrestri puntuali Vengono eseguiti con l'uso di stazioni totali, di ricevitori satellitari o attraverso l'integrazione delle due tecniche Stazioni Totali La stazione totale (detta anche total station o stazione integrata) consente di ottenere la posizione dei punti rilevati attraverso la misura di angoli e distanze. Si possono raggiungere precisioni di un secondo sulle misure angolari, mentre per le distanze si hanno precisioni di +/- 1 mm +/- 1 mm/km. La portata è di diversi km con prismi retroriflettenti, mentre senza prisma la distanza massima misurabile varia da alcune

6 centinaia di metri ai due km. I modelli più sofisticati, normalmente dedicati ai monitoraggi, consentono misure angolari con precisione di 0,5", mentre per le distanze si arriva ai +/-0,5 mm +/- 0,5 mm/km. I vantaggi dell'utilizzo della total station risiedono nella precisione delle misure e nella possibilità di eseguire rilievi in qualsiasi tipo di terreno. L'uso di distanziometri senza riflettore con portate sempre maggiori sta eliminando uno dei limiti principali, dovuto alla necessità di mandare sul punto da rilevare un operatore fornito di prisma o di mira. La total station ha il suo ambito di applicazione ottimale in piccole estensioni di terreno, manufatti, opere d arte e zone con scarsa visibilità del cielo, ove non è possibile utilizzare tecniche satellitari o voli fotogrammetrici. Questa classica tecnica di rilevamento ha subito negli ultimi decenni notevoli trasformazioni. Accanto all'aumento delle portate nella misura delle distanze senza riflettore, vi sono notevoli evoluzioni nell'elaborazione e trasmissione dei dati. Oggi una total station, opportunamente programmata, è in grado di processare i dati raccolti e di fornire direttamente risultati utilizzabili dai programmi di CAD e di GIS. Recentemente si sono diffuse le stazioni totali robotizzate. Queste sono fornite di motori per la rotazione orizzontale e verticale del cannocchiale e di un sistema di riconoscimento e di puntamento fine di target o di prismi retroriflettenti. Le stazioni robotizzate sono nate per il monitoraggio. Per questo tipo di applicazioni lo strumento viene posizionato in un punto fisso protetto e fornito di alimentazione. Nei punti da controllare vengono posizionati prismi, miniprismi o target retroriflettenti. Dopo una prima collimazione dei punti da monitorare, lo strumento ripete le misure ad intervalli regolari orientandosi sulle ultime posizioni memorizzate; il puntamento fine si ottiene attraverso la

7 massimizzazione dell'energia riflessa dal target sul quale viene inviato un impulso laser oppure, più recentemente, attraverso una cross-correlazione di immagine. Le stazioni robotizzate presenti oggi sul mercato vengono utilizzate anche per rilievi del territorio o di manufatti. Viene sfruttata la possibilità che hanno i nuovi strumenti di riconoscere ed inseguire un prisma. Questa caratteristica, unita ai progressi nella trasmissione dei dati, consente ad un operatore di comandare lo strumento da remoto: una sola persona potrebbe, pertanto, eseguire un rilievo, anche se motivi di sicurezza rendono poco probabile questa eventualità. Più di frequente le potenzialità sopra descritte possono essere sfruttate per risolvere problemi di georeferenziazione. Per la georeferenziazione dei rilievi eseguiti con stazione totale è necessario appoggiarsi a punti di coordinate note. I metodi classici prevedono l'esecuzione di operazioni di triangolazione o di poligonazione. La triangolazione inversa è stato il metodo più utilizzato in campo aperto, quando è possibile collimare almeno tre punti noti. Nella gran parte dei casi non si hanno a disposizione tanti punti noti visibili, per cui si ricorre alle poligonali. Tale tecnica presume l'esecuzione di numerose stazioni, soprattutto in zone con molti ostacoli naturali e artificiali o ad orografia complessa. Risultano particolarmente efficaci in tal caso le nuove strumentazioni, ottenute dall'integrazione di ricevitori satellitari e stazioni totali. Raccomandazioni operative Per sfruttare la precisione delle moderne stazioni totali è necessario adoperare delle accortezze operative che non sempre gli addetti ai lavori usano. Ad esempio, la possibilità di misurare distanze dell'ordine di un chilometro con precisione di due millimetri è inficiata da una cattiva messa in stazione dello strumento e dal posizionamento del prisma su di un'asta non disposta perfettamente

8 in verticale. Altra causa di incertezza è data dall'abitudine diffusa di non eseguire le misure con cannocchiale in posizione normale e coniugata. Bisogna, infine, osservare che gli schemi di rilievo adoperati non consentono spesso l'esecuzione della compensazione delle osservazioni e, pertanto, non si ha una verifica a posteriori della precisione delle misure eseguite e dei risultati ottenuti. E' opportuno inserire nelle specifiche tecniche relative ad operazioni topografiche: - l'utilizzo di uno schema di rilievo che consenta l'esecuzione della compensazione delle osservazioni; - l'esecuzione di misure sovrabbondanti; - la produzione dei dati grezzi acquisiti e non solo dei risultati dell'elaborazione; - l'esecuzione dei calcoli di compensazione per i punti più importanti con la valutazione degli errori (normalmente un'ellisse d'errore per la posizione planimetrica ed un intervallo per le quote); - l'intervallo di confidenza adoperato (1 σ o 2 σ). In tal modo sarà possibile anche a posteriori una verifica dell'accuratezza delle operazioni di misura eseguite.

9 1.1.2 Ricevitori GNSS L'utilizzo dei ricevitori satellitari è aumentato notevolmente negli ultimi anni, grazie ad una serie di fattori che ne hanno favorito la diffusione. Tra i principali possiamo elencare: - il costo dei ricevitori; - la disponibilità di costellazioni complete e, di conseguenza, la possibilità di eseguire rilievi a qualsiasi ora con buone configurazioni dei satelliti; - la disponibilità di reti di stazioni fisse permanenti; - lo sviluppo dell'hardware e del software e la facilità d'uso; - le nuove normative catastali; - l'utilizzo del sistema di riferimento WGS 84 per tutte le cartografie recenti. L'acronimo GNSS (Global Navigation Satellite System) indica un sistema di posizionamento e navigazione satellitare. Fino a qualche anno fa era in pratica operativo il solo sistema statunitense Navstar GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System), in genere indicato come GPS. Oggi è completamente operativo il sistema russo GLONASS, erede dell'omonimo sistema sovietico, mentre sono in corso di realizzazione il sistema europeo GALILEO e quello cinese COMPASS. I principali vantaggi dei sistemi satellitari possono essere così elencati: - la portata di alcune centinaia di chilometri; - la precisione subcentimetrica; - il funzionamento con ogni condizione di luce e di tempo atmosferico; - la mancanza di operazioni di georeferenziazione, che è automatica; - l esecuzione delle operazioni da parte di un solo operatore; - la possibilità di misurare baselines che collegano punti non visibili tra di loro. Per rilievi di precisione centimetrica o subcentimetrica è necessaria la disponibilità di due ricevitori, dei quali uno posizionato in un punto noto (base) e l altro sui punti da rilevare (rover). Si tratta di una misura differenziale, per cui la posizione del rover viene ottenuta rispetto alla stazione di base e si eliminano gli errori di posizionamento comuni ai due punti. La posizione assoluta del rover si ottiene sommando a quella relativa le coordinate note della base. Si usano essenzialmente tre tecniche di rilievo: rapido statico richiede lo stazionamento del rover sul punto da rilevare da pochi minuti a mezzora; cinematico RTK viene eseguito con il ricevitore rover in movimento e necessita della visibilità di cinque satelliti; contrariamente alle tecniche precedenti un rilievo RTK (Real Time Kinematic) non richiede la postelaborazione delle acquisizioni; il rover riceve in tempo reale le correzioni da parte della stazione base e ricava la sua posizione sul terreno in maniera accurata. Oltre alla visibilità dei satelliti è richiesto il collegamento tra le due stazioni per la trasmissione delle correzioni differenziali dalla base al rover.

10 La prima delle tre tecniche descritte viene utilizzata per posizionamenti di precisione subcentimetrica, utili, ad esempio, per la materializzazione di capisaldi o per il rilievo di punti di riferimento da utilizzare per altri rilievi. Il rilievo cinematico consente la misura di molti punti in breve tempo e può essere efficamenente eseguito anche con l utilizzo di mezzi mobili sui quali posizionare un ricevitore. Il rilievo RTK è quello che si sta maggiormente diffondendo, grazie soprattutto all evoluzione dei sistemi di trasmissione dati. Il limite principale di questa tecnica era legato alla modesta portata dei radiomodem utilizzati per trasmettere le correzioni differenziali; in ambito urbano o in presenza di orografia complessa non si riusciva ad operare a distanza superiori al chilometro dalla base. Oggi le correzioni vengono trasmesse tramite telefono cellulare o via internet; l utilizzo delle comunicazioni wireless consente, inoltre, la connessione senza fili di un telefono cellulare al ricevitore. I vantaggi della tecnica RTK si evidenziano nelle operazioni di picchettamento, ma anche nel rilievo di dettaglio, grazie alla possibilità di verificare in tempo reale la precisione dei punti. La diffusione dell RTK è legata ad altri due fattori: la possibilità di utilizzare questa tecnica per operazioni catastali e la realizzazione di reti di stazioni permanenti di riferimento. Se con la correzione differenziale inviata da una sola stazione la precisione degrada rapidamente allontanandosi dalla base e non è più accettabile a pochi chilometri di distanza, le reti di stazioni permanenti permettono di ottenere precisioni centimetriche dappertutto. Il rover riceve una correzione d area che si ottiene utilizzando le acquisizioni delle stazioni che circondano la zona oggetto di rilievo. L elaborazione di queste acquisizioni permette di ricostruire i segnali che sarebbero ricevuti da una stazione posta in prossimità del rover. In pratica è come se si avesse una stazione di base (VRS, Virtual Reference Station) in prossimità della zona da rilevare. In Italia sono state realizzate diverse reti di stazioni permanenti di riferimento a scala regionale e nazionale. La rete della Calabria è stata completata da diverso tempo, ma non è ancora funzionante; alcune stazioni sono attualmente adoperate per la rete ITALPOS, per cui è possibile eseguire i rilievi RTK nelle zone con copertura telefonica. Presso il Dipartimento di Pianificazione Territoriale dell Università della Calabria è operante una stazione inserita nella rete ITALPOS. Il rilievo speditivo con SBAS Il posizionamento con un solo ricevitore senza l uso di correzioni differenziali consente oggi precisioni dell ordine dei 15 metri, decisamente insufficiente per gran parte delle applicazioni tecniche. L aumento del numero di satelliti visibili e la realizzazione dei sistemi SBAS consente già accuratezze dell ordine del metro e si prevedono ulteriori miglioramenti.

11 I sistemi SBAS (Satellite Based Augmentation System) sono basati su satelliti in orbita geostazionaria, che inviano segnali di correzione che consentono ai ricevitori di eliminare in gran parte gli errori di posizionamento dovuti all attraversamento dell atmosfera da parte dei segnali GNSS. I sistemi operativi nell America settentrionale (WAAS), in India (GAGAN) e in Giappone (MSAS) sono utilizzati per la navigazione aerea, mentre il sistema europeo EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) è utilizzabile anche per operazioni terrestri e marittime. Nelle figure precedenti sono riportate le zone coperte dai sistemi SBAS e la porzione di Europa in cui il servizio EGNOS è attivo per oltre il 99% del tempo.

12 Raccomandazioni operative L utilizzo dei sistemi di posizionamento satellitare è limitato da due fattori: la visibilità dei satelliti e la necessità di posizionare l antenna del ricevitore sul punto da rilevare. Il primo fattore è critico nelle zone con poca visibilità del cielo (canyon urbani, zone coperte da fitta vegetazione), mentre il secondo non consente il rilievo di punti non accessibili. E necessario, pertanto, prevedere nella quasi totalità dei casi l integrazione della tecnica GNSS con la stazione totale. Elemento critico per la precisione dei risultati è dato dalla configurazione geometrica dei satelliti, quantificata con alcuni parametri detti DOP (Diluition Of Precision); un valore elevato indica una cattiva configurazione e, di conseguenza, un degrado della precisione. Tali parametri sono: HDOP relativo al posizionamento planimetrico VDOP relativo al posizionamento altimetrico PDOP relativo al posizionamento tridimensionale TDOP relativo alla precisione della misura del tempo GDOP indice globale Nelle prescrizioni tecniche è opportuno indicare un valore limite del GDOP. Un aspetto importante nell utilizzo dei rilievi satellitari è quello della trasformazione delle coordinate. Il GPS adopera un sistema di riferimento cartesiano ortogonale geocentrico solidale con la terra (ECEF - Earth Centered Earth Fixed); le coordiante fornite debbono essere trasformate in geografiche, geodetiche ortogonali, cartografiche o locali dipendentemente dalle finalità del rilievo. I ricevitori forniscono di solito le coordinate cartesiane e le geografiche riferite al sistema WGS 84. Le cartografie attuali sono prodotte utilizzando il sistema di riferimento WGS 84 e la proiezione cartografica UTM; la materializzazione a terra del sistema di riferimento è l ETRF 89. L ultima evoluzione è la Rete Dinamica Nazionale, costituita da 99 stazioni fisse permanenti sul territorio italiano, inquadrate nella rete europea ETRF La Carta Tecnica Regionale della Calabria ed il relativo Data Base Topografico sono realizzati utilizzando appunto l UTM WGS84 ETRF89. Il patrimonio cartografico esistente è stato realizzato però utilizzando altre rappresentazioni cartografiche (Gauss Boaga, Flamesteed, Cassini Soldner); è necessario, pertanto, omogeneizzare i dati eseguendo le opportune trasformazioni. A tale scopo si possono utilizzare i programmi di calcolo per l elaborazione dei rilievi satellitari o quelli dedicati. Il programma più diffuso, che costituisce quasi uno standard, è il VERTO, realizzato dall Istituto Geografico Militare, che utilizza grgliati da acquistare separatamente per ogni zona rappresentata in un foglio dalla carta d Italia in scala 1: Per quanto riguarda la cartografia catastale, è in fase attuativa la definizione dei parametri di trasformazione da Cassini Soldner a UTM-WGS84 e viceversa nella Regione Calabria da parte dell Agenzia del Territorio, grazie ad un accordo siglato con il Centro Cartografico Regionale. Se i risultati di rilievi commissionati devono essere utilizzati insieme a cartografie di diversa provenienza è opportuno richiedere la definizione dei parametri di trasformazione delle coordinate. Se si ritiene che vi siano errori sistematici nelle cartografie esistenti non è sufficiente l uso di software come il VERTO. Bisogna allora procedere alla determinazione dei parametri caso per caso. A tal uopo la tecnica più adoperata è quella dei punti doppi, che sarà descritta nel capitolo relativo all acquisizione di dati da cartografia esistente. Le quote fornite dai sistemi satellitari non sono riferite al geoide (livello medio del mare) ma all ellissoide di riferimento (WGS84). Atteso che lo scostamento tra le due superfici può essere

13 rilevante (in Calabria è compreso tra 35 e 45 metri), è necessario correggere le quote ellissoidiche fornite dai ricevitori. Atteso che per molte applicazioni nel campo dell idraulica, dell idrologia e delle costruzioni idrauliche differenze minime di pendenze possono risultare critiche, è necessario conoscere punto per punto l andamento del geoide nella zona oggetto di rilievo. Eseguendo il rilievo di punti di quota nota con ricevitori GPS si può ottenere in corrispondenza degli stessi punti lo scostamento geoidico e ricavare, con apposite procedure di interpolazione implementate in gran parte del software commerciale, un modello di geoide per la zona in esame. In alternativa si può adoperare il modello di geoide ITALGEO 2005, diffuso sotto forma di grigliato dall Istituto Geografico Militare. Questa versione ha un approssimazione di circa 10 cm, che migliora decisamente per i dislivelli tra punti dello stesso grigliato (alcuni centimetri). Se si commissionano rilievi con tecniche satellitari è opportuno richiedere: - la fornitura delle quote ellissoidiche e di quelle geoidiche; - la documentazione della procedura utilizzata per la determinazione dello scostamento geoidico; - l acquisizione dei grigliati in caso di utilizzo del modello ITALGEO; - l indicazione dei punti doppi con i relativi scostamenti se si utilizza un modello locale; - il software utilizzato per la trasformazione.

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15 Se si prevede l utilizzo della tecnica RTK è opportuno fissare un valore massimo dello scarto sia per la posizione planimetrica che per quella altimetrica. Tali dati sono in genere memorizzati dai ricevitori e possono essere, pertanto, verificati. E' opportuno inserire nelle specifiche tecniche relative alle reti di appoggio: - l'utilizzo di uno schema di rilievo che consenta l'esecuzione della compensazione delle osservazioni; - l'esecuzione di misure sovrabbondanti; - la produzione dei dati grezzi acquisiti e non solo dei risultati dell'elaborazione; - l'esecuzione dei calcoli di compensazione con la valutazione degli errori (normalmente un'ellisse d'errore per la posizione planimetrica ed un intervallo per le quote);

16 - l'intervallo di confidenza adoperato (1 σ o 2 σ). In tal modo sarà possibile anche a posteriori una verifica dell'accuratezza delle operazioni di misura eseguite.

17 1.1.3 Integrazione di stazioni totali e ricevitori GNSS I vantaggi delle tecniche di rilievo con stazioni totali e con ricevitori GNSS sono complementari. Con le stazioni totali è possibile rilevare punti inaccessibili, mentre un ricevitore satellitare consente rilievi georeferenziati. L integrazione delle due tecniche nelle strumentazioni topografiche è stata realizzata recentemente. La Smart station prodotta dalla Leica consente di gestire dalla tastiera della stazione totale le acquisizioni del ricevitore GNSS che può essere posizionato sulla maniglia dello strumento: si ottiene in tal modo la georeferenziazione del punto di stazione. Il ricevitore può essere utilizzato separatamente; posizionandolo su un punto battuto dalla stazione totale si ottiene l orientamento del rilievo.

18 Una diversa soluzione consiste nell utilizzare un controller per il ricevitore satellitare, in grado di comandare la stazione totale motorizzata. Il controller ed il ricevitore sono montati su un asta fornita di un prisma a 360 che può essere inseguito e battuto dalla stazione totale. Questa soluzione è prodotta da diversi costruttori (Trimble, Leica, Topcon). Le raccomandazioni operative sono quelle relative ai rilievi con stazioni totali e con ricevitori GNSS.

19 1.2 Rilievi Terrestri Areali Il rilievo areale è realizzato utilizzando la fotogrammetria e, più recentemente, il laser a scansione. Il risultato è costituito da un elevato numero di punti che consentono la descrizione dettagliata delle superfici Fotogrammetria terrestre La fotogrammetria terrestre ha conosciuto negli ultimi anni un notevole sviluppo dovuto alla diffusione delle fotocamere digitali ed alle capacità di calcolo dei computer, che consentono di ottenere la calibrazione di camere non metriche e l orientamento delle prese. Da settore di nicchia, riservato a pochi operatori esperti e ad aziende fornite di attrezzature costose, la fotogrammetria può essere praticata da tecnici che sappiano usare i programmi di restituzione fotogrammetrica. Il grado di precisione ottenibile è legato alla qualità dell ottica adoperata ed alla risoluzione delle immagini. Dopo una fase intermedia, nel corso della quale venivano usate le prese su pellicola successivamente scansionate, si è passati all utilizzo delle camere digitali che consentono oggi l acquisizione di fotogrammi di piccolo e medio formato con notevole risoluzione ( la dimensione del pixel è all inciarca di 0,01 mm). Nel caso del rilievo del territorio, la fotogrammetria terrestre potrebbe essere utilmente adoperata per il rilievo di manufatti o di versanti scoscesi difficilmente accessibili. Anche se ancora non vi sono molte applicazioni, è una tecnica da tenere in considerazione anche in vista dei continui progressi nel settore.

20 1.2.2 Laser scanner La tecnica LIDAR (LIght Detection And Ranging) è in fase di notevole sviluppo. Basata sull uso dell accoppiamento di un distanziometro e un sistema di scansione (scanner), è stata inizialmente utilizzata per rilievi di monumenti, di siti archeologici e di strutture complesse come i grandi impianti industriali. Gli strumenti attualmente più diffusi utilizzano un segnale laser per la parte distanziometrica, per cui sono definiti Laser Scanner o Laser a Scansione. Il risultato di una scansione è una nuvola di numerosissimi punti (fino a qualche milione) le cui coordinate sono ottenute rispetto ad un sistema di riferimento solidale allo strumento. I diversi modelli sul mercato si differenziano essenzialmente per: - densità e numero di punti rilevati; - accuratezza delle coordinate ottenute; - portata; - velocità di scansione; - campo di vista. L accuratezza delle coordinate ottenute varia dai 3 mm, per i modelli più precisi con portata di 300 m, ai 2 cm per i modelli con portata fino a 2 km. Bisogna osservare che queste portate si raggiungono per superfici con riflettività elevata (90%); per superfici meno riflettenti la portata, ovviamente, diminuisce. Per il rilievo del territorio l utilizzo ottimale si ha in terreni con ampia visibilità e scarsa vegetazione. Ottimi risultati si hanno per versanti osservabili da distanze inferiori al chilometro. Molte applicazioni si hanno nel campo geotecnico e geologico, in particolare per il controllo di zone in frana. Il laser scanner risulta utilissimo per il rilievo di dettaglio di manufatti. L accoppiamento di fotocamere permette di acquisire anche il colore e di ottenere nuvole di punti che forniscono una rappresentazione realistica dell oggetto del rilievo.

21 I problemi legati all uso del laser scanner terrestre riguardano la georeferenziazione delle acquisizioni e la mosaicatura delle nuvole di punti. Per la georeferenziazione si ricorre all uso di mire radiometriche e volumetriche. Diversi modelli hanno la possibilità di riconoscere alcune mire e di eseguire scansioni accurate delle stesse. Il software fornito con lo strumento è in grado di individuare il centro della mira stessa (bisogna osservare che il laser scanner è un sistema cieco e non è in grado di collimare un punto). Se si dispone di tre mire si possono mosaicare acquisizioni successive e orientarle nello stesso sistema di riferimento; questa operazione prende il nome di registration. Se la posizione delle mire è nota, si ottiene anche la georeferenziazione. I rilievi da laser scanner devono essere integrati in genere con rilievi puntuali con total station o ricevitore satellitare. Molti modelli recenti possono essere integrati con ricevitori GNSS.

22 1.3 Mobile Mapping I sistemi mobili di rilevamento terrestre (MMS Mobile Mapping System) sono generalmente costituiti da: Un veicolo (auto, furgone, camion); Un ricevitore GPS operante in cinematico differenziale per la georeferenziazione; Un sistema inerziale (IMU Inertial Measurement Unit) per l orientamento delle prese fotogrammetriche; Uno o più odometri; Una coppia di fotocamere digitali calibrate; Una o più telecamere; Un computer per la gestione e la sincronizzazione delle acquisizioni dei dati dagli strumenti sopra elencati. Diversi MMS fanno uso di un laser a scansione; in tal caso le fotocamere hanno la funzione di fornire informazioni integrative rispetto a quelle metriche. Gran parte delle strumentazioni sono destinate alla georeferenziazione diretta, che rende superflue operazioni preliminari per l individuazione ed il rilievo di punti di controllo sul territorio. Tra le principali caratteristiche di un MMS possiamo elencare: Velocità di acquisizione; Grande mole di dati raccolti; Personale ridotto; Elaborazione automatica dei dati per la georeferenziazione; Generazione semiautomatica della cartografia; Generazione semiautomatica della banca dati. Questi sistemi, nati per la realizzazione dei catasti delle strade, possono essere efficacemente utilizzati per il rilievo del terreno in zone accessibili con un veicolo. Gli elevati costi iniziali ne limitano, per ora, l utilizzo al rilievo in ambito stradale e per le zone ai margini delle strade. Sono in commercio strumentazioni compatte da montare sui veicoli ed è prevedibile un abbattimento dei costi.

23 1.4 Strumenti integrati L accoppiamento di strumentazioni per il posizionamento e l orientamento (GPS, bussole digitali, sistemi inerziali) con sensori di acquisizione (LIDAR, fotocamere) gestiti con software messi a punto ad hoc può consentire l esecuzione di rilievi rapidi e accurati. I costi notevoli delle apparecchiature sul mercato hanno spinto la ricerca verso soluzioni efficaci ed economiche. Risultano utili per queste applicazioni i sistemi MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), che hanno costi, pesi e dimensioni molto ridotti. Utilizzati in modo massiccio dalle industrie automobilistiche (sensoristica per ABS) e dei videogames, ma anche, per esempio, dai produttori di cellulari, questi sistemi possono essere adoperati anche per mettere a punto sistemi mobili di rilevamento a costo molto contenuto. Le problematiche da affrontare riguardano fondamentalmente la calibrazione dei MEMS, che risentono notevolmente delle variazioni di temperatura, e la sincronizzazione delle acquisizioni che di solito si realizza con l ausilio di un ricevitore GPS. E prevedibile nel prossimo futuro uno sviluppo di questi sistemi e l ingresso nel mercato di apparecchiature a basso costo che potranno competere con quelle attualmente in uso.