L integrazione di GPS con altri strumenti topografici

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1 Scuola Regionale Servizi GPS di posizionamento per il territorio o e il catasto 16 Febbraio 2006 L integrazione di GPS con altri strumenti topografici Ing.. Marco Scaioni Politecnico di Milano D.I.I.A.R. Polo Regionale di Lecco 1

2 Introduzione (1) Nella topografia moderna quando è necessario integrare il GPS con altri strumenti topografici? Nei rilevamenti di tipo locale (ad es. per l aggiornamento catastale) In alcuni casi il GPS ha sostituito completamente la Stazione Totale (ST) In altri casi il GPS è utilizzato per il rilievo di inquadramento, mentre quello di dettaglio viene eseguito mediante ST In molti casi la ST è utilizzata in modo autonomo 2

3 Introduzione (2) Nei rilevamenti per scopi geodetici e cartografici Nella topografia classica si sono sempre distinte la planimetria (reti topografiche 2D) L altimetria (livellazione geometrica) Nella topografia moderna: Il rilievo è plano-altimetrico altimetrico (mediante GPS) La livellazione geometrica è impiegata per l adattamento locale dei modelli di ondulazione del geoide Integrazione e supporto di altri strumenti/tecniche di rilevamento topografiche e fotogrammetriche 3

4 Aspetti dell integrazione analizzati 1. Livellazione geometrica 2. Rilievo di dettaglio con stazione totale 3. Georeferenziazione di dati acquisiti con altri strumenti Laser scanning terrestre (TLS) Laser scanning aviotrasportato (LIDAR) Fotogrammetria aerea 4. Rilevamento geodetico 3D integrato 4

5 1. Livellazione geometrica GPS -> > quote ellissoidiche rispetto a WGS84 Con i modelli di ondulazione del geoide -> > quote ortometriche con incertezza di pochi cm Necessità di punti aventi quota ortometrica nota mediante livellazione geometrica, per migliorare l adattamento locale Livellazione geometrica tra questi punti e i capisaldi della rete altimetrica IGM (o suo raffittimento locale) 5

6 2. Rilevamento di dettaglio con stazione totale Utilizzo nel campo topografico Superficie di riferimento piana Estensione entro un area di diametro km per rilievi 2D Fino a circa m per rilievi 3D con precisione nell ordine di ±1 1 cm Il GPS è utilizzato per l inquadramento del rilievo Planimetrico: : 2 punti 2D per fissare 2 traslazioni e 1 direzione di orientamento Altimetria: : 1 punto di quota nota Plano-altimetria altimetria: : 1 punto 3D e 1 punto 2D 6

7 2. Schemi per il rilevamento di dettaglio Elementari: con stazione totale (1) Rilievo celerimetrico 3D per coordinate polari (1 punto noto 3D + 1 punto noto 2D) Intersezione in avanti semplice 3D (1 punto noto 3D + 1 punto noto 2D) Intersezione in avanti multipla 3D (1 punto noto 3D + almeno 2 punti noti 2D) Intersezione inversa 3D (1 punto noto 3D + almeno 2 punti noti 2D) 7

8 Schemi per il rilievo di dettaglio Planimetria Rilievo celerimetrico Intersezione in avanti Semplice Multipla Intersezione inversa Altimetria Livellazione celerimetrica (contemporanea al rilievo planimetrico) 8

9 2. Esempio di rilievo celerimetrico N PLANIMETRIA 2 V ALTIMETRIA 1 (12) α 1A α 1B d 1B 1 Z 1B d 1B B d 1A B A 9

10 2. Esempio di intersezione in avanti semplice N PLANIMETRIA V ALTIMETRIA 2 1 (12) α 1A β 2A 1 Z 1A V A A 2 Z 2A A 10

11 2. Esempio di intersezione in avanti multipla N PLANIMETRIA 2 1 (12) α 1A β 2A α 2A A β 3A 3 11

12 2. Esempio di intersezione inversa N PLANIMETRIA 2 1 (12) α 1A2α2A3 3 A 12

13 2. Schemi per il rilevamento di dettaglio Complessi: con stazione totale (2) Poligonazioni (con calcolo delle quote) Aperte Chiuse (1 punto noto 3D + almeno 1 punto noto 2D) Reti geodetiche (1 punto noto 3D + almeno 1 punto noto 2D) E opportuno comunque utilizzare un numero ridondante di vertici di inquadramento NB: nel caso servisse un rilievo 2D non è necessario di disporre di almeno 1 punto di quota nota 13

14 2. Esempio di poligonale aperta α 2 α 4 d 12 2 d 23 α3 d 34 4 d Vertici di inquadramento GPS 14

15 2. Esempio di poligonale chiusa d 12 2 α 2 d 23 3 d 34 α α 1 α 3 d 45 d 71 α 7 α 6 α 5 d Vertici di inquadramento GPS d 56 15

16 2. Esempio di rete geodetica 16

17 2. Trasformazione delle coordinate nel piano Il GPS fornisce le coordinate dei punti in un sistema di riferimento geocentrico L inquadramento di un rilievo locale richiede di coordinate di tipo piano Due modalità: Trasformazione di coordinate in un SdR piano locale Utilizzo di coordinate cartografiche Entrambe queste possibilità sono solitamente previste sui ricevitori e nei SW di elaborazione dati GPS 17

18 2. Trasformazione in un sistema piano locale (1) Scelta di un punto baricentrico P 0 nell area del rilievo punto GPS punto qualsiasi Si considera un terna cartesiana locale avente: origine in P 0 asse z allineato alla normale ellissoidica in P (definita 0 da (ϕ( P0 e λ P0 ) asse y tangente al meridiano in P 0 e diretto verso Nord asse x a completare la terna destrorsa 18

19 2. Trasformazione in un sistema piano Mediante roto- traslazione 3D si trasformano le coordinate geocentriche nel SdR locale Non è necessario apportare nessuna correzione alle coordinate locali così ottenute locale (2) X y Z λ P 0 h z x Normale ellissoidica ϕ Meridiano per P 0 Y 19

20 2. Utilizzo di coordinate cartografiche La trasformazione nel piano cartografico consente di ottenere coordinate 2D piane Due alternative: Coordinate Gauss-Boaga (Datum Roma40) Serve trasformazione di Datum -> > Roma40 Coordinate UTM/WGS84 (Datum( WGS84-ETRS89) Serve trasformazione di Datum -> > WGS84-ETRS89 se il rilievo è stato eseguito in WGS84-IGB00 (servizio IREAlp) Metodo conveniente quando il rilievo locale deve essere inquadrato nel piano cartografico Attenzione alle deformazioni introdotte (soprattutto quelle lineari)! 20

21 2. Inquadramento di un rilievo celerimetrico In generale la conoscenza di una coppia di punti 2D (A e B) consente di definire il SdR piano Blocco dei gradi di libertà: Traslazioni (E A e N A ) Orientamento ( AB) = atan E N La conoscenza della quota di un punto consente di definire anche il SdR altimetrico B B E N A A N A (AB) E B 21

22 2. Procedura operativa La ST è posizionata su un punto noto da GPS Misurato prima o dopo il rilievo con ST Durante il rilievo celerimetrico con sistema di montaggio integrato dell antenna GPS sulla ST Si orienta la ST sul 2 punto noto dal GPS Si eseguono le misure celerimetriche Il fissaggio delle coordinate dei punti GPS (trasformate nel piano) può avvenire: Prima del rilievo sulla ST Durante l elaborazione dei dati 22

23 2. Esempio di ST con GPS integrato Mediante lo stesso dispositivo di controllo e registrazione dati è possibile gestire entrambi gli strumenti 23

24 2. Inquadramento delle intersezioni Si utilizzano le coordinate piane derivate dal GPS per l inquadramento Le misure necessarie per la realizzazione di questi schemi sono sufficienti anche per l inquadramento Il fissaggio delle coordinate dei punti GPS (trasformate nel piano) può avvenire: Prima del rilievo Durante l elaborazione dei dati 24

25 2. Inquadramento di rilievi topografici complessi L inquadramento di poligonali o reti geodetiche viene solitamente eseguito mediante adattamento globale della rete ai punti GPS Le elaborazioni della rete locale e delle misure GPS rimangono distinte La precisione relativa dei punti della rete locale rimane indipendente da quella dei punti di inquadramento Metodo di calcolo: Roto-traslazione traslazione 2D su almeno 2 punti doppi 25

26 2. Inquadramento di rilievi topografici complessi: esempio y SdR della rete locale SdR di inquadramento punto GPS B x N punto GPS A punto GPS C E 26

27 3.1 Altri strumenti: laser scanning terrestre Il GPS può essere utilizzato per la georeferenziazione delle scansioni acquisite con TLS (Terrestrial( Laser Scanning) Metodo indiretto (Ground( Control Points) Metodo diretto (determinazione del centro strumentale) GPS integrato a TLS GPS posizionato su basetta topografica in alternativa a TLS TLS posizionato su punti determinabili con GPS 27

28 3.1 Esempio di TLS integrato con GPS Mediante GPS è possibile determinare le coordinate del centro strumentale del TLS La gestione dei due strumenti è completamente separata La derivazione delle coordinate può avvenire in RTK (VRS) o in modalità statica 28

29 3.2 Rilevamenti aero-fotogrammetrici Misurazione di GCP mediante GPS Determinazione con GPS cinematico (in Post- Processing) dei centri di presa dei fotogrammi (eventualmente integrato con unità di posizionamento inerziale IMU per derivare anche gli angoli di orientamento) Misure GPS differenziate rispetto ad uno o più ricevitori fissi a terra 29

30 3.3 Rilevamenti LIDAR da aereo o elicottero Il laser scanning aviotrasportato (LIDAR) acquisisce array lineari di punti 3D sul terreno Ciascuna array di misure deve essere georeferenziato mediante un sensore GPS/IMU in modo analogo a quanto può essere fatto per i rilevamenti aero-fotogrammetrici 30

31 4. Rilevamento geodetico 3D integrato Il GPS e gli strumenti/metodi tradizionali (livellazione, ST) vengono usati in modo integrato anche dal punto di vista del trattamento dei dati Occorre quindi tenere conto in modo rigoroso delle differenze tra i sistemi di riferimento rispetto ai quali sono riferite le diverse misure, non possono essere più trascurate Si tratta di argomento piuttosto complesso per il quale si rimanda alla bibliografia esistente 31