Laboratorio di restauro Topografia e rilevamento. Lezione n.6 : Strumenti topografici per la misura di distanze e angoli

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1 Laboratorio di restauro Topografia e rilevamento Dott. Andrea Piccin andrea_piccin@regione.lombardia.it Lezione n.6 : Strumenti topografici per la misura di distanze e angoli Breve storia degli strumenti topografici Gli strumenti moderni: il distanziometro laser, il teodolite, il livello ottico, la stazione totale La prova pratica

2 I primi strumenti per la misura degli angoli (1) Le prime misure angolari venivano eseguite utilizzando aste in legno (gnomone), sfruttando la loro ombra (Eratostene) o associandole a cerchi disegnati a terra (determinazione del cardo romano) Successivamente si passò a strumenti costituiti da due aste montate ad angolo retto (squadra o baculo) con cui venivano stimate distanze di oggetti lontani sfruttando l angolo di parallasse.

3 I primi strumenti per la misura degli angoli (2) Vere e proprie misure angolari venivano eseguite utilizzando il quadrato geometrico, costituito da un telaio con i lati graduati e da un asta girevole dotata di mirino (alidada, dall arabo al idat) che permetteva di collimare gli oggetti da rilevare. Il quadrato comparve già nel primo secolo A.C., si sviluppò in Mesopotamia durante il Medio Evo europeo e fu reintrodotto in Europa intorno al Il termine arabo al idat, tradotto dagli Inglesi in the alidat si traformò presto in theodolite e diede il nome al moderno strumento.

4 I primi strumenti per la misura degli angoli (3) Sempre nel XVI secolo furono realizzati strumenti in grado di misurare sia angoli orizzontali che verticali (Polimetrum), utilizzati soprattutto in Germania per rilevare le prime carte topografiche moderne La successiva evoluzione di questi strumenti portò nel XVIII secolo a dotarli di cannocchiali per la collimazione e di sistemi meccanici od ottici per la lettura dei cerchi di misura. L ultima significativa evoluzione (anni 70) è quella dell utilizzo dell elettronica per la misura delle direzioni

5 I primi strumenti per la misura delle distanze Per la misura diretta delle distanze vennero dapprima impiegate le più disparate unità di misura naturali (antropomorfe), quali il braccio, il piede, il passo: erano unità soggettive, in quanto dipendevano dalle caratteristiche delle diverse persone. Ad esse si affiancarono unità di misura convenzionali, costituite da regoli in legno o in metallo, da funi, catene e nastri. Furono sviluppati già in epoca romana strumenti autoregistratori (odometri) basati sulla ruota ed utilizzati per misurare grandi distanze: questi strumenti scomparvero poi nel Medio Evo per ricomparire intorno al XVI secolo. Alla misura diretta si è però sempre affiancata la misura indiretta delle distanze, più complessa concettualmente in quanto basata sulla trigonometria, ma di più semplice e precisa esecuzione (misura di angoli).

6 I primi strumenti per la misura dei dislivelli La misura dei dislivelli ebbe grande importanza fin dall antichità, legata alla necessità di addurre l acqua per via naturale per l irrigazione e l uso potabile. Proprio l acqua fu alla base dei primi strumenti (livelli), tra cui il corobate romano, dotato di una canaletta sommitale e di fili a piombo per mettere in stazione lo strumento I Romani utilizzavano anche i traguardi (Lychnia), predecessori dei livelli ottici a bolla, sviluppati nel XVIII secolo e arrivati fino alla metà del XX secolo, soppiantati dai livelli ad orizzontamento automatico

7 Gli strumenti moderni: il distanziometro La misura diretta delle distanze viene oggi effettuata con distanziometri elettronici: questi strumenti emettono un fascio di onde elettromagnetiche, generalmente microonde (laser) e misurano con grande precisione il tempo che intercorre per registrare il raggio riflesso dal bersaglio. Lavorando sullo sfasamento dell onda riflessa, che è proporzionale alla distanza, è possibile raggiungere accuratezze dell ordine del mm a distanza di centinaia di m. Con queste modalità lavorano sia gli strumenti portatili per piccoli rilievi (ad esempio per il rilievo di interni) sia i distanziometri di precisione integrati negli strumenti topografici. Quelli di ultima generazione sono in grado di misurare distanze dell ordine del centinaio di metri senza bisogno di un prisma riflettente posto sul bersaglio (ideali per rilievi con problemi di accessibilità).

8 Gli strumenti moderni: il teodolite Il teodolite è uno strumento ottico ed elettronico in grado di misurare con grande precisione angoli sul piano orizzontale (azimutali) e sul piano verticale (zenitali). La collimazione viene effettuata tramite un cannocchiale dotato di mirino a reticolo, che consente di puntare il bersaglio con accuratezza di 10-4 g a distanze di diverse centinaia di metri. La lettura e restituzione degli angoli misurati viene effettuata elettronicamente, consentendo anche la registrazione automatica dei dati rilevati.

9 Gli strumenti moderni: il livello ottico Il livello ottico è uno strumento che consente di misurare con grande precisione il dislivello tra aste graduate(stadie) posizionate da parti opposte rispetto allo strumento, reso perfettamente orizzontale manualmente o automaticamente. Attraverso il cannocchiale di collimazione, anch esso dotato di un mirino a reticolo (fili distanziometrici), si leggono i valori sulle due stadie, posizionate sui punti di battuta. Dalla relazione H1 + L1 = H2 + L2 si ottiene H = H2 H1 = L2 L1. La misura del dislivello può raggiungere accuratezze del decimo di mm con battuta di 100 m.

10 Gli strumenti moderni: la stazione totale La stazione totale è uno strumento ottico ed elettronico che integra le funzioni del teodolite, del livello e del distanziometro, consentendo di effettuare praticamente tutti i tipi di misure topografiche con uno stesso strumento. Le operazioni che si effettuano con una stazione totale si possono suddividere in tre fasi: 1) messa in stazione dello strumento (centratura e livellamento). 2) collimazione del bersaglio da rilevare 3) lettura e registrazione dei valori angolari e di distanza

11 la stazione totale: indicazioni operative 1) La messa in stazione è certamente l operazione più delicata e laboriosa: occorre centrare con precisione lo strumento sul punto di stazione e allineare accuratamente il suo asse primario con la verticale. Per centrare lo strumento sul punto di stazione, materializzato sul terreno da un picchetto, centrino o altro riferimento, si dispone innanzitutto il treppiede sopra al centrino, regolando apertura e allungamento delle gambe in modo che il basamento dello strumento, su cui in genere è montata una livella sferica, sia in posizione stabile, il più possibile vicina all orizzontale, all altezza adatta per l operatore e con il centro del basamento il più possibile corrispondente al punto di riferimento. Per far questo ci si aiuta con la livella sferica e con il filo a piombo, appeso sotto al centro del basamento, e che dovrà essere portato in corrispondenza con il centrino, avendo cura di osservare il relativo allineamento da due direzioni ortogonali tra loro. A questo punto si monta lo strumento sul basamento e si controlla la centratura con il mirino ottico, eventualmente traslando lo strumento sul basamento fino a portare il centrino in corrispondenza del mirino. Si fissa lo strumento sul basamento e si ruota l alidada fino a disporre la livella torica, montata alla base dello strumento, parallela ad una coppia delle tre viti di regolazione (viti calanti).

12 la stazione totale: indicazioni operative Agendo sulle due viti si centra la bolla della livella torica. Si ruota quindi l alidada di 90 e si agisce sulla terza vite di regolazione per centrare la bolla anche in questa posizione. Si controlla poi l allineamento ruotando l alidada di 180 sempre verificando la centratura della livella. Ultimate queste operazioni si verifica, attraverso il mirino ottico, che il centrino sia ancora in corrispondenza del mirino. Se così non fosse, occorrerà ripetere le operazioni di allineamento. 2) A questo punto si può accendere lo strumento ed effettuare le operazioni preliminari e propedeutiche alla misura come ad es. ruotare il cannocchiale (tilt telescope) per inizializzare il sistema o eventualmente variare le impostazioni di default. La collimazione avviene puntando dapprima il cannocchiale a mano libera verso il bersaglio costituito dal prisma riflettore montato su palina oppure da un punto notevole dell oggetto da rilevare in grado di riflettere il segnale del distaziometro. Una volta puntato il bersaglio si collima, agendo sulle manopole di regolazione dei movimenti orizzontale e verticale (per ciascuno c è una manopola per i grandi movimenti e una per i piccoli movimenti), fino a portare il bersaglio al centro del reticolo. Agendo sulla ghiera di messa a fuoco ed eventualmente sulla regolazione diottrica dell oculare, si rende nitida l immagine del bersaglio.

13 la stazione totale: indicazioni operative Il cannocchiale può lavorare avendo il cerchio di lettura verticale posizionato sia a sinistra dell oculare (osservazioni cerchio a sinistra ), sia a destra (osservazioni cerchio a destra ). Per eliminare errori sistematici legati alla meccanica dello strumento, è opportuno eseguire le osservazioni in entrambe le posizioni descritte e mediarne i valori. Le misure degli angoli orizzontale, verticale e della distanza, possono essere registrate nella memoria dello strumento e successivamente scaricate su PC, oppure utilizzate da software di rilevamento caricati sullo strumento, che simulano il libretto di campagna e consentono di effettuare alcune operazioni sulle misure, dalle operazioni statistiche al calcolo delle coordinate dei punti rilevati.