L impiego delle reti GNSS a supporto delle trasformazioni delle mappe catastali su sistema di riferimento globale

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1 POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Ingegneria del Territorio, dell Ambiente e delle Geotecnologie L impiego delle reti GNSS a supporto delle trasformazioni delle mappe catastali su sistema di riferimento globale Alberto CINA alberto.cina@polito.it Tel / fax / 99 Verso PREGEO 10 L utilizzo delle reti GNSS per le attività catastali L Aquila, 30 giugno 2010

2 RETI DI STAZIONI PERMANENTI E LORO SCOPI 1) Mantenimento del Sistema di Riferimento Sistema di riferimento: contiene teoria fisica e le approssimazioni per la definizione degli assi coordinati Frame: realizzazione pratica di SR costituita da una rete di punti di cui sono note coordinate e velocità. Realizzazione WGS84 ETRF2000: Rete Dinamica Nazionale (RDN), inquadrata nelle reti Euref e IGS N.B.: l utente finale potrebbe non essere il fruitore diretto delle stazioni permanenti GNSS che materializzano il DATUM in quanto o troppo lontane, o con campionamento 30 s o senza prodotti RTK. 2) Network RTK (NRTK) costituiscono il naturale collegamento tra il sistema di riferimento e l utente finale con servizi di posizionamento in post elaborazione o RT.

3 Le Reti RTK portanoo a riconsiderare alcuni principi Fruizione del sistema di riferimento: non solo reti statiche ma stream di dati in RT (es. RTCM) con coordinate, misure, correzioni, da reti dinamiche di SP precisioni centimentriche con ricevitori geodetici. Le misure: prima: funzionali delle coordinate (angoli distanze e dislivelli) ma anche sfasamenti onde elettromagnetiche e misure di tempi) o baseline GPS ora: produzione diretta in campagna di coordinate XYZ in tempo reale dall acquisizione al prodotto direttamente: il processo è regolato dallo strumento di misura (XYZ) nuova misura? Quale uso delle coordinate RTK in un libretto PREGEO?

4 Principi di posizionamento differenziale DGPS Posizionamento stand alone: insufficiente ai fini topografici (σ 95% = ± 5 m anche dopo la disattivazione della S.A.) Posizionamento Differenziale DGPS: applicato alle misure di codice e fase: richiede una stazione base A e rover B. DGPS RTK: elimina bias spazialmente correlati Degrado della correzione con la distanza 0,110 Z RTCM X Y A B m 0,060 Errore f (distanza km) 0,010 5,5 10,5 15,5 20,5 25,5 30,5-0,040-0,090-0,140 km DX DY DZ Lineare (DZ) Idea: modellazione del bias all interno di una rete di SPGPS NRTK

5 RTK o NRTK? ANALISI DEI BIAS rete RTK: ottenere una stima regionale degli errori spazialmente correlati e un loro modello per poterlo applicare su un ricevitore rover, creando una VRS. K K orologio satellite k e ricevitore i C = δ + δ S i i = M + A K K K i i i K K K K i = i + i + i D E I T Multipath M,variaz centri fase antenne (dipendenti dal sito) Spazialmente correlati, (Effemeridi, Iono e Troposfera) B K i = C + S + D K i K i K i Generazione VRS Rover RTCM Base Baseline da una stazione virtuale

6 Alcuni risultati dalla NRTK POLITO Tempo medio fissaggio ambiguità di fase: 25 s Time to FIX Roncobello Cameriano Vimercate Chiari Villanova Monferrato Sartirana Lomellina Casorate Primo Madonna del Mistadello Casalbuttano ed Uniti Cagno Pian Delle Alpi Villa di Tirano Valperga Foglizzo Carignano Sezzadio * Mondovi Demonte % FIXED Vertici IGM95 % successi fissaggio ambiguità di fase Roncobello Cameriano Vimercate Chiari Villanova Monferrato Sartirana Lomellina Casorate Primo Madonna del Mistadello Casalbuttano ed Uniti Cagno Pian Delle Alpi Villa di Tirano Valperga Foglizzo Carignano Sezzadio * Mondovi Demonte Vertici IGM95 Scarti NRTK rispetto a un vertice IGM95 Le coordinate RTK non hanno ridondanza: problema del controllo di qualità Precisione: Cxx Accuratezza (es. falsi fissaggi): Rioccupazione Virtual RINEX % FIX TTF [s]

7 reti GNSS per trasformazioni di mappe catastali a WGS84 Interoperabilità tra DB topografici stesso sistema riferimento La carta catastale si compone di più di fogli di mappa, con riferimento all ellissoide di Bessel con vari orientamenti. 818 piccole origini (circa 1/3 dei fogli di mappa) 31 grandi origini (circa 2/3 dei fogli di mappa) + altre origini - es. Mappa Rabbini in Piemonte La trasformazione tra DATUM viene eseguita, a partire da misure o coordinate degli stessi punti nei 2 DATUM stima parametri Conoscenza o rilevo RTK di punti di doppie coordinate nel sistema WGS84: vertici catastali o punti mappa d impianto origini catastali X X 0 1 Rz Ry X Y = Y + µ Rz 1 R Y 0 x Z Z 0 Ry Rx 1 Z T T

8 I grandi sistemi d asse rappresentano il maggior problema geodetico; i piccoli sistemi il maggior problema pratico Sperimentazione di ricomposizione delle piccole origini, nell ambito del progetto PRIN07 e in collaborazione con l Agenzia del Territorio.

9 Trasformazione Cassini Soldner Bessel Gauss UTM WGS84 Z Cassini Soldner afilattica Gauss conforme diverse deformazioni della Gauss rispetto alla Cassini-Soldner procedure geodetiche di trasformazione tra sistemi di coordinate e docedi riferimento Metodo basato sulle origini catastali Utilizziamo elementi geodetici superficiali: Z G (X, Y) (s, α) (formule di Soldner) Cassini Soldner ellissoide piano Gauss Y Q α s X P Tenendo conto di: O deformazioni cartografiche ϕ Y G variazione di forma e orientamento degli ellissoidi (Bessel WGS84) da stimare a partire al punti di doppie coordinate. X G λ Particolarmente idoneo nel cas di piccoli sistemi d asse

10 La mappa catastale nell era del GPS: quale coerenza? Zona test: provincia di Cuneo: superficie: 6903 km 2 acquisizione monografie punti doppi (4136) con presupposti non automatizzabili: 250 comuni 101 origini circa 7500 fogli Metodologia automatizzabile per la trasformazione di mappe catastali verso altri sistemi di riferimento ricerca e verifica delle origini coerenza interna tra reti catastali, tra diverse origini e con le reti IGM stima parametri di trasformazione tra DATUM Bessel e WGS84 Ricostruire il sistema di riferimento catastale e individuare e rilevare punti di doppie coordinate e ORIGINI Catastali

11 Cambio DATUM vertici IGM95 con coordinate catastali 8 vertici IGM95 di note coordinate Catastali e WGS84 ETRF2000 Calcolo UTM Bessel e stima parametri trasformazione (α, λ) Y WGS84: α= ± 0.28 λ = ppm ± 2.75 ppm X WGS84

12 Trasformazione di mappe e confronto con cartografia tecnica nelle scale 1:1000 1:2000 Individuazione di punti doppi attendibili sul catastale e carta numerica fotogrammetrica a grande scala (1:1000 1:2000). Valutazione degli scarti planimetrici Y su fogli di 6 comuni provincia CN. X confronto è effettuato sulle mappe d impianto in formato raster, georeferenziate con trasformazione affine utilizzando i 70 crocicchi con collimazioni automatiche sub pixel

13 Confronto mappa impianto con cartografia tecnica in WGS84 Y X

14 COMUNE DI LA MORRA confronto Carta numerica 1:2000 Catastale 1:2000 σ carta m m σ = σ + σ RIF 2 DB 2 Catastale m Scarti planimetrici e sqm su 29 punti di confronto: Y 0.51 ± 0.27 m X

15 COMUNE DI CUNEO confronto Carta numerica 1:2000 Catastale 1:2000 σ carta m m σ = σ + σ RIF 2 DB 2 Catastale m Scarti planimetrici e sqm su 45 punti di confronto: Y 0.63 ± 0.33 m X

16 Un esempio in Lombardia: scarti planimetrici tra mappe trasformate in WGS84 e rilievo NRTK Y X raster originale impianto media 0.58 ± 0.38 m scarto planimetrico 1,5 1 0, punti RTK

17 ricevitori Mass Market e GIS in ambito catastale e uso in NRTK Mass Market: Ricevitori GIS: esempio 1: in real time con correzioni differenziali esempio 2: posizionamento statico con vari tempi d acquisizione

18 Posizionamento Differenziale in tempo reale Accuratezze al 95% St. Alone: 5.4 m Egnos: 4.5 m VRS: 4.7 m Mass market: ublox4 GIS: Leica GS20 Accuratezze al 95% St. Alone: 2.50 m EGNOS: N. A. VRS RTCM 1-2: 1.05 m TORI (80 km) RTCM 18-19: 0.80 m VRS RTCM 18-19: 0.74 m

19 Posizionamento statico post processing (PP) Test: sessioni di lunghezza da 5, 10, 30 minuti post-elaborate con stazione base reali e virtuali VRS Sono stati salvate le misuse di codice e fase L1 in files RINEX per comprendere la precisione in post processing. File di 24 h Files di 20 min Files di 10 min

20 Ricevitori Mass Market in post processing (PP) Stazione base reale: CRES (a 30 km) Ublox-4 Accuratezza al 95% = 1.0 m Osservazioni: I test non hanno visto migliorie usando 20 minuti o 10 minuti di dati: sessioni di 10 minuti sono sufficienti.

21 Ricevitori GIS in post processing (PP) Stazione base reale: CRES (30 km) Accuratezza al 95% 0.8 m Osservazioni: Le precisioni sono uguali a quelle in real time (con correzioni di fase RTCM 18-19).

22 Ricevitori Mass Market in post processing (PP) con VRS Sessioni statiche 10 minuti Ublox-4 Accuratezza al 95% Garmin: 0.9 m Ublox-4: 0.2 m % Fix Garmin: 3 % Ublox-4: 80 % Garmin Osservazioni: I ricevitori mass market possono avere in PP performances molto diverse, in relazione alla qualità delle fasi.

23 Ricevitori Mass Market - conclusioni real time: l uso di correzioni di rete rispetto ad EGNOS non sono migliorative. post processing: si possono ottenere precisioni decimetriche, funzione della qualità delle misure di fase. Sufficienti sessioni di 10 min. Ricevitori GIS - conclusioni Y real time: la qualità del posizionamento migliora sensibilmente usando le X correzioni di rete, specie usando dati di fase (RTCM ad es.). post processing: Le performances con dati di rete VRS sono omogenee e si ottengono precisioni decimetriche al 95% dopo 10 minuti. Per entrambe le categorie di ricevitori L uso dei Virtual RINEX da rete GNSS migliora la qualità dei risultati rispetto una stazione permanente reale (a 20 km e più) e rende possibile il fissaggio delle ambiguità di fase L1 anche con ricevitori a basso costo.

24 POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Ingegneria del Territorio, dell Ambiente e delle Geotecnologie L impiego delle reti GNSS a supporto delle trasformazioni delle mappe catastali su sistema di riferimento globale Alberto CINA alberto.cina@polito.it Tel / fax / 99 Verso PREGEO 10 L utilizzo delle reti GNSS per le attività catastali L Aquila, 30 giugno 2010

25 Confronto Cassini Soldner Gauss (UTM WGS84) Z Deform. Cassini Soldner (afilattica) Gauss (conforme) Angolare (δ) Lineare (m) X ellissoide piano della carta Areale m (m A ) s cosα s sinα δ = y ρ N y1 + y1 y2 + y2 sin 6ρ Y 0 N 0 2 y m = 1+ cos 2ρ N y = 1+ 2 ρ N 0 0 α cosα 2 α δ = X m = + 2 ρ * N0 m 2 = ρ N X * Cassini Soldner Gauss diverse deformazioni della Gauss rispetto alla Cassini-Soldner procedure geodetiche di trasformazione tra sistemi di coordinate e di riferimento

26 procedura geodetica in sintesi: da Cassini Soldner a Gauss Q X Z G Metodo basato sulle origini catastali Utilizziamo elementi geodetici superficiali: (X, Y) (s, α) (formule di Soldner) Cassini Soldner ellissoide piano Gauss X G Y O ϕ λ α s P Y G 1) Trasformate di geodetiche da Cassini Soldner a Gauss (Bessel): a partire dagli elementi geodetici (s, α) applicando le riduzioni e deformazioni relative alle due rappresentazioni cartografiche 2) Variazioni di forma degli ellissoidi: Gli elementi geodetici (s, α) sono poco dipendenti dalla loro variazione di forma (errore < 2mm / 100 km) 3) Variazioni d orientamento tra ellissoidi: Problema geodetico: confronto coordinate e misure tra punti nei 2 SR stima dei parametri di rotazione e scala nel piano Gauss. 4) Trasporto delle coordinate sul piano di Gauss

27 Risultati pratici della sperimentazione Metodologia automatizzabile per la trasformazione di mappe catastali verso altri sistemi di riferimento Possibilità di generare automaticamente punti di doppie coordinate (X, Y Est, Nord) da utilizzare a posteriori, Ysecondo grigliati X (tempi di calcolo misurabili in ore/provincia). con presupposti non automatizzabili: ricerca e verifica delle origini coerenza interna tra reti catastali, tra diverse origini e con le reti IGM stima parametri di trasformazione tra DATUM Bessel e WGS84- ETRF2000 Ricostruire il sistema di riferimento catastale a partire dalle fonti qualche esempio

28 La ricostruzione del sistema di riferimento Y X

29 X Y

30 Y X Il sistema di riferimento catastale: reti e sottoreti