HELIDEM: i sistemi di riferimento nel quotidiano. Saldi ma non scontati

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1 HELIDEM: i sistemi di riferimento nel quotidiano Saldi ma non scontati Ambrogio Maria Manzino Politecnico di Torino DIATI 19 aprile 2013 Museo Regionale di Scienze Naturali

2 GEOMATICA (Geodesia e Informatica) Declaratoria Ministeriale MIUR I contenuti scientifico-disciplinari riguardano l acquisizione, l elaborazione, la restituzione, l analisi e la gestione di dati di natura metrica o tematica relativi alla superficie della Terra, o a porzioni di essa, ivi compreso l ambiente urbano, le infrastrutture e il patrimonio architettonico, individuati dalla loro posizione spaziale e qualificati dalla precisione del rilevamento. Le discipline comprese nel settore sono: La geodesia (fisica, geometrica e spaziale), la topografia, la fotogrammetria (aerea e terrestre), la cartografia, il telerilevamento (spaziale, aereo e terrestre), la navigazione (spaziale, aerea, marittima e terrestre) e i sistemi informativi territoriali. Gli ambiti applicativi hanno per oggetto, in particolare, lo studio dei sistemi di riferimento globali e locali, gli strumenti e i metodi di rilevamento, di controllo e di monitoraggio del territorio, delle strutture e dei beni culturali, il trattamento dei dati di misura, la produzione e l aggiornamento della cartografia e dei DB topografici, il tracciamento di opere ed infrastrutture, i sistemi mobili id rilevamento, i modelli numerici del terreno e delle superfici, la gestione e la condivisione dell informazione geografica multidimensionale e temporale.

3 GEOMATICA Docenti: Ambrogio Maria Manzino, DIATI Alberto Cina, DIATI

4 Il progetto HELI-DEM Scopi del progetto: 1. Unificare e materializzare un unico sistema di riferimento 2. Ottenere un DTM unificato e correttamente georeferenziato, multirisoluzione e multiaccuratezza 3. Unificare i sistemi di riferimento altimetrici 4. Unificare e migliorare la conoscenza del geoide tra Italia e Svizzera 5. Collegare e chiudere linee di livellazioni italiane con quelle svizzere

5 Un solo esempio: la costruzione, l attivazione e la sperimentazione di una rete GNSS transfrontaliera per il posizionamento in tempo reale in un unico sistema di riferimento. Vi sono stazioni a quota di 3000 e 4000 metri! Cosa c è di sperimentale? Non è una rete come tutte le altre? Per nulla

6 Dati esistenti e cross validazione WP3: Verifica incrociata dei DTM e dei geoidi esistenti 1. DTM transfrontalieri con risoluzioni planimetriche simili DTM Svizzera 25 m DTM Piemonte 50 m DTM Svizzera 25 m DTM Piemonte 50 m DTM Lombardia 20 m DTM Lombardia 20 m 2. DTM bassa ed alta risoluzione DTM Piemonte 50 m DTM Lombardia 20 m DTM LiDAR 1 m DTM LiDAR 1 m Servizi tecnologici condivisi nell'arco alpino. I progetti PTA, VETTA HELIDEM, RISKNAT a supporto dei territori transfrontalieri

7 DTM I Sistemi di Riferimento WP2: Raccolta e analisi delle varie tipologie di dati disponibili (DTM e geoide) diversi sistemi di riferimento ITRF2008: attuale realizzazione del sistema di riferimento globale ETRF: sistema di riferimento cartografico europeo ETRF89: prima realizzazione, prima compensazione della rete IGM95 ETRF2000: realizzazione attuale, RDN e ricompensazione IGM95 Roma40: sistema di riferimento geodetico storico nazionale Fra ITRF2008 e vari ETRF: circa 0.5 metri Vari ETRF fra loro: meno di 0.1 metri Fra ITRF/ETRF e Roma40: circa 100 metri Servizi tecnologici condivisi nell'arco alpino. I progetti PTA, VETTA HELIDEM, RISKNAT a supporto dei territori transfrontalieri

8 Ricalcolo del GEOIDE WP6: Validazione esterna e georeferenziazione del DEM Scopo del progetto: ottenere un DTM unificato in quote ortometriche, con un accuratezza ove possibile migliore del metro Ricalcolo del geoide nella zona di interesse Svizzera CHGeo2004 Italia ITALGEO05 ITALGEO05 CHGeo2004 metri SALTO di 40 cm latitudine Servizi tecnologici condivisi nell'arco alpino. I progetti PTA, VETTA HELIDEM, RISKNAT a supporto dei territori transfrontalieri

9 I SISTEMI E LE SUPERFICI DI RIFERIMENTO e gli errori nel quotidiano Confusione terribile tra Sistemi di riferimento internazionali Sistemi di riferimento continentali Le superfici di riferimento legate ai sistemi di riferimento Sistemi di riferimento altimetrici Le proiezioni cartografiche I passaggi possibili ed impossibili tra sistemi di riferimento forse serve un minimo di studio su questi argomenti Inoltre è presente una sorta di delirio di onnipotenza del sensore moderno: Basta acquistare un nuovo sensore e il rilievo è fatto!

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11 Esempio di rilievo cinematico IMU nel centro di Bolzano I sensori sono buoni ma, se non si sanno trattare i dati dalla confusione del cervello alla confusione nei risultati Necessità di limitare e compensare errori sistematici ed accidentali

12 Se utilizziamo solo le misure GNSS oppure compensiamo correttamente assieme anche le misure IMU Continuità della soluzione! 12

13 Quando vogliamo che il posizionamento RTK «si parli» con la mappa del Catasto SAPPIAMO COSA FARE?

14 CERTAMENTE OGGI CI SONO TANTI PRODOTTI CARTOGRAFICI (e pseudo cartografici) che un tempo non esistevano

15 Google Earth: strumento utilissimo che però rafforza nelle persone non del settore l idea che In questo tempo di crisi questa è la «cartografia» che basta e avanza?!

16 Ma torniamo ai nostri sistemi di riferimento. Per cosa sono indispensabili? IL POSIZIONAMENTO Per il posizionamento infatti abbiamo tre NECESSITA Necessità geometrica (nello spazio non possiamo stabilire la posizione di un punto a meno di un «DATUM»: una terna di assi orientata) Necessità di materializzazione e tributo delle deformazioni Necessità di rappresentazione (superficie di riferimento per rappresentazione Variazionale) Idea: un sistema nel quale posso geo-riferire tutto, e che possibilmente è toccabile con mano dall Italia all Australia, dai satelliti artificiali ai pianeti. Ma esiste?

17 Ciò che si chiama le stelle fisse e che altri chiamano sistema inerziale Se faccio ruotare una massa attorno ad un asse e non disturbo il moto, questa continuerà a ruotare attorno allo stesso asse se l osservatore lo vede in un sistema di riferimento inerziale. Il momento angolare non cambia direzione. Mai provato con la ruota di una bici? Dove si deve trovare tale osservatore inerziale? Dov è l origine di tali assi? Perché la parola inerziale? Certamente molto distante! Deve vedere: - La rotazione della Terra - La rivoluzione attorno al Sole - La rotazione del Sole nella Galassia - Lo spostamento delle Galassie - Ecc. ecc. - Qui al massimo ne creiamo di quelli paralleli al sistema inerziale

18 MA È VERAMENTE COMODO USARE UN SISTEMA INERZIALE (I)? O un sistema «parallelo» o meglio ancora «non ruotante» rispetto al sistema inerziale? - Per spedire aerei e missili e satelliti è molto comodo! - Per avere «in tasca» un sistema di riferimento che non cambia con la posizione della mia tasca è comodo, ammesso di sapere come si passa da quello della tasca a qualunque altro sistema (necessità di studiare) - Per posizionare punti sulla superficie terrestre è scomodo! Vedrei che la Terra ruota (senza bisogno di assumere alcoolici). - Serve un Sistema «inchiodato» alla Terra (E) e un modo per conoscere come si pasa dal sistema (I) al sistema (E) Tale sistema si definisce ECEF: Earth Centered, Earth Fixed

19 Un sistema teoricamente comodo: ECEF (scomodo: inerziale, legato alle stelle fisse) Chi ci dice dove si trova il centro di massa (X0, Y0, Z0)? Risposta: in modo indiretto le misure astronomiche, satellitari (non GPS di solito), combinate a misure di tempo, spazio e gravità. Chi ci dice dove si trova l asse d istantanea rotazione? (Il problema è che i satelliti della terra sono legati a questo asse, dunque anche i sistemi di riferimento che usano questi satelliti) Risposta: come sopra (misure di latitudine) Come si misura la velocità di rotazione? Risposta: con misure di tempo e di spazio (longitudine) Ciò premesso si comprende che il sistema di riferimento dipende da tutte queste misure, di conseguenza i SR: a) dipendono dal periodo di misura b) migliorano in precisione con tecniche più moderne. Dunque Il sistema di riferimento dipende dall epoca di misura: GRS67, GRS80, WGS84, PZ90 ecc., ma tutti sono necessariamente convenzionali.

20 Ci rendiamo conto che più aumentano le moderne tecniche di misura più serve conoscere i passaggi tra sistemi di riferimento Ad esempio, nel Laser a scansione aereo sono coinvolti: Sistema di riferimento dei satelliti GNSS Sistema di riferimento navigazionale dell aereo Sistema di riferimento inerziale del sensore IMU Sistema di riferimento interno dell eventuale camera fotogrammetrica Sistema di riferimento terrestre Queste connessioni devono essere realizzate IN OGNI ISTANTE ed in maniera continua. Serve cioè anche una connessione tra la scala dei tempi del GNSS con le scale dei tempi di tutti i sensori

21 Anche per la navigazione terrestre sono coinvolti diversi sistemi sia spazialmente che temporalmente (RS1): sistema di riferimento cartografico (UTM-WGS84) (RS2): sistema body definito dalla posizione dell antenna di poppa e centro IMU. (RS3): sistema di riferimento della camera (RS4): sistema di plottaggio, solidale al veicolo

22 Chi materializza un sistema di riferimento? Perché questa domanda? Perché materializzarlo? Non è volatile? Le risposte possono essere, nell era dei satelliti, le seguenti: a) I satelliti, in quanto le loro coord. sono note proprio in questo sistema di riferimento. Non solo, anche i tempi GPS fanno parte del SR! (OK) b) Una sua realizzazione a terra, che soffre del fatto che è legata ad una data d realizzazione ed è legata a un corpo che si deforma. (ITRS) ITRF xx Realizzazioni del sistema globale ITRS (International Terrestrial Reference System): (ETRS) ETRF xx a causa di deformazioni continentali comuni IGM 95 (collegata con ETRF89) RDN Rete Dinamica Nazionale dell IGM, connessa con ETRF2000 (vedremo più avanti)

23 Deformazioni globali (ITR) e continentali (ETR: EUREF) NAME VX(M/Y) VY(M/Y) VZ(M/Y) FLAG PLATE GRAS I96 EURA MEDI I96 EURA NOTO I96 EURA CAGL I96 EURA MATE I96 EURA VENE I96 EURA UPAD I96 EURA ZIMM I96 EURA Perché un sistema europeo e non globale? FILE ETRF93SSC ETRF93 SOLUTION ETRS89 EP DOME ETRFYY VX VY VZ GRASSE ETRF LAMPEDUSA ETRF BOLOGNA ETRF NOTO ETRF TRIESTE ETRF CAGLIARI ETRF MATERA ETRF MONTE VEN ETRF ZIMMERWAL ETRF

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25 STAZIONI Alessandria Biella Bussoleno Canelli Crescent ino Cuorgnè Demonte Domodossola Gozzano Mondovì Novara Ostana Savigliano Serravalle Torino Oggi un qualunque sistema di riferimento è materializzato da reti di stazioni permanenti GNSS. Alcune di esse forniscono anche servizi per il posizionamento in tempo reale. Viceversa queste stazioni possono avere posizioni note in qualunque sistema di riferimento

26 Ma è sufficiente per progettare e costruire opere avere un sistema di riferimento solamente «geometrico»? NO, serve anche qualcosa di fisico legato alla forza di gravità terrestre Dove va l acqua? Quanto lavoro devo compiere?

27 Serve riferirsi a superfici del potenziale di gravità, in particolare ad una superficie di potenziale convenzionale chiamata GEOIDE Se amplifichiamo molto le differenze di potenziale (le altezze) questa è la superficie del geoide: come si definiva un tempo?

28 Ciò che si insegnava 10 anni fa: l altezza media del mare in quiete misurata ai mareografi. Qui ad esempio quello di Genova da cui parte la rete altimetrica italiana La rete altimetrica Italiana ha origine dai mareografi

29 Partendo da mareografi diversi, da medie eseguite in tempi diversi, da mari con salinità diverse, ogni nazione ha uno «zero» di quota ortometrica diverso di svariati centimetri! Ecco i mareografi moderni. Se partiamo con una livellazione da uno all altro NON otteniamo dislivello nullo Ma come?! L acqua non «va in piano»?

30 Per unificare i sistemi di riferimento altimetrici delle azioni si possono collegare i mareografi, ma è meglio fare riferimento al potenziale di gravità La superficie media del mare in quiete non è esattamente una superficie di livello Superficie del Mar Mediterraneo (SST: Sea Surface Topography. +/- 20 cm!)

31 Le stazioni che monitorano il nuovo sistema di riferimento verticale europeo (EVRF) non sono necessariamente tutte sul mare. Vi sono anche stazioni gravimetriche.

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