Progetto di ricerca TARGET-FOR

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1 Progetto di ricerca biennale finanziato e svolto in collaborazione con la div.vi CFS Progetto di ricerca TARGET-FOR STARS PARTI TARGET-FOR: Tecniche (e Tecnologie) per l Automatizzazione del Rilievo Georefenziato delle Emergenze (e degli Eventi) Territoriali in ambito FORestale

2 Corso per Rilevatori SSIR del Corpo Forestale dello Stato Feudozzo, Marzo 2008 Siti per il Test di Apparecchiature di Radio-posizionamento Satellitare Antonio Floris CRA MPF - Trento 2

3 Progetto di ricerca TARGET-STARS CFS-STARS Valutazione statistica e certificazione delle performance di precisione delle apparecchiature di radionavigazione e localizzazione satellitare in uso al Corpo Forestale dello Stato. 3

4 ARGOMENTI DELLA LEZIONE Importanza di georeferenziare correttamente gli oggetti territoriali rilevati GPS: Cenni teorici e generalità L uso di GPS in aree boscate e le differenze rispetto ad aree aperte L idea di aree test GPS in bosco: esperienze USA e progetto STARS Le aree test già istituite e l area di Feudozzo L esecuzione dei test L elaborazione dei dati: la certificazione delle performance on-line Come svolgere l esercitazione 4

5 CHE COSA E IL MOBILE-GIS una modalità di descrizione del territorio che impiega procedure e tecnologie GIS che avviene in campo e (almeno parzialmente) in tempo reale che integra le caratteristiche spaziali degli elementi ed eventi rilevati (posizione, forma, dimensioni ) con tutti i loro altri attributi e con la componente temporale dell informazione 5

6 L accurata georeferenziazione degli elementi e degli eventi territoriali, e di tutte le informazioni rilevanti ad essi collegate, assume un importanza crescente nella conoscenza e nel controllo del territorio e delle sue dinamiche Ritrovamento degli elementi rilevati Riporto cartografico accurato Analisi spaziali sofisticate con ausilio di GIS 6

7 Questo è un compito impegnativo Elevate dinamiche spaziali e temporali degli oggetti da rilevare Frammentazione dimensionale degli elementi rispetto alla risoluzione dei metodi di rilevamento Risorse limitate rispetto al compito da svolgere Necessità di metodi e tecnologie ergonomiche in ambienti non favorevoli al rilevamento 7

8 Fondamentale accompagnare il dato posizionale con la sua incertezza E uno dei più importanti metadati Le attività istituzionali di rilevamento del Corpo Forestale dello Stato hanno spesso carattere probatorio 8

9 GPS è oggi lo strumento e la tecnologia prevalente di georeferenziazione Eventualmente integrabile o parzialmente sostituibile con altre: strumenti ottico-elettronici strumenti a onde di pressione strumenti tradizionali Per la misura di distanze, inclinazioni, azimut 9

10 GPS Global Positioning System Le indispensabili informazioni di carattere teorico e operativo necessarie per affrontare le procedure di rilevamento 10

11 IL SISTEMA GPS E COSTITUITO DA TRE SEGMENTI Segmento spaziale, con 24 (31) satelliti Segmento di controllo, con una stazione master e quattro stazioni monitor secondarie Segmento utente, cioè i ricevitori (militari e civili) che usano GPS in tutto il mondo 11

12 IL SEGMENTO SPAZIALE La costellazione GPS nominale prevede 24 satelliti distribuiti su sei piani orbitali con un inclinazione di 55, a km di altitudine La rappresentazione grafica della costellazione rende un idea immediata della copertura globale che il sistema assicura su tutta la superficie terrestre 12

13 IL SEGMENTO DI CONTROLLO Le stazioni di controllo a terra possono inviare e ricevere dati dai satelliti, ne monitorano costantemente le condizioni operative, possono modificare le loro orbite e il contenuto dei segnali che i satelliti trasmettono ai ricevitori 13

14 IL SEGMENTO UTENTE E costituito dall insieme di tutti i ricevitori appartenenti a diversi settori di utenza: navale, aeronautica, veicolare, topografica e molti altri. Tra questi, anche il settore del rilevamento forestale. 14

15 Il cuore del sistema GPS è la capacità di misurare il tempo in maniera molto precisa: con orologi atomici ad elevatissima precisione, e molto costosi, installati a bordo dei satelliti; con orologi a cristalli di quarzo o rubidio, meno precisi ma molto più economici, installati nei ricevitori; I satelliti inviano speciali segnali codificati, che possono essere elaborati da un ricevitore per calcolare la propria posizione, velocità ed eseguire accurate misure di tempo. Sono necessari almeno quattro satelliti per calcolare una posizione in tre dimensioni. 15

16 Ciascun satellite emette un segnale radio che contiene, in forma codificata binaria, i dati relativi al satellite stesso (tra cui, molto importante, la propria posizione) e l istante in cui il segnale è partito. 16

17 Quando il segnale arriva al ricevitore, viene replicato e confrontato con la misura dell istante di arrivo effettuata dall orologio del ricevitore. 17

18 La differenza tra i due istanti è il tempo occorso al segnale radio per compiere il tragitto satellite - ricevitore 18

19 Moltiplicando questo tempo per la velocità della luce (a cui viaggiano le onde radio) si ottiene la distanza tra satellite e ricevitore. 19

20 Per rilevamenti di elevata accuratezza (di solito in campo topografico o geodetico) si ricorre a tecniche di misure GPS con la fase della portante, che richiedono però ricevitori particolari, molto costosi, e una visibilità continua prolungata (almeno minuti) degli stessi satelliti. Queste tecniche sono poco o niente usate, fino ad oggi, nel settore forestale, però è utile conoscerle perché possono servire in casi particolari (es. istituzione di punti fiduciali). 20

21 Ripetendo questa misura per almeno quattro satelliti, la cui posizione nello spazio è nota in qualsiasi momento dalle loro effemeridi, il ricevitore può calcolare la propria posizione eseguendo una trilaterazione 21

22 Perché almeno quattro satelliti? Nota la distanza d da un satellite, il ricevitore può essere in qualsiasi punto sulla superficie di una sfera avente raggio d. 22

23 Note le distanze da due satelliti, il ricevitore può essere in qualsiasi punto sulla circonferenza formata dall intersezione fra le due sfere. 23

24 Note le distanze da tre satelliti, il ricevitore può trovarsi soltanto in uno dei due punti d intersezione fra le tre sfere 24

25 In teoria tre misure di distanza sarebbero già sufficienti, in quanto una delle due posizioni potrebbe essere scartata (lontanissima dalla terra oppure in movimento ad altissima velocità). Questo, però, solo se le misure fossero prive di errore, condizione impossibile da realizzarsi nella realtà. Ricordiamo che, alla velocità della luce, anche un errore piccolissimo nella misura del tempo si traduce in un errore di molti chilometri. La misura della distanza da un quarto satellite consente di ovviare a questo problema, riducendo lo spazio d incertezza entro un ellissoide con raggio di alcuni metri. 25

26 ERRORI DI POSIZIONAMENTO La precisione e accuratezza del posizionamento GPS dipendono soprattutto da: - qualità intrinseca del ricevitore (orologio, hardware, software etc ); - numero e disposizione geometrica dei satelliti rispetto all osservatore (ricevitore); - presenza di ostacoli che possono intercettare il segnale radio o, peggio, deviarlo introducendo errori di misura difficilmente identificabili; - presenza di errori artificiali attivati dal gestore (USA) per motivi di sicurezza militare; 26

27 PDOP è l acronimo che indica Position Diluition Of Precision (diluizione di precisione, cioè incertezza) - componente orizzontale HDOP - componente verticale VDOP - misura del tempo TDOP GDOP PDOP E un numero puro (solitamente nell intervallo 1-12) che va moltiplicato per l errore intrinseco della misura strumentale, per ottenere l incertezza complessiva di posizionamento Es: errore intrinseco di misure GPS = 0,80 m PDOP = 6 Incertezza = 5,4 m 27

28 PDOP ottimale 28

29 PDOP scadente 29

30 IL MULTIPATH il nostro più temibile avversario 30

31 IL MULTIPATH Quando il segnale radio emesso dal satellite non compie un tragitto rettilineo ma rimbalza contro ostacoli di varia natura, giunge al ricevitore GPS compiendo una distanza maggiore e impiegando più tempo. Il ricevitore misura un tempo errato e sbaglia il calcolo della distanza satellite-ricevitore 31

32 COME E CAMBIATA LA DISPONIBILITA DI SATELLITI Un planning del Si evidenzia che tra le ore e le la disponibilità dei satelliti sarà piuttosto bassa e sarà quindi più difficile rilevare sotto copertura o in zone a orografia accentuata. Situazione migliore nel pomeriggio. 32

33 Il planning del 12 marzo 2008 nella zona dell area test di Feudozzo 33

34 Disponibilità dei satelliti e PDOP con Elevation Mask=12 34

35 Disponibilità dei satelliti e PDOP con Elevation Mask=15 35

36 Come assicurarsi la migliore operatività e qualità di rilevamento SCEGLIERE UN MODELLO DI RICEVITORE CON CARATTERISTICHE E PRESTAZIONI ADATTE ALL IMPIEGO PREVISTO Ricordiamo che il bosco, soprattutto in zone collinari e di montagna, è uno degli ambienti più ostili alla ricezione del segnale GPS 36

37 Trimble Pathfinder PRO- XR -Trimble GEO-CE XT Modelli professionali per il GIS/mapping, scelti anche per i rilievi INFC, fino a qualche tempo fa indispensabili per il rilevamento in scenari forestali 37

38 Disattivazione della SA Operatività di WAAS EGNOS Nuovi chip GPS (es. il SIRF-STAR III) Queste recenti evoluzioni tecnologiche e strategiche orientano l interesse del rilevamento territoriale anche verso modelli semiprofessionali o di basso costo PDA con GPS wireless 38

39 Nei ricevitori GPS professionali è possibile impostare dei valori/soglia (minimi o massimi) di determinati parametri di ricezione oltre i quali la registrazione della posizione è impedita. In questo modo si ha la garanzia che i dati rilevati rispettano determinati requisiti di accuratezza, precisione e, in definitiva, qualità I principali parametri su cui si agisce, impostando le cosiddette maschere, sono: PDOP (disposizione geometrica dei satelliti); SNR (rapporto segnale/rumore); elevazione dei satelliti sull orizzonte; numero minimo di posizioni per ciascun punto/vertice 39