I Sistemi Geodetici di Riferimento e la Topografia di precisione per le grandi infrastrutture dell ingegneria civile Salerno, 4 marzo 2015 I Sistemi Geodetici di Riferimento storia e evoluzione Renzo Maseroli Istituto Geografico Militare 1
Sistema di Riferimento Perché si ha necessità di un Sistema Geodetico di Riferimento? Per creare un contesto razionale nel quale assume significato geometrico la posizione dei punti espressa Y attraverso un sistema di coordinate X P x P Coordinate: un insieme di regole e misure Che cos è un Sistema di Riferimento? X A un sistema di coordinate connesso fisicamente a punti sul terreno cioè un insieme di regole, misure, convenzioni Esempio: sul piano il Sistema di Riferimento più O semplice è un sistema cartesiano piano Coordinate assolute e relative Se si vuole descrivere la superficie terrestre 2. A Y A y P. P Y P X
3 Sono millenni che l uomo si pone questa domanda Sono però molti secoli che l uomo sa che Terra è sferica Platone Aristotele (IV Sec. a.c.) Eratostene di Cirene (III Sec. a.c.) ne misura per primo il raggio ottiene 40000 stadi egizi pari a circa 6680 km, un risultato eccezionalmente buono per l epoca Alessandria.. Siene 7 12 raggi solari
Per molti secoli le cose cambiano molto poco, Terra considerata sferica Le misure della Terra assumono una veste più rigorosa solo alla fine del XVII Sec., quando si afferma il metodo scientifico, dopo Galileo e Newton Il primo che si accorge che la Terra non è una sfera perfetta è Richer nel 1672, utilizzando un pendolo l T l M m 2 g G 2 g D Negli anni successivi nacque una disputa sulla forma della Terra: D D fra Cassini La disputa fu risolta dall Académie des Sciences di Parigi, che organizzò, intorno al 1740, due apposite spedizioni: una in Perù e una in Lapponia, per misurare la lunghezza di un arco di Newton e Huygens meridiano a latitudini molto diverse 4
Nel 1799 Laplace dimostra (Traité de mècanique célèste) che la forma della Terra non è esattamente un ellissoide, anche se l ellissoide è il solido geometrico, che meglio l approssima Ma allora che forma ha la Terra? Superficie alla quale, nel 1873, Johann Benedict Listing darà il nome di Terra Ellissoide Geoide fisica Ai primi dell 800 si utilizza l ellissoide come approssimazione della Terra, ma non si è ancora affermato il concetto di Sistema di Riferimento come oggi lo intendiamo 5
6 In Italia bisogna arrivare ai primi del 900 perché venga concepito e realizzato un vero Sistema Geodetico di Riferimento Italia Un ellissoide, di forma e dimensioni adeguate, posto in tangenza con un punto della Terra (Centro di Emanazione), costituisce un Sistema di Riferimento Geodetico Locale Geoide Ellissoide Il primo Sistema adottato dall Italia è costituito dall ellissoide di Bessel orientato a Genova
Definizione di un Sistema Locale 1. Scelta di una superficie: forma e dimensioni j 2. Posizionamento della superficie, rispetto al geoide, su un punto di posizione assoluta nota Tutte le possibili misure fra punti della superficie terrestre sono relative e non possono fornire posizioni assolute ma solo relative ELLISSOIDE LOCALE v P P n P F 3. Realizzare il Sistema su tutto il territorio d interesse GEOIDE 7
Realizzata fra il 1861 e l inizio del 900 Suddivisa in ordini: (rete del 1 ordine: 350 vertici) Raffittita con reti 2, 3 e 4 ordine ( 20000 vertici) I punti della rete sono i testimoni del Sistema e ne consentono l utilizzo Precisione relativa: qualche decimetro I punti della rete classica sono tutti i posizione dominante del territorio Maseroli Renzo 04/03/2015 8
9 Rete geodetica classica Cima D Asta Monte Cavallaro
10 Materializzazione Monte Scorsone Serraficaia Venezia
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Il progresso scientifico ha consentito di calcolare nel tempo ellissoidi che approssimano sempre meglio il Geoide Nel corso del 900 si è passati da interessi nazionali ad una visione più ampia, prima continentale e poi mondiale Ellissoide di Bessel orientato a Genova IIM Ellissoide di Hayford orientato a Roma M.Mario Ellissoide di Hayford con orientamento medio europeo 1 Sistema Nazionale (Bessel su Ge) 1900-1940 ROMA40 1940-1960 Utilizzato per scopi geodetici e topografici anche successivamente ED50 Sist. Europeo 1960-1996 Utilizzato in Italia solo per la cartografia La realizzazione è costituita in tutti i casi dalla rete geodetica classica 12
Negli anni 90 ha luogo la più grande rivoluzione della geodesia, si afferma sempre più la geodesia satellitare, ed in particolare: il GPS Grandi vantaggi di precisione, rapidità, economicità, semplicità, ecc. Rende però necessaria l adozione del Sistema di Riferimento Globale geocentrico: WGS84 World Geodetic System 1984 13 X Z Y
14 E costituito da una terna cartesiana destrorsa L origine degli assi coincidente con il centro di massa della Terra L asse Z diretto verso il Polo Nord terrestre convenzionale al 1984.0 L asse X è l intersezione fra il piano meridiano di Greenwich al 1984.0 e il piano equatoriale L asse Y completa una terna cartesiana destrorsa La terna cartesiana solidale alla Terra Al Sistema WGS84 è associato un ellissoide biassiale, geocentrico denominato anche esso WGS84 X Z Y
L adozione interdisciplinare del Sistema Globale, a fini non soltanto GPS, avviene con la definizione dell ITRS da parte dell IERS ITRS International Terrestrial Reference System La definizione dell ITRS è identica al WGS84, e riferita al 1984.0 La differenza sta nelle realizzazioni E allora dov è la differenza? L ITRS è solo un insieme di regole, non ha coordinate; le coordinate sono presenti nelle sue realizzazioni denominate ITRF-YY(t 0 ) Le realizzazioni sono costituite da: ( i) un elenco di coordinate: X YY un campo di velocità: Esempio: ITRF89 (1988.0) ( i) V YY Tramite il campo di velocità è possibile riferire ad una epoca t le coordinate: ( t 0 ), i 1,..., m ( i) ( i) ( i) X ( t) X ( t ) V ( t )( t t ) YY ( t 0 ), i 1,..., m 15 YY X Z 0 YY 0 0 Y
Evoluzione nel tempo del sistema ITRS 16 Maggiore completezza e precisione ITRF-YY(88.0) ITRF-YY(93.0) ITRF-YY(YY.0) V YY V YY P ( 88. 0) YY-89 P ( 930. ) YY-93 P ( YY-93 YY.0 ) ITRF-93(88.0) ITRF-93(93.0) ITRF-93(YY.0) V 93 P ( 93-88 88. 0) P ( 930. ) 93-88 V 93 P ( 93-88 YY.0 ) ITRF-88(88.0) ITRF-88(93.0) V 88 V 88 ITRF-88(YY.0) Estensione nel tempo tramite campi di velocità
Posizione della rete IRTS monitorata in continuo dalle stazioni permanenti ITRF88 ITRF89 ITRF97 ITRF2000 17 t ITRF2005 ITRF88 epoca 1988.0 ITRF89 epoca 1988.0 ITRF90 epoca 1988.0 ITRF91 epoca 1988.0 ITRF92 epoca 1988.0 ITRF93 epoca 1993.0 ITRF94 epoca 1993.0 ITRF96 epoca 1997.0 ITRF97 epoca 1997.0 ITRF2000 epoca 1997.0 ITRF2005 epoca 2000.0 ITRF2008 epoca 2005.0
Renzo Maseroli 04/03/2015 18 L Italia non adotta proprio l ITRS, ma una sua variante: Realizzazione ETRF89(89) def. 1) ITRF89 (89) 2) solidale con la placca euro-asiatica Al sistema ETRS89 è stato associato l ellissoide biassiale geocentrico: ITRF-YY(t) ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989) che l EUREF ha definito per il continente europeo per avere un Sistema Convenzionale più stabile P YY (YY) GRS80 ETRF-YY(t) - V E YY ETRF-YY(89.0) EUREF: EUropean REference Frame, è la X sottocommissione dell IAG IAG: Associazione Internazionale di Geodesia
19 Posizione ITRF2005 ETRF89 ITRF97 ETRF97 ITRF2000 ETRF2000 ETRF2005 t ETRF realizzati: ETRF89 ETRF90 ETRF91 ETRF92 ETRF93 ETRF94 ETRF96 ETRF97 ETRF2000 ETRF2005
Renzo Maseroli 04/03/2015 20 La realizzazione del frame ETRF89 è stata ottenuta dall EUREF nel 1989 Sul territorio italiano sono presenti 9 punti Densità insufficiente per le applicazioni
Realizzata fra 1992 il 1996 Composta all impianto da 1230 punti che coprono il territorio nazionale con interdistanza media 20 km Determinata interamente con metodologia GPS, completamente indipendente dalla rete classica Punti EUREF Punti coinc. ROMA40 Punti nuovi Nel Sistema ETRS89 Realizzazione ETRF89(89) Oggi raffittita ad circa 2000 punti + 3000 punti di raffittimento regionale Precisione 5 cm Già nei primi anni 2000 tale precisione non era più sufficiente a supportare alcune moderne tecnologie Maseroli Renzo 04/03/2015 21
Renzo Maseroli 04/03/2015 22 Fine anni 80: metodo statico Statico rapido Baseline. Cinematico Fine anni 90: Cinematico RTK Stazioni permanenti Posizione in tempo reale Baseline. Base Rover
La metodologia RTK diventa ancora più efficace se si organizza sul territorio una rete di stazioni permanenti coordinate, che fornisce un Servizio di Posizionamento in Tempo Reale: NRTK (Network Real Time Kinematic) Internet Centro calcolo 23
24 Reti NRTK Nascono a livello regionale nei primi anni 2000 Veneto Toscana Piemonte Puglia Campania
25 Reti NRTK Da alcuni anni sono inoltre operanti 2 reti di stazioni permanenti che trasmettono la correzione in tempo reale a livello nazionale: ItalPos GeoNet
Renzo Maseroli 04/03/2015 26 Il metodo NRTK risulta molto efficace, e quindi molto utilizzato, ma necessita di grande precisione nella definizione della posizione delle stazioni permanenti I pochi cm di incertezza della realizzazione ETRF89 (raffittita dall IGM95) non erano sufficienti a garantire la precisione necessaria L IGM deve quindi definire un nuovo e più preciso Sistema: lo ufficializza il 01-01- 2009 e adotta: ETRF2000 (2008.0) La realizzazione del Sistema ETRF2000 è ottenuta per mezzo di una rete di stazioni permanenti GNSS diffuse su tutto il territorio nazionale: Rete Dinamica Nazionale (RDN)
27 Rete Dinamica Nazionale (RDN) Realizzata nel 2008 Composta da 100 stazioni permanenti omogeneamente distribuite sul territorio nazionale con interdistanza media 100 150 km Tutte le stazioni sono di proprietà di Enti Pubblici, con i quali sono stati stipulati accordi, ed inviano giornalmente i dati al Centro di Calcolo dell IGM
e.q.m. in mm 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 Maseroli Renzo 04/03/2015 28 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 Calcolo eseguito in ITRF2005(2000) trasportato al 2008.0 Passaggio in ETRF2000(2008.0) con i parametri di rototraslazione ufficiali forniti da EUREF Gli errori calcolati come ripetibilità: < di 1 cm planim.; < di 1.5 cm in h 14 12 10 8 6 4 2 0 Stazioni σn σe σh
29 Rete Dinamica Nazionale Le precisioni raggiunte hanno consentito di chiedere il riconoscimento ufficiale dell EUREF, che è stato ottenuto durante il Symposio 2009, l RDN è stata quindi integrata nell ETRS89 come raffittimento di Class B EUREF 2009, Florence, 27-30 May 2009 Resolution 1 The IAG Reference Frame Sub-commission for Europe (EUREF) recognising that from December 2007 to January 2008 the Italian Rete Dinamica Nazionale (RDN) was observed and all the results were submitted to the EUREF Technical Working Group, where they were accepted as Class B standard endorses the set of points for Italy submitted to the Technical Working Group as an improvement and extension of ETRS89.
30 Ricalcolo della rete IGM95 L intera rete IGM95 è stata ricalcolata nel nuovo riferimento (4517 punti) Allo scopo erano già stati realizzati, nel 2008, 45 robusti collegamenti fra altrettanti punti RDN e punti IGM95 d impianto E stato poi effettuato in caduta il ricalcalo di tutte le integrazioni dell IGM95 successive al 1996 (anche le reti regionali inglobate)
31 Ricalcolo della rete IGM95 Le vecchie monografie IGM95 in ETRF89 possono essere aggiornate gratuitamente sul sito IGM: www.igmi.org Servizio Geodetico Aggiornamento delle coordinate IGM95
32 Rete Dinamica Nazionale Sul sito IGM è presente una apposita sezione dedicata alla RDN che contiene le descrizioni di tutte le stazioni Il sito è connesso al DB che conserva i dati e consente lo scarico delle osservazioni a 30 secondi in formato RINEX
Ufficializzazione dell ETRF2000 PRESIDENZA DEL CONSIGLIO DEI MINISTRI DECRETO 10 novembre 2011 Adozione del Sistema di riferimento geodetico nazionale (Gazzetta Ufficiale n. 48 del 27/02/2012 - Supplemento ordinario n. 37) IL MINISTRO PER LA PUBBLICA AMMINISTRAZIONE E L'INNOVAZIONE di concerto con IL MINISTRO DELL'AMBIENTE E DELLA TUTELA DEL TERRITORIO E DEL MARE Decreta: Art. 1 omissis Art. 2 Sistema di Riferimento Geodetico Nazionale A decorrere dalla data di pubblicazione sulla Gazzetta Ufficiale della Repubblica italiana del presente decreto, il Sistema di riferimento geodetico nazionale adottato dalle amministrazioni italiane e' costituito dalla realizzazione ETRF2000 - all'epoca 2008.0 - del Sistema di riferimento geodetico europeo ETRS89, ottenuta nell'anno 2009 dall'istituto Geografico Militare, mediante l'individuazione delle stazioni permanenti, l'acquisizione dei dati ed il calcolo della Rete Dinamica Nazionale.
Ufficializzazione dell ETRF2000 Art. 3 Formazione di nuovi dati A decorrere dalla data di pubblicazione sulla Gazzetta Ufficiale della Repubblica italiana del presente decreto, le amministrazioni utilizzano il Sistema di riferimento geodetico nazionale per georeferenziare le proprie stazioni permanenti, nonché per i risultati di nuovi rilievi, le nuove realizzazioni cartografiche, i nuovi prodotti derivati da immagini fotografiche aeree e satellitari, le banche dati geografiche e per qualsiasi nuovo documento o dato da georeferenziare. Art. 4 Conversione dei dati pregressi 1. Le amministrazioni rendono disponibili secondo le regole del Sistema di cui all'art. 2, mediante procedimento di conversione, i dati pregressi espressi secondo regole afferenti ad altri Sistemi di riferimento, sulla base di una specifica pianificazione documentata nel Repertorio di cui all'art. 59, comma 3, del CAD e del relativo provvedimento di attuazione. 2. La conversione dei dati territoriali, precedentemente prodotti, ed espressi nei Sistemi di riferimento geodetico ROMA40, ED50 e ETRF89 e' effettuata utilizzando i dati e le procedure messi gratuitamente a disposizione delle amministrazioni dall'istituto Geografico Militare e, previa convenzione ai sensi del CAD, anche utilizzabili presso il Geoportale nazionale.
Una rete centimetrica ha per sua natura necessità di un monitoraggio continuo questo diventa particolarmente importante per le regioni come l Italia che presentano una geodinamica complessa - situata al confine fra due grandi placche - con parti non rigidamente connesse alla zolla euroasiatica - in presenza di microplacche cuscinetto, fra cui quella Adriatica, soggetta in parte a moti propri che coinvolgono alcune zone del territorio italiano Fin dal calcolo della RDN (2008.0), l IGM ha iniziato un monitoraggio continuo, realizzato attraverso ricalcoli periodici della rete 35
36 Nel 2013, dopo 5 anni di attività, è stato fatto il punto della situazione Utilizzando i calcoli di 84 settimane (su 261) regolarmente distribuite nei 5 anni, si è proceduto ad una prima stima delle velocità per 92 stazioni RDN, ottenendo i seguenti risultati: Velocità orizzontali, media moduli: 0.028 m/y, errore 0.002 m/y 21 stazioni a comune con EPN: risultati praticamente identici a quelli di EUREF 15 stazioni presenti in IGS: risultati perfettamente in linea I ambedue i casi la media dei valori assoluti delle differenze risulta di: 0.0004 m/y Dalle velocità IGb08 (assolute) sono state calcolate le velocità relative ETRF2000 (relative)
37 Nord, costa Tirrenica e Sardegna: stabili Fra la cintura appenninica ed il Mar Adriatico: movimento residuo verso NE, media 4 mm/y La Calabria e le Eolie: movimento residuo verso NNE di 2 3 mm/y La Sicilia, esclusa Messina e compresa Malta: movimento residuo verso NNO, media 3 mm/y 4 mm/y: 5 anni = 2 cm Fine 2014 3 cm
38 Apprezzabile innalzamento della regione alpina: 3 mm/y Subsidenza del settore centro orientale del bacino del Po: 3 mm/y
Renzo Maseroli 04/03/2015 39 Il monitoraggio della RDN ha riguardato anche la verifica del corretto funzionamento delle stazioni Nel maggio 2014, su 100 siti, le stazioni attive e correttamente funzionanti erano ridotte ad 80 Si è ritenuto opportuno procedere ad un aggiornamento (RDN2) incrementando la rete con 55 nuove stazioni: - 21 in sostituzione di quelle dismesse - 34 di raffittimento nelle zone con geodinamica interessante La RDN2 è composta quindi da 135 stazioni, 24 delle quali appartenenti all EPN
40 OSSERVAZIONI: raccolte in 35 giorni consecutivi: settimane GPS dalla 1792 alla 1796, dal 11 maggio al 14 giugno (JD 131-165) RISULTATI: coordinate in IGb08 all epoca 2014.4 Percentuale delle ambiguità risolte utilizzando il metodo QIF RMS complessivo delle soluzioni giornaliere
41 RMS calcolato con la ripetibilità su 35 soluzioni giornaliere Nord Max < 3 mm Est Up Max < 3 mm Max < 8 mm
L indagine svolta in questi primi 5 anni di attività della RDN ha consentito di conoscere la reale situazione geometrica della rete, e ci ha mostrato che, anche se in zone limitate, siamo in presenza di movimenti relativi che in qualche caso arrivano già oggi a 3 cm E' quindi necessario iniziare a pensare in termini concreti all aggiornamento del network, in modo da ristabilire la coerenza geometrica indispensabile per garantire l'efficienza di alcune moderne tecnologie, in particolare dell'nrtk L IGM, pienamente consapevole delle problematiche che un cambio di Sistema Grazie Geodetico inevitabilmente per l attenzione genera negli utilizzatori, sta pensando! a soluzioni tese a minimizzare l'impatto negativo sugli utilizzatori Un metodo interessante potrebbe essere quello di mantenere 2 riferimenti: - uno DINAMICO tenuto costantemente allineato alla realtà fisica, valido per le applicazioni più esigenti - uno STATICO da utilizzare per la comune georeferenziazione, caratterizzato comunque da recente e buona geometria e collegato a quello DINAMICO dalla stima del campo di deformazione Il sistema DINAMICO potrebbe essere così riallineato frequentemente, senza impatto sugli utilizzatori, aggiornando di volta in volta il campo di deformazione Renzo Maseroli 04/03/2015 42