Strumenti per il rilevamento topografico Carlo Alberto Birocco Avigliana, 8 Ottobre 2013 ITG G. Galilei
Definizione di RILEVAMENTO TOPOGRAFICO: Insieme di operazioni eseguite in un'area del Territorio e finalizzate all'acquisizione di dati numerici che consentono la rappresentazione geometrica finita dello stesso.
Tipologie di strumenti per geodesia/topografia Livelli ottico-meccanici e digitali Stazioni totali manuali, automatiche, robotiche Ricevitori satellitari GNSS Sistemi a scansione laser
Livelli digitali Alla strumentazione ottico-meccanica tradizionale si è affiancato, da circa vent'anni, il livello automatico digitale. Esistono numerose realizzazioni che si basano su sistemi di lettura della stadia graduata con bar-code. Questo sistema di acquisizione consente di superare le limitazioni imposte dalla stima della lettura per le frazioni della graduazione principale della stadia (0.01 m): nei sistemi ottico-meccanici si adottava la lamina pianparallela manovrata da un sistema micrometrico e potevano essere raggiunte accuratezze notevoli (dell'ordine dei 5/100 di mm). Tuttavia rimaneva la possibilità dell'errore di trascrizione della lettura perchè la strumentazione era priva di sistemi di registrazione. La strumentazione digitale permette operazioni di misura automatizzate, compreso il calcolo e la compensazione della linea di livellazione direttamente on board.
Stadia codificata per livello digitale Il sistema di lettura è basato su un sensore d'immagine che osserva, attraverso un gruppo ottico simile a quello di un autolivello tradizionale, una parte del codice a barre riportato sulla stadia. Viene ricavato un segnale che, opportunamente interpolato sul segnale complessivo relativo all'intera stadia, fornisce la lettura al filo medio, così come farebbe l'operatore. Quest'ultimo deve occuparsi del puntamento ruotando il livello e curando la messa a fuoco (esistono anche modelli dotati di autofocus). Successivamente si preme il pulsante di misura e la lettura calcolata viene registrata in memoria.
Esempi di livello digitale Alcune caratteristiche tecniche: Precisione quota (ISO 7123-2): 0,2 mm/km Precisione distanza: ±10mm fino a 10 m; <±0,1% x D fino a 50 m Risoluzione display: fino a 0.00001 m per quota; fino a 0.001 m per distanza Autofocus Tempo di misura: < 2.5 s (<1 s in modalità rapida) Cannocchiale: 45 mm, 32x; per il puntamento lo strumento dispone di un cannocchiale aggiuntivo da 4,5x Connettività: tramite porta seriale RS-232C, USB, modem Bluetooth. Protezione acqua e polvere: IP54
Stazioni totali La produzione attuale di stazioni totali topografiche (ST) comprende: ST manuali: collimazione del punto di misura eseguita dall'operatore tramite comandi con rinvii meccanici (viti piccoli spostamenti). ST automatiche: movimentazione alidada e cannocchiale tramite servomeccanismi. La collimazione del punto di misura può essere eseguita dall'operatore oppure, nel caso di misura su prisma o target tape, effettuata automaticamente e autonomamente dallo strumento. ST robotiche: si tratta di ST automatiche in grado di lavorare senza richiedere la presenza dell'operatore. Quest'ultimo dispone di un controller fissato alla palina portaprisma e gestisce il funzionamento della ST in remoto tramite un sistema di comunicazione via radio.
Stazione totale manuale Sono disponibili modelli con interfaccia utente a carattere oppure con s.o. Windows. Nel primo caso il display mostra informazioni prevalentemente alfanumeriche e elementi grafici semplificati. La presenza di un sistema operativo grafico multitask (Win) consente di installare software dedicati Viti micrometriche. O E. S C in W
Stazione totale motorizzata e ST automatica Le ST motorizzate incorporano i servomeccanismi necessari alla rotazione di alidada e cannocchiale; le viti di puntamento (piccoli spostamenti) sono generatori di impulsi che azionano, tramite l'elettronica di gestione, i motori. In questo tipo di strumentazione il puntamento al prisma viene realizzato completamente dall'operatore. Nelle ST automatiche, oltre alla motorizzazione, è presente un dispositivo (alloggiato nel gruppo ottico) costituito da una camera CCD o CMOS che osserva lo stesso campo inquadrato dalla lente obbiettivo. Un processore dedicato localizza il prisma e vengono attivati i motori per collimare esattamente il suo centro. L'operatore può sempre procedere, se è necessario, alla collimazione manuale. Comandi per rotazioni HeV
Stazione totale robotica Una ST automatica può essere completata con: Sistema di inseguimento del prisma Dispositivo di ricerca rapida del prisma (opzionale) Comunicazione radio verso il controller dell'operatore La palina porta prisma viene equipaggiata con un particolare prisma (detto spesso 360 ) e con un controller (palmare Windows CE/Mobile o Android). In questo modo l'operatore può gestire ogni funzione dello strumento (ad eccezione, ovviamente, della messa in stazione ) in remoto, posizionandosi sul punto di dettaglio che dovrà essere acquisito. Remote control Prisma 360 Controller
Stazioni automatiche per impieghi particolari Esistono stazioni totali automatiche per impieghi particolari: Impianti di monitoraggio strutturale/territoriale Tunneling Controlli dimensionali in ambito industriale Le precisioni angolari richieste in queste applicazioni sono di 1 o 0,5. I distanziometri (EDM) assicurano accuratezze di 0,5 mm (D < 1 km)
EDM I dispositivi per la misura di distanze (EDM, Electronic Distance Measurement) possono operare su riflettori (prismi ottici oppure target tape) oppure utilizzare la caratteristica di riflettanza della superficie fisica dell'oggetto misurato. La portata massima di un EDM in modalità reflectorless (ossia senza prisma) è di circa 1.000 metri. Esistono realizzazioni particolari che utilizzano un sistema di misura diverso (non a fase, ma a tempo di volo o TOF Time of Flight) che permettono di misurare distanze fino a 2.000 metri.
Evoluzione dei controller I controller da campagna (field controller) sono oggi molto più performanti e, grazie alla potenza di calcolo dei nuovi processori e ai display grafici touch screen, il software mette a disposizione dell'operatore strumenti avanzati presenti, fino a poco tempo fa, solo su PC desktop. CAD on board, fotocamera per le monografie, moduli GPRS e GPS integrati sono alcune delle features che rendono il lavoro del topografo più produttivo in ogni situazione. L'attuale evoluzione di questi dispositivi è orientata alla piattaforma Android per sfruttare, tra le altre caratteristiche, le possibilità del Cloud computing.
Il cloud computing Il nuovo software consente di gestire il progetto di rilevamento/tracciamento all'interno di un'architettura cloud. Al server che ospita il progetto possono accedere in tempo reale sia i topografi durante la fase di rilievo sia gli utenti lato ufficio. Server
Ricevitori satellitari GNSS Con l'acronimo GNSS (Global Navigation Satellite System) si indica il posizionamento ottenuto tramite ricevitori che possono tracciare i segnali provenienti dalle varie costellazioni satellitari operative. NAVSTAR-GPS: Navigation Sistem Time and Ranging Global Positioning System GLONASS: Global'naja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistema BEIDOU o BIG DIPPER (evoluzione in COMPASS) GALILEO IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite) Varie ed eventuali (es. QZSS giapponese...) integrazioni ai sistemi GNSS già operativi per migliorare le prestazioni locali.
Sistema per rilievo GNSS in RTK La tecnica di misura differenziale per i posizionamento RTK (Real Time Kinematic) richiede la generazione del dato di correzione differenziale da parte di un ricevitore, detto base, posto in stazione su un punto di coordinate note (anche con un'approssimazione entro i 10 metri, meglio se corrette). Queste informazioni vengono trasmesse in tempo reale al ricevitore rover che occuperà i punti di dettaglio per pochi secondi, ricavandone le coordinate con accuratezza centimetrica. La comunicazione avviene per mezzo di radiomodem operanti in banda UHF Base (intorno ai 430 Mhz) e la portata utile può raggiungere i 5 km. Rover
Stazioni CORS per GNSS Nei primi anni Duemila si sviluppano le reti di CORS (Continuously Operating Reference Station), un insieme di ricevitori collegati ad altrettante antenne geodetiche monumentate opportunamente e distribuite sul territorio con l'obbiettivo di fornire agli utenti di GNSS le correzioni differenziali che sono indispensabili nel posizionamento RTK. La prima rete comparsa in Italia per fornire un servizio con copertura nazionale fu GeoTIM (2001-2002): contava meno di trenta stazioni e forniva correzioni per la sola costellazione NAVSTAR-GPS. Oggi l'offerta di servizi per correzioni RTK si è ampliata notevolmente con strutture a carattere locale/regionale in grado di trasmettere agli utenti anche correzioni per GLONASS. La rete NETGEO è l'unica rete nazionale certificata dall'istituto Geografico Militare Italiano (IGMI) ad offrire il servizio full-gnss grazie ai suoi quasi 200 ricevitori NET-G3A.
Ricevitori GNSS per utilizzo con SP (stazioni permanenti, CORS) Il topografo può utilizzare, in luogo dell'equipaggiamento base+rover, un solo ricevitore GNSS collegandosi ad una rete di SP (presso la quale, ovviamente, deve accreditarsi) per mezzo di un collegamento telefonico che consenta un accesso IP (Internet Protocol). In questo modo le correzioni differenziali erogate dal network giungeranno all'utente collegato e permetteranno di operare con accuratezza centimetrica. L'unico svantaggio di questa soluzione risiede nella necessità di disporre di una buona connessione telefonica per ricezione dati.
Sistemi a scansione laser La strumentazione nota con il nome di laser scanner compare sul mercato negli anni Novanta per rispondere alle richieste di reverse engineering in ambito industriale ed impiantistico. La disponibilità di sistemi di elaborazione dei dati vettoriali tridimensionali con software di modellazione più avanzati rispetto al passato può gestire dati derivanti da un rilievo ad altissima densità di punti. Gli strumenti topografici e i metodi diretti non sono in grado di competere in velocità con i sistemi a scansione: a seconda della tecnologia impiegata, questi ultimi possono acquisire da 10.000 a più di 1.000.000 pts/sec! L'evoluzione tecnica di questi strumenti tende ad una maggior compattezza, maneggevolezza e velocità di acquisizione senza trascurare la semplicità di utilizzo.
Laser scanner a impulsi (tempo di volo) In un laser scanner a impulsi, la sorgente laser è fissa e il movimento angolare di uno specchio impone una deviazione al raggio emesso. Il tempo intercorso tra l'istante di emissione e quello di ricezione dell'impulso riflesso permette di ricavare la distanza tra emettitore e oggetto. Da questa distanza e dall'angolo di rotazione dello specchietto si ricavano, per polari, le coordinate del punto oggetto. Nello schema è riportato solo lo specchio per la deflessione orizzontale che permette di calcolare la coordinata X. All'interno dello strumento è presente un secondo specchio per la determinazione di Y. D Impuls o emes so Impuls o rifles so Ricevitore Sorgente laser Specchio Superficie Rotazione motore = angolo di collimazione Motore
Laser scanner a triangolazione Il laser scanner a triangolazione si basa su una sorgente laser che esegue la scansione della superficie con un movimento bidirezionale. Il raggio riflesso viene ricevuto da un sensore d'immagine che permette di determinare l'angolo di riflessione. Nota la distanza d tra sensore e sorgente, le coordinate del punto misurato sono calcolate per triangolazione. La figura riporta lo schema geometrico per il calcolo delle coordinate X e Z; analogamente avviene per la coordinata Y nel piano verticale. Sorgente laser z x d Superficie Sensore angolare (sensore immagine)
Vantaggi di una scansione laser Produce un rilievo metricamente valido La sua accuratezza è indipendente dalla scala del rilievo e dalle dimensioni dell'oggetto Riduce i tempi di acquisizione delle informazioni e, di conseguenza, i costi connessi alla fase di lavoro in sito. Rende questi risultati ottenibili anche da operatori non particolarmente esperti. Realizza un modello tridimensionale dell'oggetto rilevato con risoluzione definita dall'operatore.
Confronto con i metodi tradizionali Per il tecnico del rilievo tradizionale, abituato a rilievi manuali, topografici o fotogrammetrici, è una rivoluzione culturale! Lo schema di ripresa è libero (vantaggio rispetto alla tecnica fotogrammetrica): le varie scansioni vengono riportate, con procedure automatizzate di trasformazione di coordinate, ad un unico sistema di riferimento. I punti acquisiti vengono visualizzati, in tempo reale, nel s/w CAD presente sul PC di campagna ed è possibile verificare immediatamente, in sito, la presenza di zone d ombra dovute ai sottosquadri e a superfici defilate.
Il modello 3D I punti tridimensionali che descrivono il manufatto sono disposti secondo una maglia uniforme (determinata dagli spostamenti angolari del raggio di scansione) che viene spalmata sull oggetto: ne consegue che, sulle superfici prossime allo scansore, la densità dei punti è maggiore rispetto a quelle che si trovano a maggior distanza. Questa differenza richiede attenzione da parte dell operatore che deve valutare il passo di scansione.
La fase di acquisizione La fase di acquisizione non presenta particolari difficoltà, ad eccezione delle cautele che richiede il posizionamento della strumentazione per evitare che possa subire spostamenti durante il ciclo di scansione. Si può operare in assenza di luce: la misura del punto è eseguita dal raggio laser. Poichè lo scanner è fornito di una camera per l'acquisizione di immagini, la qualità di queste ultime è legata alle condizioni di illuminazione La presenza dei segnalini (target) per materializzare punti di appoggio è facoltativa (ma consigliabile poiché il s/w può eseguire in automatico l orientamento delle scansioni).
Orientamento delle scansioni In presenza di target di coordinate oggetto note, è possibile inquadrare il rilievo in un sistema predefinito (locale o cartografico). In alternativa, fissata una scansione di riferimento, le riprese successive vengono agganciate a punti omologhi (target oppure spigoli del manufatto) definiti dall operatore. L accuratezza, con passi di scansione adeguati, è spesso molto buona (0,5-1 cm) Durante la fase di matching delle nuvole punti viene effettuato un test statistico a campione (solitamente intorno al 5%, ma può essere più esteso) per verificare l'accuratezza dell'orientamento calcolato. Qualora lo scanner sia posizionato su un punto di coordinate note, queste ultime possono essere inserite nel calcolo.
Restituzione dei dati La base dati documentale costituita dall'insieme dei punti acquisiti e dalle immagini riprese dalla camera dello scanner (oppure da altra camera ad alta risoluzione e con caratteristiche metriche note) può dare luogo a varie elaborazioni delle informazioni geometriche: Restituzione di tipo vettoriale per viste secondo piani coordinati (piante, sezioni, prospetti) Elaborazione del modello digitale DEM Ortoproiezione Modello 3D fotorealistico DEM (Digital Elevation Model) della Fontana dei Tritoni a Villa Arconati comm.: Impresa BONA Realizz.: Azimut P.
L'elaborazione CAD La nuvola di punti, acquisiti sistematicamente con il solo criterio dell equidistanza angolare, presenta una notevole ridondanza di dati. I punti possono non coincidere con linee di descrizione geometrica del manufatto (spigoli). Molto dipende dal passo di scansione e da come vengono elaborati i dati LS. Il prodotto CAD può essere differente dalle abituali viste o sezioni. Infatti, é sempre più diffusa la richiesta di modelli tridimensionali in grado di supportare il rendering di qualità per applicazioni di realtà virtuale (VR). Il modello a nuvola di punti risponde a queste esigenze. Nuvola punti del Coro nella Basilica di Superga (TO) comm.: SENSIBLE STUDIO Realizz.: Azimut P.
L'elaborazione CAD Esempi di rappresentazioni in ambiente CAD di nuvole di punti (Teatro di Diana a Villa Arconati comm. Impresa BONA Realizzazione Azimut P.) : Prospetto centrale Sezione prospettica Vista assonometrica
Modello digitale dell'elevazione (DEM) La rappresentazione raster è, necessariamente, bidimensionale. La terza dimensione può essere associata ad una scala cromatica: in questo caso, ad ogni pixel (che rappresenta un elemento di superficie dell'oggetto e che viene definito da due coordinate), viene associato il valore numerico della terza coordinata che corrisponde ad un determinato colore. Preliminarmente il software calcola un modello vettoriale di tipo TIN (Triangulated Irregular network): il risultato è un insieme di maglie triangolari 3dFace che descrivono la superficie dell'oggetto. Da questo modello viene estratto il DEM DEM (Digital Elevation Model) del Teatro di Diana a Villa Arconati comm.: Impresa BONA Realizz.: Azimut P.
Ortoproiezione digitale La disponibilità del modello digitale dell'oggetto consente la produzione di accurate ortoproiezioni. È opportuno che le immagini da proiettare siano acquisite con camere di idonee caratteristiche tecniche. Per l'orientamento dei file raster possono essere posizionati dei target oppure si utilizzano dei punti monografati: le coordinate, in entrambi i casi, si determinano (solitamente) per via topografica con stazioni totali reflectorless. Il file immagine è in formato TIFF georiferito (TFW) Ortoproiezione del prospetto principale del Teatro di Diana a Villa Arconati comm.: Impresa BONA realizz.: AZIMUT P.
Grazie per l'attenzione! www.sokkia-italia.it carloalbertobirocco@geotop.biz