Appunti Topografia e sistemi informativi geografici

Indice

Indice .............................................................................................................................. 2

Introduzione ................................................................................................................. 3

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Basi geometriche e analitiche ..................................................................................................................................................... 18

Grandezze osservabili ........................................................................................................... 20

Stazione totale ................................................................................................................................................................... 20

Struttura ....................................................................................................................................................... 24

Messa in stazione ............................................................................................................................................ 25

Misura della poligonale ................................................................................................................................................. 27

Calcolo della poligonale

Sistemi a scansione 3D ............................................................................................... 30

Sistemi mobile mapping ................................................................................................................................................ 35

Scanner a triangolazione ................................................................................................................................................ 37

Scanner terrestri (LTS) .............................................................................................................................................. 39

Allineamento e referenziazione .............................................................................................................................. 49

Cenni di geodesia e cartografia .............................................................................. 55

Geoide ........................................................................................................................................................................... 57

Ellissoide ....................................................................................................................................................................... 61

Teoremi della geodesia operativa ........................................................................................................................... 66

Datum e georeferenziazione .................................................................................................................................... 67

Cartografia ................................................................................................................................................................... 73

Cartografia ufficiale italiana (IGM) .................................................................................................................................. 77

Rappresentazione del territorio ............................................................................................................................. 79

SIT e GIS .......................................................................................................................... 82

Sistemi informativi territoriali (SIT) ....................................................................................................................... 82

Sistemi informativi geografici (GIS) ........................................................................................................................ 83

Fotogrammetria digitale ....................................................................................... 92

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Introduzione

Obiettivi del rilievo topografico

Cominciamo ad affrontare che cos’è la topografia e a che cosa serve. Sarà necessario fare alcuni richiami di concetti davvero molto molto di base che però saranno sufficienti per seguire tutta questa parte del corso.

Dal punto di vista analitico non saranno affrontati dei discorsi complicati, verrà cercato di fare le cose più semplici possibili ma di renderle allo stesso tempo più operative possibili.

I concetti che saranno affrontati riguarderanno principalmente i triangoli rettangoli e le coordinate.

Coordinate è una parola chiave e sarà molto ricorrente durante tutto il corso.

Descriveremo la stazione totale come fatta, come si usa e poi cominceremo a parlare di quello che si chiama rilievo celerimetrico, cioè del rilievo fatto con una stazione totale in una posizione che viene detta stazione libera.

Parleremo di come è possibile collegare i dati che vengono acquisiti da diversi punti di rilievo, che vengono occupati successivamente dalla stazione totale. Alla fine, affronteremo il discorso dell’inquadramento topografico.

Quello che viene indicato in questo indice è un approccio un pochino inverso rispetto a quello che generalmente viene utilizzato per esempio sui libri di topografia o anche sui testi per geometri.

Solitamente si parte proprio dall’affrontare l’inquadramento topografico che effettivamente è la prima fase operativa che viene fatta sul campo e poi si arriva al rilievo celerimetrico.

Però dato che, operativamente, è più semplice intendere il rilievo celerimetrico, ribaltiamo il discorso e cominciamo dalle cose più semplici e poi complichiamo passo alla volta i concetti sperando che questo possa essere di aiuto.

Quando parliamo di rilievo metrico in topografia si intendono tutti quei sistemi che permettono di determinare la posizione, la forma, la dimensione ed eventualmente le variazioni nel tempo di un oggetto nello spazio:

• Monitoraggio = significa appunto le variazioni nel tempo.
• Posizione, forma e dimensione = sono le caratteristiche geometriche di un oggetto (es. un manufatto, una porzione di territorio, un edificio, una strada, ecc.…).

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Sistemi topografici

In questo grafico è possibile osservare gli ambiti applicativi dei diversi sistemi con i quali si può produrre un rilievo metrico:

• In rosso, sono evidenziate le stazioni totali, sono quelle con cui più correttamente parliamo di topografia.
• In azzurro, sono evidenziati tutti i sistemi che si basano sulla determinazione dei punti discreti:
  • GPS.
  • Rilievo manuale, es. rilievo con rotella metrica o con distanziometro elettronico.
  • Sistemi tattili.
• In arancione, sono evidenziati i sistemi di rilievo metrico che fanno riferimento a delle immagini (fotogrammetria):
  • Fotogrammetria terrestre.
  • Fotogrammetria aerea.
  • Remote sensing, ovvero di sistemi di rilevamento che si basano su immagini acquisite da satelliti.

Sull’asse delle ascisse è rappresentata la dimensione dell’oggetto, a seconda della dimensione dell’oggetto che si deve rilevare è più opportuno utilizzare un sistema piuttosto che un altro.

Sull’asse delle ordinate è rappresentata la complessità dell’oggetto. Il significato del termine complesso è a sua volta difficile da esprimere perché non è scontato individuare un parametro numerico che rappresenti in maniera significativa il concetto di complessità.

In questo caso è stato scelto di rappresentare la complessità attraverso il numero di punti che sono necessari rilevare per dare una descrizione efficiente dell’oggetto.

A seconda della complessità vediamo possono trovare applicazione più o meno proficua sistemi differenti.

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Rilievo fotografico e rilievo topografico (Piazza Pitti)

La differenza che c’è tra un rilievo basato su immagini e un rilievo che proviene da una restituzione, un rilievo basato su misure topografiche, si può osservare nelle immagini poste di seguito in cui, dallo stesso fabbricato, si ottengono tipi di informazione differenti.

• Quando faccio un rilievo con una serie di immagini, uno degli elaborati che posso produrre si chiama ortofoto ed è un’immagine fotografica che ha valore metrico nella quale sono eliminate tutte le distorsioni prospettiche; quindi, questa immagine è equivalente ad una planimetria dalla quale è possibile estrapolare delle misure a seconda della scala grafica che è stata usata.

Il tipo di informazioni che leggo sono informazioni continue, con un elevato livello di dettaglio, e descrivono per esempio anche i materiali e lo stato di conservazione.

• Quello che ottengo a partire da un rilievo esclusivamente topografico invece è una restituzione vettoriale; vengono misurati i punti caratteristici sull’edificio, ad esempio gli spigoli, ma può essere utilizzato anche all’interno di un edificio: quindi, le misure saranno degli spigoli di tutti i vani interni e così via. Vengono poi ridisegnati in CAD e quello che ottengo è una restituzione vettoriale.

Quindi osserviamo che sono due tipi di elaborati piuttosto differenti.

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Esempio di un rilievo topografico di dettaglio

In pratica per fare delle misure topografiche è necessario avere alcuni punti che si trovano nell’area del rilievo che siano materializzati in maniera stabile e che posso essere utilizzati come riferimento fondamentale per il rilievo.

Questi punti, cominciando a usare dei termini che richiameremo in seguito, sono i vertici della cosiddetta rete di inquadramento.

Per materializzare un punto si fa spesso un buco a terra e si mette un centrino di metallo, un chiodo topografico, un chiodo con una rondella anche se non è topografico. In alcuni casi si sceglie di utilizzare come riferimento lo spigolo di un tombino, si possono utilizzare dei picchetti, si possono fare dei pilastrini in cemento armato. A seconda delle situazioni la materializzazione viene fatta in maniera diversa ma l’idea è che ci sia un punto ben riconoscibile.

Nelle immagini è possibile vedere il punto sul quale è possibile installare la stazione totale e, a partire da questa posizione, vengono eseguite una serie di misure che posso essere fatte direttamente sull’oggetto, ma questa è una cosa che oggi viene fatta sempre meno, oppure ai punti materializzati, in questo caso del rilievo di Palazzo Pitti, sulla facciata.

• I punti in questione sono dei target bianchi e neri posizionati sulla facciata, che viene misurato con la stazione totale.

Quindi, da una serie di punti ben definiti è possibile, con la stazione totale, definire la posizione di una serie di target sull’oggetto oppure anche dei punti naturali individuati sull’oggetto.

Vedremo che questi target sono fondamentali per poter procedere con un rilievo di dettaglio che sia basato su sistemi a scansione 3D o che sia basato su sistemi fotogrammetrici.

• A partire dal metodo di misurazioni visto nell’immagini precedenti sono state determinate le posizioni dei target e quindi è stato fatto un rilievo fotogrammetrico, ma in altri casi può essere fatto un rilievo laser scanner.

In questo caso sono state fatte una serie di fotografie, in seguito elaborate, e il risultato è un modello tridimensionale, in questo caso con elevata risoluzione. La risoluzione dipende da come vengono fatte le fotografie e da come viene progettato il rilievo, che ha un valore metrico proprio perché sono state determinate le coordinate di questi target attraverso misure topografiche.

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Restando sempre in Piazza Pitti è stato fatto un rilievo laser scanner della piazza.

Anche in questo caso è possibile collegare e mettere assieme il modello tridimensionale mostrato precedentemente che proveniva da fotogrammetria con questo che proviene da scansioni 3D e controllare il valore metrico di tutti questi modelli proprio perché sono stati misurati i target che abbiamo visto prima.

• La topografia, quindi, ha proprio questo ruolo fondamentale di controllare e di dare valore metrico a rilievi di dettaglio e di controllare la qualità delle misure che vengono effettuate.

Restando sempre in Piazza Pitti si può notare che in questo caso i target non sono posizionati sulle pareti ma a terra.

Nell’immagine di sinistra si può vedere un target posizionato a terra, un target posizionato sul tetto di Palazzo Pitti (sulla balaustra) che si trova a livello dei tetti. Invece nell’immagine di destra è possibile vedere il risultato del rilievo fotogrammetrico.

Questa è un’ortofoto e, oltre a darci informazioni misurabili, esprime le condizioni di come sono fatte le coperture, la piazza ecc.…

Quindi è un'immagine, perché per iniziare questo elaborato sono state scattate una serie di fotografie utilizzando un drone, ma ha acquisito valore metrico perché queste immagini sono state utilizzate nell’elaborazione una serie di punti di controllo dei target, che sono stati determinati per via topografica.

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Un’applicazione completamente diversa, qui siamo in un vigneto nel Chianti, ma vedete che l’approccio è sempre lo stesso.

Sono stati posizionati sul terreno una serie di target, questi piccoli pannelli, e la loro posizione viene misurata per via topografica.

In questo caso lo strumento utilizzato è il GPS, o meglio GNSS, di cui parleremo più avanti, che consente comunque di determinare la posizione del centro del target e, avendo nota la posizione del centro del target, possiamo elaborare un rilievo di dettaglio che può avere delle caratteristiche diverse:

• Modello 3D: elaborato costituito da un modello di punti tridimensionale dell’area di rilievo;
• Modello 2.5D: elaborato costituito da un’immagine, in falsi colori, nella quale il colore rappresenta la quota di ogni singolo pixel;
• Modello 2D: elaborato costituito da un’ortofoto.

Quindi un rilievo metrico può portare all’elaborazione di elaborati differenti: 3D, 2,5D e 2D. Questi elaborati possono essere ottenuti con un rilievo di dettaglio fatto con sistemi a scansione o con fotogrammetria.

In ogni caso è necessario prevedere delle misure topografiche quindi questo il motivo per cui iniziamo il corso partendo proprio dalla topografia.

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Utilizzi della topografia

La topografia può essere utilizzata in diversi ambiti, quali:

• Reti di inquadramento: riguarda la determinazione delle coordinate di un numero limitato di punti che vengono determinate con elevata accuratezza.

*elevata accuratezza = viene impiegato molto tempo per avere questo criterio di precisione.

• Rilievo di dettaglio: riguarda la diretta misurazione degli spigoli di un oggetto, quindi gli elementi rappresentativi della sua geometria.

Al giorno d’oggi fare questo tipo di lavoro è piuttosto oneroso perché la topografia non è una tecnica di rilievo molto rapida.

Il GPS, da questo punto di vista, se ci accontentiamo di accuratezza non troppo elevata è più rapido della stazione totale.

• Determinazione di punti di appoggio: riguarda la misura di target, che servono per dare valore metrico a rilievi fotogrammetrici e per consentire di integrare i dati che vengono rilevati con la fotogrammetria e con le scansioni 3D.

Esempio di un rilievo topografico a grande scala

L’oggetto di questo rilievo è questo piccolo edificio, chiesa di S. Croce, a Ravenna. Vedendo dall’alto è possibile vedere che è un edificio piccolo, semplice e tutto libero attorno; quindi, è possibile posizionarsi attorno all’edificio e misurare i punti in maniera tutto sommato abbastanza semplice.

Questo è il risultato CAD del rilievo topografico di dettaglio; si possono vedere i punti, che sono stati determinati con delle misure topografiche realizzate con una stazione totale, e se andiamo a ingrandire vediamo delle croci ognuno delle quali è caratterizzata da un nome perché quando si fa un rilievo topografico di dettaglio è fondamentale realizzare degli eidotipi, cioè i disegni, oppure contrassegnare su fotografie il punto che di volta in volta in modo da associare a quel punto un’etichetta, o un nome, per riconoscere i punti che vengono ridisegnati in CAD.

Oggi quando si parla di rilievo fotogrammetrico, o laser scanner, si parla di nuvole di punti, anche questa che stiamo vedendo in questo momento se vogliamo è una nuvola di punti. Per quanto siano numerosi questi punti sono molto meno rispetto a quelli che sarebbero stati determinati se fossero state fatte delle scansioni con un rilievo fotogrammetrico.

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In pratica per ottenere la restituzione dei punti in CAD è necessario collegare i punti tra di loro e integrare il disegno dell’edificio con tutti gli elementi interessanti. Questi punti rappresentano solo in parte i quattro prospetti esterni e la parte interna dell’edificio perché non è possibile misurarli tutti a partire da una stessa posizione; non esiste una posizione né dentro né fuori questo edificio a partire dalla quale è possibile vedere tutti i punti necessari per il rilievo.

Quindi qualsiasi rilievo, per quanto sia semplice, richiede di realizzare delle misure a partire da posizioni differenti che possono essere però collegate tra di loro. Quindi tutti i punti per essere coerenti tra loro ed essere espressi in un unico sistema di riferimento è necessario che tutte le postazioni di misura, rappresentate da questi pallini arancioni siano collegate tra di loro.

Questa è quella che abbiamo cominciato a chiamare rete l’inquadramento.

In questo caso ci sono una serie di postazioni all’esterno e sono vertici della rete di inquadramento a partire dai quali sono stati misurati i punti sui prospetti esterni.

Dopodiché bisogna collegare anche l’esterno con l’interno, quindi, è necessario individuare dei passaggi per collegare i vertici che sono utilizzati per il rilievo dell’interno, che dovrà essere comunque collegato con i punti che si trovano all’esterno.