Criteri per la gestione dei dati di
tracciamento con sistemi GNSS e
Stazioni Totali per l'edilizia residenziale
e infrastrutturale
Carlo Alberto Birocco
Avigliana, 8 Ottobre 2013 – ITG “G. Galilei”
Definizione di TRACCIAMENTO
TOPOGRAFICO:
Fase operativa che comporta la
materializzazione del progetto sul terreno,
preliminare all'avvio dei lavori di costruzione
delle infrastrutture progettate.
Tracciare piccole e grandi opere.
●
La tipologia, le dimensioni, la
complessità e il contesto nel quale si
inserisce la nuova opera determinano
le fasi operative necessarie e
l'approccio metodologico più
opportuno
Le fasi del tracciamento topografico
●
Studio dell'opera da tracciare e del contesto nel quale verrà inserita
●
Studio degli esecutivi
●
Progettazione e monumentazione della rete di appoggio. Rilevamento,
inquadramento, compensazione
●
Determinazione dei dati di tracciamento
●
Operazioni topografiche di misura e materializzazione dei punti
●
Registrazione dei punti materializzati
●
Confronto tra punto picchettato e dato del progetto esecutivo
Quale strumentazione
–
Stazione totale: accuratezza elevata, produttività
media (migliorabile con sistemi robotici)
fortemente legata alle condizioni di intervisibilità
tra prisma e strumento. Utilizzabile in ogni
condizione. Richiede il setup iniziale ad ogni
cambio stazione per determinarne posizione e
orientamento.
–
Ricevitore GNSS: accuratezza centimetrica,
spesso sufficiente per moltissime applicazioni.
Grande produttività. Utilizzabile solo con
condizioni di ricezione idonee. Sistema di
riferimento strumentale unico, ma necessità di
operare trasformazioni di coordinate nella quasi
totalità dei casi.
Criteri nella valutazione della stazione totale
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●
La precisione angolare e quella lineare devono essere compatibili con le
accuratezze di tracciamento attese. La complessità dell'opera, quasi
sempre, determina i requisiti minimi della strumentazione da utilizzare.
I capitolati per oo.pp. prescrivono solitamente una precisone angolare
minima di 2“ (pari a 0.6 mgon). Non deve, tuttavia, considerarsi una regola
universale.
A'
“ sessages.
5
3
2
1
mgon
1,54
0,93
0,61
0,31
mrad
0,0242
0,0146
0,0096
0,0049
-e
s
+e
A
A”
Per quanto attiene la precisione lineare vi sono poche indicazioni,
probabilmente perchè i moderni EDM sono caratterizzati da s dell'ordine di 1
mm + 1 ppm fino a 2 mm + 3ppm.
Criteri nella valutazione della stazione totale
●
●
●
I sistemi motorizzati e automatici sono caratterizzati da una
maggiore produttività rispetto a quelli manuali.
Le stazioni totali robotiche offrono la funzionalità „singolo
operatore“ consentendo il tracciamento „in continuo“.
La grafica on board permette una rapida
selezione del punto da tracciare ed il
controllo in tempo reale; si può anche
utilizzare il disegno vettoriale come „sorgente“
dei dati da picchettare.
Criteri nella valutazione del ricevitore GNSS
●
●
Il sistema deve operare in modalità RTK o NRTK.
Per evitare problemi nelle zone dove la copertura
GPRS/EDGE/UMTS è inadeguata, si può impiegare
una configurazione base+rover con comunicazione
radiomodem UHF (potenza massima consentita 1
W) o Bluetooth long-range (classe I, potenza di
circa 20 dBm) oppure con router WiMAX che mette
a disposizione le correzioni ricevute da una linea
cablata nelle vicinanze del cantiere.
I Produttori hw propongono ricevitori con update
rate delle coordinate calcolate compreso tra 1Hz e
100 Hz. Tralasciando le applicazioni legate alla
gestione in ambito machine control, sono da
preferire i ricevitori che operano in RTK ad almeno 5
Hz.
La rete di appoggio (inquadramento)
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●
La rete di appoggio (che può essere utilizzata per inquadrare il
rilevamento/tracciamento oppure essere, a sua volta, inquadrata in un
network geodetico di ordine superiore) costituisce il riferimento
planoaltimetrico di base dell'intero processo. Questa premessa esige una
realizzazione accurata della rete stessa: progettazione (simulazione
osservazioni, previsione sqm, ridondanza ...), materializzazione dei
riferimenti permanenti (stabilità, accessibilità, sicurezza), esecuzione delle
misure (centramento forzato, strati angolari) e calcolo (compensazione
rigorosa, analisi dei risultati) sono step cruciali per il conseguimento del
miglior risultato.
Per la determinazione topografica dei vertici di rete si impiegano le
strumentazioni topografiche anche in modalità mista: GNSS in modalità
statica, misurazioni angolari e lineari con stazione totale, misura di dislivelli
con livellazioni tecniche/di precisione.
La rete di appoggio (inquadramento)
●
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La rete di appoggio (che può essere utilizzata per inquadrare il
rilevamento/tracciamento oppure essere, a sua volta, inquadrata in un
network geodetico di ordine superiore) costituisce il riferimento
planoaltimetrico di base dell'intero processo. Questa premessa esige una
realizzazione accurata della rete stessa: progettazione (simulazione
osservazioni, previsione sqm, ridondanza ...), materializzazione dei
riferimenti permanenti (stabilità, accessibilità, sicurezza), esecuzione delle
misure (centramento forzato, strati angolari) e calcolo (compensazione
rigorosa, analisi dei risultati) sono step cruciali per il conseguimento del
miglior risultato.
Per la determinazione topografica dei vertici di rete si impiegano le
strumentazioni topografiche anche in modalità mista: GNSS in modalità
statica, misurazioni angolari e lineari con stazione totale, misura di dislivelli
con livellazioni tecniche/di precisione.
La rete di appoggio (inquadramento)
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Per la realizzazione di infrastrutture di una certa importanza è mandatario
l'inquadramento in un frame geodetico che assicura la congruenza
geometrica della rete locale che viene impiantata rispetto a punti noti in
RDN, e la possibilità di operare direttamente nel sistema di riferimento
cartografico qualora il progetto esecutivo sia, a sua volta, „appoggiato“ ad
una base cartografica.
Qualora l'opera da realizzare non richieda (es. Edilizia residenziale)
l'inqudramento geodetico, si determina un sistema locale dove il riferimento
planoaltimetrico è arbitrario.
I punti della rete di inquadramento devono essere esterni all'area di cantiere
e permettere la copertura della stessa attraverso la „maglia“ che si ottiene
dalle loro congiungenti. E' opportuno che vengano determinati,
contestualmente alla realizzazione della rete, anche alcuni punti di controllo
che saranno ubicati all'interno dell'area di cantiere.
Punti di controllo
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I punti di controllo sono necessari a verificare la buona riuscita delle
operazioni di orientamento ogni qualvolta sia necessaria la messa in
stazione della stazione totale. Infatti, mentre i punti di appoggio costituiscono
i riferimenti rispetto ai quali si esegue l'orientamento dell'angolo azimutale
oppure il calcolo della c.d. „stazione libera“ per intersezione inversa, i punti di
controllo non devono mai essere coinvolti in queste operazioni.
Terminata la fase di orientamento della stazione (con controllo diretto, in
campagna, dei risultati di orientamento in termini di sqm delle coordinate di
stazione e della correzione angolare), si procederà immediatamente alla
determinazione delle coordinate di alcuni punti di controllo confrontandole
con quelle ottenute in fase di impianto.
E' un errore utilizzare, per controllo, le ribattute sui punti utilizzati per
l'orientamento della stazione.
Orientamento della stazione
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●
Nelle fasi iniziali del cantiere è assai raro poter contare sulla
materializzazione permanente dei punti di stazione. Fino al termine dei
movimenti terra e alla realizzazione dei sottofondi ogni riferimento abituale
(picchetto o chiodo) è destinato ad una rapida scomparsa! E, in ogni caso,
non si può essere certi della sua posizione nel tempo.
Solitamente si procede per stazioni libere, calcolate attraverso intersezione
inversa dai punti di appoggio. Gli schemi per poligonale è bene che non
vengano utilizzati (salvo rare eccezioni) poichè è complicato procedere al
rilievo delle stazioni e all'immediata compensazione delle coordinate in
campo per procedere successivamente al tracciamento.
Come detto in precedenza, dopo aver orientato una stazione e prima di
procedere al tracciamento, verificare sempre il risultato ottenuto attraverso la
misura di alcuni punti di controllo.
Calcolo della proiezione con GNSS
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I sistemi GNSS, come è noto, determinano la posizione del centro di fase
dell'antenna rispetto al sistema di riferimento geocentrico associato
all'ellissoide WGS84. E' ugualmente noto che queste
coordinate non hanno un utilizzo pratico nella topografia
(ma nella geodesia sì …) e, quindi, è necessario procedere
ad una loro „trasformazione“ per riferirle a sistemi locali
oppure cartografici.
Nel primo caso, la soluzione più semplice è legata dal
calcolo della terna euleriana che avrà, come punto di emanazione, un punto
circa baricentrico rispetto all'area rilevata. Questa modalità di calcolo
richiede, come minimo, un punto di coordinate note oppure assegnate
arbitrariamente; l'orientamento dell'asse Nord (X) seguirà la tangente al
meridiano che passa per quel punto. Non si applicano variazioni di scala (è
una trasformazione a 4 parametri). Questo tipo di trasformazione non è
indicata per rilievi/tracciamenti di estensioni superiori al kilometro.
Calcolo della proiezione con GNSS
●
●
Per ottenere una trasformazione tra sistemi di riferimento del tipo „a 7
parametri“ e poter contare su una maggiore estensione dell'area di lavoro
occorre conoscere almeno 3 punti noti attraverso i quali si determinano con
procedimento analitico (es. Bursa-Wolf) i termini incogniti.
Attenzione alle funzioni di conversione che alcuni software mettono a
disposizione per passare rapidamente dal dato GNSS
(WGS84) alle coordinate cartografiche, ad es. ROMA40!
I parametri che vengono adottati in queste trasformazioni
derivano da considerazioni di natura geometrica
assolutamente rigorosa per quanto riguarda le relazioni
esistenti tra i diversi datum. Tuttavia detti parametri sono
da considerarsi „generici“ perchè non possono tenere
conto delle deformazioni locali delle reti (si pensi, ad
esempio, alla compensazione delle misure che ne hanno generato le
coordinate che vengono poi riportate in monografia).
Calcolo della proiezione con GNSS
●
●
L'utilizzo della procedura VERTO messa a punto dall'IGMI permette di
superare molte difficoltà nella soluzione dei problemi legati alla
trasformazione di coordinate. Come è noto, l'Istituto ha messo a disposizione
(già da una decina di anni circa) i dati informatizzati (sotto forma di file
denominati „grigliati“) che consentono ai software topografici sviluppati in
Italia (anche dallo stesso IGMI) di operare la trasformazione di coordinate
avendo a disposizione anche solo un punto di coordinate
note nel sistema di riferimento nazionale.
Quest'ultima condizione è soddisfatta implicitamente in
tutti i rilievi NRTK poichè le stazioni CORS appartenenti
alle reti GNSS che erogano i servizi di correzione RT
sono tutte inquadrate in RDN. Ciò avviene indipendentemente dal tipo di correzione utilizzato (nearest, VRS o MAC). Chi utilizza
sistemi base+rover deve includere necessariamente un punto di coordinate
note nelle proprie misurazioni qualora la base non sia su un punto noto.
Calcolo della proiezione con GNSS
●
●
●
●
Quindi, mentre per operazioni topografiche che riguardano modeste
estensioni il calcolo della trasformazione di coordinate non pone particolari
difficoltà (a condizione di disporre dei dati necessari), occorrono alcuni
accorgimenti per quelle applicazioni caratterizzate da importanti sviluppi
planimetrici (esempio strade, ferrovie, corsi d'acqua, condotte …).
Come si è detto, il motivo è connesso all'estensione del dominio di validità
delle trasformazioni, notando poi che per la parte altimetrica esso è
notevolmente ridotto rispetto alla componente planimetrica.
Lavorando con i grigliati Verto e i sistemi ROMA40 oppure UTM-WGS84,
molte di queste limitazioni scompaiono.
Diversamente, è da tempo diffusa l'abitudine di suddividere il tracciamento di
un'opera a sviluppo longitudinale in blocchi chiamati „cassoni“.
Si ricordi che l'accuratezza tipica di un posizionamento
RTK o NRTK è centimetrica. Per migliorare il calcolo dei
parametri della trasformazione è consigliabile procedere
all'acquisizione delle osservazioni sui punti di appoggio
in modalità statica piuttosto che RTK.
6 km
2
●
Per ogni cassone (termine assai „discutibile“ ma che
ben si attaglia con altre espressioni del mondo
cantieristico …) viene calcolata una trasformazione
locale (a 4 o 7 parametri) che verrà applicata a tutti i
posizionamenti GNSS che ricadono nell'area compresa.
Di solito il cassone viene delimitato da 4 punti di
appoggio. Sui punti di controllo si verificherà la validità
della trasformazione così ottenuta.
Cass
one
●
Cassone 1
Calcolo della proiezione con GNSS
Calcolo della proiezione con GNSS
●
Il risultato del calcolo di trasformazione (i vari parametri)
viene solitamente salvato in un file apposito in modo da
poter richiamare rapidamente la trasformazione
opportuna in funzione del cassone all'interno del quale si
opera.
Organizzazione dei dati
●
●
Come si è visto nelle slide precedenti, i dati
necessari alla corretta esecuzione di un
tracciamento topografico sono:
–
Coordinate dei punti di appoggio (orientamento)
–
Coordinate dei punti di controllo (per verifica)
–
Coordinate dei punti da picchettare
oppure
–
File grafico vettoriale con progetto esecutivo
È importante mantenere il più possibile distinti i
diversi gruppi di punti per evitare possibili
involontarie alterazioni delle coordinate durante le
operazioni in campagna. Vediamo perchè ...
Organizzazione dei dati
●
●
●
I software topografici di campagna possono lavorare su punti omonimi con le
seguenti modalità:
–
Media delle coordinate calcolate con ripetizione della misura: in questo caso non
è disponibile il valore iniziale delle stesse, ma il risultato della media attualizzato
sempre all'ultima misura
–
Registrazione delle coordinate risultanti da ogni singola lettura; all'interno del
libretto si troveranno più righe relative allo stesso punto con coordinate che
possono anche differire leggermente.
Nel caso di calcolo del valore medio, se il punto battuto è un punto di
orientamento che non è separato in un gruppo specifico, l'esecuzione di
misure successive sul medesimo porterà ad una modificazione delle
coordinate originali (ossia quelle ottenute all'impianto della rete)
Di solito i software on board permettono la creazione di gruppi di punti per
orientamento, rilievo e tracciamento.
Organizzazione dei dati
●
È bene sfruttare correttamente la possibilità di
gestire queste aree dati:
–
Punti di orientamento: in questo gruppo (o file
„punti fissi“) verranno memorizzate le
coordinate die punti di appoggio della rete e
anche dei punti di controllo. Queste coordinate
non verranno modificate in alcun modo dalle
operazioni di orientamento (o del calcolo
proiezione) dello strumento
–
Punti noti: in questo gruppo (o file „coordinate“)
si memorizzano le coordinate dei punti oggetto
del picchettamento. Queste coordinate non
verranno modificate in alcun modo dalle
operazioni di tracciamento.
Organizzazione dei dati
●
È bene sfruttare correttamente la possibilità di
gestire queste aree dati:
–
Libretto celerimetrico e punti GPS (o file
„rilievo“): in questa parte del database
solitamente vengono registrati i dati dei rilievi di
dettaglio. Durante la fase di tracciamento, in
questa area vengono memorizzate le misure
sul punto da tracciare dopo la sua
materializzazione (picchetto, chiodo o altro). Al
termine del lavoro in campagna, questo libretto
verrà calcolato e le coordinate ottenute
saranno confrontate con quanto presente nel
progetto esecutivo.
Impostazione della stazione totale
●
●
●
Punto di stazione: può essere noto oppure incognito. In
questo caso occorre procedere con intersezione inversa
calcolata osservando almeno tre punti di appoggio. Sono
da evitare, possibilmente, operazioni quali apertura a
terra o intersezioni su soli due punti.
Orientamento: nel caso di stazione su punto noto è bene
operare l'orientamento azimutale osservando almeno due
punti noti. Se la stazione è stata calcolata per
intersezione inversa (v. punto precedente), l'orientamento
azimutale risulterà già calcolato.
Si ricorda che al termine del picchettamento eseguito da
una stazione è bene controllare ancora il centramento
della stessa per mezzo del piombo (ottico/laser) e
l'orientamento azimutale su almeno un punto di appoggio.
Impostazione del ricevitore GNSS NRTK
●
●
Se è già stato creato (ad esempio, in fase di
rilievo preliminare dello stato di fatto), utilizzare
il file contenente i dati della trasformazione
(alcuni software la definiscono „calibrazione“).
Come già detto, se sono stati definiti più
„cassoni“, si caricherà il file (ad esempio C1.CAL)
relativo al cassone che contiene i punti che stanno per essere tracciati (ad es.
quelli del cassone C1).
Il fatto di operare in NRTK, lo ricordiamo, permette di avere la base (virtuale
se la modalità è VRS, reale se si opera in MAC) con coordinate corrette (ed
inquadrate in ETRF2000:2008). Se le operazioni topografiche si protraggono
nel tempo (quindi, probabilmente, con VRS diverse ad ogni sessione), la
trasformazione determinata nel primo impianto rimarrà sempre valida.
Impostazione del ricevitore GNSS NRTK
●
Circa l'estensione dell'area „coperta“ da una determinata trasformazione
(concetto richiamato in precedenza), nulla cambia se si utilizza un sistema
GNSS VRS rispetto ad un „base+rover“.
Impostazione del ricevitore GNSS base+rover
●
Il ricevitore che funziona come „base“ può
essere posizionato su un punto di coordinate
note. Se questo non è disponibile, il ricevitore
calcola le coordinate approssimate della
propria posizione: si tratta di una soluzione
ugualmente valida, a condizione di
memorizzare questi valori ottenuti nella prima
messa in stazione e utilizzarli nelle sessioni
successive, occupando ovviamente sempre lo
stesso punto.
Impostazione del ricevitore GNSS base+rover
●
Il file di calibrazione associato ad un
posizionamento con base su punto incognito
vale fino a quando non vengono modificate le
coordinate della stessa. Quindi, se nel corso di
un lavoro si rende necessario spostare la base
(es.: rimozione accidentale del picchetto) e le
coordinate di quest'ultima si acquisiscono
nuovamente in modalità STD, occorre
ricalcolare la trasformazione e generare un
nuovo file di calibrazione. Eliminare dalla
memoria del controller il precedente file CAL
per evitare pericolose confusioni!
Impostazione del ricevitore GNSS base+rover
●
Il file di calibrazione associato ad un
posizionamento con base su punto incognito
vale fino a quando non vengono modificate le
coordinate della stessa. Quindi, se nel corso di
un lavoro si rende necessario spostare la base
(es.: rimozione accidentale del picchetto) e le
coordinate di quest'ultima si acquisiscono
nuovamente in modalità STD, occorre
ricalcolare la trasformazione e generare un
nuovo file di calibrazione. Eliminare dalla
memoria del controller il precedente file CAL
per evitare pericolose confusioni!
Materializzazione punti di tracciamento
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●
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I punti vengono materializzati in modo opportuno, tenuto conto della loro
funzione, di concerto con l'impresa. Picchetti, chiodi, modine, incisioni sul
magrone …
È bene che il topografo e l'impresa si intendano al meglio circa la definizione
die punti da picchettare. Per i fili fissi del c.a., ad es., solitamente il chiodo
coincide con lo spigolo del manufatto e, quindi, rimane all'interno del
cassero. In alcuni casi, per comodità di posa di determinate pannellature,
viene richiesto che il riferimento sia posto all'esterno.
Tradizionalmente i punti da picchettare venivano (e vengono ancora)
organizzati in liste di coordinate (file ASCII) utilizzando il software topografico
in ufficio mantenendo il CAD dell'esecutivo come base. La tendenza attuale
è quella di operare direttamente sulla grafica grazie all'integrazione delle
interfacce CAD su controller per ricevitori GNSS e stazioni totali.
Grazie per l'attenzione!
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