POLITECNICO DI TORINO
Dipartimento di Ingegneria del Territorio, dell’Ambiente
e delle Geotecnologie
L’impiego delle reti GNSS a supporto delle
trasformazioni delle mappe catastali su sistema
di riferimento globale
Alberto CINA
E-mail: [email protected]
Tel / fax 011-5647630 / 99
Verso PREGEO 10 – L’utilizzo delle reti GNSS per le attività catastali
L’Aquila, 30 giugno 2010
RETI DI STAZIONI PERMANENTI E LORO SCOPI
1) Mantenimento del Sistema di Riferimento
• Sistema di riferimento: contiene teoria fisica e le approssimazioni
per la definizione degli assi coordinati
• Frame: realizzazione pratica di SR costituita da una rete di punti di
cui sono note coordinate e velocità.
• Realizzazione WGS84 – ETRF2000: Rete Dinamica
Nazionale (RDN), inquadrata nelle reti Euref e IGS
N.B.: l’utente finale potrebbe non essere il fruitore diretto delle stazioni
permanenti GNSS che materializzano il DATUM in quanto o troppo
lontane, o con campionamento 30 s o senza prodotti RTK.
2) Network RTK (NRTK)
costituiscono il naturale collegamento tra il sistema di riferimento e
l’utente finale con servizi di posizionamento in post elaborazione o RT.
Le Reti RTK portanoo a riconsiderare alcuni principi …
Fruizione del sistema di riferimento:
non solo reti statiche ma stream di dati in RT (es. RTCM) con
coordinate, misure, correzioni, da reti “dinamiche” di SP precisioni centimentriche con ricevitori geodetici.
Le misure:
prima:
• funzionali delle coordinate (angoli distanze e dislivelli)
• ma anche sfasamenti onde elettromagnetiche e misure di tempi)
o baseline GPS
ora:
• produzione diretta in campagna di coordinate XYZ in tempo
reale
• dall’acquisizione al prodotto direttamente: il processo è regolato
dallo strumento di misura (XYZ) nuova misura?
Quale uso delle coordinate RTK in un libretto PREGEO?
Principi di posizionamento differenziale DGPS
Posizionamento stand alone: insufficiente ai fini topografici
(σ95%= ± 5 m anche dopo la disattivazione della S.A.)
Posizionamento Differenziale DGPS: applicato alle misure di
codice e fase: richiede una stazione “base” A e “rover” B.
DGPS – RTK: elimina bias
spazialmente correlati Degrado della
correzione con la distanza
0,110
0,060
Errore f (distanza km)
m
0,010
Z
5,5
10,5
15,5
20,5
25,5
30,5
-0,040
RTCM
-0,090
X
Y
A
B
-0,140
km
DX
DY
DZ
Lineare (DZ)
Idea: modellazione del bias all’interno di una rete di SPGPS NRTK
RTK o NRTK ? ANALISI DEI BIAS
rete RTK: ottenere una stima “regionale” degli errori
spazialmente correlati e un loro modello per poterlo
applicare su un ricevitore rover, creando una VRS.
CiK = δ i + δ K orologio satellite k e ricevitore i
BiK = CiK + SiK + DiK
SiK = M iK + AiK Multipath M ,variaz centri fase antenne (dipendenti dal sito)
DiK = EiK + I iK + Ti K Spazialmente correlati, (Effemeridi, Iono e Troposfera)
Generazione
VRS
RTCM
Rover
Base
Baseline da una stazione virtuale
on
c
ob
am ello
er
i
Vi ano
m
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Vi
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lla
te
no
C
va
Sa
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M
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D
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io
M
on *
d
De ovi
m
on
te
TTF [s]
Alcuni risultati dalla NRTK POLITO
Tempo medio fissaggio ambiguità di fase: 25 s
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Time to FIX
% successi fissaggio ambiguità di fase
% FIXED
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Vertici IGM95
Scarti NRTK rispetto a
un vertice IGM95
Vertici IGM95
Le coordinate RTK non
hanno ridondanza: problema
del controllo di qualità
• Precisione: Cxx
• Accuratezza (es. falsi
fissaggi):
Rioccupazione
Virtual RINEX ……
reti GNSS per trasformazioni di mappe catastali a WGS84
Interoperabilità tra DB topografici stesso sistema riferimento
La carta catastale si compone di più di 300.000 fogli di mappa, con
riferimento all’ellissoide di Bessel con vari orientamenti.
818 piccole origini (circa 1/3 dei fogli di mappa)
31 grandi origini (circa 2/3 dei fogli di mappa)
+ altre origini - es. Mappa Rabbini in Piemonte
La trasformazione tra DATUM viene eseguita, a partire da misure o
coordinate degli stessi punti nei 2 DATUM stima parametri
Conoscenza o rilevo RTK di punti di doppie
coordinate nel sistema WGS84:
• vertici catastali o punti mappa d’impianto
• origini catastali
 X   X0 
   
 Y  =  Y0  + µ
Z Z 
 T  0 T
Rz − Ry 
 1
 − Rz

1
R
x


 Ry − Rx
1 
X
 
Y 
Z
 
I grandi sistemi d’asse rappresentano il maggior problema
geodetico; i piccoli sistemi il maggior problema pratico
Sperimentazione di ricomposizione delle piccole origini, nell’ambito
del progetto PRIN07 e in collaborazione con l’Agenzia del
Territorio.
Trasformazione Cassini Soldner Bessel – Gauss UTM WGS84
Z
Cassini
Soldner
afilattica
Gauss
diverse deformazioni della Gauss
rispetto alla Cassini-Soldner
procedure geodetiche di
trasformazione tra sistemi di
coordinate e docedi riferimento
conforme
Metodo basato sulle origini catastali
Utilizziamo elementi geodetici superficiali:
ZG
(X, Y) (s, α) (formule di Soldner)
Cassini Soldnerellissoidepiano Gauss
Tenendo conto di:
• deformazioni cartografiche
• variazione di forma e orientamento degli
ellissoidi (Bessel – WGS84) da stimare a
partire al punti di doppie coordinate.
X
Q
α
Y
P
s
O
ϕ
λ
XG
Particolarmente idoneo nel cas di “piccoli sistemi d’asse”
YG
La mappa catastale nell’era del GPS: quale coerenza?
Zona test: provincia di Cuneo: superficie: 6903 km2
250 comuni
101 origini
circa 7500 fogli
• acquisizione monografie punti doppi (4136)
Metodologia automatizzabile per la trasformazione di mappe catastali
verso altri sistemi di riferimento
con presupposti non automatizzabili:
• ricerca e verifica delle origini
• coerenza interna tra reti catastali, tra diverse origini e con le reti IGM
• stima parametri di trasformazione tra DATUM “Bessel” e WGS84
Ricostruire il sistema di riferimento catastale e individuare e rilevare
punti di doppie coordinate e ORIGINI Catastali
Cambio DATUM – vertici IGM95 con coordinate catastali
8 vertici IGM95 di note coordinate Catastali e WGS84 ETRF2000
Calcolo UTM Bessel e stima parametri trasformazione (α, λ)
Y
WGS84:
α= -0.15” ± 0.28”
λ = -0.35 ppm ± 2.75 ppm
X
WGS84
Trasformazione di mappe e confronto con cartografia tecnica
nelle scale 1:1000 – 1:2000
Individuazione di punti doppi “attendibili” sul catastale
e carta numerica fotogrammetrica a grande scala
(1:1000 – 1:2000). Valutazione degli scarti planimetrici
Y
su fogli di 6 comuni provincia CN.
X
confronto è effettuato sulle mappe d’impianto in
formato raster, georeferenziate con trasformazione affine
utilizzando i 70 crocicchi con collimazioni automatiche
sub pixel
Confronto mappa impianto con cartografia tecnica in WGS84
Y
X
COMUNE DI “LA MORRA”
confronto
σ carta
2
2
σ RIF = σ DB
+ σ Catastale
Carta numerica 1:2000
Catastale 1:2000
0.40 - 1 m
0.40 - 1 m
0.57 – 1.41 m
Scarti planimetrici e sqm su 29 punti di confronto:
Y
0.51
± 0.27 m
X
COMUNE DI “CUNEO”
confronto
σ carta
2
2
σ RIF = σ DB
+ σ Catastale
Carta numerica 1:2000
Catastale 1:2000
0.40 - 1 m
0.40 - 1 m
0.57 – 1.41 m
Scarti planimetrici e sqm su 45 punti di confronto:
Y
0.63
± 0.33 m
X
Un esempio in Lombardia: scarti planimetrici tra mappe
trasformate in WGS84 e rilievo NRTK
Y
X
scarto planimetrico
raster originale impianto
media 0.58 ± 0.38 m
1,5
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25
punti RTK
ricevitori Mass Market e GIS in ambito catastale e uso in NRTK
Mass Market: 100–300 €
Ricevitori GIS: 1300 – 5000 €
• esempio 1: in real time con correzioni differenziali
• esempio 2: posizionamento statico con vari tempi d’acquisizione
Posizionamento Differenziale in tempo reale
Accuratezze al 95%
• St. Alone: 5.4 m
• Egnos: 4.5 m
• VRS: 4.7 m
GIS: Leica GS20
Mass market:
ublox4
Accuratezze al 95%
• St. Alone: 2.50 m
• EGNOS: N. A.
• VRS RTCM 1-2: 1.05 m
• TORI (80 km) RTCM 18-19: 0.80 m
• VRS RTCM 18-19: 0.74 m
Posizionamento statico – post processing (PP)
Test: sessioni di lunghezza da
5, 10, 30 minuti post-elaborate
con stazione base “reali” e
“virtuali “VRS
Sono stati salvate le misuse di
codice e fase L1 in files RINEX
per comprendere la precisione
in post processing.
File di 24 h
Files di 20 min
Files di 10 min
Ricevitori Mass Market in post processing (PP)
Stazione base reale:
CRES (a 30 km)
Ublox-4
Accuratezza al 95% =
1.0 m
Osservazioni:
• I test non hanno visto migliorie usando 20 minuti o 10 minuti di dati:
sessioni di 10 minuti sono sufficienti.
Ricevitori GIS in post processing (PP)
Stazione base reale:
CRES (30 km)
Accuratezza al 95%
0.8 m
Osservazioni:
• Le precisioni sono uguali a quelle in real time (con correzioni di fase
RTCM 18-19).
Ricevitori Mass Market in post processing (PP) con VRS
Sessioni statiche 10
minuti
Ublox-4
Accuratezza al 95%
Garmin: 0.9 m
Ublox-4: 0.2 m
Garmin
% Fix
Garmin: 3 %
Ublox-4: 80 %
Osservazioni:
• I ricevitori mass market possono avere in PP performances molto
diverse, in relazione alla qualità delle fasi.
Ricevitori Mass Market - conclusioni
• real time: l’uso di correzioni di rete rispetto ad EGNOS non sono
migliorative.
• post processing: si possono ottenere precisioni decimetriche ,
funzione della qualità delle misure di fase. Sufficienti sessioni di 10 min.
Ricevitori GIS - conclusioni Y
• real time: la qualità del posizionamento migliora sensibilmente usando le
X
correzioni
di rete, specie usando dati di fase (RTCM2 18-19 ad es.).
• post processing: Le performances con dati di rete VRS sono omogenee
e si ottengono precisioni decimetriche al 95% dopo 10 minuti.
Per entrambe le categorie di ricevitori
L’uso dei Virtual RINEX da rete GNSS migliora la qualità dei risultati
rispetto una stazione permanente reale (a 20 km e più) e rende
possibile il fissaggio delle ambiguità di fase L1 anche con ricevitori a
basso costo.
POLITECNICO DI TORINO
Dipartimento di Ingegneria del Territorio, dell’Ambiente
e delle Geotecnologie
L’impiego delle reti GNSS a supporto delle
trasformazioni delle mappe catastali su sistema
di riferimento globale
Alberto CINA
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Verso PREGEO 10 – L’utilizzo delle reti GNSS per le attività catastali
L’Aquila, 30 giugno 2010
Confronto Cassini Soldner – Gauss (UTM WGS84)
Z
Deform.
Cassini Soldner (afilattica)
Angolare
(δ)
δ =
s cos α 
s sinα
+
y
 1
2ρ0 N 0 
3

+

y + y1 y 2 + y
+
sinα cos α
6 ρ 0 NY0
2
1
X
2
2
Lineare
y2
m = 1+
cos 2 α
(m) ellissoide
2 ρ0 N 0
Areale
(mA)
Cassini
Soldner
y2
m = 1+
2 ρ0 N 0
Gauss
Gauss (conforme)
δ =0


X2
m = 0.9996 1 +
piano della carta 2 ρ N *0.99962 
0 0




X2
m = 0.9996 1 +
2 
ρ
*0.9996
N
0 0


2
diverse deformazioni della Gauss
rispetto alla Cassini-Soldner
procedure geodetiche di
trasformazione tra sistemi di
coordinate e di riferimento
ZG
procedura geodetica in sintesi: da
Cassini Soldner a Gauss
α
Y
• Metodo basato sulle origini catastali
Utilizziamo elementi geodetici superficiali:
P
s
O
ϕ
(X, Y) (s, α) (formule di Soldner)
Cassini Soldnerellissoidepiano Gauss
X
Q
YG
λ
XG
1) Trasformate di geodetiche da Cassini Soldner a Gauss (Bessel):
a partire dagli elementi geodetici (s, α) applicando le riduzioni e
deformazioni relative alle due rappresentazioni cartografiche
2) Variazioni di forma degli ellissoidi:
Gli elementi geodetici (s, α) sono poco dipendenti dalla loro
variazione di forma (errore < 2mm / 100 km)
3) Variazioni d’orientamento tra ellissoidi:
Problema geodetico: confronto coordinate e misure tra punti nei 2
SR stima dei parametri di rotazione e scala nel piano Gauss.
4) Trasporto delle coordinate sul piano di Gauss
Risultati pratici della sperimentazione
Metodologia automatizzabile per la
trasformazione di mappe catastali verso altri
sistemi di riferimento
Possibilità di generare automaticamente
punti di doppie coordinate (X, Y Est,
Nord) da utilizzare a posteriori,Ysecondo
grigliati
X
(tempi di calcolo misurabili in ore/provincia).
con presupposti non automatizzabili:
• ricerca e verifica delle origini
• coerenza interna tra reti catastali, tra diverse origini e con le reti IGM
• stima parametri di trasformazione tra DATUM “Bessel” e WGS84ETRF2000
Ricostruire il sistema di riferimento catastale a partire dalle fonti
… qualche esempio …
La ricostruzione del sistema di riferimento
Y
X
Y
X
Y
X
Il sistema di riferimento
catastale: reti e sottoreti