RILIEVI TOPOGRAFICI A FINI GEOTECNICI: metodologie, strumentazione e software. Brugnato (SP) – 19 giugno 2013 Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Sommario Problemi tradizionali dei rilievi eseguiti a fini geotecnici.................................................................................. 1 Reali esigenze in campo topografico del Geologo e del Geotecnico ................................................................ 7 Definizione degli Algoritmi ................................................................................................................................ 8 Variabilità dei risultati ................................................................................................................................... 8 Approccio Metodologico ................................................................................................................................... 9 Triangolazione ................................................................................................................................................. 14 Kit Fornito ........................................................................................................................................................ 18 Funzioni Principali dello Strumento ................................................................................................................ 19 Utilizzo dello strumento .............................................................................................................................. 19 Esecuzione del Rilievo..................................................................................................................................... 20 1. Pianificazione del rilievo .......................................................................................................................... 20 2. Localizzazione dei punti di riferimento ................................................................................................... 21 3. Montaggio del Treppiede e della Stazione Totale................................................................................... 23 4. Esecuzione del rilievo .............................................................................................................................. 24 4.1 Puntamento....................................................................................................................................... 25 4.2 Accensione e taratura dello strumento............................................................................................. 26 4.3 Esecuzione delle misure .................................................................................................................... 27 5. Rielaborazione dati.................................................................................................................................. 29 Fattori a cui porre particolare attenzione durante il rilievo............................................................................ 32 Riassumendo ............................................................................................................................................... 33 Caso di studio .................................................................................................................................................. 34 Elaborazione al CAD......................................................................................................................................... 41 Inserimento di uno sfondo: scelta dei portali ................................................................................................. 45 Inserimento di uno sfondo: procedura ........................................................................................................... 47 Rotazione del disegno o dello sfondo ............................................................................................................. 49 Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Problemi tradizionali dei rilievi eseguiti a fini geotecnici In campo geologico e geotecnico si ha spesso la necessità di ottenere rilievi che non richiedono una alta precisione con georeferenziazione assoluta dei punti rispetto alla rete principale di inquadramento, come avviene, ad esempio, per i riconfinamenti a fini catastali o per lo scavo di gallerie su più fronti, ma che siano sufficientemente precisi e facilmente collocabili sulla cartografia di base o sulle foto aeree, con semplicità, rapidità di esecuzione, ed a costi contenuti. Dall'esperienza maturata nell'ambito della libera professione ci siamo resi conto di quanto spesso le esigenze dei geotecnici in tema di descrizione del territorio non siano comprese appieno, ed abbiamo deciso di proporre un sistema completo per il rilievo topografico che riunisca la fornitura dello strumento di misura, il software di elaborazione dei dati acquisiti ed un corso di formazione che illustri il metodo operativo da noi sviluppato, mediante il quale è possibile ottenere rilievi immediatamente e facilmente fruibili, con un buon livello di dettaglio, in grado di soddisfare le effettive esigenze di chi opera nel campo del rilievo geologico e dell’elaborazione geotecnica. Primo esempio: Versante in frana a valle di una strada Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Rilievo topografico corrispondente Come si può osservare nella figura soprastante, il rilievo è estremamente dettagliato per quanto riguarda la geometria della sede stradale, ma non contiene informazioni relative al versante a valle di essa, che invece è l'elemento chiave per la determinazione delle condizioni di stabilità e la progettazione delle opere di sostegno. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico L'esempio che segue è invece relativo ad un'area cimiteriale collocata alla sommità di una collina, una collocazione tradizionale in molti piccoli paesi del Piemonte. Il substrato è costituito dalla sequenza tipicamente presente nell'Astigiano, con un orizzonte di sabbie gialle prive di componente fine che sovrasta un substrato costituito dalle argille azzurre del Piacenziano, non particolarmente consolidate. Le acque raccolte dal reticolo di drenaggio sono state convogliate su una larga piastra concava in calcestruzzo avente la funzione di allontanare e distribuire le acque stesse su una piccola cresta, in modo da favorirne la dispersione su entrambi i lati, per poi essere raccolte dal rio presente alla base della collina. La quantità d'acqua raccolta, però, col tempo ha eroso la cresta, sottoscavando il piastrone in calcestruzzo, che alla fine è crollato, ed ha formato una forra di alcuni metri di profondità. Secondo esempio: Vecchio canale di scolo delle acque collettate Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Erosione al di sotto del canale di scolo Sezione erosa nel tratto di valle Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Rilievo di buona qualità, ma poco fruibile È stato eseguito un rilievo di buona qualità, ma per la mancanza di curve di livello e di sezioni trasversali la fruibilità dell'elaborato si è dimostrata ridotta, in particolare per la stima del movimento terra necessario al ripristino di una sezione idonea alla posa di tubazioni con dissipatori che consentissero un corretto smaltimento delle acque. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Terzo esempio: Strada dissestata MURO ESISTENTE
STRADA ASFALTATA
SEZIONE S1-S1
DISTANZE PROGRESSIVE
249.65
249.82
1.52
2.46
1.82
3.98
DISTANZE PARZIALI
1.52
QUOTE TERRENO
249.69
QUOTA 245.00
0.00
0.00
Sezione della strada dissestata Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico MURO ESISTENTE
STRADA ASFALTATA
SEZIONE S1-S1
1.82
246.24
249.56
5.54
11.34
249.65
2.46
5.80
0.00
DISTANZE PROGRESSIVE
1.52
3.98
DISTANZE PARZIALI
1.52
QUOTE TERRENO
249.82
QUOTA 245.00
249.69
0.00
Sezione della strada dissestata con aggiunto un tratto di versante a valle In quest'ultimo esempio, su specifica richiesta di aggiungere nelle sezioni trasversali ad una strada in frana il sottostante versante, è stata aggiunta una linea a 45° come indicazione qualitativa del lato della strada dove si trovava il versante, dimostrando così un completo fraintendimento della effettiva esigenza del progettista geotecnico. Reali esigenze in campo topografico del Geologo e del Geotecnico Ciò che normalmente necessità al Professionista che opera nel settore geologico e geotecnico è un rilievo che copra un'area sensibilmente maggiore di quella direttamente interessata dal dissesto; l'identificazione della posizione delle linee lungo le quali si rilevano bruschi cambiamenti di pendenza; la caratterizzazione delle diverse sottoaree in cui è suddivisa la superficie rilevata; la costruzione automatizzata di sezioni disposte secondo le effettive necessità dei calcoli geotecnici. Mettere un Professionista della Geologia e della Geotecnica nella condizione di realizzare in proprio i rilievi con una qualità, dal punto di vista della utilità specifica, migliore rispetto al lavoro eseguito da un Topografo professionista, è un risultato che è possibile conseguire, a condizione di fornirgli un servizio integrato che vada oltre la proposta commerciale di uno strumento con un rapporto qualità/prezzo estremamente favorevole (opzione comunque necessaria al fine di ammortizzarne il costo in breve tempo) tramite la contestuale erogazione di un corso pratico volto alla acquisizione di una metodologia semplice ed efficace per l'utilizzo congiunto dello strumento e del software specificatamente sviluppato, garantendogli così una curva di apprendimento estremamente rapida. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Definizione degli Algoritmi Per la restituzione grafica di un rilievo sono stati sviluppati nel tempo moltissimi algoritmi di interpolazione/estrapolazione, tra cui i più noti sono sicuramente i seguenti: Triangolazione random Medie pesate Medie pesate di superfici polinomiali Kriging Triangolazione avanzata Variabilità dei risultati Nelle immagini sottostanti è possibile vedere la differenza dei risultati ottenuti utilizzando la medesima nuvola di punti ed elaborandola con metodologie di calcolo diverse. La media pesata non è in grado di estrapolare la superficie oltre i punti dati ed è moto sensibile ai parametri di calcolo, la superficie polinomiale limite può avere problemi con distribuzioni molto disomogenee, il kriging non è in grado di estrapolare e genera superfici molto arrotondate, la triangolazione avanzata riesce invece a ottimizzare l’informazione fornita distinguendo le superfici arrotondate (prati, versanti) dagli spigoli netti (cigli stradali, impluvi, orli di frana). 20
0
15
5
-18.1
B17
-16.2
-5
40
-20
D03
A11
X2
X6
-20.9
C05
X4
X5
0
-20
-19.5
D02
-5
-20
-17.0
-10
-19.1
-15
-21.3
-40
D01
-40
-14.3
-20
-40
-15
-1
0
0
-18.4
-15.2-15.8
D04
X1
A10
-20
-14.2
-14.7
-17.1
-5
B15
B16
-16.7
-1.7
B10
A09
B14
C04
0
-18.9
-18.3
-20
40
C03
-17.2
-20
-1.8
-14.4
-5
-4.9
0
-1.8
-1.4
-1.7
D05
A08
B12
B13
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-1.8
-1.7-5.3
-1.4
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A06
B09 A07
B11
C02
0
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5.8
4.2
B08
-1.8
-1.7
-1.6
80
D06
C01
-18.5
-1.7
7.4
60
A05
B07
-13.9
40
B02
B01 A03
B03
B04
A04
B05
B06
10
-5
-2.0 -2.0
20
A01
A02
5
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-7.9
-2.2
7.8
0
-15
20
-2.0
-14.8
20
0
-2.3
-2.1
-20
80
20
40
-2.8
-2.9 -2.9
-2.6
-2.4
-2.6
-1.9
-2.2
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20
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-3.4
-3.3
25
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0
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0
-20
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Media pesata Superficie Polinomiale Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
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Metodologie di Rilievo Topografico 20
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A04
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A01
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B02
B01 A03
B03
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B06
D06
5
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B10
A09
0
D03
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X2
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C05
X4
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D02
5
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D01
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D01
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X4
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D02
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X1
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B15
B16
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B14
C04
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Kriging Triangolazione Avanzata Approccio Metodologico Il problema principale della rappresentazione di dettaglio di una piccola area rilevata in campagna è dato dal fatto che la superficie del terreno è estremamente irregolare e quindi, a differenza dell’ambiente urbano in cui è sufficiente rilevare pochi punti in corrispondenza dei vertici degli edifici e del reticolo stradale per ottenere una descrizione geometrica completa dell’area, occorre affinare una metodologia grazie alla quale pochi punti sparsi, disposti in modo apparentemente casuale, riescano a descrivere in modo ottimale il terreno. Esso, infatti, è una superficie curva continua sulla quale sono presenti linee, anch’esse curve, lungo le quali non è preservata la continua derivabilità in direzione ortogonale alle linee stesse: in altri termini si incontrano degli “spigoli”, tipicamente in corrispondenza di gradonature naturali o antropiche, incisioni fluviali, contatti tra pareti rocciose e materassi alluvionali, conoidi detritiche, sedi stradali. Questi elementi rivestono un ruolo particolarmente importante nella descrizione morfologica di un sito, e quindi occorre elaborare una procedura di rilevamento che consenta ad un elaboratore elettronico di interpretare correttamente e in modo non ambiguo i dati raccolti in campagna. La vecchia tecnica manuale, che consisteva nel collegare i punti rilevati fino a costruire un reticolo di triangoli piani, permetteva di ottenere risultati molto buoni perché incorporava il ricordo del sito conservato dall’operatore, il quale istintivamente lo utilizzava per ottimizzare la fase di triangolazione adattandola alla reale morfologia del sito. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Nella restituzione automatizzata, invece, si incontra una prima classe di problemi legata alla semplice mancanza di dati: la presenza in un prato di un avvallamento, ad esempio, non avrà riscontro negli elaborati finali se non si avrà avuta l'accortezza di rilevare almeno un punto sul fondo dell'avvallamento stesso. 40
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.5
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Terreno piano 40
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Terreno con avvallamento Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Conoscendo gli effetti di un avvallamento che consenta il ristagno d'acqua a monte di un corpo di frana attivo è facile capire quanto sia grande l’importanza di riuscire a trasferire all’elaboratore questo tipo di informazione. Occorre premettere che gli algoritmi di triangolazione sono pensati per ottimizzare la regolarità geometrica dei triangoli, quindi un buon rilievo dovrà contenere punti distribuiti in modo omogeneo ed uniforme. Compito del rilevatore è quello di scegliere i punti in modo tale da segnalare le irregolarità del terreno rispetto all’andamento del piano medio, in sostanza mettendosi nei panni del computer e cercando di immaginare quanto bene i triangoli piani riescano ad approssimare l’andamento reale del terreno. Poiché un buon algoritmo dà risultati molto simili alla triangolazione che la mente umana costruisce in modo istintivo, è estremamente rapida l'acquisizione della capacità di sovrapporre alla visuale del terreno l’immagine mentale del modello geometrico ottenuto con la triangolazione dei punti che si prevede di battere. La seconda classe di problemi è legata alla descrizione degli spigoli presenti sulla superficie topografica di cui si è parlato in precedenza. Immaginiamo di indicare al computer (oppure ad un volonteroso e paziente collega) esclusivamente le coordinate di quattro punti, posti ai vertici di un quadrato, le cui quote siano 0,0 m nei vertici S‐O e N‐E, e 10,0 m nei vertici S‐E e N‐O. 40
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Un caso ambiguo di punti di misura
Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Sia il computer sia la nostra sfortunata cavia umana potrebbero costruire almeno tre configurazioni egualmente ragionevoli, rappresentate nelle figure che seguono: 40
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Una cresta diretta da N‐O a S‐E 40
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Un fondo valle diretto da S‐O a N‐E Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
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Un avvallamento del terreno a forma di sella La soluzione più immediata consiste nell'aumentare enormemente il numero dei punti rilevati. Questo approccio è però molto costoso perché prevede una campagna di misura interminabile oppure l’utilizzo di tecniche laser‐scanner che richiedono apparecchiature il cui prezzo è notevolmente elevato. L'infinità di punti di una scansione laser automatizzata, peraltro, non significa necessariamente una elevata qualità del rilievo, poiché vengono memorizzati anche tutti gli ostacoli posti tra lo strumento ed il terreno ed in molti casi si ottengono “zone d’ombra” tanto ampie da rendere pressoché inutilizzabile il rilievo eseguito. La seconda soluzione consiste invece nell’usare procedure semplici ma efficaci che consentano di comunicare al software gli ordinamenti prioritari di punti lungo i quali non è conservata la continua derivabilità. Nel nostro caso il software fornito a corredo della Stazione Totale è stato predisposto per riconoscere come spigoli le spezzate i cui vertici siano identificati da sequenze di punti cui viene attribuita una semplice nomenclatura costituita da una lettera (che caratterizza una specifica linea di spigolo) e da un numero progressivo che determina la sequenza dei punti. Ad esempio, nel caso di una strada che taglia un versante, si potranno rilevare quattro allineamenti speciali di punti come indicato nella sezione riportata nella figura seguente, risolvendo così i problemi della seconda classe, e proseguire rilevando lungo il pendio una serie di spunti sparsi a monte e a valle della strada, distribuiti in modo omogeneo ed in base ad una scelta ottimizzata per risolvere i problemi della prima classe. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Pendio
naturale
C1, C2 ... Cn
Sbancamento
A1, A2 ... An
Strada
B1, B2 ... Bn
Riporto
D1, D2 ... Dn
Nomenclatura degli spigoli del terreno, vista in sezione Con un corretto approccio metodologico è quindi possibile minimizzare gli effetti di entrambe le classi di problemi, ottenendo una risposta ottimale sia nel trattamento delle grandezze integrali, come la valutazione dei volumi di terreno, indispensabile in campi che variano dall’analisi di stabilità dei versanti alla progettazione delle opere di contenimento alla pianificazione delle operazioni di cantiere, sia delle grandezze differenziali, quali l’inclinazione e la direzione di massima pendenza, fondamentali in attività di calcolo complesse come le analisi di rotolamento massi o la definizione dei reticoli di deflusso superficiali. Triangolazione Nel corso degli anni sono stati sviluppati molti metodi di triangolazione, ed un numero ancora maggiore di algoritmi per implementarli. Specialmente nel caso in cui tutta l’informazione sia contenuta esclusivamente nelle coordinate dei punti misurati vi è una implicita ambiguità sull’interpretazione del termine “ottimale”. L’idea generale è che una “buona” triangolazione è tale quando si presenta con un aspetto regolare e riesce a rappresentare il terreno con un buon dettaglio nonostante il limitato numero di punti utilizzati. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
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C03
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B04
A04 B05
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C05
332
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E04
B07
330
A06
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D07
C06
B08
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B09C08
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A07
D06
B10C09
D05
E06
D04
8
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332
B13
C13D03
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B12
C11
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Buona congruenza nella sovrapposizione di un rilievo topografico ad una foto aerea Poiché l’interpolazione base di una superficie triangolare è di tipo piano, l’inclinazione e la direzione di massima pendenza dipendono equamente da tutti e tre i vertici, indipendentemente dalla loro posizione. In particolar modo nei triangoli acutangoli, con un angolo particolarmente stretto, può verificarsi un effetto di “proiezione a distanza” di particolari caratteristiche geometriche in modo incontrollato. Ad esempio se i vertici A e B sono tra loro vicini mentre il vertice C è molto distante da essi, e la quota di C è intermedia tra quelle di A e B, la direzione della pendenza sarà dettata dal rapporto altimetrico tra A e B, e si conserverà fino a C, causando errori potenzialmente grandi ed apparentemente inspiegabili nell’intorno del punto C. Nello specifico è quindi di fondamentale importanza, per la buona qualità del risultato, la forma e la disposizione degli elementi in cui si discretizza l'area di interesse. Nelle figure seguenti si evidenzia come un versante "facile" da interpretare per un operatore umano possa essere ricostruito in modo completamente errato da un software al quale non siano state impartite le necessarie direttive, e come invece un rilievo effettuato con una metodologia descrittiva riesca a generare un risultato ottimale. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico 0
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33.0
30
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30.0
30
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21.0
20
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9.0
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5.0
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Triangolazione errata, che impedisce la corretta modellazione dell’impluvio Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
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Triangolazione corretta, predefinita in fase di rilievo dall’operatore e recepita dal software di interpretazione come elemento vincolante al posizionamento dei triangoli Come si diceva esiste una vasta molteplicità di algoritmi di triangolazione; alcuni Autori privilegiano un approccio basato sulla minimizzazione della sommatoria delle lunghezze degli spigoli, altri su valutazioni di tipo goniometrico, massimizzando il minimo angolo oppure minimizzando l’angolo massimo. Si può comunque dimostrare per via teorica che la convergenza della soluzione, approssimata alla soluzione vera di un problema, è tanto migliore quanto più la griglia di calcolo è regolare, ovvero costruita in modo tale che gli angoli interni di elementi adiacenti risultino prossimi fra di loro. L'algoritmo da noi implementato è una variante della triangolazione di Delaunay, modificata in modo tale da dare una precedenza concettuale agli allineamenti definiti dal Rilevatore nel corso della campagna di misura, usando la semplice regola, precedentemente esposta, di nomenclare con una diversa lettera dell'alfabeto, seguita da una numerazione progressiva che identifica i nodi della spezzata, ciascuno degli spigoli visibili sul terreno. Tali spezzate vengono poi utilizzate per interrompere l'arrotondamento delle curve di livello, in modo tale da evidenziare con maggior chiarezza la "spigolosità" della linea. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Kit Fornito Stazione Totale Cavalletto di supporto Scheda di memoria aggiuntiva estraibile Software di interpretazione e restituzione grafica Principali Caratteristiche dello Strumento: •
Angolo 2’’ •
Zoom ottico 30x •
Distanza minima: 1 m •
Distanza massima: 200 m senza prisma 5 km con prisma Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Funzioni Principali dello Strumento La Stazione Totale dispone di tre menu principali: 1. CNFG: gestisce la configurazione dello strumento; 2. MEM: permette l’accesso alla gestione della memoria dello strumento; 3. MEAS: permette di effettuare le misurazioni. Utilizzo dello strumento L’utilizzo della Stazione Totale è estremamente semplice, viene operato tramite un semplice tastierino ed un display a cristalli liquidi; molte procedure, come la numerazione sequenziale dei punti, sono effettuate automaticamente, per cui in pochissimi passaggi lo Strumento è pronto ad affrontare la campagna di misura. Oltre alla documentazione completa originale forniamo a corredo un manuale metodologico‐operativo in cui sono illustrati in dettaglio i comandi fondamentali e l’ordine con cui devono essere utilizzati, ed una pratica scheda plastificata da utilizzare in campagna che, fungendo da “promemoria” dei passaggi fondamentali, garantisce l’esecuzione del rilievo in modo rapido ed efficiente. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Esecuzione del Rilievo Le principali fasi di esecuzione del rilievo possono essere così riassunte •
Pianificazione del rilievo •
Localizzazione dei punti riferimento •
Montaggio del treppiede e della Stazione Totale •
Esecuzione del rilievo •
Elaborazione dei dati e restituzione grafica della planimetria 1. Pianificazione del rilievo In una fase precedente al rilievo in situ, è consigliato analizzare la zona interessata per mezzo di foto aeree (mappe di Google, di Bing, del Geoportale Nazionale, spesso anche attraverso Google Street View) e dei supporti cartografici eventualmente disponibili. E’ così possibile individuare: •
l’estensione e la forma geometrica dell’area, la visibilità generale, elementi che consentono di valutare se sia necessario effettuare il rilievo in due o più riprese; •
punti che possono essere usati per orientare il rilievo in planimetria (tetti delle abitazioni, pali della luce), ovvero che siano visibili da due o più postazioni di misura e che, opportunamente descritti, consentano al software di "montare" in un'unica planimetria le misure effettuate parzialmente da ogni postazione, in modo del tutto automatico; •
punti di riferimento atti a referenziare planimetricamente ed altimetricamente il rilievo che sarà poi eseguito; •
fattori di disturbo per la buona riuscita del rilievo (vegetazione particolarmente fitta, variazioni altimetriche del terreno) tali da rendere utile l'aiuto di un "canneggiatore" che assista l'operatore aiutandolo con una stadia a misurare i punti più critici. Naturalmente tali elementi saranno valutati in dettaglio direttamente sul posto, in ogni caso l'acquisizione di elementi di conoscenza preliminare del sito è sicuramente auspicabile. Avere la possibilità di effettuare il rilievo topografico direttamente nel corso del sopralluogo preliminare o del rilievo geologico e geomorfologico permette di ammortizzare i costi della trasferta, di disporre di un supporto cartografico affidabile e, in generale, di migliorare sia la qualità del lavoro presentato sia di ottimizzare la propria produttività professionale. Nelle foto seguenti si nota come l'uso di Google Maps e di Street View consenta una valutazione preliminare del sito veramente efficace. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico 2. Localizzazione dei punti di riferimento Il programma permette di orientare e combinare blocchi di coordinate rilevati da diverse postazioni. Per far ciò è necessario individuare punti di riferimento visibili da più postazioni. I punti di riferimento sono punti che non entrano a far parte della triangolazione, infatti difficilmente saranno posti direttamente sul terreno, avendo come caratteristica quella di possedere la massima visibilità da più punti di vista. Tali punti vengono identificati semplicemente utilizzando la lettera X seguita da un codice numerico, avendo l'avvertenza di utilizzare lo stesso valore quando il medesimo punto viene acquisito da postazioni diverse. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Particolarità dei punti di riferimento: •
devono essere registrati per primi, subito dopo aver posizionato lo strumento: il software "capisce" infatti che la Stazione Totale è stata spostata perché trova nella sequenza dei punti rilevati un blocco di due o più punti di tipo Xn; •
è obbligatorio rilevare almeno due punti Xn all'inizio della campagna di misura: il software non accetta sequenze prive di punti di riferimento, e comunque qualora si dovesse cambiare idea rispetto alla pianificazione iniziale, decidendo ad esempio di ampliare l'area rilevata spostando lo strumento, la presenza dei punti di riferimento iniziali permette tale operazione; •
i punti di riferimento devono mantenere sempre lo stesso indice numerico, indipendentemente dalla postazione dalla quale vengono rilevati; •
nei rilievi più complessi, ogni volta che si sposta lo strumento di misura occorre rilevare due punti di riferimento già rilevati in precedenza, ed opzionalmente è possibile aggiungere nuovi punti di riferimento, che potranno essere utilizzati successivamente per unire aree separate da ostacoli posti lungo le linee di visibilità ottica. Ad esempio, avendo battuto dalla postazione P1 due punti di riferimento X1 e X2 visibili anche dalla postazione P2, sarà possibile battere da tale postazione, oltre ai punti X1 e X2 (necessari per collegare il secondo blocco di misure al primo), anche un punto X3, visibile da una terza postazione P3, dalla quale X2 non è visibile: in tal modo da P3 si potranno battere i due punti di riferimento X1 e X3, consentendo così il collegamento dei punti successivamente rilevati a quelli rilevati da P1 e P2. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico 3. Montaggio del Treppiede e della Stazione Totale 1. Posizionamento del treppiede; il treppiede è dotato di gambe estensibili, che vengono fissate tramite apposite viti di fissaggio. È consigliabile scegliere un'altezza adatta all'operatore e cercare di disporre già in questa fase il piano di appoggio della Stazione Totale il più orizzontale possibile. 2. Ancoraggio della stazione totale al treppiede; si raccomanda di inserire bene i piedi nel terreno soffice, per non correre il rischio di perdere la messa in bolla in conseguenza di urti accidentali. 3. Montaggio della Stazione Totale; a questo punto è possibile estrarre la Stazione Totale dalla sua valigetta imbottita e avvitarla saldamente sul supporto del treppiede. Lo strumento dispone di viti di bloccaggio della rotazione nei piani verticale ed orizzontale, e di viti di regolazione fine per il puntamento di precisione. Dopo aver avvitato lo strumento al treppiede occorre sbloccare la sola vite che permette la rotazione intorno all'asse verticale, per consentire la messa in bolla dello strumento. 4. Messa in bolla dello strumento; lo strumento dispone di due bolle: una bolla sferica, che permette una regolazione approssimativa della planarità del supporto tramite l'allungamento o l'accorciamento delle gambe del treppiede, ed una bolla cilindrica di precisione che consente la regolazione fine tramite le tre viti di regolazione. La procedura di regolazione avviene in due fasi, posizionando la bolla cilindrica esattamente tra due dei piedini a vite di regolazione (e bloccando lo strumento in tale posizione) ed agendo sui piedini a vite per portare la bolla esattamente al centro del cilindro. SI procede quindi a sbloccare lo strumento ed a ruotarlo esattamente di 90°, bloccandolo nella nuova posizione ed agendo sul terzo piedino per portare nuovamente in posizione la bolla cilindrica. Per sicurezza si consiglia di controllare le regolazioni ripetendo la procedura a partire da una diversa coppia di piedini. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Bolla sferica Bolla cilindrica 4. Esecuzione del rilievo Abbiamo visto in precedenza che per effettuare un rilievo corretto occorrono almeno tre famiglie di punti: •
Punti di riferimento, caratterizzati da codici alfanumerici di tipo Xn; •
Punti che appartengono a spezzate che individuano linee lungo le quali la pendenza varia bruscamente, ovvero punti di spigolo come bordi stradali, cigli di frana, sommità di muri. Ogni spigolo viene rilevato come una sequenza di punti contraddistinti da codici alfanumerici di tipo An, usando una lettera diversa per ogni spigolo, e potendo utilizzare tutte le lettere da "An" a "Vn", poiché le lettere successive costituiscono codici riservati per funzioni speciali (abbiamo già visto l'utilizzo di Xn per la definizione dei punti di riferimento); Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico •
Punti di "campitura" che permettono di descrivere in dettaglio la superficie topografica, e vengono utilizzati dal software per creare automaticamente una triangolazione di base dando comunque una precedenza gerarchica ai punti posti lungo le linee di spigolo; i punti di campitura non devono avere codice alfabetico ma semplicemente un identificativo numerico progressivo; a differenza di quanto avviene nel caso dei punti di spigolo, in cui la numerazione associata alla lettera alfabetica deve seguire la successione geometrica dei punti lungo lo spigolo stesso, l'ordine con cui vengono rilevati i punti di campitura è irrilevante ai fini della triangolazione, che si basa infatti su principi geometrici e matematici indipendenti dalla sequenza della misurazione. Come anticipato, i codici composti con le lettere "W", "X", "Y" e "Z" sono riservati a funzioni speciali. Vedremo adesso i codici che finora non sono stati descritti. •
W (senza parte numerica): punti che non giacciono sul terreno e che quindi non verranno triangolati, ma che permettono di inserire un testo sulla planimetria, per migliorare la leggibilità dell'elaborato; il testo viene inserito nel campo Code, e tipicamente conterrà parole come "strada", "tetto", "palo" o simili (mnemonico: Word). •
Y (senza parte numerica): punto (anche questo non triangolato) orientato in direzione Nord; è possibile inserire un unico punto "Y", ed esclusivamente a partire dalla prima stazione di misura; consente al software di orientare correttamente la planimetria (mnemonico: Y è la direzione Nord nel piano cartesiano). •
Z (senza parte numerica): punto (anche questo non triangolato) a cui viene associata la quota reale sul livello del mare, consente al software di assegnare quote assolute alle curve di livello. È possibile inserire un unico punto "Z", ma a differenza dal punto "Y" può essere rilevato in qualsiasi fase della campagna di misura. 4.1 Puntamento Dopo aver (ovviamente) tolto il tappo protettivo dall'obbiettivo, occorre regolare la messa a fuoco del reticolo di puntamento con la ghiera più piccola. Sopra lo strumento è presente un mirino esterno che permette di puntare in modo grossolano il punto da misurare (ricordiamo di cominciare sempre dai punti di riferimento Xn!); in questa fase occorre sbloccare i due assi di rotazione e bloccarli nuovamente dopo aver approssimativamente individuato il punto da rilevare. Si procede quindi con la messa a fuoco, utilizzando la ghiera grande, ricordando che la distanza "infinito" si ottiene ruotando in senso antiorario la ghiera (nell'obbiettivo si vede una freccia che lo ricorda). Utilizzando le viti di regolazione fine si punta con precisione il punto da misurare. I punti di riferimento devono essere puntati con la massima precisione possibile, cosa che invece non è necessaria all'interno di un prato. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Localizzazione del punto mediante il mirino esterno Messa a fuoco e centraggio dell’obbiettivo 4.2 Accensione e taratura dello strumento Passando alla configurazione dello strumento, prima di iniziare qualsiasi misura e dopo aver acceso la stazione totale, è facoltativamente possibile inserire la temperatura e la pressione atmosferica del sito per la correzione degli effetti della variazione dell'indice di rifrazione dell'aria in funzione della densità. I valori di default sono 1013 hPa per la pressione atmosferica e 15°C per la temperatura. Grazie ai dati di temperatura e pressione atmosferica, lo strumento è in grado di valutare la correzione da apportare alle misure lette per compensare gli errori di distorsione atmosferica presenti (fattore di correzione geometrica in ppm). La pressione atmosferica diminuisce circa di 11,5 hPa ogni 100 m di altezza sul livello del mare. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Una variazione di 1°C comporta un errore sulla distanza di 1 mm per chilometro, che significa un errore massimo di 1 mm per 100 m di distanza nel range di temperatura 5°‐25°. Lo stesso errore di 1 mm per chilometro si ha per uno scostamento della pressione dal valore di default di 3,6hPa. In qualsiasi caso l’errore totale dovuto a questi due parametri è inferiore alle dimensioni di un granulo di ghiaia, quindi le due correzioni, anche se consigliabili, possono tranquillamente essere inserite con stime approssimative. Occorre inoltre scegliere se si desidera eseguire le misure utilizzando un prisma o senza riflettore. 4.3 Esecuzione delle misure Le misure possono essere effettuate sia in gradi sessagesimali sia in coordinate metriche (Nord, Est e quota Z) misurate relativamente alla posizione iniziale dello strumento; il software prevede l’utilizzo di coordinate metriche e quindi occorrerà selezionare la corrispondente voce CRD presente sul display. Lancio della misura Una volta effettuata la misura la si memorizza premendo REC; lo strumento offre a questo punto la possibilità di assegnare opzionalmente al punto un nome ed un valore di altezza rispetto al suolo del punto focalizzato (ad esempio nel caso di utilizzo di una stadia con target riflettente). È possibile inoltre utilizzare il campo CODE inserendo un testo di commento a discrezione dell’operatore. Sarà poi sufficiente, focalizzato il punto successivo, premere il tasto ALL per eseguire l’intera sequenza di memorizzazione con l’incremento automatico della numerazione progressiva del punto. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Memorizzazione dei dati Terminata la campagna di misure non resterà che scaricare i dati acquisiti inserendo la SD nello slot SD del computer, se presente, o usando il lettore di SD Card per porta USB fornito in dotazione con lo strumento. Scaricare i dati: esecutore TSD_reader‐V2.1 Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico 5. Rielaborazione dati L'ultima fase di esecuzione del rilievo è quella legata allo scaricamento dei dati acquisiti: la Stazione Totale dispone di un programma dedicato (eseguibile TSD_reader‐V2.1) tramite il quale si possono trasferire i dati sul proprio PC per elaborarli con il software fornito a corredo ed ottenere la rappresentazione planimetrica e la costruzione di sezioni significative del sito rilevato. Il software per l’elaborazione dei dati acquisiti durante il rilievo è stato sviluppato prevedendo alcune caratteristiche che facilitano enormemente il Professionista nella fase di restituzione grafica. Al momento dell'avvio il programma di scaricamento riconosce automaticamente la presenza del lettore di SD Card, posizionandosi direttamente sulla scheda di memoria esterna collegata al PC. Si potrà selezionare il lavoro desiderato… …esportare un file contenente i punti battuti… Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico …eventualmente modificando o correggendo le informazioni introdotte in campagna. Si richiede quindi la scrittura del file di dati… Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico …dopo aver scelto e confermato il percorso e selezionato il formato compatibile con il software di interpretazione e restituzione grafica. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Fattori a cui porre particolare attenzione durante il rilievo Durante l’acquisizione di tutte le coordinate è indispensabile che il cerchio verticale dello strumento si trovi sempre dallo stesso lato dello strumento. Facendo infatti ruotare l’obbiettivo di 180° rispetto al suo asse orizzontale le coordinate dei punti rilevati risultano speculari rispetto al sistema di coordinate fino a quel momento utilizzato. Tale trasformazione fa si che non sia possibile unificare le diverse serie di misurazioni. Non è possibile rappresentare strapiombi o scavernamenti: nel caso ci si trovi in presenza di una rientranza nella parete come rappresentato in Figura 15 e si stia effettuando una serie di misure di campitura della triangolazione, l’andamento planimetrico che ne risulta non è quello effettivo riportato con tratto nero ma quello rappresentato in rosso. E’ quindi evidente che si genera un errore nella rappresentazione della superficie. Figura 15‐ Rilievo in presenza di scavernamenti E’ quindi necessario porre attenzione, prima di effettuare le misurazioni, a quali punti sono necessari e quali invece possono generare errori in fase di elaborazione. Un altro dettaglio da tener in considerazione è che nel rilevare le spezzate A1‐An è necessario seguire un ordine sequenziale. In caso contrario si ottengono delle curve completamente errate, come si vede in Figura 16, ottenuta scambiando il punto 2 con il punto 6. Quando si effettuano delle misure in una zona ove sono presenti rovi, cespugli o rami è possibile che senza che l'operatore se ne accorga il laser intercetti uno di questi e non raggiunga il punto d’interesse. Si suggerisce quindi di utilizzare lo zoom di messa a fuoco ruotandolo in entrambe le direzioni (senso orario e antiorario) così da individuare l'eventuale presenza di qualche elemento di disturbo interposto. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Trattandosi di documenti di testo, con un po' di pratica è possibile correggere i file di dati con Blocco Note, dopo averli scaricati sul PC. Tale ipotesi deve essere considerata "l'ultima spiaggia", ed è in generale sconsigliata. Lo strumento può avere difficoltà a misurare se si è in presenza di riflessi di luce, vapori, miraggi (tremolio dell'aria riscaldata a contatto di superfici assolate, principalmente su manti di asfalto) o se la superficie sulla quale si riflette il laser presenta irregolarità dell'ordine di grandezza del puntatore laser. In presenza di uno di questi casi lo strumento non riesce ad effettuare la misura; si suggerisce pertanto di interrompere e rilanciare la misura spostandosi su un punto di più facile messa a fuoco. Riassumendo In sintesi il procedimento da seguire è quindi quello riportato di seguito: 1. Individuare un numero sufficiente di punti di riferimento (X), ricordando che un punto di riferimento in più non è dannoso, mentre scoprire che da una nuova postazione un punto di riferimento su cui si faceva affidamento non è invece visibile può creare notevoli problemi; 2. Indicizzare con un nome costituito da una lettera (diversa da W, X, Y e Z, che sono riservate per funzioni speciali), seguita da un identificativo numerico assegnato ordinatamente (A1, A2 … An) tutti i punti che appartengono ad una stessa retta che individua una zona dove la pendenza varia drasticamente e si può considerare tratto di superficie continua ma non continuamente derivabile; 3. Utilizzare un Codice Pt puramente numerico per registrare i punti sparsi necessari ad ottenere una triangolazione ottimale. Se è possibile tali punti devono essere scelti in modo tale che il poligono di inviluppo perimetrale sia privo di concavità, o che ne abbia il minor numero possibile. Attenzione anche ad eventuali zone di scavernamento che non devono essere rilevate in quanto possono generare errori, in particolare simulando la presenza di strutture morfologiche simili a giunti di trazione immediatamente a monte del ciglio della scarpata; 4. Se si desidera sovrapporre in un secondo tempo il rilievo ad una cartografia e/o ad una foto aerea, può essere utile misurare dei punti che si possono ritrovare in cartografia come edifici, ponti, incroci stradali e simili, anche se non appartenenti al terreno, ed assegnare loro la lettera W come Codice Pt, inserendo nel campo CODE la descrizione del riferimento. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Caso di studio Nell'esempio sottostante è riportato passo‐passo un caso di studio reale al fine di illustrare il procedimento da seguire nella realizzazione di un rilievo. Nelle foto seguenti è rappresentato il sito in cui è stato effettuato il rilievo, e del quale si costruirà ora la rappresentazione grafica. Passaggio carrabile Versante di monte Versante di valle Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Si avvia il programma ISOMAP, con il quale si esegue la restituzione del rilievo Si richiede la creazione di un nuovo lavoro Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Si seleziona la procedura Importazione File Stazione Totale Si assegna un nome al Lavoro Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Si sceglie il file da importare Si conferma la quota derivata dal punto Z o si assegna direttamente un valore di traslazione verticale Si conferma la rotazione derivata dal punto Y o si assegna direttamente un valore di rotazione oraria Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico A questo punto è possibile passare direttamente alla fase di stampa, senza ulteriori fasi di elaborazione. Verifichiamo i parametri di stampa: Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico possiamo scegliere se associare ai punti di misura il testo o il valore della quota Il comando Stampa Griglia genera l’anteprima a video dell’elaborato. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Dalla schermata di anteprima è possibile zoomare, stampare o esportare l'immagine: oltre alla stampa diretta è infatti possibile esportare l'immagine in vari formati tra i quali il formato DXF, compatibile con i principali programmi di CAD. In modalità Zoom si migliora la leggibilità dei dettagli Clicchiamo infine il bottone DXF ed assegniamo il nome con cui sarà salvato su disco il file DXF. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Elaborazione al CAD E' possibile eseguire una successiva fase di elaborazione dei dati lavorando direttamente con il proprio programma di CAD Con un doppio clic apriamo in CAD il file appena salvato Verifichiamo la presenza di eventuali imperfezioni, come il triangolo che ha riempito la concavità del perimetro dell’ara rilevata in alto a destra nell’immagine. In effetti l'informazione altimetrica è stata utilizzata in modo improprio, cosa che non sarebbe successa se il perimetro esterno del rilievo fosse stato completamente convesso. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Zoomiamo l'area da correggere Effettivamente il triangolo è stato interpretato in modo anomalo. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Eliminiamo i tratti non corretti col comando Taglia Usiamo il comando “FP” per imporre il taglio di un'area poligonale Selezioniamo l'area da rimuovere Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Con il tasto invio confermiamo la selezione confermiamo quindi l'eliminazione dei segmenti indesiderati Ecco il risultato finale della correzione dell’elaborato grafico Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Inserimento di uno sfondo: scelta dei portali Esistono diversi portali dai quali è possibile catturare, con uno qualsiasi degli editor grafici abitualmente usati, foto aeree più o meno dettagliate. Geoportale Nazionale (http://www.pcn.minambiente.it/viewer/) Google Maps (https://maps.google.it/) Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Bing Mappe (it.bing.com/maps/) È conveniente scegliere volta per volta la fonte delle riprese aeree da utilizzare esaminando le foto presenti su tutti i portali sopra citati, perché alcune caratteristiche variano molto in funzione del portale scelto e dell’area geografica esaminata. Google Maps presenta diversi vantaggi, in particolare la possibilità di visualizzare in 3D la superficie del terreno, ma presenta numerosi “buchi” nella copertura con foto aeree: alcune zone infatti hanno un dettaglio molto inferiore in quanto coperte esclusivamente da foto satellitari. Non bisogna dimenticare la preziosa opzione Street View che offre una copertura fotografica da quota terreno dell’intera rete stradale nazionale, e la possibilità di misurare distanze direttamente a video. Bing Mappe ha la prerogativa di presentare foto molto più recenti rispetto ai portali concorrenti, e spesso è ideale come sorgente delle immagini di sfondo dei rilievi topografici. Geoportale Nazionale (a cura del Ministero dell’Ambiente), offre una copertura completa di fotografie aeree, non recentissime ma particolarmente accurate come ortogonalità delle foto, per cui è particolarmente adatto alla cattura di immagini multiple per la composizione di aree di grandi dimensioni ad alta risoluzione e senza distorsioni. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Inserimento di uno sfondo: procedura Importiamo l'immagine raster, precedentemente catturata Avendo avuto l’accortezza di comprendere nell’immagine catturata il riferimento metrico Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Misuriamone la lunghezza effettiva nell’unità di misura usata dal CAD Utilizziamo lo specifico bottone per la scalatura dei disegni Calcoliamo il fattore di scala come rapporto tra la misura attesa, letta sulla scala metrica della foto, e la misura effettuata in CAD, e quindi applichiamolo all’immagine, che nel frattempo è stata selezionata (nel caso dell’esempio il fattore di scala sarà pari al rapporto 20.0 / 6.7972) Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Rotazione del disegno o dello sfondo Qualora non sia stato indicato il Nord in fase di rilievo, e non sia stata richiesta una rotazione durante l’importazione, sarà ancora possibile orientare correttamente l’elaborato del rilievo e lo sfondo. Questa soluzione presenta però degli inconvenienti perché, volendosi preservare in Nord geografico dello sfondo, i caratteri risulteranno ruotati, o, volendo mantenere una chiara leggibilità del rilievo, il Nord geografico dello sfondo verrà perso. Tracciamo un segmento parallelo ad un riferimento noto Misuriamo l’angolo tra il segmento appena disegnato ed il corrispondente segmento nel rilievo. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Selezioniamo l'immagine, impostiamo un punto di rotazione arbitrario e inseriamo il valore corretto della rotazione (nell’esempio, 180.0° ‐ 10.91°) Cancelliamo quotature e linee di costruzione e quindi trasliamo il rilevo mettendolo a registro sulla foto aerea Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89
Metodologie di Rilievo Topografico Ed ecco il risultato finale, completato con le sezioni trasversali costruite automaticamente dal programma. Geo Soft * Torino – www.geoandsoft.com ‐ tel. 011.562.46.89