STRUMENTI PER IL RILIEVO TOPOGRAFICO

Immagine di stazione totale in sito

Vuoi sapere che cosa usano i topografi per fare un rilievo?
Te lo dico in questo articolo dove ti parlo degli strumenti di rilievo topografico.

Non scrivo un post super tecnico, né entro nel dettaglio di ogni strumento, perchè non penso che aggiunga valore per te.
Piuttosto, faccio una panoramica su che cosa si usa prevalentemente in campo, pregi, difetti ed ambiti operativi.
Prendi queste righe come un opuscolo informativo su quello che usano i topografi al lavoro.

foto stazione totale elettronica

LA STAZIONE TOTALE

La stazione totale è l’evoluzione tecnologica del teodolite ottico-meccanico.
Il teodolite misura angoli. Integrandolo con un distanziometro nasce la stazione totale che misura:
– angoli orizzontali;
– angoli verticali;
– distanze oblique;
e, tramite il computer di bordo (per le stazioni elettroniche, ormai comuni), anche:
– dislivelli;
– distanze oblique.

La stazione totale si piazza su un punto (stazione) e il topografo misura le posizioni di altri punti collimandoli con il cannocchiale (guardando dentro il cannocchiale dello strumento si inquadra il punto da battere e si registra la misura).  La misura si può fare con o senza un prisma riflettente, un oggetto a specchio (specchi sagomati a spigolo di cubo) che riflette il raggio laser del distanziometro integrato. foto di riflettore a prismaUsando il prisma, oltre al topografo allo strumento, c’è anche il “canneggiatore“, che vagabonda portandosi in giro il prisma su un bastone graduato e piazzandolo sui punti da rilevare. Si può lavorare anche senza prisma, mirando direttamente all’oggetto da misurare (ad esempio uno spigolo). La stazione totale misura il tempo necessario al raggio emesso dal distanziometro per colpire il bersaglio e tornare indietro e calcola la distanza. Usare il prisma permette misure più precise oltre che raggiungere distanze maggiori rispetto alle misure senza prisma.
I rilievi con la stazione totale si chiamano rilievi celerimetrici (da celerimensura) e danno informazioni plano-altimetriche. Ti dicono dov’è un punto nel piano, oltre che dirti il suo dislivello rispetto all’origine delle misure (stazione totale).

PREGI

Ottime precisioni: le precisioni di una stazione totale si aggirano intorno a 2″ – 3″ (secondi di grado) sulle misure di angoli; 1-2 mm per le distanze misurate con il prisma e 4-5 mm per quelle misurate senza prisma.
Ampio range di misura: Una stazione totale arriva a misurare fino a 3km di distanza, se si mira ad un prisma riflettente. Senza, il range si riduce a circa 500-600 m;
Ok in interni: si può usare alla grande in luoghi chiusi (miniere, gallerie, edifici).

DIFETTI

Accessibilità: il punto su cui si staziona lo strumento deve essere raggiungibile, comodo per lavorarci e sicuro. Lo stesso vale per i punti battuti dal canneggiatore. Io non andrei dentro un corpo di frana!
Servono quattro mani: lavorando con il prisma riflettente serve un altro paio di braccia per portarlo in giro (tranne che per stazioni motorizzate, ma non entro nello specifico);
Tempi lunghi: per rilevare bene grandi superfici servono tanti punti e, spesso, diverse stazioni di misura. Non è raro passare più giorni consecutivi sul campo per fare un rilievo celerimetrico.

IL GPSimmagine di ricevitore satellitare GNSS

GPS sta per Global Positioning System, ma questo non credo ti interessi molto. Una cosa che non tutti sanno è che tra gli strumenti di rilievo topografico si dovrebbe parlare almeno di GNSS. Questo sistema permette di conoscere la posizione spaziale di punti terrestri, navali o aerei, grazie a costellazioni di satelliti artificiali in orbita attorno alla Terra. Le costellazioni più famose sono quella Americana (GPS) e quella Russa (GLONASS), con circa 24 satelliti operativi ciascuna (GPS+GLONASS=GNSS). E’ arrivata nello spazio anche l’India, con la costellazione BEIDOU (4 satelliti) e tra poco (speriamo!) sarà operativa la costellazione Europea, GALILEO (30 satelliti).

Togliamoci subito il dente cariato: per un rilievo topografico non si può usare il GPS dello smartphone, dell’orologio o del Tom Tom (esiste ancora il Tom Tom?!). Chiedetegli quanto manca al prossimo autogrill, o quanti km avete corso, ma non andate oltre. Per un rilievo di precisione si devono usare ricevitori specifici (a doppia frequenza) e più grandi.

immagine di posizionamento satellitare GPSIl posizionamento satellitare si spiega in poche parole: un ricevitore GPS (lo strumento sul campo) comunica con almeno quattro satelliti nello spazio che gli dicono qual è la sua posizione sulla Terra. Stop. In realtà è un bel po’ più complesso di così e magari te ne parlo in un articolo dedicato, ma ti basti sapere che il topografo va con il suo ricevitore GPS sul punto che vuole rilevare, schiaccia un pulsante e registra la sua posizione; si sposta sul punto successivo, registra la posizione anche di quello e così via fino alla fine del rilievo. Ora, i colleghi topografi mi staranno rivolgendo i peggiori insulti, perchè ho tralasciato un bel po’ di cose sul funzionamento di questo sistema, facendolo sembrare un giochino. Fidati che non lo è, ma non serve che ti spieghi tutto quanto.

PREGI

Veloce: rispetto alle operazioni di un rilievo con stazione totale, utilizzare il GPS richiede tempi di solito più rapidi;
Semplice: un rilievo GPS si può fare da soli spostandosi, senza aiuto, su tutti i punti da battere;
Georeferenziato: la posizione dei punti rilevati viene presa nel sistema di riferimento globale WGS84. Si conoscono quindi latitudine, longitudine e quota, che non è male!

DIFETTI

Accessibilità: anche per il rilievo GPS i punti battuti devono essere raggiungibili e calpestabili. Per una parete rocciosa, capisci che non è proprio così semplice;
Precisioni inferiori: rispetto ad una stazione totale, la precisione normalmente raggiunta da un sistema GPS è di 1-2 cm sulla posizione del punto battuto;
Visibilità della volta celeste: basandosi tutto sulla comunicazione con i satelliti in orbita nello spazio, un rilievo GPS non si può fare al chiuso o in situazioni in cui il cielo sopra il ricevitore è parzialmente o totalmente oscurato (boschi, città con palazzi piuttosto alti, fondovalle scavata o canyon).

immagine di un laser scannerIL LASER SCANNER

Laser Scanner e LIDAR (LIght Detection And Ranging o anche Laser Imaging Detection And Ranging) sono la stessa cosa e misurano la posizione di un punto calcolando il tempo che passa tra l’emissione di un raggio laser, l’urto sull’oggetto da rilevare e il rientro, dopo il rimbalzo, al punto di partenza.
Ok, però questo lo fa anche la stazione totale.
Vero, ma il laser scanner ruota automaticamente sul suo asse verticale e su quello orizzontale e riesce ad emettere (e leggere) un enorme numero di punti (da centinaia a migliaia) AL SECONDO. E fa tutta la differenza!
Lo strumento si posiziona in un punto, si schiaccia un pulsante e si avvia la scansione che rileva tutto quello che riesce a vedere. Se ci sono zone che non sono visibili dalla prima stazione ci si sposta in una seconda e si avvia una nuova scansione. E così via. In genere non ci deve neppure preoccupare di unire scansioni diverse, ci pensa il software di bordo.
Forza, altri insulti dagli amici topografi!
Non ti aggiungo altro anche se, ancora una volta, non è tutto così semplice.
Sappi che il linea di massima il laser scanner non rende al massimo per rilievi in esterno a prevalenza planimetrica, mentre va alla grande per rilievi di oggetti o ambiti a prevalenza verticale (edifici, falesie rocciose, cave).

PREGI

Velocissimo: per il suo principio di funzionamento è senza dubbio il più veloce tra gli strumenti di rilievo topografico;
Semplicissimo: le operazioni sono 1) metto lo strumento in stazione e 2) schiaccio il pulsante di avvio scansione (…);
Ok in spazi chiusi: non ci sono problemi ad usarlo in interni;
Altissima densità: il risultato di una scansione con laser scanner è una nuvola di punti ad altissima densità.
immagine di nuvola di punti da laser scanner

DIFETTI

Precisione: la precisione di un punto battuto con laser scanner è, ancora, inferiore rispetto ad una stazione totale (siamo sull’ordine di 1 cm);
Visibilità: un rilievo con laser scanner permette di battere tutti i punti intorno allo strumento purchè visibili. I raggi emessi viaggiano in direzione (quasi) rettilinea e non possono girare gli angoli, aggirare un ostacolo o superare la cima di una collina;
Inutilizzabile nella pioggia: un raggio laser che picchia contro una goccia di pioggia può cambiare direzione rischiando di falsare il risultato del rilievo.

DRONIimmagine di drone in volo

Droni, UAV, APR: oggetti volanti che, per scopi topografici, trasportano una macchina fotografica. In questo modo un drone permette di far fare al topografo un rilievo aerofotogrammetrico.

Qui la faccenda si fa un po’ più complicata e forse vale la pena mettere giù alcuni punti:
– un drone NON è uno strumento topografico, un drone trasporta una macchina fotografica;
– la macchina fotografica NON è uno strumento topografico, altrimenti sarebbero tutti topografi;
– l’aerofotogrammetrica ha bisogno di software specifici per elaborare le immagini scattate dalla macchina fotografica montata sul drone;
– un rilievo aerofotogrammetrico ha bisogno NECESSARIAMENTE di punti riconoscibili a terra, la cui posizione è nota ed è stata determinata con qualcuno degli strumenti di rilievo topografico di cui ti ho parlato prima.

Comunque funziona più o meno così: Il topografo materializza (rende ben visibili e ne determina la posizione) a terra dei punti (marker) – Vola con un drone sopra l’area da rilevare – Scatta fotografie con la macchina fotografica – Elabora le fotografie e le posizioni dei marker dentro software specifici (structure from motion) – Costruisce un modello tridimensionale di quello che ha rilevato da cui tira fuori informazioni tipo: modello digitale del terreno (DTM), curve di livello, ortofoto.
Ok?
Ti riparlerò sicuramente dei droni in qualche altro articolo dedicato.

PREGIorotofotografia fortezza sarzana

Veloce: il rilievo aerofotogrammetrico, per quanto riguarda le operazioni in campo, è senza dubbio tra le tecnologie più rapide;
Accessibilità estrema: facendo volare il drone sopra aree inaccessibili a piedi si hanno informazioni in zone altrimenti difficilmente rilevabili;
Alta densità: come il laser scanner anche il rilievo aerofotogrammetrico da drone permette di avere nuvole di punti dense;
Ortofoto: la ripresa fotografica aerea permette di elaborare ortofotografie ad alta risoluzione.

DIFETTI

Ridotte precisioni: diffidate da chi vi vende un rilievo aerofotogrammetrico con precisione millimetrica. Personalmente mi sento confidente nel restituire rilievi di questo tipo con precisione che va intorno a 5-10 cm;
Sensibilità alle condizioni meteo: anche se le cose stanno cambiando, al momento è meglio non far volare i droni nella pioggia perchè danneggia i rotori delle eliche;
Se a terra la vegetazione è densa, meglio scegliere un altro metodo: visto che i dati topografici sono ricavati dalle fotografie, in caso di vegetazione fitta (alberi o cespugli) difficilmente si riusciranno ad avere informazioni robuste sul terreno.

CONCLUSIONI

Eccoci alla fine! Con grande approssimazione ho finito questa panoramica generale sugli strumenti di rilievo topografico più usati.
Non è detto né necessario che un topografo li possegga tutti. E non esiste neppure uno strumento migliore di un altro. Dipende dall’ambito di lavoro e dalle esigenze specifiche.
Non me ne vogliano i più rigorosi: ho tralasciato davvero tanti particolari e semplificato brutalmente anni di studi e di ricerca scientifica!
Se ti interessa saperlo (se sei un po’ tech-geek o nerd come me), nel momento in cui scrivo questo articolo, io utilizzo:
– una stazione totale elettronica SANDING STS;
– un ricevitore GPS Geomax Zenith 20;
– un drone DJI Phantom 4;
– il software Agisoft Photoscan.

Lasciami un commento qui sotto per ogni dubbi o chiarimento  sulle righe che hai appena letto, sarò felice di risponderti.

Se, invece, ti occupi anche tu di topografia, sentiti libero di aggiungere la tua esperienza, un’integrazione o un consiglio.

Per rimanere aggiornato sui nuovi articoli, anche quelli che tratteranno meglio le tecniche di cui hai appena letto, iscriviti alla mia newsletter!

Ciao!
Paolo

 

P.S.
Questo articolo lo puoi ascoltare anche nella puntata del podcast di 3DMetrica dal player qui sotto:

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Lasciami un commento!

6 Comments
  • Nicola
    Giu 6,2019 at 10:59

    Ciao Paolo
    sono un geologo pilota APR che ha acquistato un drone per uso fotogrammetria.
    Essendo “neofita” per quanto riguarda la sezione topografia ho bisogno di chiederti alcune cose.
    Prima di tutto se non ho capito male (ma ci può stare!) in generale un rilievo topografico eseguito con stazione totale è il più preciso che si possa ottenere, mentre un rilievo fatto con solo GPS ha un grado di attendibilità minore.
    Dovendo eseguire mappature di frane attive, magari con movimento lento dell’ordine di qualche cm (2-4) all’anno, sarà necessario un rilievo di alta precisione ripetuto nel tempo per valutare planimetricamente le aree in movimento. Al momento del posizionamento dei GCP è quindi meglio batterli con una stazione totale laddove possibile anziché con GPS? Può aiutarmi a ridurre gli errori del posizionamento dei GCP, è così? e poi, vista l’accuratezza necessaria, trascurando gli eventuali errori di qualsiasi natura, può essere valida la soluzione di accoppiare il volo del drone per i rilievi con RTK?
    Ho un po’ di confusione e prima di cimentarmi ho bisogno di chiarire diversi aspetti.
    Complimenti per il tuo sito!!!! Condividi esperienze professionali, consigli, passione per la tua professione in maniera libera e totale! E’ un piacere seguirti in rete oltre che un arricchimento!
    Grazie

    Nicola

    • Paolo Corradeghini
      Giu 9,2019 at 22:08

      Ciao Nicola,
      grazie del tuo commento.
      In generale la stazione totale ha la migliore precisione ma ciò non significa che il GPS sia meno attendibile.
      La stazione totale misure coordinate a partire da angoli e distanze e, se per tratti corti riesci ad avere precisioni millimetriche, per lunghe gittate, specialmente senza una rete di inquadramento costruita ad hoc puoi avere errori ben maggiori della precisioni di un GPS che, invece, rileva coordinate.
      Se vuoi ottenere precisioni millimetriche con un GPS puoi fare un posizionamento statico di qualche ora e riuscire ad arrivare al millimetro.

      Per il tuo caso specifico la stazione totale è forse la migliore scelta e quello che devi fare tu è un monitoraggio.
      Ma non realizzerei un rilievo fotogrammetrico quanto piuttosto un controllo di punti sparsi.
      Dovresti materializzare nel corpo di frana delle mire ad alta riflettività e misurarne la posizione da un punto di stazione con letture ripetute nel tempo per monitorare gli spostamenti.
      È importante che tu faccia stazione con lo strumento in una zona che non si muove, altrimenti le letture saranno falsate.

      La fotogrammetria non è una scelta consigliata per la gestione dei piccoli spostamenti perchè l’accuratezza che riesci ad ottenere in output ha lo stesso ordine di grandezza dello spostamento annuo che vuoi misurare.

      Spero di averti risposto in modo sufficientemente chiaro.
      Se hai altri dubbi non esitare a scrivermi.

      Ciao Nicola,
      buon lavoro!

      Paolo

  • Giulio
    Gen 24,2019 at 18:58

    Buonasera Paolo, mi chiamo Giulio e vorrei avere informazioni su che Strumento (e se c’é) sia meglio usare per Rilievi di giardini che vanno dai 100 metri quadri a più ettari di parco… Spesso ci sono alberi e vegetazione… Ma da profondo neofita non saprei ne che strumento utilizzare ne i costi di un possibile acquisto di strumentazione…

    Grazie, giulio

    (non so perché il testo sia venuto fuori con le maiuscole…)

    • Paolo Corradeghini
      Gen 27,2019 at 15:05

      Ciao Giulio,
      lo scelta dello strumento da usare dipende molto dal risultato che vuoi ottenere.

      Se hai bisogno di una nuvola di punti densa e di una ricostruzione 3D, vista la presenza di alberi forse il laser scanner potrebbe funzionare bene, anche se la pulizia dei dati dal rumore potrebbe non essere banale.
      Se si tratta invece di rilevare punti discreti e caratteristici, credo che con la stazione totale tu riesca ad ottenere sempre un risultato valido.
      Un’antenna satellitare potrebbe avere più problemi legati alla presenza di alberi e vegetazione.

      I costi di uno scanner si aggirano intorno alle decine di migliaia di Euro.
      Per una stazione totale nuova potresti partire da 5.000-6.000 Euro.
      Tuttavia non sono un grande esperto di marche, strumenti e relativi prezzi.
      Ti consiglierei per questo di rivolgerti a rivenditori o, in prima battuta, a ricerche online.

      Spero comunque di esserti stato di aiuto, Giulio.
      In caso contrario non esitare a scrivermi di nuovo.

      Ciao!
      Paolo

      P.S.
      Le maiuscole su ogni parola di un commento sono un problema che non sono ancora riuscito a risolvere!
      🙂

  • Massimo
    Giu 30,2018 at 12:28

    Buongiorno Paolo, mi chiamo massimo e sono un informatico appassionato di tecnologia. Leggo con molto interesse i tuoi articoli e non posso far a meno di notare la passione che metti nello scriverli.
    Vorrei approfittare di questo spazio per chiederti come approcciarsi da neofita all’aerofotogrammetria e quali strumenti possono essere utili per cominciare. in prima battuta, è possibile sostituire il geomax zenith con uno smartphone in grado di restituire coordinate di un punto a terra? Quali sono i costi di un GNSS basico e quali sono i canali per acquistarlo? Ho moltissime domande da farti ma per ora mi limito a quelle poste e approfitto per rinnovarti i miei complimenti.

    • Paolo Corradeghini
      Lug 2,2018 at 9:02

      Ciao Massimo, grazie per il tuo commento e per i tuoi complimenti!

      L’aerofotogrammetria è una tecnica che risale ai primi del ‘900 ed è un po’ “figlia della topografia“.
      L’approccio ad una tecnica di rilievo del territorio, che permette di ricavare informazioni digitali da acquisizioni di dati di campo deve, a mio parere, avvenire con tanta applicazione pratica e studio teorico perchè, anche se sembra facile, con gli strumenti disponibili oggi, fare foto da drone e elaborarle dentro un software per estrarne un modello 3D, ci sono un sacco di aspetti e conoscenze basilari che, se ignorati, possono portare a errori grossolani.
      E questo è molto pericoloso se su un rilievo aerofotogrammetrico si fondano dei progetti o degli altri studi specifici.
      Ho scritto un articolo, che trovi a questo link, dove parlo un po’ di tutto quello che c’è dietro ad un rilievo fotogrammetrico (costi, esperienza e formazione, …), magari può darti qualche informazione in più…

      Per quanto riguarda la possibilità di sostituire un ricevitore satellitare con uno smartphone, per i punti di appoggio del rilievo aerofotogrammetrico purtroppo, oggi, non è possibile.
      Anche se si possono ottenere precisioni interessanti, con alcune procedure ed app (40-50 cm), queste sono ancora del tutto inadeguate per poter restituire un risultato topografico.
      In più, se ogni punto ha un’incertezza di 50 cm, l’incertezza generale di tutto il modello generato usando N punti sarà molto maggiore di 50cm!
      Quindi non si può prescindere da strumenti di rilievo di precisione nel rilievo delle coordinate dei punti di appoggio.

      Il ricevitore satellitare che uso sul campo è il Geomax Zenith 20 che è costato (due anni fa) circa 6.000€.
      Lo uso spesso in modalità rover NRTK appoggiandomi alla rete GNSS Italpos, per un costo di 350 €/anno.
      Ho disponibilità, presso un amico professionsita, di un secondo, uguale, per i casi in cui devo lavorare in modalità base-rover.

      I canali di acquisto della strumentazione topografica sono essenzialmente quelli legati alla rete commerciale delle varie ditte.
      Se le contatti, tramiti i canali ufficiali (sito web), sarai indirizzato al personale commerciale di area per i vari dettagli.
      Per Liguria/Piemonte/Lombardia Geomax è trattato da Instrumetix s.r.l. di Tortona.

      Spero di aver risposto esaustivamente alle tue domande.
      Per altre info non esitare a contattarmi, nei modi in cui preferisci.

      Ciao Massimo, grazie ancora del commento e buona giornata!
      Paolo

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