STRUMENTI PER IL RILIEVO TOPOGRAFICO

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.

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. Usando 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 GPS

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.

Il 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).

IL 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.

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.

DRONI

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.

PREGI

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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