TOPOGRAFICI, APPARECCHI

TOPOGRAFICI, APPARECCHI

(App. II, II, p. 1002; IV, III, p. 650)

La facilità e la precisione con cui è possibile misurare le distanze per via elettronica hanno indotto gli utilizzatori all'impiego generalizzato dei procedimenti basati sulle misure di distanza. Ormai da alcuni decenni la determinazione delle coordinate dei punti viene fatta quasi esclusivamente col metodo dell'irradiamento oppure mediante poligonali. Unica eccezione è costituita dalle grandi triangolazioni geodetiche d'interesse nazionale o comunque riguardanti rilievi di grande estensione. Spesso, nelle triangolazioni topografiche vengono misurati sia gli angoli che i lati in quanto le imprese che eseguono i rilievi hanno orientato la scelta dei propri strumenti sulla nuova produzione che consente di eseguire qualsiasi tipo di rilievo (v. oltre). L'uso del distanziometro non può comunque prescindere da quello del teodolite, poiché almeno la misura dell'inclinazione della visuale è necessaria e, se non viene eseguita una trilaterazione, è necessario misurare anche le direzioni azimutali. Il distanziometro e il teodolite formano, quindi, la strumentazione di cui ogni impresa si fornisce. Per corrispondere alle nuove esigenze dell'utenza, le case costruttrici hanno immesso sul mercato tutta una nuova serie di strumenti sempre più maneggevoli e perfezionati, integrando le classiche componenti ottico-meccaniche in un complesso ormai quasi completamente digitale. A partire dagli anni Novanta una nuova e rivoluzionaria classe di strumenti si è affacciata e si va imponendo sul mercato: gli apparati GPS (v. anche telemetria in questa Appendice). Tali apparati modificano totalmente il concetto di rilievo poiché non necessitano del collegamento ''visivo'' fra i punti noti e quelli incogniti; i vertici da determinare possono quindi essere istituiti in posizione qualsiasi (in generale assai più comoda e accessibile rispetto al passato) con l'unico vincolo di avere un'ampia porzione di cielo aperto sopra di sé (normalmente non devono essere presenti ostacoli sopra i 15°-20° di elevazione sull'orizzonte).

Lo strumento infatti, costituito essenzialmente da una radio ricevente integrata da un computer, è in grado di captare ed elaborare i segnali trasmessi da una costellazione di satelliti appositamente lanciati e posti in modo da garantire continuamente la copertura di tutta la superficie terrestre. La determinazione della posizione avviene attraverso la misura delle distanze ''istantanee'', eseguita in modo completamente autonomo dall'apparato, fra il ricevitore e i satelliti presenti in quel momento in quel settore di cielo. Poiché tali misure non sono influenzate dalle condizioni meteorologiche né dalla luminosità, è possibile lavorare indifferentemente di giorno e di notte, in presenza di pioggia, foschia od altre situazioni che renderebbero impossibile il ricorso alle metodologie classiche. Per questi motivi, oltre che per la semplicità d'uso della strumentazione, il GPS consente una produttività notevolmente superiore rispetto ai metodi tradizionali.

Distanziometri. - Nelle applicazioni topografiche vengono impiegati esclusivamente distanziometri a onda continua modulata. La preferenza degli utilizzatori si è rivolta sempre più nel corso degli anni ai distanziometri con onda portante luminosa anziché a quelli con portante a microonde, fino a far scomparire questi ultimi dall'attuale produzione. La ragione è che i distanziometri a microonde, oltre a fornire normalmente precisioni minori, possono essere soggetti a interferenze elettromagnetiche che disturbano l'esecuzione delle misure. D'altra parte i vantaggi che essi offrono di poter essere utilizzati con nebbia o scarsa visibilità sono vanificati dal fatto che, nella maggior parte dei casi reali, è necessario associare alla misura della distanza quella dell'inclinazione della visuale, realizzabile solo con i teodoliti per i quali è indispensabile la visibilità. Gli apparati elettro-ottici, in genere più precisi, necessitano inoltre di personale esperto solo su un estremo (master) del lato da misurare, mentre il risponditore sul secondo estremo (remote) è costituito da uno o più prismi retroriflettori (cube corner) utilizzabili anche da personale non particolarmente addestrato. Essi sono derivati dal geodimeter, ideato da E.Ö. Bergstrand all'inizio degli anni Cinquanta e costruito dalla casa svedese AGA (i distanziometri elettro-ottici, pur prodotti da altre case costruttrici, vengono in Italia comunemente chiamati ''geodimetri'').

La nuova produzione comprende un'estesa varietà di tipi, che potrebbero venir suddivisi in tre categorie: a) strumenti per le piccole distanze, con portata fino a 5 km; b) strumenti per le medie distanze, con portata fino a circa 15 km; c) strumenti per le lunghe distanze, con portata fino a 40 km e oltre. Gli strumenti della prima categoria hanno l'onda portante costituita da radiazione infrarossa; sono di dimensioni estremamente ridotte e normalmente vengono applicati sopra il cannocchiale di un teodolite. Quelli della seconda categoria hanno per lo più una portante a luce laser e molto spesso formano uno strumento unico con un teodolite. Quelli della terza categoria, anch'essi con portante laser, sono di dimensioni più ingombranti e costituiscono una strumentazione a sé stante, separata dal teodolite.

Nella maggior parte dei casi la misura della distanza, che avviene mediante l'uso di più frequenze di modulazione, è eseguita del tutto automaticamente dallo strumento, che fa comparire su un display il risultato. In molti casi è possibile anche la correzione automatica per le condizioni meteorologiche del momento e la registrazione su supporto magnetico dei dati di misura. Ogni casa costruttrice ha prodotto varie versioni di strumenti di questo tipo.

Teodoliti e tacheometri. - Il tacheometro è uno strumento praticamente scomparso dall'uso: il suo impiego, infatti, è normalmente combinato con quello della stadia, e un'impresa provvista di un distanziometro montato su un teodolite non necessita di altri strumenti. I teodoliti, eccettuando gli universali geodetici che vengono impiegati anche per le osservazioni astronomiche, sono ormai tutti autolivellanti per la lettura del cerchio zenitale e tutti dotati di lettura elettronica dei cerchi e registrazione dei dati di misura, cosicché le misure angolari appaiono su un display, sono memorizzate su un supporto magnetico insieme alle indicazioni con cui l'operatore identifica il punto di stazione e i punti collimati e sono successivamente trasferite su un personal computer per l'elaborazione. Alcuni modelli recenti sono dotati di compensatori elettronici dell'asse secondario, o addirittura di tutti e due gli assi (compensatori biassiali), permettendo così la lettura immediata di angoli esenti da errori residui di rettifica. Questi strumenti consentono, rispetto agli apparati classici, notevoli risparmi di tempo.

Fra i teodoliti elettronici si segnala il modello WILD T2002 della LEICA notevole per unire tutti i vantaggi della moderna elettronica alla perfezione delle parti ottico-meccaniche. Esso è provvisto di visore e tastiera completi su ambedue le facce, ed è dotato di un compensatore biassiale e di un sistema di lettura sui cerchi elettronici che consentono misure angolari con errori quadratici medi di 0,5″ (0,00015 gon) senza applicazione della regola di Bessel e senza reiterazione.

Total stations. - Costituiscono la più recente versione della strumentazione topografica. Sostanzialmente constano di un distanziometro, un teodolite e un minielaboratore elettronico formanti un unico corpo non più grande di un normale teodolite. I primi esemplari si limitavano a ridurre all'orizzonte la distanza e a registrare su nastro i dati lineari e angolari; nei successivi modelli sono state molto ampliate le capacità di elaborazione e possono essere fornite le coordinate dei punti rilevati derivandole da quelle del punto di stazione o anche, in alcuni tipi, da quelle di un altro punto rilevato.

Questo settore è in continua evoluzione e offre grandi possibilità. Sono di recentissima fabbricazione strumenti equipaggiati con CPU programmabili in ambiente DOS che offrono quindi una gamma infinita di soluzioni per l'elaborazione e la memorizzazione delle misure. Con questi apparati diventa superfluo l'utilizzo del libretto di campagna poiché i dati possano essere organizzati in pagine elettroniche personalizzate a piacere che costituiscono il libretto elettronico, di cui all'occorrenza è possibile produrre anche copie cartacee. A questa ultima generazione appartiene il modello DTM-720 della Nikon, dotato di un potente sistema di registrazione dei dati su schede standard JEIDA/PCMCIA (fig. 1).

Livelli. - Dopo gli autolivellanti, presenti ormai da alcuni decenni durante i quali non si erano registrate novità, sono apparsi recentemente sul mercato i livelli digitali utilizzabili con stadie a codice a barre. Questi strumenti costituiscono un'innovazione notevole per la livellazione geometrica poiché permettono, anche in questo campo, l'acquisizione e il trattamento automatico delle misure.

Il livello digitale, anch'esso autolivellante, pur conservando l'aspetto e le dimensioni di uno strumento classico, è dotato al suo interno di uno speciale sensore CCD in grado di acquisire l'immagine del codice a barre presente sulla stadia e inquadrata nel campo del cannocchiale e di inviarla ad un microprocessore. La misura dell'altezza e della distanza strumento-stadia avvengono automaticamente tramite il confronto e la correlazione di un segnale di riferimento memorizzato nello strumento con il segnale registrato dal sensore. La prassi operativa rimane la stessa della livellazione con apparati tradizionali, e anche le precisioni ottenibili sono praticamente uguali. Il vantaggio del livello digitale sta nella rapidità di esecuzione delle misure e nella totale eliminazione degli errori grossolani di lettura. In questi apparati è poi sempre presente un'unità elettronica di elaborazione e memorizzazione dei dati che permette ulteriori risparmi di tempo e di personale, e garantisce l'esattezza delle trascrizioni e dei calcoli. Le misure infatti possono essere organizzate e registrate automaticamente, e infine trasferite in un computer per l'elaborazione definitiva senza intervento umano. Fra i livelli digitali dell'ultima generazione si segnala il modello Wild NA2000 della Leica (fig. 2) che, con l'uso di stadie con codice a barre su nastro di invar (fig. 3), raggiunge precisioni di 0,4 mm/km e consente l'esecuzione di livellazione geometrica di alta precisione.

GPS. - Gli strumenti GPS per uso civile, in sostanza dei ricevitori radio, sono apparsi sul mercato nazionale alla fine degli anni Ottanta e hanno avuto, come tutti gli apparati totalmente elettronici, una rapida evoluzione che ha permesso in pochi anni una drastica riduzione dell'ingombro, del peso e del consumo di energia e contemporaneamente un aumento delle prestazioni. Siamo così passati in pochi anni da apparati delle dimensioni di un valigia e del peso di 20 kg ad apparecchi grandi come un'autoradio che pesano 2 kg.

Lo schema costruttivo di uno strumento GPS è relativamente semplice e comprende: a) un'antenna atta alla ricezione delle onde trasmesse dai satelliti e spesso dotata di amplificatore, che può essere a sé stante, e quindi collegabile con le altre parti del sistema tramite un cavo schermato, oppure inglobata nello strumento principale; b) il ricevitore propriamente detto costituito da un involucro antiurto ed impermeabile, dotato di un visore e una tastiera indispensabili per il controllo dell'apparato; al suo interno sono sistemate le parti essenziali, costituite da un orologio di precisione (oscillatore al quarzo), un sintonizzatore fissato sulle frequenze del sistema, un gruppo di decodifica, un microprocessore per l'elaborazione e un'unità per la memorizzazione dei dati. Queste componenti sono normalmente sistemate su schede elettroniche che possono essere rimosse e aggiunte con facilità e permettono l'assemblaggio di strumenti con caratteristiche diverse secondo le esigenze dell'utilizzatore: ricezione di una sola frequenza o di entrambe le frequenze disponibili, numero dei canali di ricezione (ne occorre uno per satellite e per frequenza), capacità della memoria dei dati, ecc.; c) una batteria per l'alimentazione, di norma esterna all'apparato principale e, negli strumenti moderni, di dimensioni contenute.

Oltre all'hardware sopra descritto è necessario un software per la gestione dei processi di acquisizione e memorizzazione, normalmente presente su ROM all'interno dello strumento. Gli strumenti attualmente in commercio possono essere suddivisi in due categorie che corrispondono a due diverse metodologie operative aventi una sostanziale differenza nel grado di precisione raggiungibile: a) strumenti in grado di determinare esclusivamente la posizione assoluta del punto attraverso misure di pseudo-range (metodo del point positioning); b) apparati che, oltre allo pseudo-range, sono in grado di eseguire misure di fase sull'onda portante. In questo caso l'elaborazione successiva dei dati raccolti da più strumenti che hanno operato in contemporanea permette la determinazione relativa delle loro posizioni con incertezze dell'ordine del milionesimo delle rispettive distanze (differential positioning).

Gli strumenti appartenenti alla prima categoria, pur inglobando in un unico corpo tutte le componenti del sistema, sono di norma di dimensioni contenute e privi delle unità di memorizzazione dei dati. Essi, permettendo soltanto la tecnica del point positioning, hanno incertezze nelle determinazioni dell'ordine di parecchie decine di metri, sufficienti per la navigazione o per tracciamenti speditivi, ma non per applicazioni geotopografiche. Fra gli strumenti appartenenti alla seconda categoria, cosiddetti geodetici, si segnala il modello 4000SSE (fig. 4) della Trimble Navigation che presenta la caratteristica di poter essere assemblato in varie versioni, dalle più semplici alle più costose, certamente fra i più completi presenti oggi sul mercato.

Bibl.: H. Kahmen, W. Faig, Surveying, Berlino 1988; W. Torge, Geodesy, ivi 1991²; C,D, Burnside, Electronic distance measurement, Londra 1993; A. Leick, GPS satellite surveying, New York 1994.