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Come abbiamo visto, nella fase di rilievo indiretto di uno scavo o di un edificio si può provvisoriamente impostare per comodità un sistema di riferimento locale. Alla fine del lavoro si dovrà in ogni modo avere cura di legare gli elaborati a un sistema di coordinate geografiche. Questo procedimento prende il nome di georeferenziazione.
Come si è detto nel primo capitolo, è necessario riportare i valori delle coordinate lungo i bordi delle piante destinate alla stampa, le quali andranno pertanto orientate secondo i punti cardinali. Planimetrie di dettaglio a grande scala spesso vengono orientate per comodità di lettura rispetto all’oggetto rappresentato — un piccolo edificio, un ambiente, un saggio di scavo — e sono prive delle coordinate. In tal caso sarà obbligatorio almeno indicare con una freccia la posizione del nord. È inoltre opportuno indicare la posizione delle piante a grande scala in un quadro d’unione georeferenziato.
Ai fini delle rappresentazioni cartografiche sono stati adottati nel mondo diversi modelli di proiezione della superficie dell’elissoide terrestre su un piano, da cui discendono diversi sistemi di coordinate geografiche. La cartografia italiana, curata dall’Istituto Geografico Militare, ha adottato un sistema di coordinate ortogonali denominato Gauss-Boaga, dal nome dei due matematici che studiarono e calcolarono un tipo di proiezione — cilindrica inversa — adattandola all’Italia. L’asse delle ascisse coincide con l’equatore, quello delle ordinate con un meridiano centrale che corrisponde al confine dei due fusi in cui è stato suddiviso il territorio nazionale. I valori delle coordinate sono espressi in metri e utilizzano le denominazioni E e N per indicare il loro svolgimento rispettivamente nel senso dei paralleli e in quello dei meridiani.
Le coordinate Gauss-Boaga sono state allineate nel 1950, operando una lieve correzione, alle coordinate UTM (Universal Transverse Mercator projection) adoperate nel sistema cartografico internazionale. Quest’ultimo sistema è pertanto entrato in uso nella cartografia dell’Istituto Geografico Militare.
L’IGM ha realizzato in passato sul territorio nazionale una rete di inquadramento composta da circa 20.000 punti trigonometrici, situati a una interdistanza media di 5 km, la cui posizione è stata determinata con triangolazioni effettuate per mezzo di strumenti topografici ad alta precisione (fig. 43). I vertici, organizzati gerarchicamente in reti di I, II, III e IV ordine, via via sempre più fitte, sono materializzati a terra da appositi segnali (centrini metallici) oppure coincidono con elementi facilmente visibili del paesaggio urbano come ad esempio le cuspidi dei campanili. Le coordinate di questi capisaldi sono riportate su tabelle denominate monografie dei punti, organizzate in cataloghi, le quali possono essere acquistate presso la sede dell’IGM e oggi scaricate anche dal sito internet dello stesso istituto.
Alla rete trigonometrica classica è stata successivamente collegata una rete di livellazione, realizzata negli anni 1950-1971, composta da 13.000 capisaldi ubicati lungo la viabilità stradale. Alla fine del secolo scorso l’Istituto Geografico Militare ha infine realizzato una nuova rete geodetica fondamentale, denominata IGM95, utilizzando le tecniche di rilevamento GPS e riferendola al nuovo sistema di proiezione internazionale WGS84. E’ collegata anche questa alla rete classica e consta attualmente di 2000 punti a un’interdistanza media di 20 km.
La cartografia catastale utilizzava originariamente un diverso tipo di proiezione denominato Cassini-Soldner, adottato nel 1886 in seguito alla creazione del Catasto Italiano. Esso era composto da 32 sistemi di assi cartesiani con altrettante origini (ma nei primi anni di sperimentazione erano addirittura 800!) i quali coprivano l’intero territorio nazionale. Le mappe realizzate dopo il 1946 sono state invece riferite al sistema Gauss-Boaga. Su iniziativa della Direzione Generale del Catasto è stata recentemente costituita, partendo dai vertici dell’IGM, una nuova rete di capisaldi, detti punti fiduciali, anche questi riferiti al sistema Gauss-Boaga, organizzati gerarchicamente in una maglia primaria e in una maglia secondaria. I punti di quest’ultima hanno una densità territoriale di 1/25 ha. Anche per quanto riguarda i punti fiduciali sono state organizzate delle monografie, distinte per Comune,
contenenti le relative informazioni. I punti fiduciali sono inoltre indicati sulle mappe catastali con dei cerchi rossi.
Il procedimento tradizionale per georeferenziare un rilievo consiste nel posizionare lo strumento topografico — la stazione totale o il teodolite — su uno o più stazioni, situate all’interno o nei pressi dell’area da documentare, da cui viene effettuata una triangolazione su almeno tre punti trigonometrici visibili, punti fiduciali o vertici IGM, dei quali sono state acquisite le coordinate (intersezione inversa) (fig. 44a). In tal modo si ricaveranno le coordinate geografiche delle nuove stazioni e di conseguenza quelle di tutti i punti che saranno rilevati a partire da queste.
Una planimetria che è stata georeferenziata utilizzando la suddetta procedura può limitarsi a rappresentare il manufatto rilevato omettendo ogni riferimento al contesto circostante. Essa sarà in ogni modo facilmente sovrapponibile a qualunque altra pianta georeferenziata relativa alla stessa porzione di territorio. Nel caso si lavori con formati cartacei, possibilmente trasparenti, le diverse mappe devono essere prima riportate alla stessa scala. Per sovrapporre l’una all’altra si fa perno sulle tacche delle coordinate disegnate lungo i bordi, ed eventualmente su una griglia di croci di riferimento. Il comune orientamento delle tavole faciliterà l’operazione. La procedura risulta ancora più semplice al computer, utilizzando i programmi CAD i quali ci consentono di sovrapporre in maniera automatica, come vedremo più avanti, tutte le planimetrie che condividono lo stesso sistema di coordinate.
Un metodo meno rigoroso, ma più sbrigativo ed economico, per effettuare la georeferenziazione di un rilievo è quello di triangolare e riportare sulla pianta profili e angoli di alcuni manufatti situati nell’intorno, i quali sono rappresentati su una pianta georeferenziata dell’area, ad esempio una pianta catastale (fig. 44b). Se tali punti di riferimento non sono troppo distanti si può effettuare anche una semplice trilaterazione per mezzo di una fettuccia metrica. Sono operazioni che vengono frequentemente adottate nel contesto degli scavi archeologici di emergenza, soprattutto nel caso di trincee aperte nelle strade urbane. Il rilievo andrà successivamente riportato alla stessa scala della mappa georeferenziata — queste operazioni si fanno normalmente in CAD — e verrà allineato a questa con una rototraslazione, facendo combaciare i profili degli edifici e gli altri elementi comuni a entrambe le planimetrie. Si fa presente però che sulle piante catastali i contorni dei fabbricati sono spesso imprecisi, con errori talvolta superiori a un metro tra edifici vicini, quindi ci si può trovare nella imbarazzante situazione di dover operare abbondanti mediazioni. Generalmente più affidabili sono le planimetrie redatte su base aerofotogrammetrica, come ad esempio le Carte Tecniche Regionali (CTR) realizzate in varie da scale da Regioni e Comuni, le quali però non coprono l’intero territorio nazionale. Il procedimento descritto è da adottare pertanto in casi di urgenza e in mancanza di alternative; sarebbe in ogni modo buona regola descrivere la metodologia utilizzata in una relazione da allegare al proprio lavoro.
Il procedimento di georeferenziazione che si basa sulla triangolazione di vertici trigonometrici situati sul territorio risulta difficoltoso in molte aree per motivi di ordine pratico: eccessiva distanza da essi o troppi ostacoli visivi nel mezzo, condizioni che obbligano a effettuare una lunga catena di stazioni con lo strumento topografico. Per non parlare dei problemi che si incontrano in molte regioni del mondo, soprattutto in aree disabitate, con cartografie locali assai carenti.
Queste difficoltà sono state superate negli ultimi anni con la grande diffusione del sistema di posizionamento satellitare che si basa sulla ricezione di segnali emessi da satelliti artificiali in orbita a circa 20000 Km dalla superficie terrestre; le coordinate spaziali di qualunque punto a terra possono essere determinate per mezzo di una stazione ricevente che effettua una serie di trilaterazioni distanziometriche con i satelliti visibili.
Questa tecnologia fino a pochi anni fa era comunemente denominata GPS, in quanto faceva riferimento all'unica costellazione satellitare esistente: la NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite TimeRanging Global Positioning System), realizzata e gestita dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, la quale divenne pienamente operativa nel 1994 (fig. 45a). La rete NAVSTAR è costituita attualmente da 31 satelliti, i quali si muovono su sei orbite circolari con raggio di circa 26.000 chilometri, inclinate di 55 gradi rispetto all’asse dell’equatore e sfasate l’una dall’altra di 60 gradi. Ciascuno di essi impiega dodici ore per compiere un giro completo intorno la terra. Il loro numero serve a garantire che in qualunque parte del pianeta e in qualunque momento un ricevitore possa captare i segnali di almeno quattro satelliti.
Il GPS utilizza un nuovo sistema internazionale di coordinate denominato WGS 84 (World Geodetic System 1984), che discende da un modello matematico di proiezione della terra elaborato sulla base delle conoscenze disponibili in quell’anno. I computer degli apparecchi ricevitori del segnale satellitare sono in grado di effettuare istantaneamente la trasformazione in coordinate UTM e Gauss-Boaga. Analoghe elaborazioni vengono svolte dalla maggior parte dei programmi GIS.
Negli ultimi anni vari stati ed enti sovranazionali hanno programmato la realizzazione di nuove reti satellitari, alcune di tipo globale, altre a copertura locale. Una delle più importanti è la rete GLONASS gestita dalla Russia, la quale è divenuta pienamente operativa nel 2010, assicurando una copertura globale con 23 satelliti (altri quattro sono di scorta). La Comunità Europea è interevenuta con la realizzazione del sistema Galileo, di cui sono stati già lanciati alcuni satelliti e che diventerà pienamente operativo nel 2014 sull'area europea impiegando 30 satelliti orbitanti. Entro il 2020 verrà completata la costellazione Compass, organizzata dalla Repubblica Popolare Cinese. Altri paesi, come l'India e il Giappone, stanno creando reti di interesse regionale.
Le stazioni riceventi sono in grado di captare contemporaneamente i segnali tramessi dalle diverse costellazioni, grazie agli accordi intercorsi tra i diversi gestori di tali sistemi che cercano di garantire la massima compatibilità e interoperabilità; la ricezione simultanea di un maggior numero di segnali offre agli utenti il vantaggio di incrociare e compensare un più alto numero di informazioni con una conseguente riduzione dell'errore di misurazione (fig. 45b). Pertanto negli ultimi tempi si tende a non parlare più di GPS ma più correttamente di GNSS, acronimo di Global Navigation Satellite System che fa riferimento alla totalità delle reti satellitari operative e raggiungibili dagli apparecchi riceventi.
Il monitoraggio delle costellazioni satellitari è affidato a numerose stazioni terrestri, gestite dai differenti operatori, — il cosiddetto segmento di controllo — le quali hanno il compito di rilevare l’altezza, la velocità e la posizione dei singoli satelliti. Tali informazioni vengono inviate dalle stazioni terrestri ai satelliti — il segmento spaziale — che a loro volta le trasmettono al segmento degli utilizzatori (fig. 45c). Quest’ultimo è costituito dall’insieme dei ricevitori di segnali GNSS, i quali sono apparecchi dotati di un’antenna per la ricezione del segnale e di un computer per l’elaborazione dei dati. Gli strumenti usati in ambito topografico sono generalmente dotati di antenne separate a forma di fungo, predisposte per essere montate su cavalletti e paline da posizionare sulle stazioni di cui si vogliono conoscere le coordinate (fig. 45d). In alternativa si vanno diffondendo apparecchi palmari con antenna integrata, la maggior parte dei quali però sono assai meno precisi (fig. 45e).
La distanza tra il ricevitore e il satellite viene misurata calcolando il tempo impiegato dal segnale proveniente da quest’ultimo. Il dato è suscettibile di un ampio margine d’errore che dipende da molteplici fattori, come l’incertezza dell’orbita o fenomeni di dispersione del segnale nell’atmosfera. Va considerato soprattutto che le onde radio viaggiano alla velocità della luce. Il computo del tempo richiede pertanto una precisione nell’ordine del centomilionesimo di secondo e presuppone la sincronizzazione tra gli orologi atomici dei satelliti e quelli installati nei ricevitori. Questi ultimi sono inevitabilmente meno precisi sicché la sincronia non è mai perfetta. L’entità dello sfasamento tra l’orologio del satellite e quello del ricevitore costituisce un’incognita che va calcolata in aggiunta alle tre incognite delle coordinate spaziali x, y, z del punto su cui si fa stazione. Per impostare l’equazione occorre misurare con lo strumento le distanze di almeno quattro satelliti visibili simultaneamente nel cielo. Il calcolo risulterà tanto più affidabile quanto più elevato sarà il numero dei satelliti a disposizione.
Il segnale del satellite è inoltre costituito da almeno due onde di diversa frequenza. Il confronto tra le diverse frequenze consente di operare una ulteriore correzione nel calcolo del tempo impiegato dal segnale, valutando l’entità del ritardo imputabile a rifrazione atmosferica.
L’accuratezza del calcolo delle coordinate del punto su cui si fa stazione risente da una parte del livello di precisione dello strumento in dotazione dall’altra del metodo del rilievo. La scelta sia dell’uno che dell’altro dipende dalle finalità del rilevamento satellitare. In ambito topografico, particolarmente per il posizionamento di capisaldi a terra, si richiede una precisione di tipo centimetrico, se non millimetrico, mentre nella navigazione errori di qualche metro sono irrilevanti. I ricevitori da utilizzare nel rilievo topografico dovranno pertanto essere in grado di captare entrambe le frequenze del segnale e inoltre essere dotati di quattro o più canali, i quali consentono di registrare contemporaneamente un pari numero di satelliti. Gli apparecchi palmari più semplici ed economici, adatti per la navigazione, hanno invece un ricevitore a singola frequenza e un solo canale, il quale rileva i satelliti uno per volta.
Per quanto riguarda le tecniche di rilievo, parliamo di posizionamento assoluto quando la posizione di un punto viene determinata utilizzando un solo apparecchio. Una volta acceso, saranno immediatamente visualizzate sul display le relative coordinate, espresse secondo il sistema di riferimento WGS 84. E’ il metodo comunemente utilizzato con i computer palmari, il quale può comportare errori spesso superiori a un metro (fig. 46a n. 1).
Per ottenere una maggiore precisione si ricorre alla tecnica fino a oggi definita GPS differenziale (DGPS) e che ora a comincia a chiamarsi GNSS differenziale (DGNSS). In questo caso si usano due apparecchi: un ricevitore collocato su un cavalletto su un punto di coordinate note (stazione di riferimento o reference) e un altro ricevitore (rover) sul punto incognito (fig. 46a n. 2). I due apparecchi misurano le posizioni dei medesimi satelliti. Sarà quindi possibile correlare gli errori sistematici di entrambi i ricevitori, elaborando i dati con apposito software e compensandoli fino a giungere a precisioni di tipo centimetrico. Le coordinate del rover vengono determinate rispetto alla stazione di riferimento. Il calcolo in molti casi viene effettuato in laboratorio in una fase successiva (post-processing). In alternativa utilizzando un collegamento radio tra reference e rover l’elaborazione dei dati può avvenire simultaneamente al rilievo satellitare, velocizzando notevolmente il lavoro. Si parla in questo caso di Real Time Differential GNSS.
Nell’ambito del GNSS differenziale distinguiamo infine tre diverse modalità operative:
a) Rilievo statico. E’ il sistema che si usa per georeferenziare uno o più capisaldi topografici che sono stati materializzati a terra. Si colloca un ricevitore sul punto noto e un altro su quello ignoto. La registrazione dei segnali satellitari ha una durata compresa tra i 30 e i 90 minuti ai fine di ottenere la massima precisione. Una volta determinate le coordinate delle nuove stazioni, queste diventano punti noti che potranno essere utilizzati per successive sessioni di misura. Con questo procedimento si possono creare reti di inquadramento, trigonometriche o poligonali, analoghe a quelle realizzate con la stazione totale. La differenza è che i ricevitori non devono essere reciprocamente visibili; possono essere posizionati a distanza di molti chilometri l’uno dall’altro, sicché la maglia topografica può arrivare a includere vaste porzioni di territorio (fig. 46a n. 2).
b) Rilievo cinematico continuo. In questo caso, mentre un apparecchio fa stazione sul punto noto, un operatore utilizza un ricevitore itinerante che registra i segnali satellitari in modalità continua lungo il percorso effettuato, trasportandolo su un mezzo di locomozione, in alternativa anche muovendosi a piedi e portandolo dentro uno zaino. (fig. 46a n. 3, fig. 46b). Prima del rilievo il ricevitore viene calibrato per registrare il segnale satellitare automaticamente con una data frequenza (ad esempio un punto ogni cinque secondi). Questo consentirà di visualizzare al computer, una volta elaborato il file con le coordinate di rilievo, una planimetria comprendente una serie di linee - formate da sequenze di punti molto ravvicinati - che corrispondono ai percorsi seguiti dall’operatore. Tale procedura ha trovato interessanti applicazioni nel campo del rilievo archeologico territoriale. Con il ricevitore mobile si possono infatti seguire corsi fluviali, strade, sentieri, mura urbane, come qualunque altro elemento del paesaggio che presenti uno sviluppo lineare, consentendo la realizzazione di mappe digitali e tridimensionali. Se i percorsi seguiti dell’operatore garantiscono una copertura a tappeto di una determinata porzione del territorio, se ne ricava una fitta maglia di punti in tre dimensioni che restituiscono il profilo orografico dell’area indagata. Per mezzo di un applicazione CAD o GIS si potrà quindi realizzare un modello digitale del terreno (DTM) collegando automaticamente tutti i punti con delle superfici (mesh).
c) Rilievo stop-and-go. In alternativa l’operatore può installare il ricevitore su una palina e muoversi nel territorio per registrare la posizione di determinati punti situati lungo il percorso, facendo stazione su ciascuno di essi per alcuni secondi (fig. 46a n. 4, fig. 46c). La metodologia è affine a quella del rilievo dei punti di dettaglio effettuata con la stazione totale — il ricevitore mobile sostituisce il prisma montato sulla palina - ma in questo caso non è necessaria la reciproca visibilità tra lo strumento posizionato sulla stazione di riferimento e quello itinerante per cui ci si muove in contesti molto più vasti. Anche questa tecnica si presta molto bene alla documentazione archeologica del territorio, consentendo di posizionare con relativa rapidità emergenze sparse e distanziate, come spigoli di strutture murarie, aree di frammenti fittili, tracciati stradali, ecc.
Attualmente sul territorio italiano sono presenti numerosi stazioni GNSS permanenti, istituite da vari enti, utilizzabili come riferimenti nel posizionamento differenziale. In tal modo l'utente può operare con un solo ricevitore, acquisendo la correzione differenziale dalla stazione più vicina della rete mediante collegamento telefonico GSM o via internet. L’IGM ha stipulato accordi con gli enti proprietari di novantanove di queste installazioni, omogeneamente distribuite sul territorio nazionale, allo scopo di organizzare un network - la Rete Dinamica Nazionale - dove le singole stazioni hanno il compito di osservare con continuità i segnali satellitari GNSS e di inviarli per via telematica ad un Centro di Calcolo appositamente istituito.
Le operazioni di rilevamento con GNSS vengono talvolta integrate con un Personal Data Assistant (PDA), cioè un computer palmare da portare sul campo, provvisto di software GIS e per la gestione dei database, collegato in wireless con i computer del laboratorio in modo da poter visualizzare durante l’attività di campagna ogni genere di informazione, soprattutto cartografica. Una soluzione interessante è stata sperimentata recentemente dai ricercatori dell’Area di Archeologia Medievale dell’Università di Siena nell’ambito delle ricognizioni di superficie. La quadrettatura dell’area da indagare non è stata materializzata sul terreno, ma generata in laboratorio all’interno di un file elaborato con un programma GIS (fig. 47). A ogni cella della griglia è stato assegnato un identificatore composto da una sigla e da un numero progressivo. Il ricognitore poteva visualizzare la sua posizione all’interno di questa griglia virtuale durante l’attività di raccolta dei materiali direttamente sullo schermo del PDA, il quale era in collegamento radio in modalità DGPS sia con la stazione di riferimento sia con il rover e trasmetteva quindi le informazioni spaziali in tempo reale.
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figura 43
figura 44a
figura 44b
figura 45a
figura 45b
figura 45c
figura 45d
figura 45e
figura 46a
figura 46b
figura 46c
figura 47
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