Strumenti topografici: quali sono i più usati?

Quando utilizziamo il termine strumenti topografici facciamo riferimento all’insieme di:

• attrezzi,
• apparecchi,
• dispositivi,
• macchine,
• congegni,
• etc,
• che vengono utilizzati per effettuare la misurazione sia diretta, sia indiretta, di distanze, angoli, dislivelli e punti.

In dettaglio il termine strumento topografico, dunque, va inteso in un’accezione particolarmente ampia che va dai supporti fino agli strumenti di misurazione più avanzati. Andiamo a vedere ora quali sono i supporti degli strumenti.

Quali sono i supporti degli strumenti topografici?

Gli strumenti topografici hanno la necessità di poggiarsi su dei supporti di diversa forma e dimensione.

Tra i supporti abbiamo:

• Il Bipode (Fig.1) (o bipiede) un supporto a due braccia intere o rientrabili.

Fig.1 – Bipode

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• i Treppiedi (Fig.2) che possono essere a perno, a gambe intere e rientrabili, a testa sferica e centrante.

Fig.2 – Treppiede

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Categorie di strumenti topografici

Gli strumenti topografici possono essere divisi in categorie a seconda del loro impiego.

Ci sono strumenti utilizzati per la mira, per la verifica della verticalità, dell’orizzontalità o usati per la misurazione degli angoli e/o delle distanze.

Strumenti topografici utilizzati per la mira

Tra gli strumenti topografici impiegati per la mira abbiamo: la palina e la diottra a traguardi.

Palina

La palina (Fig.3) non è altro che un’asta, metallica o di legno, circolare o esagonale. Viene anche detta asta telescopica in quanto è un’asta lunga 1,40 che si allunga fino a raggiungere i 2 m. Una palina può essere utilizzata per segnare un punto o tracciare una direzione.

Fig.3 – Palina telescopica

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Diottra a traguardi

È uno strumento composto da una riga metallica con alle estremità due alette metalliche. La Diottra a traguardi (Fig.4) consente di creare una linea di mira disposta su un piano e, pertanto aiuta a realizzare un allineamento di paline verticali.

Fig.4 – Diottra a traguardi

Strumenti topografici utilizzati per la misurazione laterale

Tra gli strumenti topografici utilizzati per la verifica verticale troviamo: il filo a piombo, il piombino a bastone, il piombino ottico e il piombino laser.

Il Filo a Piombo

È uno strumento topografico molto semplice costituito da un filo, di canapa o di nylon, (Fig.5) alla cui estremità si colloca una sfera o un cilindro di ottone o di acciaio, appuntiti verso il basso.

Bisogna tener presente che a causa dei disturbi dovuti ai movimenti dell’aria questo strumento non è sempre preciso.

Fig.5 – Filo a piombo

Piombino a bastone

Il Piombino a bastone (Fig.6) è uno strumento utilizzato per ottenere l’altezza del punto di stazione.

È costituito da due aste telescopiche scorrevoli, collegate ad una livella sferica. Quando la livella è centrata, il bastone, che rappresenta l’asse principale, può essere considerato verticale.

Fig.6 – Piombino a bastone

Piombino ottico

Il Piombino ottico non è altro che una sorta di piccolo cannocchiale che contiene al suo interno un prisma capace di deviare l’asse di collimazione fino a formare un angolo retto.

Piombino laser

È un diodo, montato nella base, capace di emettere un raggio laser lungo la direzione dell’asse principale dello strumento. (Fig.7)

Fig.7 – Piombino laser

Strumenti topografici utilizzati per la misurazione orizzontale

Tra gli strumenti topografici utilizzati per la verifica orizzontale, invece, troviamo: l’archipendolo, la livella torica e la livella sferica.

Archipendolo

L’archipendolo (Fig.8) è uno strumento topografico elementare utilizzato per individuare una direzione orizzontale su una superficie piana o per misurare l’inclinazione di una superficie. Ha la forma di una A maiuscola al cui vertice è appeso un filo a piombo. Rappresenta uno strumento superato perché sostituito dai vari tipi di livelle.

Fig.8 – Archipendolo

Livella Torica

La livella torica (Fig.9) è costituita da un cilindro, riempito quasi interamente da alcool o da etere, inserita in un’armatura solitamente metallica. Il cilindro è graduato da tratti simmetrici e distanziati di 2 mm rispetto ad uno zero centrale. La bolla di una livella torica si dice centrata quando la bolla coincide con il centro della graduazione. Quando la bolla è centrata la tangente centrale risulta orizzontale.

Fig.9 – Livella torica

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Livella Sferica

La livella sferica (Fig.10) ha la forma di un tronco di cilindro solitamente inserito all’interno di un’armatura metallica. La parte superiore è a forma di calotta sferica con uno o più cerchi concentrici incisi nella zona centrale. Quando la livella è posta su un piano orizzontale la bolla d’aria si trova in equilibrio nel punto più alto in corrispondenza, appunto, dei suddetti cerchi. Il funzionamento è lo stesso della livella torica, infatti, se la bolla non è centrata il piano di appoggio non è orizzontale.

Fig.10 – Livella sferica

Strumenti topografici per la misurazione degli angoli

Gli strumenti topografici impiegati per la misurazione degli angoli sono detti Goniometri. I goniometri vengono classificati in base al metodo con cui individuano le direzioni o a seconda del tipo di angoli che possono misurare. Nello specifico esistono goniometri

• Azimutali: Strumenti a cerchi graduati utilizzati per la misura degli angoli orizzontali.
• Zenitali: Strumenti a cerchi graduati utilizzati per la misura degli angoli verticali.

Quelli principalmente utilizzati sono i tacheometri e i teodoliti in grado di misurare entrambi.

Tacheometro

Il Tacheometro (Fig.11) è uno strumento utilizzato in topografia sia per la misurazione degli angoli, sia per la metrica di media precisione. La precisione angolare di uno strumento come il tacheometro varia tra i 50cc e i 100cc.

Fig.11 – Tarcheometro

Teodolite

Il teodolite (Fig.12) è uno strumento di tipo ottico che impiega un cannocchiale per la misurazione degli angoli contenuti in un piano orizzontale (angoli azimutali) o verticale (angoli zenitali). La precisione angolare di uno strumento come il teodolite varia tra 1cc e 0cc,5.

Fig.12 – Teodolite

Strumenti topografici per la misurazione delle distanze

Gli strumenti topografici impiegati per la misurazione delle distanze si dividono in strumenti di misura diretta e in strumenti di misura indiretta. La misura diretta delle distanze consiste nel confronto diretto della lunghezza da misurare con un campione di lunghezza. I metodi di misura indiretta delle distanze (oggi quasi del tutto abbandonati) consistono nel ricavare la distanza dalla misura di un’altra grandezza (un angolo, o un’altra distanza), legata alla distanza da una formula geometrica che non è nota.

Distanziometri

I distanziometri hanno introdotto significative variazioni nei vecchi schemi di rilievo ed hanno reso più agevole l’esecuzione delle misure con il raggiungimento di precisioni più elevate in tempi più rapidi.

Esistono due tipologie di distanziometri elettro-ottici:

EDM a misura di fase

Utilizzano come campione di misura la lunghezza d’onda di un segnale sinusoidale modulato su una portante infrarossa con la tecnica della modulazione di ampiezza.

EDM a impulsi

Utilizzano un metodo concettualmente diverso dal precedente, e più semplice: la distanza viene ottenuta misurando il tempo di viaggio di un impulso nel percorso di andata e ritorno della luce infrarossa.

Nonostante i distanziometri a impulsi abbiano un’accuratezza inferiore rispetto agli EDM a misura di fase, essi presentano alcuni vantaggi rispetto a quelli a misura di fase: hanno una maggiore portata (distanza massima misurabile) e offrono la possibilità di misurare senza riflettore (EDM reflectorless) su brevi distanze.

Da qualche decina d’anni goniometri e distanziometri sono integrati nelle stazioni totali.

Strumenti topografici maggiormente utilizzati

Stazioni totali

La stazione totale è uno strumento topografico particolarmente evoluto utilizzato per il rilievo indiretto. Consente di misurare angoli e distanze di una serie di punti e di determinarne la collocazione spaziale rispetto a un sistema di coordinate predefinito. È un dispositivo computerizzato che, come accennavamo, comprende un teodolite (cioè misuratore di angoli orizzontali e verticali), e un elettro-distanziometro (EDM), cioè un ricetrasmettitore di raggi infrarossi o laser.

Una stazione totale è costituita da un basamento, un mirino, una bolla sferica, viti per i piccoli spostamenti del cerchio orizzontale e del cerchio verticale, un treppiede che include un piombino laser e tre viti calanti per la messa in bolla.

Inoltre comprende anche un alida, ossia una struttura a due bracci che ruota intorno all’asse primario. Sull’alidada si trovano gli indici di lettura del cerchio azimutale e zenitale. Nei due bracci dell’alidada è collocato un perno che sostiene il cannocchiale topografico.

Fig.13 – Stazione totale Galileo TS-402R a 2″ di precisione angolare capace di misurare con laser (no prisma) fino a 600 metri e con prisma fino a 4km

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Il computer di cui è dotata una stazione totale ha un display e una tastiera per l’inserimento dei dati e per la navigazione all’interno del display. (Fig.14)

Quando si utilizza una stazione totale la prima operazione da compiere è lo stazionamento, cioè il posizionamento su un punto di stazione (chiamato anche caposaldo), il quale dovrà essere rappresentato fisicamente sul terreno con un chiodo.

Il treppiede viene poggiato sul punto con la testa in orizzontale, si accende la stazione totale e poi il piombo laser il quale viene visualizzato a terra con una luce rossa. Grazie alle viti calanti la luce del laser va centrata sul chiodo della stazione.

Per misurare un punto va effettuata la collimazione, ossia si cerca il punto con il cannocchiale fino a visualizzarlo esattamente sull’incrocio di linee corrispondenti al centro ottico dell’obiettivo.

I prodotti possono variare nell’estetica e nelle caratteristiche a seconda della disponibilità

Questo strumento utilizza un sistema di coordinate polari x, y, z aventi un punto d’origine comune coincidente con il centro ottico dello strumento. Gli assi cartesiani x e y sono situati sull’orizzonte dell’obiettivo. L’asse delle z (o asse zenitale) si trova sulla verticale dello strumento topografico. 

La misura della distanza inclinata viene eseguita per mezzo del distanziometro elettronico incorporato nella stazione totale. Un raggio laser rosso viene emesso dall’obiettivo del cannocchiale, colpisce il punto mirato e torna indietro. Lo strumento registra il tempo impiegato dall’impulso luminoso calcolando di conseguenza la distanza percorsa.

Fig.14- Spiegazione dettagliata della stazione totale e strumenti annessi 

Il GPS/GNSS nelle applicazioni topografiche

Il GPS  viene utilizzato sia per scopi topografici, sia per scopi cartografici. In ambito topografico il concetto di GPS è in qualche modo superato, infatti, è più corretto parlare di GNSS che fa riferimento all’insieme dei di diversi sistemi di posizionamento satellitare esistenti (Global Navigation Satellite System).

Il GNSS (Fig.15) consente la determinazione della posizione “assoluta” di punti sulla superficie terrestre, proprio grazie all’utilizzo di appositi ricevitori che registrano i segnali emessi da una rete di satelliti in orbita intorno alla Terra.

I GNSS sono strumenti topografici che aiutano a determinare, in tempo reale, la posizione di un osservatore rispetto a un sistema di riferimento geocentrico (sistema WGS84, quota misurata come altezza sull’ellissoide).

Queste informazioni sono fornite proprio dai satelliti in orbita intorno alla terra, i ricevitori GPS/GNSS che si configurano come delle antenne, sono in grado di captare questi segnali radio e di restituite la posizione dell’osservatore.

Fig.15 – GNSS multifrequenza e multicostellazione Emlid Reach RS2+ 

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Distanza topografica

La distanza topografica è la distanza tra due punti sulla superficie terrestre, considerando le variazioni di altitudine e di pendenza del terreno. Si tratta di una misura più precisa rispetto alla distanza euclidea, che non tiene conto delle caratteristiche del terreno e assume che i due punti siano su una superficie piana. Può essere calcolata utilizzando una serie di tecniche diverse a seconda delle informazioni disponibili e della precisione richiesta. Ad esempio, se si dispone di una mappa topografica con informazioni sulle altitudini, è possibile tracciare una linea tra i due punti e calcolare la distanza utilizzando la scala della mappa.

In alternativa, è possibile utilizzare software specifici per il calcolo della distanza topografica, che utilizzano modelli digitali del terreno e tecniche di interpolazione per determinare la distanza più precisa tra due punti. In ogni caso, il calcolo della distanza topografica richiede una conoscenza approfondita delle caratteristiche del terreno e delle tecniche di misurazione e analisi.

Strumenti topografici usati: quando convengono?

Come già anticipato gli strumenti topografici sono una parte essenziale della topografia e della geometria. Tuttavia, la scelta del giusto strumento topografico usato dipende dalla situazione e dal lavoro da eseguire. Ad esempio, se si deve effettuare una mappatura di grandi aree, un ricevitore GNSS usato potrebbe essere più adatto rispetto ad una bussola e una squadra. In caso contrario, per lavori di precisione in spazi ristretti, una squadra e una bussola possono essere più convenienti. La chiave è scegliere lo strumento che meglio si adatta alle esigenze specifiche del lavoro.

Conclusione

Chiaramente non abbiamo la pretesa di considerare questo articolo come esaustivo ma speriamo che ti sia stato utile  e che ti abbia chiarito qualche dubbio. Se vuoi approfondire la conoscenza del nostro GPS naviga sulla pagina dedicata al nostro ricevitore GNSS Reach RS2+ o contattaci allo 0825-1912258.