04 stazione totale

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Capitolo IV

Il rilievo con la stazione totale

3. L’elaborazione dei file topografici e le integrazioni con il rilievo diretto

1. Il funzionamento dello strumento

La stazione totale è lo strumento oggi comunemente utilizzato per il rilievo indiretto (fig. 33a) Sostanzialmente si differenzia dal tradizionale teodolite ottico-meccanico per essere dotato rispetto a quello di un distanziometro elettronico e di un computer per la memorizzazione e il calcolo dei dati. Consente di misurare angoli e distanze di una serie di punti e di determinarne l’esatta collocazione spaziale rispetto a un sistema di coordinate predefinito.

Lo strumento è composto dal basamento, che viene fissato a un treppiede per mezzo di una vite centrale, il quale comprende un piombo laser per centrare il punto a terra e tre viti calanti per la messa in bolla, e dall’alidada, dotata di cannocchiale, mirino, bolla sferica, viti per i piccoli spostamenti del cerchio orizzontale e del cerchio verticale (viti micrometriche azimutale e zenitale), tasto di accensione, computer e alloggio per la batteria (fig. 33b)

Il computer è provvisto di un display e di una tastiera comprendente tasti funzione per le principali operazioni, tasti alfanumerici per l’inserimento dei dati, tasti di navigazione per spostarsi all’interno del display. Tra gli accessori troviamo uno o più treppiedi, un prisma riflettente da posizionare sul punto da misurare e che si monta su un’asta metallica (palina) oppure su un treppiede, il cavo per il trasferimento dei dati, la batteria e il relativo caricatore.

La prima operazione da compiere è lo stazionamento, cioè il posizionamento su un punto di stazione (o caposaldo), il quale viene di solito materializzato a terra con un chiodo. Si mette innanzitutto il treppiede, approssimativamente centrato sul punto e con la testa in orizzontale; le gambe vengono allungate allentando le viti del treppiede e conficcate nel terreno in modo che lo strumento risulti stabile. Su pavimentazioni antiche conviene inserire le punte delle gambe entro giunti o fessure, evitando ovviamente di fare danni. Si colloca quindi la stazione totale sul treppiede, fissandola per mezzo della vite centrale del basamento. Lo strumento va messo in orizzontale; per fare questo si guarda la bolla sferica e si alzano o abbassano le gambe del treppiede allentando le viti relative (fig. 33c).

Si accende la stazione totale e poi il piombo laser il quale viene visualizzato a terra con una luce rossa. Agendo questa volta sulle tre viti calanti del basamento la luce del laser va centrata sul chiodo della stazione. In conseguenza di questa operazione lo strumento si troverà nuovamente fuori bolla. Lo si riporta in orizzontale ripetendo la stessa operazione di prima — guardando la bolla sferica e alzando o abbassando le gambe del treppiede — ; si affina la procedura guardando stavolta la livella elettronica, che viene accesa sul display per mezzo del tasto apposito, e utilizzando le viti calanti del basamento. Il piombo laser potrà subire una traslazione di qualche millimetro rispetto al chiodo a terra. Lo si centra di nuovo, allentando la vita centrale del basamento e facendo slittare la stazione totale sulla testa del treppiede.

Ovviamente quando si lavora bisogna fare molta attenzione a non toccare accidentalmente il treppiede altrimenti si rischia di mandare lo strumento fuori bolla.

Bisogna inoltre ricordarsi di misurare - utilizzando un metro rigido — l’altezza strumentale, ossia l’altezza del centro ottico dell’obiettivo, che è indicata con una tacca sull’esterno del cannocchiale, rispetto alla stazione a terra. Tale valore va immesso nel computer insieme agli altri dati della stazione, tra cui le relative coordinate spaziali.

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. Per prima cosa si rivolge l’obiettivo grosso modo in direzione ruotando manualmente l’alidada e il canocchiale. Poi si centra il punto con precisione utilizzando le viti per i piccoli spostamenti azimutale e zenitale situate sull’alidada e aggiustando la messa a fuoco con la manopola dell’oculare. Si effettua quindi la misurazione premendo il tasto “All”. Se è accesa la luce del laser si può evitare il traguardo nel cannocchiale.

La stazione totale opera all’interno di un sistema di coordinate polari x, y, z aventi un punto d’origine comune coincidente con il centro ottico dello strumento (fig.34). Gli assi cartesiani x e y sono situati sull’orizzonte dell’obiettivo. L’asse delle y (detto anche asse nord o asse polare) costituisce la direttrice dell’orientamento e la sua direzione è impostata da chi effettua il rilievo. L’asse delle z ( o asse zenitale) si trova sulla verticale dello strumento topografico.

Per determinare la posizione di un punto è necessario effettuare tre letture: angolo orizzontale (o azimutale), angolo verticale (o zenitale) e distanza inclinata. L’angolo azimutale è dato dalla rotazione dell’alidada sul piano orizzontale e viene calcolato in relazione all’asse polare . L’angolo zenitale è conseguente invece alla rotazione del cannocchiale sul piano verticale ed è calcolato rispetto all’asse delle z.

In topografia gli assi cartesiani vengono comunemente denominati con i punti cardinali. Pertanto il semiasse delle y positive corrisponde a nord, quello delle x positive a est e così via. Si utilizzano inoltre gradi centesimali. Gli angoli orizzontali vengono calcolati sulla base di una rotazione in senso orario a partire dall’asse polare (N). Un punto situato esattamente sul semiasse delle x positive (E) avrà pertanto angolo azimutale 100. L’angolo di un punto sul semiasse delle y negative (S) sarà pari a 200 gradi. Per quanto riguarda gli angoli verticali, lo zenit avrà angolo 0 (= 400), un punto situato esattamente sull’orizzonte sarà uguale a 300 gradi (o a 100 a seconda della direzione in cui è stato girato il cannocchiale).

Nel teodolite ottico-meccanico i valori degli angoli sono riportati su due cerchi graduati — il cerchio orizzontale e il cerchio verticale — situati rispettivamente nel basamento e in uno dei montanti dell’alidada (fig.35). La lettura dei due goniometri si effettua guardando dentro un mirino (microscopio di lettura) situato accanto l’oculare del cannocchiale e i dati vengono trascritti su un libretto. Le stazioni totali sono invece dotate di cerchi non numerati, con tacche alternativamente opache e trasparenti, che inviano segnali luminosi binari a un contatore elettronico; i valori angolari sono memorizzati dal computer e visualizzati sul display.

La misura della distanza inclinata viene eseguita per mezzo del distanziometro elettronico incorporato nella stazione totale. Un raggio laser rosso fuoriesce 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. I primi distanziometri funzionavano esclusivamente colpendo con il laser uno speciale specchio riflettente (prisma) che si monta su un treppiede o una palina. Il laser degli apparecchi più recenti può riflettersi invece anche su superfici opache come le murature (fig. 36a). Ciò ha contribuito a sveltire enormemente la procedura del rilievo, consentendo di misurare le distanze anche di punti situati in luoghi inaccessibili.

Nella prassi attuale del rilievo indiretto si preferisce usare il prisma montato su un treppiede nella misurazione di capisaldi topografici, soprattutto se situati a una notevole distanza (fig. 36b). Il rilievo dei punti di dettaglio viene effettuato in modo più rapido colpendo direttamente le superfici murarie. Il riflettore montato su una palina impugnata da un operatore, che la tiene in verticale guardando nella bolla sferica, può risultare comoda per il rilievo di punti a terra in quanto sveltisce la procedura di collimazione (fig. 36c). Quando si usa il prisma bisogna ricordarsi di misurarne l’altezza da terra e inserire questo dato (altezza del riflettore) nel computer.

La lettura dell’angolo azimutale, dell’angolo zenitale e della distanza inclinata viene effettuata, come si è detto, premendo il tasto “All”. Le tre misure vengono immediatamente visualizzate sul display e memorizzate. Il computer è in grado di calcolare i valori in coordinate x, y, z di ogni punto misurato rispetto al sistema di riferimento — locale o assoluto — che è stato adottato.

La versione più evoluta di questo tipo di strumento è la stazione totale motorizzata, dotata di servomeccanismi che gli consentono di collimare automaticamente un prisma in movimento, quando questo sia posto presso il reticolo del canocchiale (fig. 36d). Il rilievo può essere svolto pertanto da un solo operatore il quale si sposta sul terreno impugnando la palina portaprisma, posizionandosi sui vari punti da misurare, inseguito dal canocchiale dello strumento (fig. 36e). Qualora l’operatore, a causa di uno spostamento veloce e improvviso, venga a trovarsi al di fuori del campo visivo, egli può attivare la procedura di ricerca per mezzo di un dispositivo posto sulla palina che invia un segnale a infrarossi in direzione della stazione totale, la quale di conseguenza si riallinea verso il prisma.

2. Il rilievo indiretto in pratica

Nella prassi del rilievo architettonico, si usa misurare con lo strumento topografico tutti i punti che definiscono la geometria dei vari elementi della costruzione (spigoli, angoli, chiave degli archi, ecc.) (fig. 37a). I contorni dei resti archeologici presentano il più delle volte un andamento assai irregolare. Per quanto è possibile si cerca anche in questi casi di misurare punti particolarmente caratteristici e facilmente riconoscibili. Nel rilievo archeologico è in ogni modo necessario integrare il rilievo strumentale con l’osservazione e l’interpretazione sul posto degli oggetti da rappresentare e con operazioni di rilievo diretto.

I punti misurati con lo strumento saranno pertanto stampati alla scala voluta, in pianta ed eventualmente in prospetto, su fogli trasparenti che saranno portati in cantiere e utilizzati come base per il rilievo diretto (torneremo più avanti su questa metodologia). Dunque è consigliabile materializzare sul posto tutti i punti battuti con lo strumento (fig. 37b), ad esempio con chiodi ed etichette numerate, in modo da poterli successivamente individuare con facilità: in fase di rilievo indiretto attribuiremo a ogni punto misurato con la stazione totale un numero di serie (codice) il quale sarà in seguito riportato sulle tavole stampate (fig. 39). Dei punti che non possono essere materializzati perché situati in luoghi inaccessibili andrà fatta una monografia, ossia uno schizzo su un foglio di carta che indichi la loro posizione rispetto a dei particolari riconoscibili e i rispettivi codici.

Naturalmente andranno materializzati anche i vari punti di stazione. Occorre prevedere che potrà essere necessario riposizionarsi su di essi in un secondo momento, per fare dei controlli o delle integrazioni. Inoltre chiunque in futuro potrà riutilizzarli per effettuare nuovi rilievi. I chiodi delle stazioni devono essere pensati per durare nel tempo (e pertanto bisogna anche avere cura di conservarne le coordinate). Dovrebbero essere realizzati con materiali resistenti, come l’acciaio inox, e resi inamovibili, ad esempio cementandoli in una piccola buca. Quando si opera su aree molto estese, per facilitarne il ritrovamento è bene segnalare l'esatta posizione dei principali capisaldi su un'apposita scheda - monografia dei punti topografici - corredata da una piantina, una foto e con la indicazione delle coordinate del punto (fig. 37c).

Tutti i rilievi vanno georeferenziati, ossia riportati a un sistema di coordinate assolute o geodetiche (cfr. cap. 5). Quando si usa la stazione totale ci si può fin da subito orientare su punti topografici di cui sono note le coordinate geodetiche ed effettuare quindi tutto il lavoro all’interno di tale sistema di riferimento; in alternativa si può impostare un sistema di coordinate locali, orientato ad esempio con il lato principale dell’edificio o del saggio di scavo, che successivamente si provvederà a georeferenziare.

L’ipotesi di lavoro più elementare è quella del rilievo indiretto di una serie di punti i quali sono visibili da un’unica stazione, come nel caso di un piccolo saggio di scavo o di un’area archeologica con resti murari conservati per un’altezza limitata e quindi priva di ostacoli visivi. Si può posizionare lo strumento topografico in un qualunque punto dotato delle necessarie condizioni di visibilità e impostare un sistema di coordinate locale con l’origine sulla stazione stessa (fig. 37d). In tal caso esso coinciderà con il sistema di coordinate polari in cui opera la stazione totale. Una volta inseriti tutti i dati relativi alla stazione (coordinate, altezza strumentale, ecc.), viene effettuato l’orientamento impostando l’asse polare (asse delle y) grosso modo in senso normale o parallelo a uno dei lati principali dell’area. Si procede quindi al rilievo dei singoli punti con il metodo dell’irraggiamento, che consiste nel mirare a tutti i punti utili che sono visibili dalla stazione.

Nel caso in cui alcuni punti da rilevare risultassero coperti da ostacoli visivi, si renderà necessario effettuare almeno un cambio di stazione. In tal caso si provvede a materializzare un nuovo caposaldo nel punto più conveniente per il rilievo, a cui si attribuisce un codice e che deve essere rilevato dalla stazione di origine. Si posiziona quindi lo strumento topografico sulla nuova stazione, si immette nel display il relativo numero di codice in modo che il computer ne ritrovi le coordinate, ci si orienta sulla stazione precedente e si procede quindi al rilievo al dettaglio per irraggiamento (fig. 37e). Le coordinate della nuova stazione e dei punti rilevati da questa saranno automaticamente agganciati al medesimo sistema di riferimento adottato all’inizio del lavoro.

Quando si interviene in grandi edifici o vaste aree occorre effettuare numerose stazioni. In questo caso conviene realizzare una rete di inquadramento composta da una catena di capisaldi (o vertici) - detta poligonale - assicurandosi che ciascuno di essi sia visibile dai due adiacenti, i quali attraversano o circondano tutta l’area da rilevare. Si fa quindi stazione con lo strumento su ciascuno di essi, orientandosi sul caposaldo precedente e mirando su quello seguente, fino a completare il percorso (fig. 37f). Utilizzando un apposito programma di topografia, l’errore di lettura degli angoli, riscontrabile alla fine del circuito, può essere ripartito in modo uniforme fra tutte le stazioni della poligonale (compensazione). È opportuno, ai fini di una maggiore precisione del rilievo, mirare su prismi montati su cavalletti.

La rete dei vertici della poligonale può essere infittita da capisaldi secondari utili per il rilievo di singoli ambienti. Una volta fissata la rete dei capisaldi si posiziona lo strumento sulle singole stazioni per effettuare il rilievo dei punti di dettaglio con il sistema dell’irraggiamento.

Le poligonali si distinguono in chiuse e aperte. Nel primo caso la stazione di partenza coincide con l’ultimo caposaldo rilevato. Nel secondo la poligonale è costituita da una successione di stazioni, l’ultima della quale è diversa dalla prima. Quando si opera in complessi monumentali assai vasti può essere necessario effettuare più di una poligonale (fig. 38). Su alcuni capisaldi di una poligonale principale — preferibilmente chiusa — la quale circonda la più ampia area possibile, vengono innestate poligonali aperte che attraversano serie di ambienti situati nel mezzo. E’ bene vincolare il primo e l’ultimo vertice della poligonale aperta a due stazioni note .di quella principale, in modo da poter sempre verificare eventuali errori di misurazione. Poligonali aperte con l’ultimo vertice non vincolato sono talvolta inevitabili, come nel caso di cunicoli o corridoi ipogei privi di sbocco.

3. L’elaborazione dei file topografici e le integrazioni con il rilievo diretto

La stazione totale è in genere corredata da un driver, comprendente dei software da installare nel pc che gestiscono il trasferimento dei dati del rilievo dalla memoria interna dello strumento al computer. Le coordinate del rilievo sono riportate in file di testo in formato ASCII. Ogni riga contiene il codice di un punto e le relative coordinate x, y, z (fig. 39 n. 1). I programmi CAD — di cui esamineremo più avanti il funzionamento - consentono di trasformare i file di testo in punti georeferenziati nello spazio tridimensionale, visualizzabili in forma di piccole croci e corredati dal codice relativo (fig. 39 n. 2). I punti possono essere visualizzati nel programma di grafica secondo ogni direzione di vista: in pianta, in prospetto — cioè in proiezione ortogonale rispetto a una qualunque parete oggetto del rilievo — oppure in assonometria (fig. 40). Nel CAD il rilievo risulta in scala 1:1, per cui le distanze tra i punti sono immediatamente misurabili secondo i loro valori reali.

L’elaborazione di un rilievo schematico può essere completata direttamente all’interno del programma. Sarà sufficiente disegnare i profili dei vari elementi architettonici collegando con delle linee i punti rilevati (fig. 41a). I computer delle stazioni totali supportano appositi software che consentono di svolgere queste semplici operazioni grafiche sul campo, visualizzandole nel display. Altrimenti si completerà l’elaborazione in un secondo momento, scaricando il file del rilievo nel pc e utilizzando un CAD professionale che consentirà di aggiungere caratteri di testo, simboli grafici e altro. Il disegno potrà infine essere stampato alla scala desiderata scegliendo tra i vari punti di vista. Questa procedura, che evita la fase del rilievo diretto, è normalmente adottata nel rilievo architettonico, ma può esser utilizzata anche in ambito archeologico per la rappresentazione di complessi edilizi o aree urbane da stampare a piccola scala - 1:200 e inferiori.

Nel caso della documentazione archeologica a scala più grande (1.50, 1:20), il rilievo strumentale andrà integrato con il rilievo diretto. Il file con i punti del rilievo topografico viene stampato alla scala desiderata e secondo i vari punti di vista (piante, prospetti) dei quali si vuole dare una dettagliata rappresentazione. Per le tavole di grande formato è necessario disporre di un plotter. E’ un servizio che viene assicurato in eliografia, dove è sufficiente portare il file già predisposto per la stampa. Questa conviene farla su fogli di poliestere che sono trasparenti e indeformabili.

In cantiere si sovrappone alla tavola dei punti un foglio di poliestere pulito e su questo, appoggiandosi alle croci numerate dei punti del rilievo topografico, si disegnano i contorni dei vari elementi architettonici (figg. 41b, 41c). Si utilizzano i tradizionali strumenti del rilievo diretto - metri, filo a piombo, livella, ecc. — prendendo le misure a partire dai punti di dettaglio che sono stati materializzati con chiodi, etichette adesive o altro e in parte si lavora “a occhio”.

Naturalmente se le superfici da riprodurre presentano numerosi dettagli, in fase di rilievo indiretto bisogna prevedere di battere un sufficiente numero di punti, utili a sveltire la successiva fase del rilievo diretto. In merito alla loro quantità serve trovare un giusto equilibrio. I punti di dettaglio andrebbero sempre materializzati e collocati in maniera strategica, privilegiando gli allineamenti — filari dei paramenti murari, lastre della pavimentazione, ecc (fig. 41d). Alcuni rilevatori battono con la stazione totale un’infinità di punti, tutt’intorno i contorni delle varie US, evitando quasi completamente il rilievo diretto. La velocità della stazione totale tende a incoraggiare questo metodo. Tuttavia in ambito archeologico il rilievo diretto è un passaggio che favorisce una lettura più attenta ed approfondita dei manufatti dando modo di cogliere numerosi particolari che rischierebbero di sfuggire con operazioni troppo automatizzate, per cui non ritengo opportuno cercare di saltare del tutto questa procedura. Inoltre è buona regola controllare sempre con il rilievo diretto le effettive dimensioni dei vari elementi architettonici (spessore dei muri, lunghezza e larghezza delle lastre pavimentali, ecc.), perché con il rilievo strumentale può accadere di non accorgersi che il punto misurato si trova su una parte usurata o fuori piombo della struttura e non coincide quindi con il profilo originario.

C’è infine da considerare il particolare contesto dei rilievi di scavo. Negli scavi di urgenza — che sono oggi la maggioranza - la programmazione è più difficile, bisogna lavorare in fretta e non sempre si ha a disposizione lo strumento topografico. A volte, per consentire l’immediata prosecuzione dello scavo, si è costretti a posizionare velocemente i resti messi in luce facendo delle triangolazioni con la fettuccia da dei picchetti collocati intorno allo scavo, i quali verranno rilevati con la stazione totale in un secondo momento. Sono casi in cui il rilievo diretto viene a precedere il rilievo indiretto.

Sulla stessa area di scavo si succedono normalmente diverse battute topografiche, ciascuna relativa a un diverso livello raggiunto dallo scavo. Le croci dei punti rilevati durante l’intera campagna di scavo, se stampate su un’unica tavola, possono dare luogo a illeggibili sovrapposizioni, quindi è opportuno archiviarli in file separati.

4. La quadrettatura dello scavo

I computer delle stazioni totali sono dotati di diversi programmi di lavoro. Il software di topografia è quello che gestisce il rilievo dei punti. Con un programma di tracciamento o picchettamento si possono invece individuare sul terreno punti e allineamenti di progetto. Quest’ultimo può risultare utile ad esempio per impostare la quadrettatura di uno scavo (fig. 42), ossia per realizzare una griglia regolare di picchetti e cordini che potrà essere impiegata come base d’appoggio per le operazioni di rilievo diretto (v. Cap. 3, fig. 27 n.3).

Conviene posizionare lo strumento topografico su uno dei quattro angoli dell’area, facendo coincidere l’asse polare con uno dei lati del rettangolo da picchettare. Ruotando lo strumento di 100 gradi individueremo sul terreno l’orientamento dell’altro lato. Con il distanziometro cercheremo quindi lungo i due assi la posizione di tutti i punti, situati a intervalli regolari (ad esempio ogni 5 metri) in cui si dovranno infiggere i picchetti . Si procede in questo modo: un canneggiatore, munito di prisma su asta metallica, si muove lentamente lungo uno dei due assi mentre l’operatore che sta alla stazione totale prende delle distanze; valuta la differenza tra la distanza misurata e la distanza in cui ricade il punto e darà quindi istruzioni al canneggiatore il quale dovrà arretrare o avanzare di conseguenza.

Fra i picchetti posizionati lungo il perimetro dell’area si possono tendere cordini o fettucce metriche per individuare i vari quadrati della griglia. Tutti gli incroci del reticolo possono in ogni caso essere agevolmente determinati dalla stazione totale, collocata su un qualunque picchetto facente parte della maglia ed effettuando misurazioni anche in diagonale. Una volta stabilito il passo del reticolo, il programma è in grado di suggerire all’operatore l’angolo azimutale e la distanza dei singoli incroci, i quali verranno pertanto cercati sul terreno con l’aiuto del canneggiatore munito di prisma secondo la procedura di cui sopra.