Descrizione tecnica delle principali modalità di funzionamento:
Il sistema satellitare di navigazione globale (in inglese GNSS – Global NavigationSatellite system) è un sistema di derivazione militare che, attraverso la ricezione da parte di un apposito apparato del segnale proveniente da una costellazione di satelliti in orbita, permette la definizione univoca delle coordinate del punto sulle Terra in cui si trova l’apparato ricevente.
L’apparato è costituito da un’antenna e da un apparecchio elettronico in grado di decodificare il segnale ricevuto dai vari satelliti in orbita e di calcolare la posizione.
Questo sistema ha avuto una fortissima evoluzione nel corso degli ultimi trent’anni, divenendo oggi giorno uno strumento di uso comune. Installato in gran parte degli smartphones, il sistema GNSS costituisce un supporto fondamentale a tutte quelle attività umane che necessitino di conoscere le coordinate di un punto sulla superficie terrestre. L’impiego più importante riguarda certamente tutte le attività che richiedano di seguire una traiettoria tra un punto di partenza ed uno di destinazione.
Oltre al posizionamento con finalità navigazionali, il GNSS rappresenta una tecnica di rilevamento topografico complessa ed articolata che permette, attraverso strumentazioni di tipo professionale e tecniche di processamento adeguate, di raggiungere precisioni sub-centimetriche e di essere quindi impiegato anche quando è necessaria un’elevata accuratezza della misura di posizionamento.
Semplificando, possono essere prese in considerazione di macro-categorie di utilizzo dei ricevitori GNSS per attività connesse a rilevamenti topografici/geodetici: i) la modalità statica e ii) il rilevamento con correzione in tempo reale (RTK)
Modalità di rilevamento statica (posizionamento relativo):
E’ la determinazione delle differenze di coordinate (baselines) tra due o più punti occupati (sia di coordinate note che di coordinate non note) contemporaneamente da più ricevitori.
Ha lo scopo di determinare coordinate di punti incogniti rispetto ai ricevitori occupanti punti di coordinate note e stabili nel tempo.
Tutti i ricevitori, durante le fasi di acquisizione, rimangono “stazionari” rispetto al punto di misura.
La lunghezza della finestra di occupazione dipende dalla distanza tra i ricevitori e dal grado di accuratezza relativo che si intende raggiungere nel calcolo delle differenze di coordinate.
Tale metodologia di rilevamento presuppone una successiva fase di analisi e post-processing del dato acquisito al fine di determinare le coordinate tridimensionale dei punti di monitoraggio e la loro affidabilità in termini di accuratezza metrica.
Accuratezza tipica: di ordine sub-centimetrico.
Modalità differenziale di tempo reale (RTK – Real Time Kinematic):
E’ la determinazione delle coordinate di un punto effettuata con un ricevitore che acquisisce i segnali dei satelliti, più una correzione proveniente da un altro ricevitore fisso o da una rete di stazioni permanenti, di coordinate note e stabili nel tempo. Le coordinate si ottengono in tempo reale e non sono richieste post-elaborazioni.
Solitamente il ricevitore è in configurazione “mobile”:
Accuratezza tipica: di ordine centimetrico.
Descrizione delle modalità di utilizzo per il monitoraggio dei fenomeni franosi ed esempi operativi:
Nel monitoraggio dei fenomeni franosi, i GNSS vengono impiegati per rilevare la posizione dei punti di misura in cui gli apparati vengono posizionati. Attraverso sessioni di misura ripetute nel tempo, è possibile ottenere la posizione dei vari punti su cui si sono effettuate le campagne di misure e calcolare eventuali spostamenti nello spazio di uno o più punti. Per ottenere questo risultato è necessario procedere ad un’installazione di un caposaldo topografico che renda univoco e ripetibile il riposizionamento dell’apparato nelle varie campagne di misura.
Generalmente i sistemi GNSS vengono utilizzati per controllare i fenomeni franosi quando l’area da monitorare è vasta oppure non c’è visibilità diretta tra i vari punti di misura. In questo caso possono essere una valida alternativa all’utilizzo di una stazione totale robotizzata.
Le modalità di esecuzione di queste campagne di misura prevede la materializzazione di una serie di punti di misura all’interno dell’area in frana (rovers) e di alcuni punti di controllo (references) in aree limitrofe al fenomeno da monitorare ma in settori considerati stabili. I refernces hanno un ruolo importante in quanto permettono di effettuare delle operazioni di compensazione dei dati acquisiti dai rovers e di migliorarne l’accuratezza.
Figura 3: geometria di una tipica rete di monitoraggio GNSS di un fenomeno franoso composta da 10 capisaldi di misura monumentati sul corpo franoso e tre reference points.
I sistemi GNSS possono essere utilizzati in modalità differente in funzione della velocità del fenomeno franoso che deve essere monitorato. Per fenomeni caratterizzati da una cinematica lenta, i GNSS posso essere impiegati in modalità statica con campagne di misura ripetute nel tempo. In questo caso, si provvede ad effettuare una campagna di misura in cui i ricevitori vengono installati sui vari punti di misura e lasciati ad acquisire per alcune ore. Successivamente, i dati ottenuti vengono elaborati e compensati utilizzando quelli provenienti dai references. In questo caso, la frequenza di esecuzione delle campagne può essere annuale.
Nel monitoraggio statico di fenomeni franosi lenti, inoltre, il numero e la geometria dei capisaldi di riferimento assume un ruolo fondamentale per la compensazione delle misure stesse.
Poiché le componenti geometriche dei punti di monitoraggio fanno riferimento ai capisaldi di coordinate note, è inoltre molto importante garantire la stabilità e l’immobilità di questi capisaldi nel tempo.
In Piemonte, numerosi fenomeni franosi sono oggetto di questa tipologia di monitoraggio, con campagne di rilevamento annuale effettuate dal CNR IRPI o da ARPA Piemonte.
Figura 4: esempio di installazione di un caposaldo topografico su un affioramento roccioso finalizzato al monitoraggio del processo gravitativo che interessa l’intero versante (Valprato Soana – TO). In questo caso l’antenna dell’apparto satellitare viene avviata su un caposaldo cementato direttamente sull’affioramento roccioso. Durante ogni sessione di misura, l’antenna viene riposizionata avvitandola sul caposaldo in modo da garantire un’elevata ripetibilità di misura.
Diversamente, fenomeni con cinematica molto attiva (centimetri / metri giornalieri) possono essere misurati con tecniche di posizionamento di tempo reale, che presuppongono quindi l’immediatezza della determinazione della posizione dei punti di misura anche durante l’evoluzione del movimento franoso.
In questo caso, in considerazione della dinamica del fenomeno da monitorare, il livello di accuratezza richiesto è sufficientemente soddisfatto dalla metodologia stessa del rilevamento, che non presuppone quindi più la presenza di una rete di capisaldi di riferimento materializzata ad-hoc.
Scenari di utilizzo maggiormente indicati:
le reti GNSS possono avere molteplici utilizzi in funzione della tipologia di ricevitore impiegato e delle modalità di prcessamento del dato.
Nel caso di grandi frane lente, il monitoraggio mediante rilevamenti statici periodici risulta essere la più indicata. In questi casi, la rete di monitoraggio è composta da una serie di caposaldi che garantiscono un’elevata ripetibilità di misura. Campagne semestrali o annuali sono sufficienti per misurare gli spostamenti (solitamente di pochi cm) occorsi nell’intervallo di tempo considerato.
Per fenomeni caratterizzati da un’attività più elevata, è possibile prevedere anche delle installazioni permanenti. In questi casi, i ricevitori GNSS sono permanentemente installati in frana e vengono effettuate diverse campagne di acquisizione ogni giorno. I dati acquisiti durante le sessioni di misura possono essere processate da sistemi che svolgono questo tipo di analisi in maniera automatica.
