99 1 ita - Unità di ricerca per il Monitoraggio e la Pianificazione

Transcript

Gianfranco Scrinzi, Antonio Floris, Maria Picci*
GPS E INVENTARI FORESTALI:
POSIZIONAMENTO E RITROVAMENTO
DI PRECISIONE DI PUNTI
DI CAMPIONAMENTO IN BOSCO
FDC: 524.6 584 --015.7 (450)
* G. Scrinzi, direttore Sezione Assestamento forestale ISAFA: direzione dello studio, piano di ricerca e di elaborazione dati,
stesura del testo. A. Floris, collaboratore tecnico: collaborazione alla redazione del piano di ricerca, direzione rilievi di campagna, elaborazione dati, testo scheda 2. M. Picci, titolare di borsa di studio: elaborazione dati, rilievi di campagna, testo
scheda 4. Si ringraziano per la collaborazione Giorgio Pira (titolare di borsa di studio - Sezione Biometria ISAFA) e Sandro
Giordano (Communication Technology, Cesena).
ISAFA Comunicazioni di ricerca 99/1
1
1. GPS Differenziale:
post-processing e real-time
Come è noto, GPS (Global Positioning System)
è un sistema di radio-posizionamento sviluppato e
gestito dal Dipartimento della Difesa (DoD) degli
Stati Uniti per scopi militari, ma accessibile anche
all’utenza civile. Esso consente di determinare automaticamente le coordinate geografiche tramite un
ricevitore portatile che elabora opportunamente dati
sulla posizione spaziale di almeno 4 satelliti fra
quelli che costituiscono il cosiddetto segmento spaziale del sistema, determinando preliminarmente la
loro distanza da tale punto di «osservazione» (ove
vengono ricevuti i segnali radio che i satelliti inviano). Alla base della tecnologia vi sono metodi di
triangolazione basati su misurazioni radiometriche
di distanze tra ricevitore e satelliti.
Ci si riferisce qui esclusivamente all’ambito
operativo di Standard Positioning Service (SPS),
tipico dell’uso civile di GPS applicato al rilevamento
tematico territoriale. La modalità operativa di
Precise Positioning Service (PPS, la cui precisione è
molto più elevata in quanto non artificialmente
degradata dal gestore) è riservata agli usi militari
autorizzati. Inoltre, nel rilevamento tematico del
territorio si utilizzano quasi esclusivamente tecniche
cosiddette di pseudo-range che si differenziano
notevolmente (anche per la minore precisione)
dalle metodiche GPS impiegate in geodesia, che
operano invece monitorando la fase delle onde portanti e non i codici numerici che le portanti stesse
modulano (WELLS et al., 1986; LEICK, 1990).
Per le sue caratteristiche di precisione e relativa
facilità d’uso, GPS si sta rapidamente diffondendo
nel settore del rilievo tematico del territorio, dove
tende progressivamente ad affiancare e sostituire le
tradizionali tecniche topografiche. Anche in ambito
forestale esso sta dimostrando indubbie potenzialità nel rispondere alle esigenze operative in molteplici situazioni, quali la realizzazione di carte assestamentali (rilievo di particellari e delimitazione di
tematismi), nel campionamento per aree di saggio,
nel georeferenziamento di punti cospicui e nel rilievo della viabilità.
Esistono peraltro varie fonti di errore che affliggono i posizionamenti GPS. Tra tutte, quelle che originano le maggiori incertezze sono la Diluition Of
Precision (DOP) e la Selective Availability (SA).
La DOP si traduce in un fattore moltiplicativo
dell’errore minimo del sistema (cioè di quello imputabile alla sola imperfezione intrinseca delle misure
che il sistema attua), fattore che può essere più o
meno elevato in funzione della configurazione geometrica della costellazione di 4 satelliti che il ricevitore impiega per effettuare il posizionamento in un
certo istante. Tale configurazione varia continuamente nel tempo per un ricevitore situato in una
determinata posizione (caratterizzata da una certa
finestra di visibilità del cielo determinata dall’orografia locale prima ancora che dall’orizzonte geografico) perché i satelliti si muovono sulle loro orbite
con tempi di rivoluzione attorno alla terra di 12 ore1.
La DOP (e quindi l’errore di posizionamento) è
tanto più grande quanto più i satelliti visibili risultano raggruppati in certe zone del cielo. La DOP
scende invece nell’evenienza opposta. Nella maggioranza dei casi i ricevitori “vedono” più di quattro
satelliti contemporaneamente e scelgono automaticamente tra questi i quattro che consentono di ottenere la DOP più bassa. Tale fonte di errore non può
essere eliminata ma solo tenuta sotto controllo
imponendo ai ricevitori la non accettazione di posizionamenti affetti da DOP superiore a certe soglie
di tollerabilità (GILBERT, 1995a).
Per ciò che riguarda la SA (di gran lunga la
maggiore fonte di errore), essa consiste in una
degradazione artificiale della precisione intrinseca
del sistema introdotta dal DoD per salvaguardarne
l’uso militare. Essa affligge l’impiego standard
(stand alone) di GPS ma può essere completamente eliminata utilizzando tecniche di GPS differenziale (DGPS). La correzione differenziale consente di
rimuovere anche gran parte degli altri errori intrinseci (effemeridi dei satelliti, deriva degli orologi,
ritardo ionosferico e troposferico) ma non è invece
efficace per ciò che riguarda la DOP e per gli errori
(di cui si dirà oltre) dovuti al fenomeno del
multipath.
Le tecniche DGPS prevedono l’utilizzo contemporaneo di due ricevitori: uno per il rilievo in campo
(rover) ed uno in postazione fissa in un punto, le cui
coordinate siano note con alta precisione (base).
Le misure effettuate dal ricevitore base vengono utilizzate per correggere quelle del ricevitore mobile
sfruttando il fatto che la base, conoscendo la propria posizione «vera», è in grado di calcolare
momento per momento l’errore istantaneo del sistema.
La correzione può essere applicata successivamente al rilevamento in campo, in post-processing
(PP DGPS), o comunicata dalla base al rover
durante lo stesso rilevamento in real-time (RT
DGPS), attraverso un collegamento radio tra base e
rover (vedi scheda di approfondimento n. 1).
Il passaggio da usi stand-alone alle tecniche
differenziali riduce l’errore da 50-100 m a 2-5 m in
riferimento al singolo posizionamento, ma anche a
valori submetrici nel caso di acquisizione staziona1
Tale periodo orbitale è riferito al tempo siderale. A
causa della differenza tra questo e il tempo solare,
l'orbita di ciascun satellite anticipa di circa 4 minuti
ogni giorno (WELLS et al., 1986).
3
ria di più posizionamenti e successivo calcolo della
posizione media.
Qualora si stiano rilevando punti cospicui, linee
o poligoni da riportare successivamente in cartografia, si potrà operare in PP-DGPS, data la capacità della strumentazione di memorizzare i dati rilevati, ciascuno dei quali verrà corretto successivamente al rilievo e prima della traslazione in carta.
Qualora sia invece necessario conoscere la propria
posizione corretta nel momento stesso del rilievo
(per esempio durante la materializzazione o il ritrovamento di punti di campionamento inventariali) si
deve ricorrere alle tecniche di RT DGPS.
In questo contributo sperimentale ci si occuperà essenzialmente proprio di quest’ultimo contesto operativo che costituisce senz’altro la modalità
più complessa d’uso di GPS nel rilievo forestale.
Circa l’impiego pratico di tecniche RT DGPS nel
rilievo campionario forestale, a quanto ci consta,
esiste in Italia un’unica esperienza operativa
descritta in letteratura, effettuata nell’ambito dei
lavori di campagna dell’Inventario Forestale della
Regione Toscana (B ALLONI et al. , 1995). Da tale
esperienza, effettuata su larga scala, emergono
osservazioni ed indicazioni pratiche interessanti
(anche se riferibili ad una tecnologia GPS di generazione superata). Peraltro si tratta di un impiego RT
DGPS indirizzato più al posizionamento istitutivo
che non al successivo ritrovamento di punti inventariali permanenti, aspetto sul quale è invece principalmente centrata la sperimentazione che viene qui
illustrata.
2 La sperimentazione
2.1 Il problema della permanenza dei punti di
campionamento negli inventari e gli obiettivi dell’esperienza
Come è noto uno dei problemi realizzativi più
difficoltosi degli inventari forestali campionari è
quello del ritrovamento di precisione dei punti di
campionamento individuati e marcati in una tornata
inventariale precedente e destinati a permanere nel
tempo.
Occorre subito chiarire che la permanenza dei
punti di sondaggio negli inventari forestali per campionamento non è condizione assolutamente necessaria per poter eseguire rilievi di monitoraggio
nel tempo delle dinamiche delle variabili forestali.
La permanenza nel tempo delle aree di saggio è
anzi situazione meno frequente di quanto non si
creda in questo contesto metodologico inventariale
ed è spesso, anche se non solo, circoscritta agli
inventari su vasta scala. Specialmente per quanto
attiene al controllo della dinamica delle superfici nel
4
tempo, tale permanenza non è quindi ritenuta condizione indispensabile per produrre delle buone
stime, anche a fronte degli appesantimenti procedurali e di costi che comporta. È peraltro innegabile
che, soprattutto a livello di certe variabili dendrometriche, alcuni metodi di Inventario Forestale
Continuo (CFI, Continuous Forest Inventory), basati
sulla permanenza di tutte o di una aliquota di unità
campionarie, elevano la precisione di stima.
L’importanza di reperire esattamente le unità campionarie risiede nella possibilità di monitorare con
maggiore precisione variabili forestali tradizionalmente difficili da stimare come incrementi periodici,
passaggi a fustaia, tassi di mortalità e rinnovazione
e soprattutto utilizzazioni pregresse (infra-inventariali).
Premessa per tali obiettivi di monitoraggio fine è
che le aree di saggio mantengano nel tempo la rappresentatività del momento istitutivo, ed è quindi
condizione necessaria la non visibilità della marcatura dell’area, sia per considerazioni legate al condizionamento involontario che l’evidenza del posizionamento potrebbe portare alle normali operazioni selvicolturali, sia perché marcature come picchetti o cippi fuori terra sono spesso alterate o
distrutte per eventi fortuiti o dolosi.
Nelle Istruzioni per l’inventario di controllo per
campionamento dell’Istituto Federale di Ricerche
forestali elvetico (SCHMID-HAAS et al., 1978) vengono
espressamente vietate anche le graffiettature di
cavallettamento sui soggetti arborei delle aree di
saggio circolari permanenti e, a maggior ragione,
evidenziamenti con vernice e/o picchetti o cippi
fuori terra per la marcatura dei centri. Analoga indicazione è riportata nelle Istruzioni per le squadre di
rilevamento I.F.N.I. (MAF-ISAFA, 1983).
In questo tipo di operazioni inventariali si possono distinguere essenzialmente due fasi connesse
al ritrovamento dei punti: quella di avvicinamento,
che dal caposaldo di partenza (o dal precedente
punto di campionamento) porta l’operatore a raggiungere un intorno di prossimità del punto da localizzare (o rilocalizzare) e quella di individuazione di
precisione che, nell’ambito di tale intorno, materializza (o ritrova) la posizione definitiva e corretta di
tale punto.
La procedura di avvicinamento (navigazione sul
territorio) deve essere contemporaneamente caratterizzata da elementi di speditezza, economicità e
precisione tale da condurre l’operatore in un intorno
di prossimità molto ristretto (non più di 10-20 metri
quadrati) rispetto al punto obiettivo. Solo in tal caso
la procedura di individuazione finale potrà avere
successo in totale assenza di riferimenti di marcatura evidenti.
È il caso di anticipare fin d’ora che, dati i vincoli
e l’obiettivo di campionamenti come quelli descritti,
è oggi ancora impensabile (ma potrebbe non essere più così in futuro) di poter prescindere da una
materializzazione del punto di campionamento, alla
prima tornata inventariale, mediante un picchetto
metallico completamente interrato (che sia poi localizzabile da un rivelatore di metalli). Tale accorgimento viene correntemente adottato, anche se in
Italia non trova applicazione se non a livello di
inventari a grande scala. Peraltro ad esso sono normalmente affiancati rilievi nell’area di saggio che
prevedono lunghe e costose procedure di rilevamento polare (azimut magnetico e distanza dal
centro) di tutti i soggetti appartenenti all’unità campionaria (è il caso elvetico) oppure, come minimo,
l’individuazione di due o tre punti cospicui (affidabili
in termini di visibilità e permanenza nel tempo) in
un intorno del picchetto interrato e il successivo
rilevamento polare di questo da ciascuno di essi,
con stesura di una monografia specifica. I rilevamenti polari dei soggetti arborei appartenenti all’unità campionaria hanno l’obiettivo primario di definire esattamente i soggetti presenti al momento dell’inventario per controllarne poi la dinamica all’atto
di una successiva tornata. Pur tuttavia essi sono
anche finalizzati, almeno in parte, al reperimento di
precisione del centro dell’area all’epoca del ritrovamento.
Tutti questi rilievi sono molto lunghi e onerosi e
se ad essi si combina una procedura di navigazione speditiva classica per poligonale aperta con
l’ausilio di bussola, clisimetro, cordella metrica o
telemetro, paline e calcolatrice preprogrammata, si
arriva a configurare un insieme di operazioni che
da sole assorbono la gran parte dei tempi e dei
costi inventariali. Inoltre gli errori (vedi oltre) nella
realizzazione di poligonali speditive possono essere
tali che il raggiungimento di un intorno di prossimità
accettabilmente ridotto non è circostanza affatto
scontata, specialmente su terreni impervi e con
personale non particolarmente professionalizzato.
Costi ingenti e incertezza del risultato scoraggiano
molto spesso l’adozione di tali sistemi.
Questo lavoro ha avuto pertanto l’obiettivo primario di capire se e come l’impiego di strumentazioni e tecniche di RT DGPS, con l’ausilio finale di
un rilevatore di metalli, potesse ridurre i tempi, la
complessità e l’incertezza delle operazioni e consentire una individuazione assolutamente precisa di
un punto di campionamento di coordinate note (rilevate nel momento istitutivo in PP DGPS), materializzato soltanto con un picchetto in alluminio completamente interrato.
2.2 Scelta e posizionamento istitutivo dei punti
di campionamento
La sperimentazione è stata effettuata sul versante ovest del Monte Marzola ed ha interessato una
porzione di territorio boschivo di circa 300 ha ad est
della città di Trento. Per la produzione delle correzioni differenziali è stata utilizzata la stazione base
GPS ISAFA, situata nella sede dell’istituto entro
distanze comprese tra 1 e 5 km dallo scenario territoriale descritto. Si tratta quindi di una circostanza
di produzione delle correzioni di tipo D (personal
base station - vedi scheda di approfondimento n.1).
I 15 punti utilizzati per la sperimentazione sono
stati dislocati a varie quote ed in popolamenti forestali di varie caratteristiche (tabella 1) su un versante montuoso a prevalente esposizione ovest. I siti
specifici sono stati dapprima individuati soggettivamente su carta tecnica 1:10.000. Ritrovati sul territorio, in ognuno di essi è stato casualmente definito
un punto ove si è proceduto ad un rilievo stazionario GPS di 50 posizioni, con una frequenza di una al
2
secondo . Per marcare invisibilmente la posizione
esatta del punto è stato interrato un picchetto in
alluminio. Le posizioni sono state differenzialmente
corrette in post processing e poi mediate per determinare le coordinate definitive del punto.
N° punto
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Quota
(m s.l.m.)
943
888
1053
939
857
636
930
461
1257
1258
593
535
681
687
611
Tipo di
governo
Composizione
fustaia
ceduo
fustaia
fustaia
ceduo
fustaia
ceduo
ceduo
ceduo
fustaia
ceduo
ceduo
ceduo
fustaia
ceduo
conifere
misto
misto
latifoglie
latifoglie
conifere
latifoglie
latifoglie
misto
misto
latifoglie
misto
latifoglie
misto
latifoglie
Copertura%
H media (m)
(valore medio
in classi di 5)
(valore medio
in classi di 5 m)
65
65
90
65
90
65
10
65
90
65
65
35
90
90
90
12,5
17,5
22,5
17,5
12,5
22,5
7,5
12,5
17,5
17,5
7,5
7,5
12,5
22,5
17,5
Tabella 1 - Altitudine e principali caratteristiche forestali
dei siti di localizzazione dei punti.
2
Successivamente al rilievo istitutivo dei punti sono
emerse alcune perplessità circa il numero di fixing stazionari da acquisire in un contesto operativo inventariale per determinare un posizionamento medio dei
punti che risultasse il miglior compromesso tra tempi
di stazionamento e precisione. E’ sorta così l’esigenza
di approfondire questo aspetto in una apposita sperimentazione parallela allo studio principale. Di tale
sperimentazione, dei suoi esiti e delle conseguenti
deduzioni emerse sul piano operativo si riferirà nel
paragrafo 4.
5
Circa questa procedura occorre osservare che
essa non riproduce integralmente una situazione
operativa di primo impianto di punti di campionamento inventariali permanenti assistita da GPS. In
tale circostanza si disporrebbe di coordinate predefinite dallo schema di campionamento per ciascun
punto da individuare sul territorio e si utilizzerebbero già in questa fase procedure RT DGPS.
Registrate nel ricevitore le coordinate del punto
obiettivo (waypoint), ci si affiderebbe allo strumento
per la navigazione (distanza e azimut dalla posizione attuale al punto obiettivo, aggiornate in continuo). Giunti nell’intorno di prossimità (distanze dal
waypoint inferiori ai 1,5/2,5 m e direzioni rapidamente variabili di decine di gradi), si utilizzerebbe
l'ultimo posizionamento (memorizzato nel rivevitore
e quindi consultabile) e si determinerebbe la posizione finale del punto di campionamento per mezzo
di un rilevamento polare. Quanto illustrato in precedenza è quasi esattamente quello che è stato fatto
nella citata esperienza di B ALLONI et al .(1995).
Trattandosi di prima istituzione di un punto di campionamento permanente, tale procedura salvaguarda più che sufficientemente le esigenze di precisione e oggettività di qualsiasi disegno inventariale.
Verrà quindi interrato il picchetto in alluminio (sono
idonei anche quelli che si usano per le tende da
campeggio) e si procederà ad un rilievo stazionario
prolungato (in RT DGPS o in PP DGPS) sulla posizione del picchetto, con memorizzazione finale
delle coordinate medie definitive del punto di campionamento. Questa fase, ancorché facoltativa, è
senz'altro consigliabile, perché riduce l’estensione
dell’intorno di prossimità al momento della nuova
operazione di ritrovamento. Nell’esperienza pratica
dell’inventario regionale della Toscana essa è stata
omessa ed è implicito in tale scelta che, nell’ipotesi
di un nuovo ritrovamento dei punti, la navigazione
dovrebbe essere orientata nuovamente alle loro
coordinate teoriche (quelle stabilite dal disegno
campionario). È evidente che quest’ultime differiranno (anche se in misura contenuta) da quelle del
punto realmente materializzato nella prima occasione inventariale. Si consideri al riguardo che il rilevamento stazionario non allunga i tempi di rilievo dell’area di saggio, potendo svolgersi in maniera autonoma e contemporaneamente allo svolgimento
delle operazioni di rilevamento e descrizione forestale.
Nella presente sperimentazione il rilievo stazionario è avvenuto utilizzando i seguenti parametri di
controllo del posizionamento:
- logging rate: 1/sec (rover), 1/5 sec (base)
- elevation mask: 15° (rover), 12° (base)
- PDOP mask: 4 (base e rover)
- SNR mask: 6 (base e rover)
- altezza dell’ antenna dal suolo: 2 m (rover).
6
Tali parametri sono quelli abitualmente adottati
per rilievi in terreno aperto.
Essi vengono impostati nei ricevitori in modo
che il sistema non fornisca posizionamenti al di
sotto di certi standard di precisione. Vengono così
controllati gli errori di rifrazione ionosferica (che
diventano rilevanti se i ricevitori accettano segnali
da satelliti troppo bassi sull’orizzonte: elevation
mask), quelli di diluizione di precisione dovuti a
configurazioni di costellazione satellitare scadenti
(PDOP mask), quelli di scarsa qualità del segnale
radio satellitare (SNR mask).
Nel rilievo GPS sotto copertura arborea non è
spesso possibile mantenere tali parametri di controllo sui valori critici che si adottano all’aperto, in
quanto si corre il rischio che il ricevitore non fornisca alcun posizionamento valido entro tempi di stazionamento ragionevoli. Sulla scorta di precedenti
esperienze di rilievo sotto copertura arborea (FLORIS
et al., 1996) in alcuni casi si sono dovuti accettare
posizionamenti con PDOP mask fino a 8 e/o SNR
mask fino a 4.
Nell’esperienza dell’ I.R.F. della Toscana è stata
adottata una soglia di PDOP più conservativa (6) e
una di SNR meno ristretta (3).
Si ritiene assolutamente sconsigliabile il rilevamento in modalità 2D del rover, che implica la
libertà di quest’ultimo di operare anche con tre
satelliti (al posto dei canonici 4 in modalità 3D)
adottando un valore noto di altitudine del punto per
operare un posizionamento. Poiché in questa
modalità l'altitudine non viene trattata (negli algoritmi di calcolo) come variabile ma come costante, si
possono introdurre errori inaccettabili (di molti
metri) sulle coordinate planimetriche.
Per quanto riguarda l’attrezzatura GPS è stato
impiegato il sistema attualmente in dotazione
all’ISAFA che, pur non essendo di ultima generazione, è ancora piuttosto diffuso. Prodotto dalla statu3
nitense Trimble Navigation , esso è composto da:
- stazione base CBS Pro XL a 12 canali collegata
ad un PC con processore 386 o superiori, nel
nostro caso un 486 (figura 1);
- ricevitore mobile Pathfinder Pro XL a 8 canali
gestito da un datalogger MC V Corvallis
Microtechnology (figura 2);
- software di gestione PF-CBS e PFinder-Office.
3
ProXL, Pro XR, CBS, TDC1, PF-CBS, PF-Office, sono
marchi registrati Trimble Navigation. MC-V è marchio
registrato Corvallis Microtechnology. L’impiego nello
studio e la citazione di tali apparecchiature non implica per gli Autori e per ISAFA alcuna valutazione preferenziale, anche implicita, di tali prodotti nei confronti
di quelli di altre Case produttrici. Si ringrazia
Communication Technology di Cesena per aver
messo a disposizione il ricevitore GPS Trimble Pro XR.
Figura 1 - Strumentazione GPS impiegata nell’esperienza:
configurazione stazione base.
Dall’alto a sinistra: PC portatile, batteria (per eventuale
alimentazione in campo), ricevitore GPS di base, trasformatore-stabilizzatore, radio-trasmittente VHF, modem
(sotto la radio).
Per alcuni rilievi, in relazione alla sperimentazione collaterale di cui al paragrafo 3, è stato impiegato anche il ricevitore Trimble Pathfinder Pro XR con
4
datalogger TDC1 .
La configurazione del segmento per la correzione in tempo reale (protocollo RTCM) era costituita
da una coppia di radio VHF “industriali” ICOM, una
alla base in trasmissione, l'altra al rover in ricezione,
con rispettivi modem Kantronics KPC-3 a 9600 bps.
La trasmittente, modello IC281H, è stata impiegata
alla potenza massima di 10 W, mentre la ricevente
era il modello IC2-iE (figure 1 e 2).
4
Sui nuovi ricevitori Trimble Navigation della classe XR
e XRS è disponibile un firmware, denominato EVEREST®, destinato a limitare l’influenza negativa del multipath. In sperimentazioni condotte dalla stessa Trimble
(TRIMBLE NAVIGATION, 1997) si valuta che con l’uso del
software Everest nel solo rover, si possa ottenere un
miglioramento nelle prestazioni del 33% nell’accuratezza del posizionamento orizzontale e del 49% in
quello verticale. L’uso congiunto, nella base e nel
rover, della nuova tecnologia determinerebbe un
miglioramento del 50% nell’accuratezza sia orizzontale che verticale. Rispetto ai "vecchi" Pro XL, gli XR
includono nel ricevitore anche la tecnologia radio
completa per la trasmissione e la ricezione dell’RTCM
(nell’XRS anche di provenienza satellitare) e altri
miglioramenti per la riduzione delle interferenze (jamming). Non trascurabile appare il fatto che Trimble
dichiara che, con gli XR, l’errore orizzontale introdotto
dalla correzione differenziale crescerebbe con l’aumentare della distanza tra base e rover con un tasso
di 10 cm/100 km invece che di 1 m/100 km, come
accadeva con gli XL.
Figura 2 - Strumentazione GPS impiegata nell’esperienza:
configurazione rover.
Dall’alto a sinistra: antenna GPS, radio VHF e antenna
riceventi, datalogger, ricevitore GPS rover (con zainetto),
modem.
2.3 Procedura di ritrovamento dei punti
I parametri di controllo della ricezione del
segnale GPS sono rimasti immutati rispetto a quelli
evidenziati in precedenza, mentre il rate di invio dei
dati RTCM di correzione dalla base al rover è stato
fissato a 1 ogni 5 secondi. Nella navigazione in
bosco a piedi l’acquisizione di una posizione al
secondo può essere ritenuta superflua. Va però
chiarito che si tratta di un rate di acquisizione teorico che i ricevitori riescono a rispettare all’aperto,
ma che sotto copertura arborea non supera quasi
mai il valore reale di 0,5 fixing al secondo (30/minuto).
Per salvaguardare l’oggettività dei risultati dell’esperienza, il personale che aveva proceduto alla
prima individuazione dei punti è stato avvicendato
da altro personale in fase di reperimento degli stessi. La rilocalizzazione è avvenuta a distanza di qualche mese dalla prima materializzazione, per consentire la ripresa di eventuale vegetazione calpestata (specialmente nell’intorno di prossimità) la cui
evidenza poteva costituire fattore di condizionamento degli operatori.
Le coordinate dei punti-obiettivo precedentemente determinate sono state inserite nella memo-
7
ria del ricevitore come waypoint. Se impostato in
modalità navigazione, il ricevitore fornisce in continuo all’operatore distanza e azimut del punto obiettivo di volta in volta selezionato. In tale fase l’operatore si può avvalere di una bussola che consenta di
individuare speditivamente e memorizzare le direzioni principali.
Dato il consistente sviluppo della viabilità forestale e rurale esistente nello scenario della sperimentazione, le distanze coperte dalla navigazione
propriamente detta, dal punto più prossimo
raggiungibile in automezzo fino all’intorno di prossimità del punto da reperire, sono risultate in media
di soli 242 m in linea d’aria. Il valore medio delle
distanze effettivamente percorse sul terreno durante la navigazione è però risultato quasi il doppio
(470 m), anche perché si è adottato il criterio di privilegiare la «comodità» di spostamento (viabilità,
sentieri, pendenze non eccessive) rispetto alla linea
più breve, ritenendo di simulare in questo modo
quello che sarebbe il comportamento più logico
anche in un contesto operativo.
Una volta giunto nell’intorno di prossimità l’operatore procedeva alla individuazione di precisione
con l’impiego di un metal detector , del peso di
circa 1,5 kg, dotato di discriminatore di metalli,
regolatore di volume del segnalatore acustico e pulsante di centratura (vedi scheda di approfondimento n. 3). La discriminazione di metalli può essere
molto utile. Centrando la scansione del detector
sull’alluminio (materiale di cui, come si è già detto,
era costituito il picchetto) il rivelatore è completamente insensibile alla presenza di ferro e acciaio,
residui dei quali possono essere localmente molto
abbondanti nel terreno. L’accorgimento non è invece utile in presenza di lattine e stagnola. D’altra
parte i picchetti di alluminio si trovano facilmente in
commercio, costano e pesano poco.
3 Risultati e indicazioni operative
3.1 Esito delle procedure di ritrovamento
In 13 casi su 15, operatori indipendenti, completamente ignari dei luoghi e delle collocazioni dei
punti, sono giunti alla loro individuazione precisa ed
al ritrovamento dei rispettivi picchetti interrati.
Circa i due punti non reperiti si può dire che in
un caso è risultata impossibile la ricezione del
segnale radio RTCM della base per oscuramento
orografico dovuto sia ad una collocazione dell’emittente non ottimale che alla sfavorevolissima
microorografia locale nei pressi del punto (avvallamento stretto e molto profondo). Nel secondo caso,
due sessioni ripetute di reperimento hanno condotto gli operatori nello stesso intorno di prossimità,
8
ma il picchetto interrato non è stato materialmente
ritrovato per motivi non ricostruibili.
In tabella 2 sono riportate le principali statistiche
descrittive relative ai risultati delle procedure di rilevamento.
media mediana min
max st. dev
Tempo di navigazione (minuti)
19.25 17.27 09.47 48.50 10.15
Velocità di navigazione (km/h)
1,64 1,57 0,47 3,16 0,87
Distanza del picchetto (minuti)
2,54 2,10 0,08 6,60 1,98
Tempo di ritrov. con metal detector (minuti) 07.37 08.00 01.00 16.00 05.44
Tabella 2 - Principali statistiche descrittive dei risultati della navigazione RT DGPS (valori riferiti a 13 punti su 15).
3.2 Tempi di esecuzione
Le velocità di navigazione riscontrabili in esperienze di questo tipo dipendono da fattori quali l’orografia e il tipo di soprassuolo dello scenario operativo. In una sperimentazione di navigazione GPS
di MARCHETTI et al. (1995), attuata però in modalità
stand alone e non differenziale, per il raggiungimento di punti inventariali in terreno boschivo si
sono ottenute velocità medie di circa 0,9 km/h, contro i 0,3 km/h delle corrispondenti poligonali (bussola, clisimetro, cordella metrica). G HERARDI et al .
(1998) riportano invece dati relativi alla percorrenza
di confini di aree rimboschite in rilevamento PP
DGPS (non si tratta di navigazione come nel nostro
caso e in quello precedente, ma in tale circostanza
il percorso da seguire è più vincolato). Si desumono
velocità medie di circa 1,8 km/h fuori dalla viabilità
5
e di 2,6 km/h su sentiero . Rispetto a tali tipi di rilievi
la navigazione RT DGPS è sicuramente più lenta (la
ricezione radio del segnale RTCM introduce un
certo rallentamento delle operazioni).
Nella nostra esperienza abbiamo riscontrato
una velocità media effettiva di navigazione pari a
1,65 km/h (st.dev. 0,9 km/h); da questi dati si desume che i rendimenti siano da doppi a quadrupli di
quelli che si ottengono nell’esecuzione di una poligonale speditiva classica. L'efficienza di quest'ultima è peraltro, in fase di ritrovamento, largamente
dipendente dalla bontà della monografia allegata e
dalla permanenza dei punti cospicui, fatto che a
distanza di molti anni non è da ritenersi scontato.
5
La natura di tali velocità non viene specificata nel lavoro, ma esse appaiono essere con tutta evidenza velocità effettive, riferite cioè alle lunghezze realmente percorse in navigazione o in esecuzione di poligonale. Più
significative sono sul piano informativo le cosiddette
VMG (velocity made good) e cioè quelle di effettivo
avanzamento verso il punto obiettivo sulla congiungente rettilinea. Queste risultano notevolmente inferiori, ma
in termini relativi (confronto tra navigazione o poligonale ordinaria) le differenze dovrebbero essere analoghe.
In caso di necessità la navigazione RT DGPS
può essere effettuata agevolmente anche da un
singolo operatore (anche se tale circostanza non è
frequente nei rilievi inventariali).
Ai tempi di navigazione si devono aggiungere i
tempi dell’individuazione del picchetto interrato
(con l’ausilio del metal detector) che sono risultati in
media pari a circa 7 minuti (st.dev. 5’). Ciò è possibile naturalmente qualora l’intorno di prossimità non
sia più esteso di un cerchio di raggio 2,0-2,5 m, circostanza che si è verificata in questa esperienza. In
tal caso, un passaggio a tappeto su questa esigua
superficie col piatto del rivelatore di metalli porta a
localizzare il picchetto entro i tempi medi citati. Il
ritrovamento può avvenire in tempi ancora più ridotti
se si adottano accorgimenti di sicurezza nella
materializzazione istitutiva del punto. Tali accorgimenti possono essere ad esempio:
- infissione (a scomparsa) nel terreno di tre picchetti «satellite» oltre a quello centrale, posti ad
una distanza da esso fissa e nota (es. 1,5 m),
situati lungo i rilevamenti polari 0° (N), 120°, 240°
(dal picchetto centrale) e per questo aspetto marcati differentemente; la presenza di più picchetti
facilita logicamente la possibilità del rilevatore di
metalli di reperirne uno in breve tempo;
- infissione (quasi a scomparsa), al di sotto della
sezione di taglio, su eventuali soggetti arborei
vicini e circostanti il punto, di chiodi di 5-6 cm,
facendo attenzione che il loro asse sia rivolto
approssimativamente nella direzione del picchetto infisso nel terreno; l’accorgimento consentirebbe di concentrare l’attività con il metal detector
alle basi dei soggetti arborei presenti, evitando
ricerche a tappeto.
3.3 L’intorno di prossimità
Nei 13 casi di navigazione condotta a buon
fine, la distanza tra il punto raggiunto con la navigazione in RT-DGPS e la vera posizione del picchetto
è risultata in media di 2,5 m, corrispondenti ad un
intorno di prossimità di circa 20 m2. Nel 50% dei
casi (tabella 2, mediana) la distanza dal picchetto è
risultata inferiore a 2,1 metri.
Nell’intorno di prossimità i dati forniti dal ricevitore appaiono instabili e fortemente variabili, in particolare per quanto riguarda l'azimut, soprattutto
all'interno di popolamenti arborei con fusti di notevoli dimensioni che amplificano il fenomeno di multipath. In tale situazione un operatore allenato riesce tuttavia a desumere sinteticamente qualche
informazione utile spostandosi in un intorno di 5-6
metri e osservando la dinamica dei dati forniti dal
ricevitore, che porta a ridurre ulteriormente l’incertezza sulla collocazione effettiva del picchetto.
Pur non avendo eseguito in questa sperimentazione rilievi paralleli con poligonale classica, è possibile operare un confronto indiretto tra i risultati
conseguiti e le previsioni di precisione che furono
avanzate per le tecniche tradizionali in sede di
Progetto Operativo per L’IFNI (MAF-ISAFA, 1983) e
conseguentemente adottate nel controllo dei lavori
di campagna. Nel documento si parla esplicitamente di errori di 80 metri per chilometro di poligonale,
addirittura raddoppiabili in circostanze sfortunate
(zone di anomalia magnetica, carte topografiche
non fotogrammetriche). In proposito si ricorda che
la sola misura in carta delle coordinate del caposaldo di partenza della poligonale è afflitta da errori
valutabili in 10 m sulle carte tecniche al 10.000 e in
20 m sulle tavolette IGMI.
Ulteriore conferma scaturisce dall'elaborazione
dei dati della già citata esperienza di MARCHETTI et
al. (1995). In 11 rilevamenti di poligonale in terreno
boschivo l’errore medio di posizionamento è risultato di quasi 14 m su una percorrenza media di 275
m. I dati di errore forniti dagli Autori sembrano
peraltro evidenziare una tendenza molto moderata
all’incremento dell’errore all’aumentare della lunghezza della poligonale.
Una moderna alternativa per l’esecuzione rapida di poligonali risiede nell’impiego di strumenti
che implementano distanziometri a tecnologia laser,
bussola e clisimetro elettronici e relativo
hardware/software di gestione per l’esecuzione di
6
poligonali, del tipo Criterion o Lem (TOSI, 1993). Pur
non eliminando il problema dell’errore di misura
nelle coordinate del caposaldo di partenza, tali
strumenti garantiscono un sicuro incremento sia sul
piano della precisione che della velocità di esecuzione (se impiegati senza stazionamento su treppiede). Peraltro si tratta di apparecchi non certo
economici (tra 5 e 20 milioni di lire), non molto
maneggevoli e ancora lungi dal poter essere impiegati speditivamente in bosco senza l’uso degli
specchietti-bersaglio riflettenti. Sono comunque
collegabili con un sistema GPS, e tale caratteristica
potrebbe risultare interessante per una integrazione
delle due tecnologie in grado di operare anche in
situazioni di rilievo che sarebbero altrimenti critiche.
Naturalmente la complessità di integrazione di tali
apparecchiature e il loro costo globale pongono
non pochi interrogativi rispetto a tale ipotesi ipertecnologica.
La conclusione è quindi che, rispetto alle tecniche tradizionali, l’individuazione di punti di campionamento permanenti con RT DGPS è in media circa
4 volte più rapida e 10 volte più accurata.
Tale differenza è quindi cruciale perché in essa
6
Criterion e Lem sono marchi registrati rispettivamente
da Laser Technology e da Jenoptik.
9
è evidentemente insita la diversità sostanziale che
passa tra il trovare e il non trovare i punti. È vero
che le tecniche tradizionali sono sempre state
usate, ma spesso in assenza di procedure di controllo degli errori e spesso rinunciando completamente alla condizione di invisibilità della marcatura.
Nel valutare gli esiti di questa sperimentazione
vanno tuttavia considerate due circostanze che
hanno probabilmente portato a conseguire precisioni di rilocalizzazione dei punti inferiori a quelle
presumibilmente raggiungibili in condizioni ordinarie ottimali. In sostanza la dimensione dell’intorno di
prossimità potrebbe sicuramente ridursi (presumibilmente di almeno il 30%) rispetto ai 20 m2 emersi
in questa esperienza. Tali circostanze risulteranno
evidenti dagli esiti della sperimentazione collaterale
e riguardano in primo luogo l’uso di apparecchiature GPS di generazione più recente di quelle impiegate, particolarmente adatte al rilievo sotto copertura arborea ed in secondo luogo l’aumento di precisione di rilevamento delle coordinate del punto
obiettivo in sede di prima istituzione, ottenibile
incrementando opportunamente il numero di singoli
dati di posizionamento (50 in questa esperienza)
rilevati su tale punto (cfr. paragrafi 4.2 e 4.3).
3.4 Altre indicazioni operative della sperimentazione
Indicazioni dall’esperienza sono emerse anche
sul piano dell’operatività del pool tecnologico
descritto e di come esso sia localmente condizionato da ciascuna componente. Oscuramenti del
segnale radio VHF o del segnale GPS (orografia,
copertura arborea) portano indipendentemente o
cumulativamente all’impossibilità di determinare il
posizionamento. Questa influenza di entrambi i segmenti tecnologici necessari (GPS e radio) rende l’operatività di una sessione RT DGPS più delicata e
più lenta di quanto non si verifichi operando in PP
DGPS.
D'altra parte alcuni accorgimenti operativi che
qualsiasi operatore può acquisire con l'esperienza,
come lo spostamento di qualche metro per sfruttare
prominenze microorografiche del terreno e variazioni di densità del soprassuolo, in molti casi risolvono
il problema. In qualche circostanza può essere
necessario un radicale cambiamento della direzione di approccio al punto da ritrovare. È comunque
sempre opportuno utilizzare un'antenna della radio
ricevente di almeno 30-50 cm di lunghezza e collocarla in posizione elevata sull’intelaiatura di trasporto a spalla del sistema e dell’antenna GPS, collegandola con un cavo-antenna alla radio. Anche sul
versante della base sarà opportuno fare attenzione
a disporre di una antenna di idonee caratteristiche
10
e dimensioni (anche in relazione alla banda di frequenza impiegata). Entrambe le antenne andranno
«accordate» con l'ausilio di appositi strumenti e
personale specializzato.
La posizione della base è naturalmente cruciale
per ottenere la necessaria portata ottica tra antenne, ma deve salvaguardare contemporaneamente
la visibilità dei satelliti GPS. Si ricorda infatti che,
operando in DGPS, sia PP che RT, è necessario
che la base veda almeno tutti i satelliti che i rover
potrebbero utilizzare per determinare il posizionamento in un certo istante. Qualora i rover utilizzino
per il posizionamento anche un solo satellite che la
base invece non vede in quel preciso momento, la
posizione determinata non può essere corretta differenzialmente ed è quindi affetta dagli inaccettabili
errori tipici dell’utilizzo stand alone di GPS.
Da quanto detto emerge che la posizione ideale
della base è spesso quella «dell’alto versante
opposto» allo scenario di rilevamento. Nell’esperienza qui descritta, per motivi logistici, si è mantenuta la posizione abituale della base ISAFA, posizionata sullo stesso versante dello scenario operativo del rover (esposizione W). Ciò non ha determinato inconvenienti per quanto attiene l’omogeneità
delle costellazioni GPS visibili da base e rover, ma
ha in qualche caso parzialmente limitato la visibilità
ottica delle antenne VHF, circostanza che ha determinato le conseguenze più gravi nel già citato caso
di impossibilità di reperimento di uno dei punti per
assenza del collegamento radio.
Circa la distanza tollerabile tra base e rover per
una buona ricezione del segnale RTCM via VHF,
sono state effettuate alcune prove allontanando
progressivamente la radio ricevente. È stato possibile, in presenza di portata ottica, ricevere i dati di
correzione fino a più di 20 km di distanza (non sono
state fatte prove a distanze maggiori) anche a
basse potenze di emissione (5 W).
Il problema emerge normalmente dal fatto che
in ambiente montano la portata ottica si interrompe
a seguito degli ostacoli orografici già per distanze
molto inferiori. Un’importante conseguenza operativa di tale constatazione è che le operazioni RT
DGPS con personal base station (rilascio RTCM di
tipo D nella scheda di approfondimento) sono tanto
più efficienti e convenienti quanto più i punti di
campionamento sono concentrati. È evidente infatti
che i tempi e i costi fissi istitutivi di una stazione
base personale sono in tale circostanza distribuiti
su un ampio insieme di punti. Potrebbe trattarsi del
caso di un inventario su scala assestamentale o
sovraziendale di scenario territoriale limitato
(10.000 - 20.000 ha) o infine anche di scala più
ampia ma realizzato per cluster territoriali molto
consistenti di punti. Ipotesi metodologiche del
genere sono presenti anche nello studio di fattibilità
ISAFA per il nuovo Inventario Forestale Nazionale
(ISAFA - MIPA, 1999).
Nelle realizzazioni inventariali a scala nazionale
o regionale con reticoli sistematici di punti ove quest’ultimi distano chilometri uno dall’altro, l’impiego di
questa modalità di distribuzione dei dati di correzione ai rover appare problematico a meno che non si
disponga, come può capitare in singole regioni o
province, di reti di ponti radio VHF preesistenti. In
assenza di tale opportunità occorrerà orientarsi sull’acquisizione dei dati via cellulare o via satellite
(che però pongono i problemi evidenziati nella
scheda tecnica).
4 Il multipath e i tempi ottimali di
stazionamento nel rilevamento
GPS
Tra gli errori dai quali sono affetti i rilievi GPS
una particolare rilevanza assume quello cosiddetto
di multipath. Questo termine individua il fenomeno
di riflessione delle onde elettromagnetiche del
segnale satellitare determinato da oggetti circostanti l’antenna del ricevitore GPS (fabbricati, rocce,
fusti e chiome arboree e lo stesso terreno). I segnali
riflessi giungono all’antenna seguendo un percorso
alterato (più lungo) rispetto al segnale diretto e la
circostanza introduce un certo errore (qualche
metro) nel calcolo delle distanze ricevitore-satelliti e
quindi nel calcolo di posizione. L’errore dovuto al
multipath si verifica in qualsiasi condizione di rilievo, ma assume molta rilevanza in ambito forestale
(fusti, chiome) soprattutto nel caso di rilevamento
stazionario con molte posizioni prese sullo stesso
punto (TRIMBLE NAVIGATION, 1997). Nel caso del rilevamento dinamico, infatti, gli oggetti riflettenti circostanti l’antenna variano continuamente e situazioni
particolarmente critiche sotto questo profilo influiscono solo localmente e per tempi limitati. Si tratta
di un tipo di errore che come la DOP non viene eliminato dall’impiego di tecniche differenziali. Inoltre,
a differenza della DOP, non può essere tenuto direttamente sotto controllo.
In riferimento a tale problema, tipico dell’impiego forestale di GPS, è emersa l’opportunità di valutare le performance di un ricevitore di nuova generazione (particolarmente studiato per la riduzione
degli errori di multipath nel posizionamento stazionario prolungato) nei confronti di quelle dei ricevitori
citati in precedenza. Il problema è infatti sempre
stato al centro dell’attenzione delle case produttrici,
che hanno via via introdotto mezzi fisici, elettronici e
particolari software residenti (firmware) per il controllo del multipath.
D’altra parte singoli posizionamenti dinamici
sono meno precisi di medie di posizionamenti statiISAFA Comunicazioni di ricerca 99/1
ci sugli stessi punti. Ai fini del rilevamento delle
coordinate del punto inventariale (picchetto) si configura quindi un più generale problema di ottimizzazione dei tempi di stazionamento o, ciò che è lo
stesso, del numero di posizioni da raccogliere in
relazione all’andamento dell’incremento di precisione conseguibile (vedi nota 2).
Questi ultimi due obiettivi sono stati fatti rientrare in una sperimentazione collaterale che viene di
seguito illustrata.
4.1 La sperimentazione collaterale
Per la raccolta dei dati sono stati individuati due
punti, l’uno sotto copertura arborea, in fustaia mista
di media densità, l’altro in campo aperto, a poche
decine di metri dal primo. Le coordinate da assumere come «vere» dei due punti sono state determinate raccogliendo e mediando 50.346 posizioni
sotto copertura e mediando 4 distinte sessioni con
misure di fase della portante della durata di un'ora
ciascuna in campo aperto, in entrambi i casi in PP
DGPS e con PDOP mask = 4. Tali posizionamenti
non sono stati utilizzati nelle elaborazioni successive ma sono serviti esclusivamente a determinare le
coordinate dei due punti con la precisione più elevata possibile.
Nella sperimentazione, mentre il ricevitore di
base è rimasto lo stesso (Trimble CBS/ Pro XL) sono
state confrontate le prestazioni dei ricevitori Trimble
Pro XL e Pro XR. Come è già stato ricordato (vedi
nota 3), il secondo è un ricevitore di nuova generazione che implementa il software EVEREST®, destinato, secondo il produttore, a ridurre l’errore di multipath.
In ciascuno dei due punti sono state eseguite 4
sessioni (complessivamente 8) di rilievo stazionario
PP DGPS di molte ore (il tempo necessario per rilevare circa 30.000 posizioni per sessione), secondo
le seguenti varianti:
- Pro XL, PDOP mask = 4;
- Pro XL, PDOP mask = 8;
- Pro XR, PDOP mask = 4;
- Pro XR, PDOP mask = 8;
Tutti le altre impostazioni di controllo ricezione
sono rimaste identiche a quelle già evidenziate al
par. 2.2.
Trasferiti i dati in un foglio elettronico, è stata
eseguita una simulazione di calcolo operativo del
posizionamento medio PP DGPS utilizzando pacchetti di posizioni corrispondenti a tempi di stazionamento crescenti (1, 2, 3, 5, 7, 10, 15, 20, 30, 40 e
60 minuti). In ciascuna sessione di estrazione la
lunghezza del pacchetto è stata dimensionata per
includere il numero di posizioni mediamente rilevabili, per quella durata di stazionamento, dato il tipo
11
di punto (sotto copertura arborea o no), di ricevitore
(XL, XR) e di soglia di PDOP (4,8).
Per ciascuna delle otto sessioni, il posizionamento medio corrispondente ad ognuno degli 11
tempi di osservazione è scaturito da una estrazione
casuale di 200 «pacchetti» di posizioni. È stato
quindi calcolato lo scostamento (distanza euclidea
in due dimensioni) tra la posizione media di ciascun
pacchetto e la posizione «vera» del punto. Il valore
di accuratezza di posizionamento finale considerato è stato il RMS (vedi scheda tecnica 4) calcolato
sui 200 scostamenti simulati.
4.2 Risultati della sperimentazione collaterale
Posto che in tutte le sessioni i ricevitori erano
impostati per acquisire 1 posizione al secondo, i
tassi medi realmente registrati sono riportati in
tabella 3.
campo aperto
soglia di
PDOP
tipo di
ricevitore
minuti per
pos/min.
100 posiz.
sotto copertura
efficienza
% di
minuti per efficienza
pos/min. 100 posiz.
acquisiz.
4
8
Pro XL
Pro XR
Pro XL
Pro XR
49
40
57
47
2,0
2,5
1,8
2,1
82
67
95
78
% di
acquisiz.
5
9
17
17
20,0 8
11,1 15
5,9 28
5,9 28
Tabella 3 - Indicatori di frequenza di produzione dei posizionamenti nelle diverse sessioni di rilevamento stazionario dell’esperienza collaterale.
Si nota innanzitutto come la velocità di acquisizione effettiva sia sempre inferiore a quella teorica.
La differenza è contenuta all’aperto e invece molto
sensibile sotto copertura, specialmente se si adotta
una PDOP mask più restrittiva. Le differenze della
velocità di acquisizione dei due ricevitori (si ricorda
che l’XR è di più recente generazione e implementa
un firmware di riduzione degli errori di multipath)
fanno intravedere una maggiore selettività nei posizionamenti validi dell’XR all’aperto, mentre sotto
copertura le prestazioni tendono a livellarsi).
La verifica delle velocità di acquisizione non è
fine a se stessa ma serve a valutare i tempi di stazionamento medi ottimali per il rilevamento stazionario istitutivo dei punti di campionamento in
bosco. Tali tempi di stazionamento sono comunque
soggetti a una certa variabilità che dipende dal sito
e dalla corrispondente dinamica delle costellazioni
satellitari. In alcuni momenti della giornata, che non
sono sempre gli stessi, si possono verificare interruzioni temporanee di ricezione. Ne consegue l'importanza di effettuare il planning del rilevamento
GPS con gli appositi software di elaborazione degli
12
almanacchi, in particolare prima di sessioni di rilievo in scenari ad accentuata orografia e/o copertura
arborea.
Come è stato già anticipato (par. 2.2, nota 2) in
questa esperienza si era inizialmente stabilito di
raccogliere in fase istitutiva 50 fixing per punto
campionario, ma circa tale numero sono successivamente sorte perplessità tanto da consigliare l’effettuazione di questa sperimentazione collaterale.
La figura 3 evidenzia gli esiti di tale sperimentazione. I grafici riportano l’evoluzione dell’accuratezza raggiungibile nel posizionamento medio all’aumentare del tempo di stazionamento (e quindi del
numero di fixing registrati). Il parametro di accuratezza adottato è l’RMS (scheda di approfondimento
4), che in sostanza individua l’errore di posizionamento orizzontale che non viene superato nel 6368% delle determinazioni. Il raggio del circular error
probable (valore mediano dell’errore o CEP) è circa
pari a RMS/1,2 (VAN DIGGELEN, 1998).
Si nota come le performance cambino in modo
sostanziale passando dal rilevamento stazionario
all’aperto a quello sotto copertura. Considerando
tempi di stazionamento sotto copertura arborea
intorno ai 15-20 minuti, che appaiono rappresentare
il miglior compromesso tra precisione e rapidità di
rilievo, il RMS di posizionamento medio con lo strumento non protetto contro il multipath (PRO XL) è
quasi 5 volte superiore a quello ottenibile nei posizionamenti stazionari all’aperto (2,3 m contro 0,5 m).
L’influenza degli errori di multipath sotto copertura arborea si rivela quindi come nelle aspettative
piuttosto rilevante e, sotto questo profilo, apprezzabile risulta il miglioramento ottenibile con uno strumento (PRO XR) studiato per il contenimento di tale
errore (RMS 1,5 m). Secondo la documentazione
tecnica allegata al ricevitore (TRIMBLE NAVIGATION,
1997) il miglioramento dovrebbe essere ancora più
sensibile (RMS 1,0 m) qualora anche la base station fosse dotata del software adatto.
Sostanzialmente analoghe appaiono invece le
performance ottenibili all’aperto a prescindere dallo
strumento usato e anche indipendentemente dalla
soglia di PDOP impostata. Quest’ultimo settaggio
sembra invece conservare qualche rilevanza sotto
copertura, soprattutto impiegando il ricevitore di
modello più recente.
4.3 Conclusioni e indicazioni operative
Impiegando i ricevitori attualmente disponibili,
stazionamenti di 15-20 minuti, con PDOP mask
impostata a 4, dovrebbero garantire errori di posizionamento istitutivo di punti di campionamento
sotto copertura arborea dell’ordine di 1 metro
(RMS). Date le velocità di acquisizione effettive
Figura 3 - Comportamento tendenziale dello scostamento (rispetto alle coordinate di riferimento) all’aumentare del
tempo di stazionamento: in alto, sotto copertura arborea; in basso, in campo aperto.
5,0
4,5
Root Mean Square
sotto copertura
4,0
Accuratezza (m)
3,5
3,0
2,5
PDOP8XL
PDOP8XR
PDOP4XL
PDOP4XR
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tempo di stazionamento (min.)
5,0
4,5
Root Mean Square
campo aperto
4,0
Accuratezza (m)
3,5
3,0
PDOP8XL
PDOP8XR
PDOP4XL
PDOP4XR
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tempo di stazionamento (min.)
riscontrate, le posizioni da raccogliere in tali posizionamenti stazionari dovrebbero essere in numero
compreso tra 140 e 180 (15-20 minuti).
Fuori copertura arborea 10 minuti di stazionamento (400 posizioni) sono già sufficienti per mantenere l’errore entro 0,5 m.
RIASSUNTO
Viene descritta una esperienza di navigazione
GPS Differenziale in tempo reale (RT-DGPS) nel ritrovamento di precisione di punti di campionamento in
bosco, rilevati e marcati in precedenza con le abituali tecniche DGPS in post processing (PP-DGPS).
Si illustrano gli aspetti pratici di navigazione, le
attrezzature necessarie, gli accorgimenti per la
marcatura non visibile dei punti e l’uso del rilevatore
di metalli nel reperimento finale di precisione.
Schede tecniche approfondiscono i temi della
radiocomunicazione VHF e delle altre possibilità di
accedere ai dati di correzione differenziale in tempo
reale, nonché quello degli indicatori di accuratezza
del posizionamento GPS.
Viene anche illustrata una sperimentazione
parallela sull’influenza dell’errore di riflessione del
segnale GPS (multipath) in ambiente boschivo e
analizzate la prestazioni al riguardo di un ricevitore
GPS di nuova generazione. Vengono tratte conclusioni pratiche sui tempi di stazionamento ottimali
per il posizionamento di precisione di punti in foresta.
13
A quasi 10 anni dal primo ingresso di questa
tecnologia nel rilevamento forestale, il lavoro traccia
un quadro tecnico-operativo aggiornato sull’impiego di GPS in questo settore specifico.
SUMMARY
GPS and forest inventories: accurate positioning and finding of sample points.
A navigation experimental survey with real time
Differential GPS (RT-DGPS) is described. It was
aimed at the precision finding of sample points in
forest precedently surveyed with post processing
DGPS techniques (PP-DGPS).
The practical aspects of navigation and the
necessary equipment are illustrated as well as
some suggestions for the invisible marking of
reference points and the use of the metal detector
for final precision finding.
Four technical schedules study in depth the
topics of several possibilities to access differential
corrections in real time, and some accuracy indicators for GPS positioning.
Further an experiment related to the influence of
reflection error of GPS signals (multipath) in forest
environment is illustrated and the performance of a
GPS receiver of new generation is analysed.
Practical suggestions are given on the optimal stay
times for precision positioning of points in forest.
After about 10 years from the first practical
application of this technology in forest surveys, this
work underlines and updates the operative technical overview on the use of GPS in this specific field.
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Fredericton, N.B., Canada.
scheda tecnica 1: GPS differenziale in tempo reale: come
accedere alle correzioni
I segnali di correzione differenziale inviati dalla stazione fissa ai ricevitori mobili
vengono trasmessi secondo uno standard (denominato RTCM SC 104) adottato
internazionalmente e stabilito da uno speciale comitato della Radio Technical
Commission for Maritime Service degli Stati Uniti. Come si può intuire dalla denominazione dell’organismo, è appunto nell’ambito del controllo del traffico marittimo costiero
che si sviluppano i primi servizi di rilascio dei signali RTCM di correzione differenziale.
In questo settore, prima in Nord-America e Canada (con l’U.S. e il Canadian
Coast Guard Service), poi anche in Centro e Sud America e in Nord Europa attraverso
organismi simili e ora sotto il coordinamento IALA (Int. Ass. of Lighthouse
Authorities) vengono impiegate le reti costiere di radiofari (A) per distribuire anche la
trasmisssione in LF/MF (285-325 KHz) del codice di correzione RTCM per la navigazione di precisione (errore inferiore a 5 m per il singolo posizionamento). Tali servizi
sono ovunque gratuiti ma coprono prevalentemente le coste del nord e sud Atlantico,
dell’est Pacifico, del Mare del Nord e del Baltico. In molti casi, considerata l’elevazione dei radiofari e la frequenza impiegata, le zone di copertura si estendono a 100-500
km e investono parzialmente anche l’entroterra.
In Italia non esiste ancora un servizio di questo tipo e solo una stazione francese
situata a Nizza copre parzialmente la riviera ligure di ponente. Esistono previsioni
abbastanza concrete per l’istallazione di quattro radiofari della Marina (pare a Trieste,
Vieste, Pantelleria e in Nord Tirreno, non si sa se ad uso militare e/o mercantile) in
grado di rilasciare il codice di correzione differenziale GPS. Non muteranno peraltro i
problemi connessi alla scarsa copertura terrestre interna alle coste.
In Nord America e Canada, specialmente in aree urbane, molte emittenti radio
private (B) rilasciano a pagamento (con canone mensile o annuale) il segnale RTCM
di correzione in ambiti territoriali che arrivano al massimo ad un centinaio di chilometri dalla stazione base, normalmente con l’impiego di onde radio FM tra 87 e 108 MHz
(GILBERT, 1995b). Tranne che in Inghilterra, non esistono ancora esempi di questo tipo
in Europa. Recentemente è venuta meno la prospettiva di rilascio dell’RTCM via sistema radiofonico RDS (quello che permette l’identificazione delle emittenti radio alle
nostre autoradio). L’autority internazionale della radiofonia ha infatti destinato ad altri
scopi la banda dell’ RDS inizialmente destinata al broadcasting dell’RTCM.
Un settore molto interessante per l’accesso a correzioni differenziali molto precise
è quello della distribuzione via satellite (C) del codice RTCM. È bene chiarire che non
si tratta dei satelliti della costellazione GPS, ma normali satelliti geostazionari da telecomunicazione che vengono impiegati da aziende di questo settore (come John
Chance, Racal e Wimpole in Nord America e, prevalentemente, Fugro-Omnistar in
Europa) così come vengono impiegati per la diffusione dei normali programmi televisivi digitali che vengono ricevuti con le antenne paraboliche. Nel caso della ricezione
del segnale RTCM non occorrono peraltro antenne di questo tipo (evidentemente
improponibili per uso portatile). In Italia la ricezione è possibile dal satellite per TV
digitale EUTELSAT visibile intorno a Sud-Sud/Est a 32° di elevazione. Tale collocazione può dar luogo a notevoli limitazioni quando si opera (come può avvenire facilmente nel rilievo in montagna) con orizzonti orografici molto accentuati in direzione sud.
Inoltre la ricezione del segnale RTCM satellitare sotto copertura arborea è sempre
problematica.
Le correzioni rilasciate via satellite sono molto precise e consentono di non superare l’errore di un metro sul singolo posizionamento GPS. Ciò è dovuto al fatto che le
correzioni possono venire ottimizzate per le specifiche collocazioni geografiche in cui
si opera attraverso una procedura (almeno per gli utenti Fugro Omnistar) detta VBS
(Virtual Base Station) che integra i dati delle diverse stazioni base GPS mantenute dal
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gestore (in Italia una è collocata in Sicilia) e calcola la migliore correzione per la specifica zona operativa. Il processo è gestito dal centro scozzese di Aberdeen che raccoglie i valori di errore delle varie stazioni base e fornisce al satellite le soluzioni ottimali per i diversi settori geografici di copertura del servizio. I costi possono però raggiungere i 1600 dollari/anno per la copertura europea e 1200 per la copertura italiana,
anche se esistono formule di accesso mensili o semestrali e addirittura a ore. Ancora
a proposito di GPS differenziale via satellite occorre dire che sono ormai da tempo sul
mercato nuovi ricevitori dei principali produttori che incorporano, nelle versioni più
complete, i sistemi radio e le antenne idonei alla ricezione dell’RTCM di provenienza
satellitare.
Il sistema «storico» di produzione e rilascio delle correzioni differenziali è però
quello della personal base station (D) che prevede la disponibilità di una stazione
base GPS fissa e/o trasferibile, radio-collegata in VHF con i ricevitori GPS mobili. Il
complesso dell’attrezzatura prevede quindi il ricevitore GPS di base combinato con
un PC (spesso un notebook) un modem e una radiotrasmittente VHF; sul versante
mobile (rover), oltre al ricevitore GPS portatile si dovrà disporre di una ricevente VHF,
di un modem e di un datalogger sul quale risiede il software di gestione RT DGPS.
Collegate ai ricevitori saranno presenti le rispettive antenne e, per quanto attiene alle
alimentazioni elettriche, ci si affiderà a pacchetti di accumulatori ricaricabili per la
configurazione strumentale del rover, e all’alimentazione di rete o fornita da una batteria d’auto per il sistema base-notebook-trasmittente VHF e modem.
Il ricevitore base viene messo in stazione in un punto dello scenario di rilievo
dotato della migliore visibilità del cielo possibile. Qualora non siano già note con elevata precisione le coordinate del punto di stazione, come avviene nella maggior parte
dei casi in cui non è possibile stazionare su punti di rete trigonometrica, occorre effettuare una sessione statica di posizionamenti istitutivi della base. Tale sessione viene
di norma effettuata in modalità PP DGPS e deve consentire la determinazione di
almeno qualche migliaio di fixing. Naturalmente, per poter operare la correzione differenziale di tali posizioni occorre disporre dei files di una base station situata entro
100-200 km di distanza. In questo modo le coordinate del punto di stazionamento
prescelto vengono determinate con errori al di sotto dei 50 cm. Una valida alternativa,
qualora lo strumento usato lo permetta, è lo svolgimento di una sessione DGPS con
misure di fase della durata minima di 15 minuti. Se non è possibile effettuare la correzione differenziale per indisponibilità dei dati di una base station entro i 100-200 km, il
rilevamento dovrà avere durata molto maggiore, tale da consentire la raccolta di
almeno centomila posizioni, per fornire una posizione con errore accettabile.
La necessità di istituire una base station GPS nel territorio ove si eseguono i rilievi deriva dai vincoli posti dalla trasmissione radio in VHF che necessita della cosiddetta portata ottica tra base e rover e cioé di una visibilità diretta tra le rispettive
antenne. Il segnale VHF non viene riflesso in basso dagli strati ionosferici come altri
segnali radio che possono quindi «sorvolare» l’orografia; d’altra parte questi implicano impianti complessi, costosi e, normalmente, fissi. Il vero problema nell’impianto di
una personal base station è peraltro quello relativo al superamento dei vincoli legali e
burocratici per l’allestimento del collegamento radio (vedi scheda tecnica 2).
Proprio nel superamento di questa necessità risiede il vantaggio di una interessante e (per ora) ultima alternativa di distribuzione dell’RTCM. È il broadcasting via
telefonia cellulare (E). Si tratta sempre di una personal base station con l’impiego di
due telefoni cellulari speciali, l’uno collegato al PC della base e l’altro al GPS rover.
Sono piccoli dispositivi disponibili anche in formato scheda PCMCIA per PC. Al loro
interno è inserita la scheda del gestore del servizio di telefonia (TIM, OMNITEL,
WIND,...). È necessaria l’abilitazione all’invio dati, che avviene con velocità molto interessanti per l’applicazione RTCM (9600 baud). Le tariffe sono quelle applicate alle
normali telefonate. Se la base viene allacciata alla rete di telefonia fissa, basta evidentemente il dispositivo cellulare per il solo rover. Quest'ultima soluzione non è
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peraltro conveniente in quanto i costi del traffico da cellulare a cellulare sono attualmente più competitivi.
I vantaggi di questo sistema di rilascio RTCM sono la semplicità d’uso e l’eliminazione dei problemi di accesso a licenze radio. Naturalmente l’operatività è condizionata dalla copertura territoriale dei segnali di telefonia cellulare, che, come tutti abbiamo sperimentato, è carente proprio nelle aree di maggiore interesse per il rilevamento
forestale (montagna alpina e appenninica). Altro svantaggio è il costo del traffico ed
inoltre occorre rilevare che non si tratta di un vero e proprio broadcasting dell’RTCM,
ma piuttosto di un collegamento cosiddetto point to point, nel senso che, a differenza
di quanto accade per il rilascio RTCM via VHF, una base può servire un solo rover per
volta (a meno che non si colleghino alla base in parallelo due o più linee cellulari, moltiplicando le utenze telefoniche).
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scheda tecnica 2: aspetti normativi connessi alla detenzione e all’uso di sistemi di radiocomunicazione per il rilascio
del segnale RTCM
In una configurazione strumentale RT-DGPS, la scelta del segmento ricetrasmittente più idoneo dipende dall’interazione tra fattori tecnici e normativi.
Dal punto di vista tecnico le radio che possono assolvere efficacemente al compito di trasmettere i dati di correzione differenziale dalla base ai rover devono avere
potenza sufficiente a coprire il bacino di irradiazione previsto dal rilievo e agire su frequenze che consentano alle onde il miglior comportamento rispetto agli ostacoli. Non
sembra invece essere un fattore critico la curvatura dell’orizzonte, che anche in
assenza di ostacoli impedisce comunque la visibilità fra due punti oltre i 50 km circa,
viste le distanze relativamente contenute (al massimo qualche decina di chilometri)
che caratterizzano i bacini di irradiazione delle correzioni differenziali.
I vincoli legislativi piuttosto severi imposti all’utilizzo di sistemi di radiocomunicazioni ad uso privato pongono purtroppo in secondo piano gli aspetti tecnici.
L’attuale quadro normativo che regolamenta questa materia trae origine dal
D.P.R. n. 156 del 29/3/73 «Approvazione del testo unico delle disposizioni legislative
in materia postale, bancoposta e di telecomunicazioni».
Una successiva serie di oltre 60 provvedimenti tra leggi, decreti, circolari e comunicati (MENTI, 1992), peraltro in continua evoluzione, rende veramente arduo all’utente
l’orientamento in questa «foresta burocratica» senza commettere errori che possono
avere spiacevoli risvolti in termini di responsabilità amministrativa e anche penale.
L’unico segmento radiantistico pienamente liberalizzato in Italia è quello degli
impianti denominati «di debole potenza» (fino a 10 W) operanti nella banda dei 27
MHz, noti come C.B. che, pur idonei all’uso per DGPS in tempo reale per potenza e
caratteristiche radiometriche, presentano notevoli problemi legati all’elevato traffico
che li caratterizza e alla necessità, nelle stazioni trasmittenti, di installare antenne di
considerevoli dimensioni che ne complicherebbero la funzionalità, soprattutto per
l’approntamento di basi mobili tipiche del rilievo GPS.
Le altre bande di frequenza che la legislazione vigente assegna ai radiocollegamenti di tipo privato, sia nello spettro VHF che in quello delle UHF (VHF: very high frequency, le onde radio con frequenza compresa tra 30 e 300 MHz - UHF: ultra high
frequency, le onde radio con frequenza compresa fra 300 e 3000 MHz) richiedono il
conseguimento di una patente i cui esami sono piuttosto impegnativi. In particolare,
se la licenza viene chiesta per potenze superiori ai 10 W è previsto anche il superamento di una prova pratica di ricetrasmissione in telegrafia Morse.
Il possesso di una patente (ad es. di radioamatore) abilita comunque all’attività
esclusivamente su frequenze dedicate allo scopo per cui è stata rilasciata; è quindi
lecito supporre che non sarebbe possibile trasmettere su tali frequenze i dati di correzione nel protocollo RTCM.
A tale scopo la strada maestra sarebbe quella di richiedere apposita concessione al Ministero PP.TT. – Direzione centrale servizi radioelettrici – producendo una corposa documentazione di carattere tecnico-amministrativo e attendendo molto tempo
(da alcuni mesi a oltre un anno) per il rilascio della concessione. Essa, peraltro, è
limitata ad una specifica frequenza assegnata, ad uno specifico territorio provinciale
o regionale e comporta il pagamento di un canone annuo non indifferente (da alcuni
milioni di lire in su) che dipende anche dal numero di utilizzatori (radio).
Fortunatamente negli ultimi anni è in atto un processo di semplificazione amministrativa nel settore dei radiocollegamenti che potrebbe avere dei risvolti positivi per i
potenziali utenti RT-DGPS.
Con la Legge 537 del 24/12/93 (legge finanziaria), art. 2 comma 7 e con il successivo D.M. delle PP.TT. del 29/4/94, è stato parzialmente liberalizzato l’uso di appa-
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recchi ricetrasmittenti con potenza fino a 10 W operanti nella banda dei 43 MHz, con
frequenze assegnate a specifici utilizzi «di servizio» distinti in 8 categorie, tra cui attività commerciali e agricole, sicurezza e sorveglianza nelle foreste, attività sportive
ecc.
Per utilizzare tali apparati è sufficiente produrre una denuncia di inizio attività,
presentata all'organo periferico competente per territorio del Ministero PP.TT. specificando lo scopo di utilizzo, e pagare un contenuto canone annuo.
Anche le caratteristiche tecniche delle radio di questa gamma sembrano rispondere ai requisiti prima esposti. In particolare, MENTI (1992) afferma che con apparecchiature professionali funzionanti in VHF, con una potenza di trasmissione di 10 W,
con un ricevitore a sensibilità non inferiore a 0,3 microVolt e con un’antenna fissata su
di un edificio alto 8 piani si ottiene un raggio di irradiazione, su terreno sgombro da
montagne o grandi ostacoli, di circa 20-25 km. Lo stesso Autore sottolinea che, per
contro, le lunghezze d’onda corrispondenti alle frequenze tipiche dello spettro VHF e
UHF (mediamente circa 2 m e 70 cm, rispettivamente) hanno caratteristiche di irradiazione che rendono necessaria la visibilità radio (che in pratica può essere fatta coincidere con la visibilità ottica) tra le antenne, non potendo fruire della riflessione sugli
strati alti dell’atmosfera, che invece permette alle onde con lunghezza d’onda superiore a 10 m di percorrere anche lunghi tragitti (NERI, 1978).
Da questo punto di vista la banda dei 43 MHz risulterebbe comunque vantaggiosa (lunghezza d’onda di circa 7 m) rispetto alla banda dei 144 MHz. Non è inoltre trascurabile il fatto che queste radio si collocano in fasce di prezzo piuttosto interessanti.
Resta da valutare caso per caso se le attività svolte con ausilio di RT-DGPS rientrerebbero in una delle 8 categorie cui la citata legge fa riferimento.
Occorre in ogni caso considerare che il protocollo RTCM utilizzato per la trasmissione dei dati di correzione dalla base ai rover prevede, a salvaguardia della qualità
dei dati, una soglia piuttosto elevata di rapporto segnale/rumore, laddove la fonia può
invece aver luogo anche in presenza di un segnale molto disturbato, purché le parole
siano sufficientemente intelligibili. Ne consegue che l’operatività di RT-DGPS tramite
protocollo RTCM sia un po’ inferiore alle normali comunicazioni foniche effettuate in
condizioni analoghe.
Appare infine utile fornire un compendio dei necessari adempimenti burocratici
che il potenziale operatore RT-DGPS deve effettuare (MARTINUCCI, 1993):
1) denuncia di possesso di apparati ricetrasmittenti, riportante il numero e tipo
(modello) di apparati, da inoltrare all’organo di Polizia (commissariato o questura)
competente per territorio;
2) denuncia di inizio attività, da inoltrare al Min. PP.TT. - Direzione centrale servizi
radioelettrici – ufficio periferico competente per territorio, da parte degli operatori
che intendono avvalersi della banda dei 43 MHz (con potenze fino a 10 W);
3) richiesta di concessione di apposita frequenza per utilizzo specifico (sempre al
Min. PP.TT.), corredata di idonea documentazione (MENTI, 1992; MARTINUCCI, 1993).
Si ricorda che l’impiego di potenze di emissione superiori a 10 W comporta il
possesso di patente, per qualsiasi frequenza utilizzata. Per i dettagli sull’iter burocratico legato al conseguimento della patente si rinvia a MARTINUCCI (1993).
È doveroso infine segnalare che l'evoluzione più probabile del segmento DGPS
real time è legata alla nascita e diffusione di provider che rilascino i dati per le correzioni dietro pagamento di tariffe o canoni (come sta già avvenendo per il differenziale
in post-processing), eventualmente ricorrendo a sistemi cellulari di trasmissione dati
(settore di sicuro interesse ma nel quale mancano al momento precisi riscontri sperimentali in ambito italiano). Sotto questo aspetto il settore forestale potrà certamente
avvantaggiarsi di riflesso dell'evoluzione tecnologica caratterizzante segmenti di
maggior interesse commerciale (ad es. il controllo a distanza dei veicoli).
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scheda tecnica 3: funzionamento e caratteristiche dei metal detector
Il metal detector è un radar portatile che trasmette onde radio tramite una antenna contenuta in un piatto di ricerca e contemporaneamente capta il segnale di ritorno.
Se le onde radio incontrano un oggetto metallico generano delle onde di rimbalzo che
vengono rilevate, interpretate e segnalate dall’apparecchio.
Per evitare i falsi segnali generati dai minerali ferrosi presenti nel terreno, gli
apparecchi sono dotati di un circuito elettronico che filtra il segnale proveniente da
questi elementi.
La profondità di rilevazione dipende da vari fattori quali la qualità di costruzione e
il tipo di apparecchio, la forma e la grandezza degli oggetti della ricerca. Mediamente
per oggetti della misura di una moneta o di un anello la profondità di rilevazione
varierà dai 20 ai 40 cm, per oggetti medi del tipo di una lattina si va dai 50 agli 80 cm,
con oggetti molto grandi si supera il metro. I metal detector sono in genere strumenti
solidi e resistenti alimentati da semplici batterie che garantiscono un’autonomia che
va dalle 30 alle 100 ore.
La maggior parte degli apparecchi moderni funziona con il sistema motion.
Questo significa che per poter ottenere il segnale di rilevamento il piatto ricercante
deve essere tenuto in movimento rispetto al terreno. Quando il segnale verrà rilevato,
riducendo la velocità di movimento dell’apparecchio, si potrà effettuare una centratura sufficientemente precisa sul punto. Molti apparecchi dispongono di un pulsante di
centratura cioè di un pulsante che quando viene premuto in vicinanza di un oggetto
metallico genera un segnale sonoro continuo anche in mancanza di movimento; il
segnale aumenta in prossimità dell’oggetto e diminuisce quando ci si allontana
garantendo così una centratura ottimale.
Vi è poi un dispositivo di discriminazione dei metalli che opera in modo da evitare
la segnalazione di oggetti metallici non desiderati. Tale discriminatore agisce selezionando gli oggetti sulla base delle dimensioni e sulla base del tipo di metallo di cui
sono costituiti. In genere tutti gli apparecchi possono essere immersi nell’acqua con
la testa ricercante purché resti all’asciutto la scatola dei controlli che comunque viene
in genere impermeabilizzata.
L’offerta sul mercato di questi strumenti copre una vasta gamma di apparecchi
con diverse caratteristiche tecniche i cui prezzi variano da un minimo di circa 500.000
ad un massimo di circa 3.000.000 di lire.
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scheda tecnica 4: indicatori di accuratezza del posizionamento GPS
Come è stato osservato varie sono le fonti di errore che influenzano l’accuratezza
e la precisione dei posizionamenti GPS. Esse si traducono evidentemente nella determinazione di coordinate diverse da quelle corrette per un certo punto. Quali indicatori
di tali divergenze sono normalmente calcolate delle variabili che esprimono in forma
probabilistica la tendenza dell’errore a rimanere nell’ambito di certi limiti.
Occorre chiarire che si può parlare di errore in senso stretto solo nel caso che le
coordinate vere siano conosciute con alta precisione attraverso procedure geodetiche o topografiche convenzionali. Normalmente ciò non accade, non solo nella pratica operativa, ma, spesso, nemmeno nella ricerca. Infatti, come espressione del valore
vero delle coordinate di un punto ci si affida alla media di rilevamenti stazionari molto
prolungati (almeno qualche decina di migliaia di posizioni), rispetto alle quali vengono
calcolati gli scostamenti in due o tre dimensioni dei singoli posizionamenti. Si sottolinea che gli indicatori di accuratezza normalmente riportati nella documentazione
commerciale dei ricevitori sono riferiti appunto a singoli posizionamenti e non a medie
stazionarie di essi. Quest’ultima modalità di determinazione delle coordinate è molto
più precisa.
Di seguito si evidenziano le modalità di calcolo degli indicatori più diffusi. Per una
trattazione approfondità degli indicatori di accuratezza si rinvia a VAN DIGGELEN
(1998).
Con Root Mean Square (RMS) si definisce la media quadratica (radice quadrata
della sommatoria dei quadrati) degli scostamenti e cioè delle distanze euclidee in
due o tre dimensioni tra coordinate vere e coordinate attuali. La distribuzione di frequenza delle posizioni GPS nelle due dimensioni planimetriche è di tipo ellittico con
tendenza alla circolarità. In funzione di tale fatto la distribuzione di frequenza dell’errore nel posizionamento è assimilabile alla Gaussiana circolare. Ne consegue che l’errore di posizionamento è inferiore al RMS2D nel 63-68% dei casi.
Il Circular Error Probable (CEP) nelle due dimensioni è dato dalla mediana degli
scostamenti e quindi, per definizione, delimita il valore di errore che non viene superato nel 50% dei casi.
Teoricamente, RMS2D =CEP*1,2 (VAN DIGGELEN,1998).
21

99 1 ita - Unità di ricerca per il Monitoraggio e la Pianificazione

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