TOPOGRAFICI, APPARECCHI
TOPOGRAFICI, APPARECCHI (App. II, 11, p. 1002)
L'aggettivo viene qui inteso in senso lato, comprendendovi anche gli strumenti usati per le operazioni geodetiche che, in sostanza, non sono distinte da quelle topografiche se non per il grado di precisione tenuto nelle misure.
Nell'ultimo decennio la strumentazione classica ha subìto soprattutto modifiche volte a un miglioramento qualitativo dei componenti, alla diminuzione di peso e d'ingombro, e a una maggiore maneggevolezza. Sono state, però, realizzate anche strumentazioni di tipo totalmente nuovo, dovute al perfezionamento di princìpi tradotti in pratica per scopi bellici o in applicazione su scala industriale della più avanzata tecnologia derivante dalle imprese spaziali. In questa categoria devono essere compresi gli strumenti elettronici per le misure di distanza, per i quali si rimanda alla voce telemetria elettronica, in questa Appendice.
Livelli. - La tendenza dei costruttori si è in un primo tempo rivolta, per i livelli non classificabili di alta precisione, alla riduzione delle dimensioni: sono stati, così, costruiti livelli da cantiere di dimensioni ridottissime e di peso attorno al kg. Tutta la produzione, inoltre, è stata limitata al livello di tipo inglese (cannocchiale fisso e livella fissa al cannocchiale) abbandonando non solo i tipi a cannocchiale mobile, ma anche quelli a cannocchiale girevole.
Negli anni Cinquanta vennero condotti i primi esperimenti per la produzione di un tipo di livello autolivellante, detto anche autolivello, nel quale l'orizzontalità della linea di mira veniva realizzata automaticamente, e automaticamente mantenuta per piccole inclinazioni del cannocchiale, eliminando così la livella torica e la necessità di mantenerla costantemente centrata durante le misure. Ciò, soprattutto per le livellazioni di alta precisione e di precisione, soggette a norme operative molto restrittive, consente una grande economia: basti pensare al vantaggio di tempo conseguente dal fatto che le vibrazioni del terreno, dovute al traffico motorizzato, non costringono più ad attendere l'assestamento della bolla della livella, e all'eliminazione dell'ombrellone parasole, che permette di ridurre di una persona la squadra operativa. I vantaggi furono subito evidenti, ma le case costruttrici incontrarono notevoli difficoltà nel realizzare dispositivi autolivellanti con sensibilità almeno pari a quella di una livella e con smorzamento sufficientemente rapido. La produzione, quindi, fu in un primo momento rivolta a strumenti per livellazioni tecniche, e praticamente ognuna delle grandi case costruttrici ha prodotto un proprio modello; con l'esperienza acquisita e con l'affinamento delle tecniche costruttive, nell'ultimo decennio sono stati realizzati degli ottimi autolivelli, di precisione superiore a quella dei migliori strumenti di tipo tradizionale. Citeremo, a titolo di esempio, l'autolivello Ni1, della Zeiss di Oberkochen, e il NI 022 della Jenoptik di Jena.
Il dispositivo autolivellante, che viene detto compensatore ottico in quanto deve compensare il difetto di orizzontalità del cannocchiale, è stato realizzato nei modi più svariati dalle case costruttrici. Il modello concettualmente più semplice è illustrato in fig. 1 ed è stato adottato dalla Salmoiraghi per il suo livello di precisione mod. 5190 nonché per un altro modello di precisione più limitata; un dispositivo simile si trova anche nel NI 007 della Jenoptik. Due specchi S1 ed S2, disposti davanti all'obbiettivo e formanti un angolo di 45°, mediante doppia riflessione deviano di 90° i raggi luminosi; verranno, quindi, deviati verticalmente i raggi che incidono con direzione orizzontale sullo specchio S2. Il cannocchiale è disposto verticalmente e il suo reticolo R è contenuto in una massa pendolare P fissata all'armatura del cannocchiale mediante tre fili metallici (di cui sono indicati solo B1 e B2). Per effetto della gravità l'asse di collimazione NM si dispone sempre lungo la verticale, per cui prosegue all'esterno dello strumento nella direzione orizzontale GM′. La massa pendolare può oscillare entro un'armatura cilindrica che lascia un gioco di pochi decimi di mm; ciò permette un rapido smorzamento per effetto della resistenza dell'aria, ma impone dei limiti nel difetto di verticalità del cannocchiale poiché altrimenti il pendolo va "in battuta": lo strumento reca, perciò, anche un reticolo fisso (non segnato in figura) che con i suoi tratti delimita lo spazio entro cui devono mantenersi i tratti del reticolo mobile affinché il sistema pendolare possa oscillare. Una livella sferica consente di disporre il cannocchiale approssimativamente verticale.
Uno strumento di tipo totalmente nuovo, usato per la determinazione di piani quotati, è stato prodotto in tempi assai recenti.
Lo schema costruttivo, realizzato con poche varianti dalle case costruttrici, è il seguente: un tubo a laser invia verticalmente un raggio luminoso che viene deviato di 90° da un prisma mantenuto in continua rotazione attorno a un asse verticale, per cui il raggio descrive un piano orizzontale. Sui punti di cui si vuole determinare il dislivello viene posta verticalmente una speciale mira, costituita da un'asta graduata su cui è scorrevole uno scopo che reca due fotorivelatori disposti sulla stessa verticale a qualche cm l'uno dall'altro; lo scopo viene fatto scorrere finché è collimato, cioè fin quando i fotorivelatori indicano uguali intensità di corrente rilevate mediante un apposito dispositivo. Il dislivello è dato dalla differenza tra l'altezza del prisma rotante e l'altezza dello scopo letta sulla mira. L'approssimazione di misura è di 1 ÷ 2 cm e il raggio d'azione è di circa 300 m (per distanze maggiori la curvatura terrestre non potrebbe essere trascurata).
Sempre in tempi molto recenti si sono moltiplicate le applicazioni della livellazione idrostatica, per la quale sono state costruite apparecchiature estremamente sofisticate.
Il principio applicato è quello semplicissimo dei vasi comunicanti: sui punti tra cui si vuole determinare il dislivello vengono posti identici recipienti, collegati tra loro da una tubazione flessibile. Essi vengono riempiti di liquido fino a una certa altezza e una punta, collegata a una scala graduata, viene portata in contatto con la superficie del liquido. I dislivelli sono allora dati dalle differenze delle letture alle scale. La precisione oggi ottenibile è di 0,01 mm: è quindi ovvio che occorre tenere conto di tutti i fattori fisici che influenzano la misura. La principale applicazione della livellazione idrostatica è il controllo della stabilità degli edifici: si segnala come esempio l'installazione fatta nel Duomo di Milano.
Teodoliti. - Negli anni Cinquanta E. Gigas ideò il teodolite a registrazione fotografica, costruito dalla casa Askania. Si tratta di un teodolite di grande precisione i cui cerchi, oltre che essere letti nella maniera usuale, possono venire fotografati con comando manuale oppure con telecomando e la lettura può essere fatta sull'immagine fotografica. È così possibile osservare da più punti di stazione, ove sia stato disposto uno strumento siffatto, una mira mobile, per es., un razzo illuminante paracadutato: è sufficiente che ciascun osservatore mantenga costantemente in collimazione l'oggetto mobile perché, comandando via radio le fotografie dei cerchi, si ottengano i valori delle osservazioni angolari simultanee dalle varie stazioni. Con questo procedimento sono stati eseguiti vari collegamenti geodetici attraverso estesi bracci di mare.
Alcuni recenti strumenti hanno un cannocchiale catadiottrico, così detto perché i raggi luminosi subiscono rifrazioni attraverso lenti e riflessioni su specchi sferici.
La fig. 2 mostra lo schema ottico del cannocchiale ideato da H. Wild e adottato dalla casa Kern per i suoi teodoliti DKM3: i raggi luminosi dopo aver attraversato le lenti obbiettive L1 ed L2 vengono riflessi dagli specchi S1 ed S2 e convogliati al reticolo R che è osservato mediante l'oculare O; l'aggiustamento alla distanza è ottenuto con lo spostamento di un'usuale lente di focamento (non riportata in figura). Tale disposizione consente di ridurre grandemente, a parità di distanza focale, la lunghezza del cannocchiale e di aumentare il diametro dell'obbiettivo, con grande vantaggio di luminosità. La casa Kern ha introdotto altre innovazioni nei suoi strumenti: il perno che costituisce l'asse di rotazione dell'alidada è stato sostituito con un movimento su cuscinetto a sfere autocentrante; per i cerchi è stata introdotta la tecnica del doppio cerchio (la sigla DK è formata dalle iniziali di Doppel Kreis): su ogni cerchio graduato sono tracciate indipendentemente due graduazioni concentriche e la lettura viene eseguita utilizzando i tratti dell'una, prelevati da un lembo del cerchio, e i tratti dell'altra prelevati dal lembo diametralmente opposto. Si riduce, così, l'effetto dell'errore periodico di graduazione.
Quasi tutte le case costruttrici nell'ultimo decennio hanno eliminato la livella del cerchio zenitale, sostituendola con un congegno autolivellante, generalmente di tipo pendolare.
Alcuni tipì di teodolite possono essere equipaggiati con un tubo a laser che consente di proiettare l'immagine del reticolo del cannocchiale, materializzandone così l'asse di collimazione: ciò può servire, per es., in galleria, a individuare un allineamento o a guidare una macchina operatrice, oppure a costituire una mira temporanea raccogliendo l'immagine su uno schermo.
Giroteodoliti. - Un piccolo giroscopio montato su alcuni teodoliti consente d'individuare il Nord geografico con approssimazione di circa 10′′. Il suo impiego è particolarmente utile in galleria, in luogo della bussola che può essere influenzata da masse ferrose.
Tacheometri. - Non vi sono state sostanziali modifiche se si eccettua l'adozione, ormai in quasi tutti i tipi recentemente prodotti, del dispositivo autolivellante per la lettura del cerchio zenitale. I perfezionamenti sono stati rivolti principalmente alla riduzione del peso e delle dimensioni e a consentire una maggiore maneggevolezza. Sono stati invece prodotti tipi sempre più perfezionati di tacheometri autoriduttori; la loro utilità, però, da qualche anno è scomparsa poiché le macchine calcolatrici elettroniche da tavolo o tascabili, alcune anche programmabili, che negli ultimi tempi sono state prodotte a prezzi sempre più contenuti, hanno eliminato il vantaggio derivante dal minor lavoro di calcolo richiesto con questi strumenti, per cui il loro notevole maggior costo non è più giustificato.
Gravimetri. - Dalla fine dell'ultimo conflitto mondiale le misure di gravità non sono più eseguite misurando il periodo di oscillazione di pendoli, bensì, in base alla relazione p = mg, mediante perfezionatissimi dinamometri in cui l'organo di misura è costituito da sottilissime molle di filo di quarzo. Gli strumenti di questo genere, detti gravimetri, sono soggetti a deriva, cioè a una variazione delle costanti strumentali che permettono di risalire al valore della gravità, e ciò soprattutto per la variazione delle proprietà elastiche delle molle; essi sono, quindi, utilizzabili per misure relative, ossia di differenze di gravità, che devono essere eseguite in un tempo ragionevole perché l'effetto della deriva possa essere corretto linearmente nel tempo. I primi esemplari di questo genere furono costruiti all'inizio degli anni Quaranta; da allora continui perfezionamenti hanno condotto agli attuali modelli, alcuni dei quali, con deriva ridottissima, consentono una precisione di misura di 0,01 mgal. Strunenti di questo tipo, montati su piattaforme inerziali, vengono usati anche per misure a bordo di navi o aerei e anche, racchiusi in speciali contenitori, per misure sottomarine.
In tempi recentissimi, sfruttando l'altissima precisione consentita dalle moderne tecniche elettroniche nelle misure di tempo, sono stati costruiti strumenti per misure assolute di gravità ottenute misurando il tempo di caduta, nel vuoto, di una massa per una lunghezza nota. La realizzazione pratica di questo principio è stata oggetto di sperimentazione per un lungo periodo di tempo, ma solamente con i progressi tecnologici raggiunti negli ultimi anni è stato possibile raggiungere precisioni che possono essere definite sbalorditive. Uno strumento di questo genere è in servizio, in installazione fissa, al Bureau international des poids et mesures a Sèvres: esso fornisce valori con approssimazione del μgal, cioè 10 volte superiore a quella dei migliori gravimetri. Uno strumento analogo, ma con il vantaggio di essere portatile, è stato costruito a Torino: grazie a questo strumento ha avuto inizio un programma di lavoro per una rete mondiale di misure assolute.
Nuove strumentazioni. - I princìpi delle apparecchiature inerziali montate sui missili e sui satelliti artificiali hanno cominciato a trovare applicazione in strumentazioni terrestri per la determinazione delle coordinate dei punti. Siamo ora alla "prima generazione", ma sono prevedibili miglioramenti nelle precisioni raggiungibili, tali da cambiare totalmente le tecniche finora seguite.
Un apparato di questo tipo è il GEM (Ground Elevation Meter), prodotto dalla Sperry-Sun Well Surveying Co. di Houston, Texas, per la determinazione automatica e continua delle quote lungo un qualsiasi itinerario. È costituito da un autoveicolo su cui è montato uno speciale pendolo (una specie di complesso archipendolo) che misura in ogni istante l'inclinazione assunta dal veicolo; un'apposita ruota misura lo spazio percorso. Un calcolatore elettronico installato a bordo valuta in tempo reale la quantità: Δh = ∉ v sen ϑ dt, ove h rappresenta la quota, v la velocità istantanea, ϑ l'angolo d'inclinazione istantaneo e t il tempo; in qualunque istante il calcolatore può quindi fornire il dislivello con il punto di partenza. Il veicolo può tenere velocità più o meno alte in relazione al fondo stradale; l'approssimazione nelle quote è valutata attorno a 60 cm. Il suo uso è particolarmente indicato per i rilievi gravimetrici, poiché l'approssimazione è in genere sufficiente per calcolare la riduzione da apportare alle misure di gravità.
Una strumentazione molto più completa e avanzata è l'Autosurveyor, prodotto dalla Litton Corporation di Woodland Hills, California, che è il più recente perfezionamento di altre apparecchiature denominate PADS (Position and Azimuth Determination System) e IPS (Inertial Positioning System). Questa strumentazione può fornire in qualsiasi punto latitudine, longitudine e quota, con approssimazione di 20 ÷ 40 cm, nonché le componenti della deviazione della verticale e l'anomalia gravimetrica.
Il sistema è composto essenzialmente da un calcolatore elettronico e da una piattaforma inerziale, oltre alle sorgenti di energja, ai dispositivi di registrazione dati e al quadro di comando, ed è installata a bordo di un autoveicolo o di un elicottero. La piattaforma contiene tre giroscopi che individuano una terna cartesiana costituita dalla direzione della verticale e dalle direzioni Nord-Sud ed Est-Ovest. Ciascun giroscopio è fornito di un sensibilissimo accelerometro che quantizza le accelerazioni lungo quella direzione. Partendo da un punto di coordinate note, che vengono fornite al calcolatore insieme con i parametri necessari a descrivere la superficie ellissoidica rispetto a cui devono essere riferite le coordinate da calcolare, gli accelerometri degli assi orizzontali trasmettono al calcolatore i loro dati ed esso a sua volta comanda l'inclinazione della piattaforma per mantenerla orientata secondo la verticale ellissoidica. Ogni 17 millisecondi mediante integrazione vengono calcolate le componenti della velocità e con una seconda integrazione quelle della distanza percorsa, che viene ridotta a livello del mare. Quando il veicolo si arresta vengono determinate le coordinate geografiche, e una doppia integrazione dell'accelerometro verticale fornisce il valore della quota. Lo stesso accelerometro dà il valore della gravità (che è un'accelerazione) e la differenza con la gravità normale calcolata dall'elaboratore costituisce l'anomalia gravimetrica. La piattaforma viene disposta nuovamente secondo la verticale fisica, sotto l'azione dei giroscopi: lo spostamento che essa subisce viene misurato nelle sue componenti orizzontali, che costituiscono le componenti della deviazione della verticale.
I giroscopi e gli accelerometri sono soggetti a deriva, che per i primi è praticamente lineare mentre per i secondi lo è solo per pochi minuti. Per questo motivo l'arresto e il riassetto della piattaforma devono avvenire a intervalli non superiori a 6 minuti. Il veicolo, su strada non accidentata, può tenere buone velocità. Un ulteriore perfezionamento, attualmente in corso di sperimentazione, consiste nell'aggiunta di gradiometri per la misura dei gradienti della gravità.
Bibl.: A. Mancini, J. Huddle, Gravimetric and position determinations using land based inertial systems, ACSM (American Congress of Surveying and Mapping), Washington 1975; W. E. Ball, Testing an airborne inertial survey system for B. L. M. Cadastral Survey application in Alaska, ACSM Congress, ivi 1975; L. F. Gregerson, Inertial instrumentation at the geodetic survey of Canada, Commonwealth Surwey Officer's Conference, Cambridge 1975; L. F. Gregerson, R. J. Carriere, Inertial surveying system experiments in Canada, IAG (International Association of Geology), General Assembly, 18-31 agosto, Grenoble 1975; IAG, Proceedings of the 1st international symposium on inertial technology for surveying and grodesy, Ottawa 1977.