Superfici di Riferimento (1/4) La definizione di una superficie di riferimento nasce dalla necessità di avere un supporto matematico su cui sviluppare il rilievo eseguito sulla superficie terrestre. Tale superficie deve: • rappresentare nel miglior modo possibile la reale forma della superficie terrestre; • essere esprimibile attraverso una formulazione matematica semplice. Qualunque punto P di massa m posto sulla superficie terrestre è sottoposto a delle forze Forza Centrifuga Forza di Attrazione Gravitazionale f ma m 2 r mM F G 2 d • • • • • • m massa del punto P; ω velocità angolare; r distanza del punto P dall’asse di rotazione; G costante di Gravitazione Universale; M massa della Terra; d distanza del punto P dal centro di massa terrestre. La risultante delle due forze è la forza di gravità, variabile da punto a punto. • • • La direzione della forza di gravità è fondamentale nella pratica operativa in quanto definisce la verticale per il punto; L’insieme delle linee di forza del campo di gravità definiscono il campo gravitazionale che ammette un potenziale gravitazionale W; W fornisce una serie infinita di superfici, chiamate equipotenziali, con la proprietà di avere la verticale in ogni punto normale alla superficie stessa. Superfici di Riferimento (2/4) Geoide Supponendo la massa terrestre costituita da un liquido in quiete (assenza d moti e correnti), essa si disporrebbe secondo una delle superfici equipotenziali (W costante) scelta in modo da essere passante per un determinato punto in un determinato istante. dm 2 2 W x, y , z G x y2 c r 2 T Di complessa trattazione analitica perché richiede la conoscenza della legge di distribuzione della massa all’interno della Terra Quota Ortometrica Sferoide Lunghezza della linea di forza compresa tra la superficie equipotenziale passante per il punto P e il geoide Superficie che si otterrebbe supponendo una distribuzione della massa simmetrica rispetto all’asse di rotazione terrestre. Risulta complesso definire alcuni sistemi di coordinate su tale superficie Superfici di Riferimento (3/4) Ellissoide Superficie ottenuta dalla rotazione attorno all’asse terrestre di un ellisse di semiasse maggiore a e semiasse minore b. Espressione Analitica Ellissoide a α Helmert (1906) 6 378 200 m 1/298,3 Hayford (1909) 6 378 388 m 1/297 x2 y2 a2 z2 b2 1 ab a Schiacciamento Prima Eccentricità e2 a2 b2 a2 Superfici di Riferimento (4/4) Coordinate Ellissoidiche Consentono di definire la posizione di un punto rispetto alla superficie dell’ellissoide. Latitudine Meridiani Paralleli angolo di inclinazione φ formato dalla normale n passante per un punto P ed il piano equatoriale Longitudine angolo diedro λ formato tra un piano di riferimento passante per l’asse di rotazione ed il piano passante per il punto P e l’asse di rotazione Quota Ellissoidica distanza fra il punto P e la superficie di riferimento, misurata lungo la normale n passante per il punto Insieme dei punti sulla superficie di riferimento caratterizzati da uguale longitudine. Il meridiano di riferimento (λ = 0) è quello passante per Greenwich. Insieme dei punti sulla superficie di riferimento caratterizzati da uguale latitudine. Il parallelo di riferimento (φ = 0) è quello passante per l’equatore. Ondulazione del Geoide In un punto generico P della superficie fisica terrestre, la verticale (ossia la tangente alla linea di forza passante per P) generalmente non coincide con la normale all’ellissoide passante per P. Deviazione della Verticale L’angolo formato tra verticale e normale all’ellissoide in un punto P. Ondulazione del Geoide Differenza tra quota ellissoidica e quota geodetica di un punto P. Raggi Principali di Curvatura È possibile definire dei raggi di curvatura che caratterizzano la superficie in un determinato punto P. I due raggi di curvatura fondamentali sono individuabili tagliando la superficie ellissoidica con le due sezioni normali principali per P. Primo Raggio di Curvatura raggio di curvatura ρ del meridiano passante per un punto P sulla superficie, individuato secando l’ellissoide con il piano meridiano passante per P. Grannormale Raggio della Sfera Locale r N cos 1 e 2 sin 2 3 raggio di curvatura ottenuto secando l’ellissoide con un piano contenente la normale all’ellissoide e perpendicolare al piano del meridiano. N Raggio del Parallelo passante per P a 1 e2 a 1 e 2 sin 2 a cos 1 e 2 sin 2 a 1 e2 R N 1 e 2 sin 2 È la superficie sferica che meglio approssima quella ellissoidica nell’intorno del punto P Geodetica Linea congiungente due punti A e B sulla superficie ellissoidica, che gode della proprietà di avere, in ogni punto, la normale coincidente con la normale alla superficie. Rappresenta la minima distanza tra due punti su una superficie: • è una retta nel caso di una superficie piana; • è un arco di cerchio massimo nel caso di superficie sferica. Dati due punti A, B sulla superficie ellissoidica, si considerano: • il piano ПA contenente la normale per A e il punto B; • il piano ПB contenente la normale per B e il punto A; Si individuano le sezioni normali come le intersezioni tra i due piani e l’ellissoide. La geodetica è una curva compresa tra le due sezioni normali. • • Tra i paralleli, solo l’equatore è una geodetica; Qualunque meridiano è una geodetica. Sistemi di Coordinate Geodetiche Polari Le coordinate del punto P sono espresse, rispetto ad una origine O, attraverso la lunghezza s dell’arco di geodetica congiungente P ad O e l’angolo α tra la geodetica e il meridiano passante per O. Geodetiche Ortogonali Le coordinate del punto P sono espresse, rispetto ad una origine O, attraverso la lunghezza dell’arco di geodetica Y congiungente P a P′ (ortogonale al meridiano in P′) e la lunghezza dell’arco di geodetica X = OP′. Sono alla base della cartografia catastale italiana, che presenta diverse emanazioni (origini) sul territorio Cartesiane Le coordinate del punto P sono espresse, rispetto ad una origine O, attraverso la terna ortogonale cartesiana individuata dal sistema di riferimento scelto. Utilizzato nell’ambito della geodesia spaziale (GPS ed altre tecniche) anche per orientare ellissoidi di riferimento validi a livello globale Relazione tra Coord. Ellissoidiche e Cartesiane x r cos N cos cos y r sin N cos sin a 1 e 2 sin z N 1 e 2 sin 1 e 2 sin 2 Punto sulla superficie Sistema facilmente invertibile. Si calcola ω da x e y, poi φ da z e una tra x e y. Punto con quota h r x 2 y 2 N h cos z N h sin Ne 2 sin Ne 2 tan 1 r N h cos N h cos N h z 1 1 arctan 2 r 1 e a N1 1 e 2 sin 2 1 x N h cos cos y N h cos sin z N 1 e 2 h sin 1. 2. 3. 4. Si determina la distanza r del punto rispetto all’asse Z; Si calcola il rapporto z/r e si pone h0 = 0 per calcolare un primo valore φ1, a cui corrisponde un valore N1; Con N1 e φ1 si determina un nuovo valore h1 dalla r; N1 e h1 si sostituiscono in z/r per determinare h2 e il procedimento viene ripetuto iterativamente sin quando la differenza tra due valori consecutivi di N è opportunamente piccola. Soluzioni Approssimate dell’Ellissoide Nei calcoli topografici è possibile approssimare la reale forma della Terra con le tre superfici: ellissoidica, sferica e piana. Ciò comporta una semplificazione in termini analitici. Sarà possibile scegliere una delle tre superfici di riferimento in relazione a: • estensione areale del rilievo; • precisione richiesta. Misura di Distanze Precisione massima raggiungibile di 1 mm / 1 km (10–6) sia in planimetria che in quota Misura di Angoli Precisione massima raggiungibile di 0,1′′ (≈ 0,5∙10–6 rad) Campo Geodetico distanza entro la quale la differenza relativa tra le coordinate di un punto sulla sfera locale tangente all’origine e le stesse coordinate sull’ellissoide di riferimento non supera il valore di 10–6. 200 km in planimetria 10-20 km in altimetria Campo Topografico distanza entro la quale la differenza relativa tra le coordinate di un punto su un piano tangente all’origine e le stesse coordinate sull’ellissoide di riferimento non supera il valore di 10–6. 15 km in planimetria 100 m in altimetria