La geomatica è la scienza che modellizza e analizza dati geografici "georeferenziati", per produrre e gestire informazioni spaziali. Se si pensa che la maggior parte delle decisioni politiche viene presa in base a considerazioni su dati spaziali territoriali, l’impatto sociale di questa materia è evidente: essa è a supporto di operazioni tecniche, scientifiche, politico amministrative e legali. La conoscenza del territorio attraverso la misura e la rappresentazione, è fondamentale per la sua gestione, per fini protezionistici o per la realizzazione ed il controllo di opere di ingegneria.
L’insegnamento si propone di fornire agli studenti, conoscenze sui moderni metodi di posizionamento satellitare GPS / GNSS, posizionamento inerziale, misure con laser a scansione, fotogrammetria digitale e tecniche integrate, finalizzate alle applicazioni di rilievo a supporto dell’ingegneria civile. Oltre alla teoria strumentale e ai principi di misura, la definizione dei sistemi di riferimento e la loro realizzazione è alla base di ogni operazione di georeferenziazione. Il trattamento statistico dei dati sarà finalizzato all’elaborazione delle misure acquisite, alla loro restituzione e all’integrazione dei vari sensori di misura per il rilievo integrato. Il trattamento dei dati, fatto con programmi di calcolo noti in ambiti scientifici e professionali, permetterà di valutare le potenzialità dei moderni metodi di rilievo.

Conoscenza dei principi teorici su cui si basano le diverse tecniche di misura, progetto ed esecuzione dei rilievi, conoscenza delle tecniche di elaborazione dei dati, analisi dei risultati e loro valutazione con tecniche statistiche. Applicazione delle tecniche geomatiche per il rilievo del territorio, di edifici e opere d’ingegneria, per la cartografia, per il monitoraggio dei movimenti e delle deformazioni, per il tracciamento e la realizzazione di opere d’ingegneria civile e per la protezione del territorio.

Capacità di eseguire misure con ricevitori GPS/GNSS, stazioni totali, laser a scansione, sensori inerziali e tecniche di fotogrammetria digitale. Capacità di scelta delle ottimali metodologie di rilievo e capacità di integrare dati provenienti dalle diverse tecniche di misura. Capacità di elaborazione delle misure acquisite sul terreno, o di esempi proposti. Capacità di sviluppo autonomo di procedure di calcolo per problemi di calcolo per le applicazioni geomatiche.

Oltre alle fondamentali conoscenze matematiche, si richiedono le basi della topografia, quali la geodesia (superfici e sistemi di riferimento), la cartografia, il trattamento delle misure e la parte teorica strumentale relativa alle misure topografiche classiche.

Presentazione dell’ insegnamento. Richiami di statistica, variabile statistica e casuale nD, correlazione lineare, minimi quadrati. Stima della matrice di varianza covarianza dei parametri, affidabilità teorica ed errori del 1° e 2° tipo, data-snooping. Test adeguatezza del modello e numero di condizione. Matrice di ridondanza e relazione tra osservazioni e residui. Problemi di mq: equazioni delle reti geodetiche, loro linearizzazione e condotta dei calcoli. Ellissi d'errore, simulazione di reti e grandezze progettabili. Principi su minimi quadrati sequenziali e su filtro di Kalman.

Richiami sul sistema e sul segnale. Concetti di calcolo delle orbite satellitari. Posizionamento GPS stand-alone con misure di codice e di fase. Errori nel GPS. Posizionamento relativo: differenze di fase. Cycle slip. Posizionamento differenziale DGPS e RTK, trasmissione delle correzioni differenziali. Tecniche di acquisizione: modalità e precisione del posizionamento. Caratteristiche dei ricevitori GPS/GNSS. Stazioni permanenti. Posizionamento GNSS: caratteristiche della costellazioni GLONASS. Cenni su nuove costellazioni Galileo, COMPASS, QZSS. Reti GNSS classiche e reti RTK. Architetture VRS, MRS, MAC.

Concetto e definizione di DATUM. Sistemi inerziali ed ECEF. Cambio di sistema di riferimento e sistemi di coordinate. Reti geodetiche nazionali: IGM95, reti di stazioni permanenti GNSS, Rete Dinamica Nazionale (RDN). DATUM altimetrico: dislivelli con GPS e con misure classiche, quote ortometriche dinamiche e geopotenziali, correzioni ortometriche. GNSS e reti 3D: integrazione con misure classiche, da campo reale a campo normale e parallelo della gravità.

Principi fisici del posizionamento inerziale, giroscopi, accelerometri e magnetometri. Sensori inerziali IMU e loro tipologie strapdown e gimbaled. Principi sul calcolo della posizione con IMU. Bias ed errori sul posizionamento. Sistemi di riferimento inerziali, ECEF, di navigazione e body e equazioni di navigazione. Navigazione inerziale e integrata con GNSS, accoppiamento loosely e tightly coupled. Applicazioni GNSS/IMU nella geomatica: rilievi ad alto rendimento con Mobile Mapping System (MMS) in applicazioni terrestri, aeree o con droni, integrazione tra IMU GNSS, camere digitali, relazioni tra sistemi di riferimento e scale temporali.

Principi di funzionamento del laser a scansione. Impulsi e misure di fase. Echi e impulsi di ritorno del segnale. Tipologie di strumenti e precisioni. Tecniche di acquisizione LIDAR terrestri e aeree. Posizionamento del sensore nel LIDAR aereo e terrestre. Integrazione tra LIDAR aereo, GNSS e IMU. Il progetto delle scansioni aeree e terrestri. Allineamento e registrazione delle scansioni LIDAR e cenni su filtraggio, classificazione e segmentazione. Prodotti e applicazioni che si avvalgono del LIDAR.

Principi, fotogramma e stella di direzioni. Fasi del processo: presa e restituzione. Sistema di riferimento immagine, orientamento interno ed esterno. Fondamenti analitici: equazioni collinearità. Equazioni di prospettivizzazione e di restituzione. Proiezione centrale di un oggetto piano. Progetto del volo. Orientamento interno, distorsione obiettivi, orientamento relativo analitico simmetrico e asimmetrico, orientamento assoluto analitico. Cenni sulla triangolazione aerea per modelli indipendenti e stelle proiettive. Visione stereoscopica. Restitutori analitici e digitali. Camere fotogrammetriche digitali e analogiche, aeree e terrestri. Fotogrammetria digitale, raddrizzamento e ortoproiezione. Applicazioni della fotogrammetria per il rilievo del territorio e oggetti.

La realizzazione e il tracciamento di opere d'ingegneria: dal progetto alla realizzazione dell’opera, rete geodetica di inquadramento per le operazioni di tracciamento. Tracciamento planimetrico e altimetrico con stazioni totali, con GPS/GNSS, con teodoliti giroscopici: schemi operativi e precisioni. Problemi geodetici e cartografici nella riduzione delle misure dal piano cartografico al terreno. Sistemi di riferimento isometrici per il tracciamento di grandi opere ed esempi operativi.

Le esercitazioni si terranno per 12 ore in parte in esterna, per operazioni di rilievo, e in parte nei laboratori, per il trattamento dei dati e le operazioni di restituzione. Per motivi di numerosità, nelle operazioni di misura le 2 squadre potranno essere ancora suddivise in gruppi, secondo l’organizzazione che verrà comunicata di volta in volta.
Rilievo per appoggio fotogrammetrico. Misure LIDAR. Rilievo GNSS RTK e con ricevitori GPS palmari.
Esercizi su minimi quadrati, cambio sistema di riferimento, compensazione reti topografiche 3D. Progetto misure GNSS (planning), trattamento dati GPS e restituzione dei rilievi eseguiti, trattamento e visualizzazione dati LIDAR, raddrizzamento fotogrammetrico, visione e prova di restituzione stereoscopica.

Testi consigliati:
• Cina, A. (2014) – Dal GPS al GNSS (Global Navigation Satelite System) per la Geomatica – Torino - CELID
• Cina, A. (2002). Trattamento delle misure topografiche. CELID, Torino.
• Comoglio, G. (2008). Topografia e cartografia. CELID, Torino.
• Manzino, A. (2001). Lezioni di Topografia – Otto Editore. In: http://ebook.polito.it/pubbl.html.
• Dispense e slides fornite durante l’ insegnamento, reperibili sul sito della didattica.

Per approfondimenti:
• Bellone T. (2006) – Appunti di trattamento delle osservazioni – Torino, Politeko.
• Kraus, K., 1994. Fotogrammetria. Vol.1 – Teoria e applicazioni. Traduzione di Sergio Dequal. Torino, Levrotto & Bella, 518 pp.
• Hofmann-Wellenhof et al (2008) – GNSS Global Navigation Satellite system. Springer – New York.
• Leick (2003) - Gps Satellite Surveying - J. Wiley – Canada. III Edizione.

L'esame ha la finalità di verificare l'individuale raggiungimento dell'obiettivo fondamentale dell'insegnamento, la capacità di sviluppare un percorso di progettazione nel quale conoscenza e proposta progettuale siano collegate in ogni fase.
La prova orale inizia controllando il lavoro sviluppato durante le esercitazioni che è verificato individualmente dal commento degli elaborati di rilievo.
L'autonomia e la maturità del singolo sono verificati impostando soluzioni a problemi di rilevamento spiegati durante le lezioni o le esercitazioni.