Lezione 3 Teorema di LEGENDRE. Il Teorema di ... - Rilevamento.it
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<strong>Lezione</strong> 3<br />
PROBLEMI GEODETICI DELLA TOPOGRAFIA<br />
(estratto dal testo Inghilleri: Topografia)<br />
<strong>Teorema</strong> <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong>.<br />
<strong>Il</strong> <strong>Teorema</strong> <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong>, permette <strong>di</strong> risolvere un triangolo sferico, contenuto nel campo<br />
geodetico, con gli algor<strong>it</strong>mi della trigonometria piana.<br />
Triangolo sferico<br />
Prima <strong>di</strong> dare l'enunciato <strong>di</strong> questo teorema è necessario precisare che la somma dei tre angoli A,<br />
B e C <strong>di</strong> un triangolo sferico è superiore a π <strong>di</strong> una quant<strong>it</strong>à, che si denota con 3ε, chiamata<br />
eccesso sferico, e cioè<br />
A + B + C - π = 3ε;<br />
si <strong>di</strong>mostra facilmente che l'eccesso sferico è numericamente valutabile, in ra<strong>di</strong>anti, facendo il<br />
rapporto fra l'area S del triangolo ed il quadrato del raggio della sfera e cioè<br />
Si può ora osservare che, dato un triangolo sferico <strong>di</strong> lati a, b e c, si può sempre costruire un<br />
triangolo piano che ha i lati rettilinei <strong>di</strong> lunghezza a, b e c, per cui se si conoscono le relazioni<br />
che legano gli angoli, noti, del triangolo sferico, a quelli, incogn<strong>it</strong>i, del triangolo piano, in modo
da poter derivare facilmente quest'ultimi dai primi, il calcolo dei lati del triangolo sferico<br />
potrebbe essere esegu<strong>it</strong>o con le formule della trigonometria piana.<br />
L'enunciato del teorema <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong> è: Sia dato un triangolo sferico i cui lati l siano una<br />
piccola frazione del raggio R della sfera e si assuma il rapporto l/R come quant<strong>it</strong>à piccola del 1°<br />
or<strong>di</strong>ne; commettendo un errore dell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> (l/R) 4 gli angoli del triangolo piano che ha i lati<br />
della stessa lunghezza dei lati del triangolo sferico si possono derivare dagli angoli <strong>di</strong><br />
quest'ultimo sottraendo ad ognuno <strong>di</strong> essi un terzo dell'eccesso sferico.<br />
Per dare un'idea delle approssimazioni derivanti dall'applicazione del teorema <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong>, si<br />
può notare che un triangolo sferico equilatero avente i lati <strong>di</strong> 60 km, ha una superficie <strong>di</strong> circa<br />
1600 km 2 , che l'eccesso sferico vale circa 4 • 10 -5 rad = 24 cc , e che l'errore con cui si ricavano gli<br />
angoli del triangolo piano è dell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> lim<strong>it</strong>ando l'errore a 10 -6<br />
ponendo cioè (l/R) 4 < 10 -6 si può dedurre che deve essere l < 200 km, per cui il teorema <strong>di</strong><br />
<strong>LEGENDRE</strong> si può applicare a tutti i triangoli contenuti nel campo geodetico.<br />
Per il calcolo <strong>di</strong> triangoli <strong>di</strong> <strong>di</strong>mensioni più gran<strong>di</strong> si potrebbero usare formule più complesse che<br />
considerano l'eccesso ellissoi<strong>di</strong>co, ma queste formule hanno un interesse più che altro teorico,<br />
dato che con gli usuali strumenti <strong>di</strong> misura non si possono eseguire osservazioni fra punti che<br />
non siano compresi entro il campo geodetico.<br />
Per poter applicare il teorema <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong> occorre calcolare l'eccesso sferico, ovvero l'area<br />
del triangolo sferico; si può a questo propos<strong>it</strong>o <strong>di</strong>mostrare che a meno <strong>di</strong> errori dell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong><br />
(l/R) 4 , ovverosia nello stesso or<strong>di</strong>ne d'approssimazione del teorema <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong>, l'area del<br />
triangolo sferico può essere calcolata con le formule della trigonometria piana utilizzando gli<br />
elementi sferici noti.<br />
<strong>Il</strong> teorema <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong> fornisce in effetti un artificio per risolvere con le formule della<br />
trigonometria piana un triangolo che andrebbe risolto impiegando le formule della trigonometria<br />
sferica; l'applicazione del teorema <strong>di</strong> <strong>LEGENDRE</strong> non è più necessaria se i lati del triangolo non<br />
eccedono in lunghezza i 15 km; in tal caso l'eccesso sferico è dell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> 2,5 • 10 -6 rad = 1,5 cc e<br />
la correzione da apportare ad ogni angolo è <strong>di</strong> 0,5 cc inferiore cioè all'approssimazione con cui<br />
sono in genere effettuate le misure <strong>di</strong> angoli. Si <strong>di</strong>mostra così, per altra via, che i calcoli relativi a<br />
figure geometriche contenute nel campo topografico, da considerare sempre teoricamente<br />
ellissoi<strong>di</strong>che, possono essere esegu<strong>it</strong>i impiegando gli algor<strong>it</strong>mi della geometria e trigonometria<br />
piana.
DETERMINAZIONE DELLE COORDINATE CURVILINEE DI PUNTI SULLA<br />
SUPERFICIE DI RIFERIMENTO<br />
Determinazione delle coor<strong>di</strong>nate geografiche me<strong>di</strong>ante misure esegu<strong>it</strong>e sulla superficie <strong>di</strong><br />
riferimento (coor<strong>di</strong>nate ellissoi<strong>di</strong>che).<br />
- General<strong>it</strong>à.<br />
Si consideri (fig. 1) un insieme <strong>di</strong> punti <strong>di</strong> inquadramento Pi sull'ellissoide congiunti a due a due<br />
da archi <strong>di</strong> geodetica che si possono brevemente chiamare lati, in modo da formare dei triangoli<br />
ellissoi<strong>di</strong>ci, o altre figure poligonali e si supponga <strong>di</strong> avere esegu<strong>it</strong>o un numerò sufficiente <strong>di</strong><br />
misure <strong>di</strong> angoli e <strong>di</strong> <strong>di</strong>stanze (in pratica il numero eccede il minimo necessario e si deve<br />
eseguire una compensazione) in modo che, o per misura <strong>di</strong>retta o per calcolo siano note le<br />
lunghezze <strong>di</strong> tutti i lati e gli angoli fra i lati.<br />
Nel punto P0 (centro <strong>di</strong> emanazione) si determinino con misure astronomiche la lat<strong>it</strong>u<strong>di</strong>ne ϕ0, la<br />
long<strong>it</strong>u<strong>di</strong>ne λ0 e l'azimut α0 <strong>di</strong> una geodetica uscente da P0 e passante per uno dei punti Pi e si<br />
assumino tali misure come riferentesi all'ellissoide; in altre parole si faccia la supposizione che<br />
nel punto P0 la verticale (normale al geoide) e la normale all'ellissoide coincidano, ovvero che<br />
nel punto P0 l'ellissoide <strong>di</strong> rotazione <strong>di</strong> semiassi a e c sia tangente al geoide. Per orientale
completamente l'ellissoide, che avrebbe ancora la possibil<strong>it</strong>à <strong>di</strong> ruotare intorno alla normale, si<br />
assuma l'azimut astronomico α0 coincidente con l'azimut ellissoi<strong>di</strong>co.<br />
Ciò posto, il problema fondamentale da risolvere per calcolare, con riferimento all'ellissoide, le<br />
coor<strong>di</strong>nate curvilinee dei punti <strong>di</strong> inquadramento Pi si può cosi enunciare: dato un punto O <strong>di</strong> cui<br />
si conoscono le coor<strong>di</strong>nate geografiche ellissoi<strong>di</strong>che ϕ0, λ0, noti la lunghezza s dell'arco <strong>di</strong><br />
geodetica compreso fra O ed un punto P e l'azimut α0 <strong>di</strong> tale geodetica in O, calcolare le<br />
coor<strong>di</strong>nate geografiche ellissoi<strong>di</strong>che ϕ, λ <strong>di</strong> P nonché l'azimut α della stessa geodetica in P.<br />
Da notare:<br />
a) L'operazione <strong>di</strong> orientamento dell'ellissoide riguarda le reti <strong>di</strong> punti <strong>di</strong> inquadramento del 1°<br />
or<strong>di</strong>ne, ovvero quelle reti <strong>di</strong> punti che vengono rilevate quando nella zona non esiste alcun<br />
rilievo geodetico precedente, ed è stata descr<strong>it</strong>ta per motivi <strong>di</strong> chiarezza; nel caso più comune<br />
nella zona del rilievo da eseguire esistono già dei punti rilevati a cui riferirsi; è quin<strong>di</strong> sempre<br />
<strong>di</strong>sponibile un punto O <strong>di</strong> coor<strong>di</strong>nate geografiche note inser<strong>it</strong>o nel rilievo, ed un azimut <strong>di</strong><br />
partenza desunto da un altro punto O' <strong>di</strong> coor<strong>di</strong>nate geografiche note.<br />
b) <strong>Il</strong> calcolo dell'azimut α della geodetica in P è richiesto perché in generale a partire dal punto P<br />
si devono calcolare le coor<strong>di</strong>nate geografiche <strong>di</strong> un altro punto Q della rete, per cui è necessario<br />
conoscere l'azimut in P della geodetica PQ; il calcolo <strong>di</strong> questo azimut può facilmente eseguirsi<br />
come mostra la figura 2 : una volta noto α si calcola l'azimut reciproco α+π, ovvero l'azimut in P<br />
della geodetica PO, e si aggiunge l'angolo θ, che si suppone noto, fra la geodetica PO e la<br />
geodetica PQ.<br />
e) Le semplificazioni esposte in precedenza riguardano solo la maniera <strong>di</strong> determinare, con<br />
misure o con calcoli relativi a figure geometriche ellissoi<strong>di</strong>che, le lunghezze <strong>di</strong> archi <strong>di</strong><br />
geodetiche e gli angoli fra le geodetiche fra punti dell'ellissoide; noti però questi valori la<br />
determinazione delle posizioni dei punti, ovvero il calcolo delle coor<strong>di</strong>nate curvilinee, va<br />
esegu<strong>it</strong>o tenendo deb<strong>it</strong>o conto che le linee che li congiungono sono geodetiche ellissoi<strong>di</strong>che;<br />
negli sviluppi che seguono il fatto che si tiene conto che i lati della rete sono archi <strong>di</strong> geodetiche<br />
ellissoi<strong>di</strong>che risulta dall’uso della relazione <strong>di</strong> CLAIRAUT che caratterizza questo tipo <strong>di</strong> curve.
Trasporto delle coor<strong>di</strong>nate geografiche: problema <strong>di</strong>retto,<br />
Fissato l'azimut α0 della geodetica uscente da O (fig. 3), le coor<strong>di</strong>nate geografiche ϕ, λ <strong>di</strong> un<br />
punto generico sulla geodetica e l'azimut α sono funzione solo della <strong>di</strong>stanza s da O, ovvero<br />
Queste funzioni non possono però essere espresse in termini fin<strong>it</strong>i e occorre ricorrere ad uno<br />
sviluppo in serie <strong>di</strong> TAYLOR, e cioè<br />
II problema si riduce quin<strong>di</strong> a determinare le espressioni delle derivate che appaiono nelle [2] e<br />
<strong>di</strong> specificarne il valore per ϕ = ϕ0, λ = λ0 e α = α0.
Fig. 3. Trasporto delle coor<strong>di</strong>nate geografiche.<br />
Si consideri (fig. 3) in un punto A generico della geodetica OP un elemento infin<strong>it</strong>esimo ds <strong>di</strong><br />
geodetica ed i due elementi infin<strong>it</strong>esimi ρdϕ ed rdλ <strong>di</strong> meri<strong>di</strong>ano e parallelo; si determina cosi un<br />
triangolo infin<strong>it</strong>esimo retto in B che, a meno <strong>di</strong> infin<strong>it</strong>esimi <strong>di</strong> or<strong>di</strong>ne superiore si può<br />
considerare piano; si ha quin<strong>di</strong><br />
da cui<br />
e<br />
proseguendo per le successive derivate si giunge a:
Da tenere presente che le coor<strong>di</strong>nate geografiche vanno calcolate con l'approssimazione del<br />
millesimo <strong>di</strong> secondo sessagesimale (5 • 10 -9 rad) in quanto a tale quant<strong>it</strong>à corrisponde per la<br />
coor<strong>di</strong>nata ϕ uno spostamento del punto lungo il meri<strong>di</strong>ano <strong>di</strong> 3 cm, e per la coor<strong>di</strong>nata λ uno<br />
spostamento, lungo il parallelo, inferiore, tranne che all'equatore, in <strong>di</strong>pendenza del valore del<br />
raggio r del parallelo. Ne deriva che il termine in s 2 non può mai essere trascurato, mentre quello<br />
in s 3 raggiunge il valore <strong>di</strong> 0,001” per s = 10 km, per cui se ne deve tenere conto per archi <strong>di</strong><br />
geodetica da 10 a 60 km; a quest'ultima <strong>di</strong>stanza il termine in s 4 <strong>di</strong>venta dell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> 5 • 10 -9<br />
rad; il termine in s 5 può essere trascurato anche per valori <strong>di</strong> s <strong>di</strong> un centinaio <strong>di</strong> chilometri.<br />
Non è necessaria ovviamente la stessa precisione <strong>di</strong> calcolo per il trasporto dell'azimut, ove è<br />
necessario raggiungere un'approssimazione <strong>di</strong> un or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> grandezza pari ad una frazione dello<br />
scarto quadratico me<strong>di</strong>o che caratterizza la misura <strong>di</strong>retta o la determinazione in<strong>di</strong>retta <strong>di</strong> un<br />
angolo; tenuto conto che tale s.q.m. è dell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> ± 0,5", l'approssimazione <strong>di</strong> 0,1" (5 • 10 -7<br />
rad) è da r<strong>it</strong>enersi più che sufficiente; la terza delle [11] è infatti arrestata al termine in s 2 , che<br />
garantisce questa approssimazione sino a valori <strong>di</strong> s <strong>di</strong> 50 km, in analogia con gli altri sviluppi<br />
riportati; si può <strong>di</strong>mostrare che con la stessa approssimazione α è dato dalla<br />
dove<br />
la <strong>di</strong>fferenza
viene chiamata convergenza dei meri<strong>di</strong>ani relativa all'arco <strong>di</strong> geodetica OP.<br />
Definizione <strong>di</strong> DATUM<br />
Dal punto <strong>di</strong> emanazione, posto per l’Italia presso l’osservatorio astronomico <strong>di</strong> Monte Mario, le<br />
coor<strong>di</strong>nate geografiche ellissoi<strong>di</strong>che vengono propagate tram<strong>it</strong>e una rete geodetica lungo il<br />
terr<strong>it</strong>orio <strong>it</strong>aliano. La possibil<strong>it</strong>à dunque <strong>di</strong> determinare le coor<strong>di</strong>nate geografiche <strong>di</strong> vertici sul<br />
terr<strong>it</strong>orio, deve essere esegu<strong>it</strong>o tram<strong>it</strong>e il collegamento delle proprie reti topografiche ai vertici <strong>di</strong><br />
coor<strong>di</strong>nate note propagate dal punto <strong>di</strong> emanazione.<br />
- La definizione dell’ellissoide <strong>di</strong> riferimento (per l’Italia ellissoide Internazionale <strong>di</strong><br />
Hayford)<br />
- <strong>Il</strong> suo orientamento (coincidenza tra normale e verticale fisica a Monte Mario)<br />
- La definizione della quota ellissoi<strong>di</strong>ca a Monte Mario<br />
- La definizione <strong>di</strong> un azimut noto (Monte Mario con il Monte Soratte in prossim<strong>it</strong>à <strong>di</strong><br />
Roma)<br />
- La rete che propaga le coor<strong>di</strong>nate geografiche lungo il terr<strong>it</strong>orio<br />
I punti precedentemente elencati concorrono alla definizione <strong>di</strong> DATUM. <strong>Il</strong> Datum <strong>it</strong>aliano<br />
prende il nome <strong>di</strong> RM40, in quanto la rete che propaga nel terr<strong>it</strong>orio il sistema <strong>di</strong> riferimento<br />
ellissoi<strong>di</strong>co fu misurata nel 1940.<br />
La rete europea, European Datum, prende il nome <strong>di</strong> ED50, e utilizza anch’essa l’ellissoide <strong>di</strong><br />
riferimento <strong>di</strong> Hayford.<br />
Nella figura successiva si riporta lo schema generale della rete geodetica <strong>di</strong> inquadramento<br />
<strong>it</strong>aliana, misurata con strumentazione classica (teodol<strong>it</strong>i e basi).