sábado, 13 de febrero de 2010

Aplicación en Meteorología


La técnica de barrido láser (láser scanning) en la que se emplean sensores terrestres es relativamente nueva. Comparte con el láser escáner aerotransportado las ventajas de adquisición de cantidades masivas de puntos, con elevada precisión relativa y con gran rapidez. En el caso terrestre, la estabilidad del sensor y las cortas distancias a las que se encuentran los modelos a levantar, permiten conseguir resoluciones milimétricas de una manera más rápida que las técnicas habituales de levantamiento. Se puede estacionar el instrumento frente al objeto del levantamiento (una fachada o una cantera, por ejemplo), o bien embarcarlo en un vehículo para la adquisición de datos en varios puntos de un recorrido. Se obtiene una densa nube de puntos, no una imagen del objeto, pudiendo esta técnica complementar o sustituir a otras de imagen como la fotogrametría terrestre. En el presente articulo se describe la técnica de Láser Escáner Terrestre (Sensores, procedimiento de adquisición de datos, procesado inmediato y postprocesado). Finalmente se presentan brevemente algunas de las pruebas o ejemplos de aplicación que se han llevado a cabo en Cataluña (España).

1. Introducción

La técnica de trabajo empleando láser escáner puede asimilarse en cierta forma a la metodología de trabajo de algunos equipos fotogramétricos digitales, puesto que es un sistema de medición que no necesita contacto directo con el modelo a levantar, además se realiza una captura masiva de puntos y, a diferencia del método tradicional utilizado en topografía y en fotogrametría analítica convencional, no es posible tener en cuenta los cambios bruscos de pendiente, las líneas características o de ruptura de los elementos a representar, los vacíos de información espacial,..., siendo sustituidos éstos por una nube de puntos muy densa que intenta extraer toda la información espacial del conjunto, de manera que una superficie con poco relieve tiene una separación de malla similar a la que tiene otra adyacente más quebrada. La falta de observación de las líneas características queda compensada, sin embargo, por la gran cantidad de puntos obtenidos, que pueden ser procesados posteriormente.

Vista de la nube de puntos de la escuela de la Sagrada Familia (Barcelona).
Figura 1: Vista de la nube de puntos de la escuela de la Sagrada Familia (Barcelona).
Desde el año 2002 se ha estado trabajando con el objetivo de analizar y valorar el sistema de barrido láser en levantamientos terrestres, por ello se han elegido diferentes lugares y situaciones, tomando desde pequeños elementos o otras estructuras de forma compleja. Entre ellos se puede mencionar los levantamientos realizados en el Templo Expiatorio de la Sagrada Familia, fachada del nacimiento, rosetones, escalera de la cripta, escuelas..., pórtico de la Catedral de Barcelona, la cara norte del acueducto de Les Ferreres, o Puente del Diablo, de Tarragona, y más recientemente la escultura Dona i Ocell de Miró y un levantamiento de la ladera del Valle de Nuria en la que se están produciendo desprendimientos que afectan a las vías de ferrocarril.

De la toma de datos en todos ellos destaca la brevedad de trabajo en campo, puesto que la toma de datos queda reducida considerablemente, así por ejemplo la fachada de la Catedral de Barcelona se levantó realizando 3 barridos en los que se invirtieron 45 minutos en campo y un tratamiento posterior en gabinete de 2 horas, para las escaleras de la Cripta de la Sagrada Familia la captura de los datos se vio reducida a un barrido que se efectuó en menos de 1 minuto, siendo la inversión de tiempo en gabinete de 1 hora.

Después de efectuar las pruebas y comprobar los resultados obtenidos, tanto en el barrido como en el procesado de la información, se puede indicar que existen factores que nos inclinan a pensar las grandes ventajas de emplear este tipo de sistemas como son: la gran rapidez en la toma de datos, que obtiene una nube de puntos tridimensional muy densa y precisa, la calidad de los puntos obtenidos para cada estación de trabajo, efectuar todo el trabajo sin necesidad de perturbar el objeto de levantamiento...pero también se plantean una serie de limitaciones sobre todo en el momento de trabajar con modelos no ajustables a primitivas sencillas definidas en los programas de tratamiento de los datos, como pueden ser cilindros, planos, esferas..., el hecho de no poder sustituir la nube de puntos por las primitivas nos obliga a trabajar con volúmenes de datos enormes que dificultan el tratamiento de los mismos, y que en la mayoría de los casos no aportan mucha más información. Otros problemas que se plantean son entre otros: la dificultad de algunas superficies a retornar la señal láser, la distancia máxima de trabajo se ve limitada (aunque esto se va solucionando por los nuevos sistemas), la imposibilidad de toma de elementos característicos no pertenecientes al mallado de forma automática.

2. Instrumentación y metodología

El sistema láser escáner está compuesto por un láser y un escáner (con barrido horizontal y vertical). Utiliza las propiedades del láser de producir luz monocromática, coherente, intensa y sin dispersión; y un escáner para efectuar el barrido en líneas paralelas que completen la superficie a levantar. El láser escáner mide y guarda no solo la distancia al objeto sino también el valor de la reflectancia. La medida puede realizarse de dos modos diferentes, el conocido como "tiempo de vuelo" y los sistemas basados en la "triangulación óptica". A continuación pasamos a exponerlos brevemente:

• Tiempo de vuelo, consiste en medir la distancia a partir del tiempo que tarda un fotodiodo en emitir y detectar una luz láser, de forma similar al proceso que utilizan los distanciómetros electrónicos. Emplean, para el cálculo de la distancia, el método de diferencia de fase, basado en la transmisión de la luz láser modulada. Permiten obtener la situación de puntos en el espacio con una precisión alrededor de 5mm para distancias de 30m, y completan el barrido de un objeto de centenas de metros cuadrados de superficie en pocos minutos, capturando millones de puntos que definen ese objeto tridimensionalmente.

• Triangulación óptica, se basa en el cálculo de las coordenadas espaciales a partir de la intersección directa (intersección de rectas) y es similar al caso estereofotogramétrico, con la diferencia de que en un extremo del sistema se sitúa el diodo emisor (láser escáner) y en otro extremo se sitúa el diodo receptor (cámara de vídeo CCD), por lo que necesita solamente una única cámara. En este caso, la rapidez del barrido depende del sensor CCD utilizado en la cámara de vídeo: lineal o superficial (frame) pudiendo llegar, como en el caso probado, a valores de pocos segundos en el barrido y captura de la información, consiguiendo resoluciones espaciales de 340.000 pixeles con precisiones estimadas alrededor de los 0,02mm para distancias de 2m.

En ambos casos, el láser escáner realiza un barrido de perfiles paralelos con una separación angular predefinida, capturando mediciones punto por punto, con una velocidad de captura de miles de puntos por segundo. Algunos modelos permiten la captura de series de mediciones para cada punto, efectuando de esta forma la media de cada una de ellas y mejorando considerablemente la medida final del punto. Las coordenadas de los puntos están referidas, inicialmente, a la posición del escáner en el momento del barrido y dependerá de la orientación y nivelación del sistema de coordenadas del láser escáner en ese momento.
Láseres escáner empleados.
Figura 2: Láseres escáner empleados.
En función de la posición que ocupa el sensor en el momento de la toma podemos clasificar los sistemas en estáticos y cinemáticos.

En el primero de ellos la forma de toma de datos es similar a la que se realiza con un taquímetro o estación total topográfica, el sensor es estacionado sobre un trípode o directamente sobre el suelo, con la diferencia de que el barrido es automático con un mismo valor de separación angular, y que no se necesita estacionar, nivelar y orientar el aparato de captura, el láser escáner terrestre. La fusión de varias nubes de puntos, tomadas desde diferentes posiciones y/u orientaciones, se efectúa por identificación de puntos homólogos en las diversas nubes de datos, y se unen mediante transformaciones de semejanza espaciales. La orientación final del elemento se realiza mediante métodos indirectos a partir de la medida de coordenadas de diversos puntos identificables en las escenas. Los programas de cálculo de los que disponen estos sistemas permiten efectuar la correlación de puntos comunes de las diferentes nubes de puntos de forma semiautomática, así como su cálculo y fusión. De esta forma se pueden completar los vacíos dejados por elementos más cercanos al láser y que pueden ocultar información importante, como ocurre en el caso topográfico habitual.

El método cinemático presenta la ventaja de que durante la captura de datos el sistema láser escáner esta orientado gracias a su vinculación con la combinación de sistemas GPS e inerciales. Todos estos elementos van integrados sobre una plataforma rígida sobre la que se conoce la posición de cada elemento respecto a los demás, de modo que mediante los dispositivos de comunicación adecuados se transmite la orientación obtenida mediante GPS/INS o bien dos antenas GPS al láser escáner. La sincronización se realizará mediante una entrada para las señales pps (pulso por segundo) generado por los receptores GPS y mediante las señales generadas por el láser al inicio de cada línea de escáner.

Sobre la misma plataforma la mayoría de sistemas disponen de dos cámaras de video simétricas que permiten ir captando los elementos de la vía publica, y cuya información se empleará posteriormente para dotar de texturas al modelo creado.
Sistema cinemático.
Figura 3: Sistema cinemático.
Una vez realizada la toma se procede al postprocesado de la nube de puntos que permite segmentar la información, eliminar puntos utilizando variables estadísticas, clasificar los puntos por distancia (alejamiento), clasificar los puntos por reflectancia, definir primitivas para conjuntos de puntos, introducir filtros de alisamiento, etc. Con esta nube de puntos, ya depurada, se puede realizar el mallado consiguiendo una superficie del modelo tridimensional que permitirá diversos trabajos posteriores.

La posibilidad de definir primitivas tales como el plano, el cono, el cilindro, la esfera,..., permite sustituir cantidades ingentes de puntos por superficies definidas matemáticamente que permiten aligerar procesos posteriores a la hora de trabajar con mucha información. Naturalmente, en el proceso de filtrado o generalización existe un alisamiento de superficies que hay que tener en cuenta, pero que en muchas actividades son claramente asimilables.

Las posibilidades de filtrado de la información que permite el postproceso no es la única ventaja que presenta este tipo de sistemas de captura masiva de puntos. También se pueden efectuar presentaciones de los modelos en función de la reflectancia, de la distancia a la que se encuentra el modelo del láser escáner. También se pueden capturar imágenes fotográficas digitales del elemento a levantar con la cámara fotográfica de la que suelen ir provistos, permitiendo realizar la superposición de imágenes fotográficas sobre el modelo mallado. De esta forma se consigue un modelo virtual tridimensional similar al objeto real, permitiendo tener una visión más parecida a la real. También se pueden conseguir de una manera rápida documentos métricos de elementos complejos tales como ortofotografías, al disponer del modelo tridimensional y de imágenes fotográficas.

En la siguiente tabla se recogen las características de alguno de los sitemas empleados en las palicaciones realizadas:
LÁSER ESCÁNER
MÉTODO DE MEDIDA
DISTANCIA MÁXIMA. PRECISIÓN
RENDIMIENTO (puntos/seg.)
SOTFWARE RECOMENDADO
GS 100
(MENSI)
Tiempo de vuelo
Hasta 100m
6mm a 50m
1000
3Dipsos TM
CYRAX 2500
(LEICA-CYRA)
Tiempo de vuelo
Hasta 100m
6mm a 50m
1000
Cyclone TM
ILRIS 3D
(OPTECH)
Tiempo de vuelo
Hasta 100m
7mm a 50m
2000
RapidForm
VI - 900
(MINOLTA)
Triangulación óptica
Hasta 2.5m
0.02mm a 1m
+100.000
RapidForm
Tabla 1: Instrumentos utilizados y características principales.
Una de las aplicaciones más importantes que se pueden efectuar con estos sistemas es la llamada ingeniería inversa, que utiliza las nubes de puntos capturadas con el escáner y herramientas informáticas como las comentadas anteriormente de sustitución de estas nubes de puntos por superficies definidas por diversas primitivas, para regenerar objetos y poder compararlos o definirlos matemáticamente. Las aplicaciones de detalle incluyen la realización de planos "as-built", control dimensional industrial, control de calidad, inventario,...

3. Últimos ejemplos trabajados
Tren cremallera de subida al Vall de Nuria


El trazado del tren cremallera de subida al Vall de Nuria ha sufrido a lo largo de su historia continuos desprendimientos, siendo los más recientes de una gran magnitud. El objetivo de este trabajo ha sido generar un modelo digital de elevaciones para la simulación de caída de rocas, así como una serie de productos derivados a partir del modelo digital y una serie de fotografías efectuadas con cámara semimétrica. Entre estos trabajos cabe destacar una serie de ortofotografías que han permitido la identificación de rasgos geomorfológicos y estructurales para el estudio y prevención en la caída de rocas, y una generación de cartografía de detalle a escala grande (1:1000).
Vista de la ladera y vía del ferrocarril.
Figura 4: Vista de la ladera y vía del ferrocarril.
La superficie a escanear fue de casi 10 hectáreas, levantándose desde varias estaciones con distancias muy variadas, desde 125 m la distancia más cercana a 1100 m la posición más alejada.

Para georeferenciar el modelo se colocó sobre el terreno una serie de puntos de control consistentes en un material de alta reflectividad y bajo peso (placas o esferas blancas de "porexpan"), de unos 0.7 metros de ancho.

En total se tomaron cerca de 2500000 puntos con un ancho de malla variable entre los 5 y 20 cm dependiendo de la distancia de trabajo, en un tiempo total de 1 hora y media, sumando todos los tiempos parciales.
Suma de varios modelos escaneados.
Figura 5: Suma de varios modelos escaneados.
Dona i Ocell

A diferencia del trabajo anterior el modelo a levantar era un elemento artificial, de pequeño tamaño y a tomar a corta distancia. La dona i ocell es una escultura cerámica de Joan Miró ubicada en Barcelona, en la plaza del mismo nombre del autor dentro del parque de l'Escorxador y situada dentro de un estanque que impide la toma directa de datos sobre ella, con una altura total de 22m.

En este caso se tomaron un total de seis escenas a distancias comprendidas entre los 20 y los 50 m, con un ancho de malla de pocos centímetros. La suma de modelos se efectuó con la identificación de puntos en los mallados parciales y el valor de la reflectancia de estos. El número total de puntos obtenidos sobrepasaron el medio millón.
Detalle de la zona a capturar de la Dona i Ocell.
Figura 6: Detalle de la zona a capturar de la Dona i Ocell.
En la figura 6, se puede observar la ventana de captura definida sobre la pantalla del ordenador que conectado al sistema láser escáner permite definir los parámetros para la toma de datos.

Con estos datos se pudo conseguir un modelo tridimen sional con una pequeña zona de sombra inferior al 5% del total de la superficie a levantar. En la siguiente figura se puede ver el mallado creado a partir de los puntos capturados, en el que se puede apreciar como se diferencian las partes huecas de la escultura así como una zona que ha quedado sin datos.
Mallado de la Dona i Ocell.
Figura 7: Mallado de la Dona i Ocell.
4. Conclusiones

La técnica del láser escáner está llamada a complementar o sustituir a otras técnicas de captura de datos.

El número de sistemas láser escáner terrestres existentes en el mercado hoy en día permite obtener gran cantidad de puntos con una calidad elevada en las mediciones sobre el objeto, pudiéndose trabajar desde muy corta distancia, pocos decímetros, a distancias de kilómetros.

Otra de las ventajas de estos sensores es la rapidez en la toma de datos, con la posibilidad de trabajar con diferentes tamaños de mallado que permite in situ comprobar si la superficie está recogida de forma efectiva. Al igual que en el caso fotogramétrico todo el trabajo se realiza sin necesidad de perturbar el objeto de levantamiento, permitiendo también efectuar levantamientos completos al sumar las diferentes capturas parciales.

De la misma forma que en los casos de captura masiva de puntos (fundamentalmente fotogramétricos terrestres) está sufriendo una evolución hacia unas técnicas de tratamiento (filtrado, primitivas...) de estos puntos, permitiendo aligerar el tamaño de los ficheros al sustituir estos datos por superficies definidas analíticamente, fundamental en algunos casos industriales y arquitectónicos.

Está modificando la forma de efectuar levantamientos tridimensionales que acabará pronto por imponerse a otras técnicas y sistemas por su calidad y rapidez.


http://www.mappinginteractivo.com/plantilla-ante.asp?id_articulo=1472
Guillermo Alejandro Luque Terán
Comunicaciones de Radio Frecuencia (CRF)

No hay comentarios:

Publicar un comentario en la entrada