X Congreso Internacional Expresión Gráfica aplicada a la Edificación

Graphic Expression applied to Building International Conference

APEGA 2010

227

LASER ESCANER 3D APLICADO A EDIFICACIÓN

ARCO DÍAZ, Julián(1); SAUCEDO VARGAS, Raúl(2); HIDALGO GARCÍA, David(3) (1) Departamento de Expresión Gráfica Arquitectónica y en la Ingeniería, Universidad de Granada

Granada, España e-mail: juliannn@ugr.es

(2) e-mail: saucedovar@correo.ugr.es (3) e-mail: dhidalgo@ugr.es

Resumen La información gráfica en Edificación es un elemento esencial para poder gestionar de forma eficaz y precisa las intervenciones arquitectónicas. Un registro exhaustivo del elemento objeto edificado hace necesario realizar una documentación gráfica precisa y detallada de los distintos elementos que forman el objeto de estudio, cuyos resultados sean fiables y ajustados a la realidad y de esta manera poder identificar y acotar las intervenciones totales o parciales sobre el elemento arquitectónico. Un aspecto importante de los registros gráficos que identifican una intervención en Edificación es el archivo de los mismos, como representación de la forma, volumen y tamaño del objeto de estudio y puedan servir como documentos de control del mantenimiento y conservación durante la vida útil de la edificación. Aunque la documentación gráfica que acompaña a una intervención Arquitectónica se orienta a representaciones planimétricas en 2D, cada vez se hace más necesario obtener un registro en 3D y con ello, un modelo tridimensional que nos permite conocer gráficamente la geometría del objeto de forma más precisa. Además existe una tendencia cada vez más extendida a la utilización de formatos digitales para el registro y archivo de los datos gráficos que identifican una intervención arquitectónica que hace necesario sistemas de captación de datos directamente en formatos digitales. Se denomina Documentación Geométrica de Alta Definición (High-Definition Survey, HDS) al método de medición no-intrusivo que permite una captura de información rápida, detallada y precisa de una superficie o volumen por medio de una herramienta basada en la tecnología de escáner con láser, un instrumento de registro que también es denominado como Láser Escáner Terrestre (Terrestrial Laser Scanning, TLS). El Láser Escáner realiza un barrido de una superficie captando miles de puntos por segundo con un haz de láser en abanico. Como resultado final se obtiene una nube de puntos 3D compuesta por cientos de miles de mediciones individuales en un sistema de coordenadas (x, y, z), que en si mismas componen un modelo tridimensional de los objetos registrados. Con la presente ponencia, los autores presentamos la aplicación de la técnica descrita anteriormente sobre un conjunto edificado situado en el “Peñón del Cuervo” provincia de Málaga que presenta un problema geológico importante para ello se ha utilizado un Láser Escáner Terrestre RIEGL modelo LMS-Z420i y software de procesamiento de RISCAN PRO acompañados de cámara digital de lata resolución. El objetivo es presentar un sistema de captación de datos geométricos de alta definición aplicado a un conjunto edificado de gran superficie.

Palabras clave: Láser Escáner Terrestre, Nube de Puntos, Topografía, Superficie Terrestre.

Abstract 3D Laser Scanner applied to Building Building graphic information is essential to effectively manage and precise architectural interventions. A comprehensive record of the item being built is necessary to make an accurate and detailed graphic documentation of the various elements that form the object of study, the results are reliable and adjusted to reality and thus be able to identify and refine the interventions on total or partial the architectural element. An important aspect of graphics records that identify an intervention in Building is the file of the same, as representing the shape, volume and size of the object of study and can serve as documentation control and maintenance over the life of building.

228

Although the documentation accompanying graphic Architectural intervention is focused on 2D planimetric representations, it is becoming more necessary to obtain a registration in 3D and thus a three-dimensional model which allows us to graph the geometry of the object more accurately. There is also an increasingly common trend to the use of digital formats for recording and archiving of image data that identify an architectural intervention necessary data acquisition systems directly into digital formats. Geometric is called High Definition Documentation (High-Definition Survey, HDS) the measurement method that allows non-intrusive capture fast, accurate and detailed an area or volume by means of a tool based on scanner technology laser, a recording instrument is also known as Terrestrial Laser Scanner (Terrestrial Laser Scanning, TLS). The laser scanner scans a surface capturing thousands of points per second with a laser beam at range. The final result is obtained 3D point cloud with hundreds of thousands of individual measurements in a coordinate system (x, y, z), which in themselves form a three-dimensional model of the objects registered. In this paper, the authors present the application of the technique described above on a set built located in the "Peñón de Cuervo" province of Malaga has a major geological problem that has been used for a Terrestrial Laser Scanner Riegl LMS-Z420i model and RISC processing software accompanied PRO digital camera can resolve. The aim is to present a geometric data capture high definition applied to a large surface building complex.

Keywords: Terrestrial Laser Scanner, Cloud points, Topography, Land surface.

1. Introducción

Para fundamentar técnicamente el procedimiento de escaner láser utilizando sensores terrestres debemos antes destacar su tremenda utilidad ya que permite adquirir cantidades masivas de puntos con resoluciones milimétricas, de una forma más rápida que las técnicas habituales, pudiendo completar o sustituir otros métodos.

Esta técnica se basa en la utilización de un dispositivo terrestre que usa un láser que mide ángulos, distancias e intensidad de los puntos iluminados, de manera sistemática, a una tasa elevada y en tiempos reales.

Como resultado de la adquisición de los datos, el usuario obtiene una nube de puntos por cada exploración que representa el área escaneada. El objetivo de este desarrollo del fundamento científico se centra en primer lugar en el análisis de estas nubes de puntos con el fin de reconocer y extraer objetos. Posteriormente se analizarán diferentes métodos de matching que permitirán relacionar cada uno de estos objetos con sus homólogos a diferentes nubes de puntos. En primer lugar se da una visión general del láser escáner terrestre (TLS) como instrumentos de medida y se explica su principio básico de funcionamiento. Posteriormente, se hace referencia al concepto de parametrización. El objetivo es, dado una nube de puntos 3D, extraer objetos concretos cómo pueden ser esferas o planos. A fin de conseguir este objetivo se ha introducido el algoritmo RANSAC, que es el fundamento del software proporcionado por la empresa del Láser escáner utilizado. También se hace referencia a un detector de contornos; el detector de contornos de Canny, como paso previo a la aplicación de RANSAC. Finalmente se habla de matching o aparellaje de imágenes; se trata de, dados dos nubes de puntos, localizar puntos homólogos entre estos dos. De las diferentes técnicas de matching se ha escogido el matching relacional que utiliza a la hora de hacer el aparellaje, además de las propias características de las formas, relaciones entre ellas.

El caso representativo que hemos escogido como ejemplo, en el que este análisis 3D es esencial para comprender los procesos superficiales ocurridos, se trata de un macizo rocoso urbanizado: el Peñón del Cuervo. El área de estudio es un pequeño monte de planta elíptica (300 X 200 m) situado en la provincia de Málaga, 8 kilómetros al E del centro de la ciudad (Fig. 3). La base del monte está a 65 m por encima del nivel del mar y su cota máxima está a 125 m. La principal peculiaridad de este monte es la intensa actividad antrópica que ha padecido en los últimos años.

El 11 de septiembre de 2000 se produjo un deslizamiento en la cara N del Cerro que provocó la destrucción parcial de dos viviendas y el desalojo, por patologías severas, de toda una urbanización construida en su cara oeste.

229

En la noche del 11 de Septiembre de 2000, en la parte NW del Cerro se produjo una inestabilidad de ladera que puede clasificarse como un flujo de derrubios (Cruden y Varnes, 1996). Este flujo fue de carácter superficial (profundidad no superior a 7 m), afectando al coluvión y a parte de los niveles más superficiales del sustrato arcillo-areniscoso. Esta inestabilidad produjo el descalce parcial de la cimentación de varias viviendas de una urbanización situada en la ladera occidental del Cerro (Fig. 1). En la cima del Cerro aparecieron, de manera coetánea al flujo, una serie de grietas abiertas con una geometría circular (Figs.2 y 3). La apertura de dichas grietas es variable y oscila entre los 2 y los 140 cm. El centro geométrico del trazado de las grietas está unos 5 m al N de la cima del Cerro, muy cerca de un vértice geodésico que fue medido periódicamente entre los años 1998 y 2001. Este vértice y otros hitos cercanos sufrieron desplazamientos muy importantes en el intervalo de medida en el que se encuentra el 11 de Septiembre de 2000. Algunos de estos hitos se hundieron esa noche 1.75 m. Por tanto, teniendo en cuenta la geometría de las grietas y los desplazamientos de los vértices geodésicos se puede concluir que el Peñón del Cuervo sufrió una deformación que afectó a gran parte del macizo rocoso y que fue producida por un fenómeno prácticamente instantáneo. Todos los indicios anteriormente expuestos apuntan a un colapso en el interior del Cerro. La vertical del punto de colapso debe coincidir aproximadamente con el centro geométrico de las grietas abiertas y los máximos desplazamientos en los hitos. La cavidad colapsada pudo ser de origen natural ya que es habitual la presencia de procesos de karstificación en yesos de estas formaciones del Complejo Maláguide. Aunque también pudo colapsar alguna sala de explotación o galeria minera realizada durante la explotación de los yesos en los años 50. En cualquier caso, la realización del talud de la autovía de la Ronda Este de Málaga desencadenó una serie de inestabilidades de ladera que afectaron a dicho talud entre los años 1993 y 2000. Los deslizamientos producidos en el talud fueron incrementando su volumen hasta llegar a afectar a una gran parte del mismo (Figs. 2 y 3).

Fig. 1. Ubicación de la zona Peñón del Cuervo e indicación de las casas afectadas

Fig. 2. Vista desde la Ronda Este del Peñón del Cuervo con los deslizamientos y las grietas por estos producidos en el talud de la autovía.

230

Las medidas de contención (Fig. 2) adoptadas fueron de diverso tipo (construcción de bermas, escolleras, introducción de anclajes, etc.). La grieta de cabecera del deslizamiento del talud converge asintóticamente con las grietas circulares producidas en la noche del 11 de Septiembre como se puede apreciar en el mapa de la figura 3.

Fig. 3. Mapa topográfico del Peñón del Cuervo en el que se han dibujado las cicatrices de los flujos de derrubios producidos por la noche del 11 de Septiembre (azul), las grietas previas al 11 de Septiembre (negro) y las grietas abiertas la noche de Septiembre (rojo).

2. Terrestrial Laser Scanning (TLS)

El escáner láser terrestre conocido como TLS es un método nuevo y eficiente para digitalizar objetos grandes o escenas enteras. Se basa en la utilización de un dispositivo terrestre que usa un láser que mide ángulos, distancias e intensidad de los puntos iluminados, de manera sistemática, a una tasa elevada y en tiempos reales. El resultado es una nube de puntos 3D que representa el área escaneada.

No es el sustituto de técnicas existentes, sino una alternativa que disfruta de ciertas ventajas como son velocidad y exactitud en las medidas. A día de hoy hay un gran interés en el desarrollo de las técnicas relacionadas con el TLS para diferentes tipos de aplicaciones cómo pueden ser la reconstrucción y modelado de datos 3D, el análisis de deformaciones, arquitectura, etc.

Los TLS son aparatos de elevada precisión, capaces de trabajar en diferentes entornos bajo condiciones atmosféricas adversas. Utilizan medidas taquimétricas, que consisten en la combinación de la medida de distancias y ángulos. El escáner barre todo su campo visual (Field ofoff View, FoV), variando la dirección del rayo láser para poder escanear los diferentes puntos objeto de medida. Esto lo puede realizar de dos maneras diferentes: rotando el propio dispositivo o bien utilizando un sistema de espejos rotativos. Este último método es el más utilizado, puesto que los espejos son más ligeros y pueden girar más deprisa y con una gran precisión. El escáner horizontal se denomina frame scan y puede tener un FoV desde 40º hasta 360º. El escaner vertical es el line scan y puede lograr un FoV desde 40º hasta 310º.

El principio básico de funcionamiento del TLS RIEGL LMS-Z420i y en este análisis para los Terrestrial Laser Scanning (TLS) en general, consiste en la proyección de una señal óptica sobre un determinado objeto, y el correspondiente procesado de la señal reflejada para determinar la distancia a la que se encuentra; la precisión en las medidas de distancia depende de la intensidad de esta última. Por cada señal reflejada obtenemos las siguientes medidas: dos ángulos correspondientes a α y θ, la distancia ρ y la intensidad.

Mediante los ángulos es capaz de definir la posición de cada uno de los puntos de la escena en un sistema de coordenadas polares, que internamente es transformado a un sistema cartesiano utilizando las ecuaciones (2.1), (2.2) y (2.3).

231

x= ρ cosα senθ (2.1)

y= ρ cosα cosθ (2.2)

z= ρ senα (2.3)

Donde:

α, θ: ángulos en coordenadas polares

ρ: distancia en coordenadas polares

x,y,z: coordenadas cartesianas

Además, la intensidad de la señal devuelta es también almacenada. La intensidad es una medida de la energía recibida por cada punto. Con todo, el TLS crea una nube de puntos dónde cada punto queda determinado por su posición (X, Y, Z) tal y como se muestra a Fig. 5- 6 y la intensidad (i) Fig. 6

Fig. 4. Coordenadas polares de un punto medido con TLS.

Fig. 5. Componente X e Y respectivamente de la nube de puntos.

Fig. 6. Componentes respectivas Z e Intensidad de la nube de puntos.

232

3. Resultados

En este trabajo hemos analizado el proceso acaecido en el Peñón del Cuervo, y los posibles factores condicionantes del mismo, utilizando la implementación descrita para evaluar la incidencia que pudo tener el desmonte de la Ronda Este de Málaga en la variación de cotas de las edificaciones existentes en el conjunto del Cerro. El resultado final refleja y explica las deformaciones medidas y los rasgos superficiales observados en el Peñón del Cuervo.

Fig. 7. Procesado de nubes de puntos con RiSCAN Pro.

Fig. 8. Zona de mayor riesgo.

233

Fig. 9. Comparación volumétrica de fechas distintas.

Podemos concluir afirmando que este proceso de datación mediante Laser Scanning es una herramienta perfectamente válida para completar un registro exhaustivo de volúmenes de gran extensión con objetos edificados, herramienta que nos permite realizar una documentación gráfica precisa y detallada de los distintos elementos que conforman el objeto de estudio, cuyos resultados se muestran fiables y ajustados a la realidad. Del mismo modo debemos reseñar que esta implementación nos permite el desarrollo posterior de los resultados en otras plataformas informáticas de post procesado gráfico dotándolas de una fidelidad con total rigor.

Es éste un avance significativo en los modelos de registro, lo que nos permitirá identificar y acotar las intervenciones totales o parciales sobre el elemento arquitectónico de un modo más eficiente. Además de generar registros de control de patologías y movimientos que pueden afectar a grandes extensiones de terreno y evaluar efectos en elemento edificado.

4. Citas y Referencias bibliográficas

[1] Staiger, Rudolf. Terrestrial Laser Scanning. Technology, Systems and Applications. 2nd FiG Regional Conference. Marrakech, 2003.

[2] Amann, Markus- Christian; Bosch, Thierry; Lescure, Marc; Myllylä, Risto; Rioux, Marc. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement. Optical Engineering, Vol. 40 Nº 1, January 2001.

[3] Canny, J.F. A computational approach to edge detection, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 8(6): 679-698, 1986.

[4] Schnabel, R; Wahl, R; Klein, R. Shape Detection in point cloud. Universität Bonn, 2006.

Martin A. Fischler, Robert C. Bolles, “Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with

[5] Fischler, Martin; Bolles, Robert; Random Sample Consensus: A paradigma for Model Fitting with Applications to image Analysis and Automated Cartography. Communications of the ACM, 24(6):381-395, 1981.

[6] Schnable, R; Wahl, R; Wessel, R; Klein, R. Shape Recognition in 3D Points Clouds. Computer Graphics Technical Reports, Universität Bonn, 2007.

[7] Azañón, JM; Puertas García, M.E; Gallego Sevilla, R; Romero Gomez, L.F. Análisis 3D mediante elementos finitos de macizos rocosos. El colapso del Peñón del Cuervo (Málaga). VII Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables. Barcelona, 27-30 de Octubre de 2009. CIMNE, Barcelona, 2009.