Aplicación a la Ingeniería del Terreno

Artículo de Adrián Riquelme Guill, Dr. Ingeniero de Caminos e Ingeniero Geólogo. Profesor investigador en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante.

LiDAR es el acrónimo de Light Detection and Ranging, similar a RaDAR que es el de Radio Detection and Ranging. Como nos podemos imaginar, es el mismo principio pero con energía en otra banda, la del infrarrojo cercano. La instrumentación LiDAR se emplea para adquisición remota de datos. Básicamente, es como si utilizáramos una estación total pero que trabaja automáticamente levantando puntos de una superficie a velocidades altísimas, con precisión altísima y a distancias altísimas. Claro, todo depende del instrumento que se utilice.

Anteriormente, la aplicación más conocida era cuando la instrumentación se posiciona en una plataforma aerotransportada, siendo este caso el ALS o Aerial Laser Scanner. Sin embargo, también se puede posicionar sobre un vehículo rodado, siendo un Mobile Laser Scanner (MLS), sobre una embarcación siendo Offshore Laser Scanner (OLS), o símplemente sobre un trípode, siendo Terrestrial Laser Scanner o TLS. Este último es el que utilizamos en el Departamento de Ingeniería Civil de la UA.

La cuestión es que con su uso se adquiere una nube de puntos 3D, o 3D point cloud o símplemente cloud. Esta información es un archivo de texto, o en otro formato que hay muchos, que finalmente contiene cierta información para cada punto. Si nos imaginamos el formato estándar, el ASCII, es un .txt con un punto por línea, con números separados por espacios, tabulaciones u otra cosa. La información básica que contiene es las coordenadas del punto (X, Y, Z), la intensidad de la energía recibida por el sensor, I, la terna de colores (R, G, B) si la instrumentación tiene cámara fotográfica, y la estimación del vector normal al punto (Nx, Ny, Nz). Un ejemplo de lo que se puede obtener al escanear una superficie se observa en la figura 1. Hay muchas nubes de puntos disponibles por Internet, así como programas para visualizarlas y procesar datos. Yo personalmente soy un fan de CloudCompare (http://www.danielgm.net/cc/), por ser de código abierto.

 

Figura 1. (a) Fotografía de un talud rocoso en San Blas, Alicante; (b) nube de puntos 3D del talud rocoso escaneado con un láser escáner terrestre. Fuente: http://hdl.handle.net/10045/51107
Figura 1. (a) Fotografía de un talud rocoso en San Blas, Alicante; (b) nube de puntos 3D del talud rocoso escaneado con un láser escáner terrestre. Fuente: http://hdl.handle.net/10045/51107

 

La forma de trabajo de esta instrumentación es sencilla de comprender, si bien es cierto que su uso para obtener buenos resultados requiere experiencia. Para escanear una zona, suele ser necesario escanearla desde varias localizaciones, con el fin de reducir al máximo las zonas que no se ven (zonas de sombra), por ejemplo, por quedar detrás de un objeto como farolas, árboles, etc. Cada escaneo en una localización nos da una nube, por lo que hay que trasladar y rotar adecuadamente todas las nubes en cada estacionamiento para que “casen”. A este proceso se le llama registro o alineamiento. Para ello, se utilizan zonas comunes presentes en varias nubes como un edificio (aquí se emplea frecuentemente el algoritmo ICP), o bien mediante el empleo de puntos de coordenadas conocidas gracias a dianas o esferas.

Dicho todo esto, a continuación expongo algunas aplicaciones en el campo de la ingeniería del terreno:

  1. Análisis de estructuras. Si se dispone de una superficie digitalizada, se pueden tomar mediciones de distancias, superficies o volúmenes con gran precisión y fiabilidad. Además, se pueden tomar orientaciones, lo cual es interesantísimo para los geotécnicos y geólogos.
  2. Apoyo para estaciones geomecánicas. Si tenemos escaneado un talud, hay métodos publicados y programas de código abierto que permiten el análisis superficial y extraer el número de familias, sus orientaciones, clasificación de la nube de puntos y las ecuaciones del plano de cada superficie plana para cada familia. Esto último abre la puerta al estudio del espaciado normal de familia, la rugosidad y la persistencia.
  3. Monitorización. Si se dispone de nubes de puntos de una superficie en el mismo sistema de referencia y en instantes diferentes, su comparación permite la detección de movimientos. Esto permite la detección de desprendimientos, movimientos precursores de eventos o simplemente la cubicación de movimientos de tierra.

A continuación muestro una aplicación de esta información digital a la mecánica de rocas, que hemos desarrollado en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante. Consiste en la detección de familias de discontinuidades planas en un afloramiento rocoso, y la clasificación de los puntos según planos y familias. En el siguiente video se puede ver el resultado, con lo que los profesionales os podréis hacer una idea del potencial:

La nube corresponde a un talud rocoso disponible para su descarga en el respositorio Rockbench (www.rockbench.org/), y fue empleada para una comunicación en el SNIG de A Coruña en 2016. Como habréis visto, se sacan las familias de discontinuidades, tanto en número como en orientación, pero también las ecuaciones de los planos. Esto permite el análisis de espaciados, persistencias, etc. Para lo que nos centramos en el macizo rocoso, esto tiene un interés tremendo.

 

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