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XI CONGRESO NACIONAL Y VIII LATINOAMERICANO DE AGRIMENSURA APLICACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE ESCANEO TOPOGRÁFICO LASER 3D A LA ARQUITECTURA PATRIMONIAL

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XI CONGRESO NACIONAL Y

VIII LATINOAMERICANO DE

AGRIMENSURA

APLICACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE ESCANEO TOPOGRÁFICO LASER 3D EN

ARQUITECTURA PATRIMONIAL.

EL CASO DE LAS RUINAS JESUÍTICAS “CALERA DE LAS HUÉRFANAS” - URUGUAY

AUTORES:

Ing. Agrimensor OSCAR RAFAEL TORNINI LENZI. Maestría en Geomática UNLP

Ing. Agrimensor MIGUEL ALEJANDRO GAVIRONDO CARDOZO. Maestría en Geomática UNLP

iTGA - ingeniería Topográfica Geomática y Agrimensura - Uruguay

Montevideo, enero-febrero de 2012

Modalidad:

Trabajo escrito para exposición en Comisión

Eje Temático:

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA GEOTOPOCARTOGRAFÍA

Levantamientos terrestres e hidrográficos con nuevas tecnologías por métodos satelitales, fotogramétricos, LiDAR y

combinados.

Mediciones aplicadas a la Ingeniería, cambios metodológicos, tolerancias.


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ÍNDICE

RESUMEN…………………………………………………………………………………………………….3

1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………...……………………………..8

2. LA DOCUMENTACIÓN REQUERIDA PARA

LA CAPILLA DE LA CALERA DE LAS HUÉRFANAS………………………………………………….10

3. CONSIDERACIÓN DE ALTERNATIVAS DE RELEVAMIENTO………………………………………12

4. EL PROYECTO DE RELEVAMIENTO 3D MEDIANTE SPATIAL IMAGING……………….………..13

5. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS Y GENERACIÓN DE MODELO………………………………17

6. CREACIÓN DE ENTREGABLE EN VISUALIZADOR NATIVO Y EXPORTACIÓN A CAD………..23

7. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………..…………24


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RESUMEN

Gracias al avance experimentado en los últimos años por las tecnologías electrónica e informática, ciencias o

técnicas como la Topografía han podido alcanzar estadios de desarrollo elevados y consecuentemente las

aplicaciones a las que sirve han aumentado en número y en posibilidades.

Una de estas aplicaciones es la documentación y registro geométrico de edificaciones consideradas patrimoniales

desde el punto de vista arquitectónico.

Es así que actualmente existen metodologías para documentar edificios y monumentos patrimoniales que permiten

obtener en un tiempo y a un costo razonables (en recursos, dinero y esfuerzo), modelos digitales tridimensionales

con toda la exactitud geométrica de los más avanzados dispositivos topográficos y además la información semántica

inigualable de las fotografías, todo integrado en un solo archivo y pasible de ser procesado en diversas plataformas

informáticas estándares de la industria.

La Calera de las Huérfanas es un sitio patrimonial ubicado cerca de la ciudad de Carmelo en el Departamento de

Colonia (al SW del Uruguay) que actualmente está siendo resignificado por una Comisión que cuenta con el apoyo

tanto del Gobierno Local como del Estado Nacional (a través de los Ministerios de Turismo y Deporte y de

Educación y Cultura) y sobre todo por la ONU (a través del programa ART/PNUD), la AECID de España y el

Ayuntamiento de Vitoria-Gasteiz del País Vasco.

Se ha diseñado para el caso un proyecto denominado “Actuación integral en Calera de las Huérfanas en clave de

desarrollo Local”. Una de las actividades del mismo es la documentación y registro geométrico en vistas a una

posible restauración o conservación de la Capilla existente en el lugar (el edificio más representativo del entorno)

que data de la época de la colonia (siglos XVIII y XIX). Así, en una de las publicaciones recientemente elaborada

(fines de 2011) puede verse el siguiente párrafo:

“Actuación integral en Calera de las Huérfanas en clave de desarrollo Local”

Sistematización de resultados de la experiencia, pág. 22


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Diferentes vistas de la Capilla de la Calera de las Huérfanas aparecidas en la citada publicación

Para lograr el objetivo planteado de la documentación geométrica se contrató a los suscritos para que llevaran

adelante las tareas técnicas, dado que evidentemente la posibilidad de realización de este tipo de trabajos depende

fuertemente del acceso a la tecnología en cuestión: Escáner Laser Topográfico 3D con exactitudes de mm en las

tres coordenadas de los puntos capturados y la posibilidad de integrar fotografías digitales, de manera de tener al

final “cada píxel en la posición relativa correcta” o como se dice en la jerga “cada píxel georreferenciado”.


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La tecnología no sólo implica el escaner para la captura de los datos en campo, sino y sobre todo los programas

capaces de procesar ese volumen enorme de información obtenida, de tal forma de poder al final entregar al cliente

un producto manejable, entendible y aprovechable 100%.

Para este proyecto se capturaron en total aproximadamente 1.500.000 puntos tricoordenados con una densidad

aproximada de 1punto / 2cm y unas 400 fotografías digitales color, tanto del interior como del exterior de la capilla y

se integraron todos en un único proyecto. El producto obtenido se disponibilizó a los técnicos arquitectos y

arqueólogos en formato de CAD y también en el formato nativo del sistema para que pudiera ser analizado en un

visualizador gratuito descargable de Internet.

En este trabajo se describe el procedimiento ejecutado, tanto en la planificación como en el desarrollo de las tareas

de campo y también en la etapa de procesamiento y entrega del producto, en la perspectiva de los objetivos

perseguidos.

Se enumeran las potencialidades del sistema específico (hardware + software) y las posibilidades que se abren para

los agrimensores en una nueva área de acción con mucho camino por delante en nuestros países, así como

también se muestran otras áreas de aplicación ya experimentadas en Uruguay.


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1. INTRODUCCIÓN

A nivel mundial se puede constatar un auge en las actividades de documentación patrimonial edilicia,

potenciada por la aparición de técnicas de colecta de datos cada vez más simples y exhaustivas. Es así

que por ejemplo la famosa Acrópolis de Atenas con edificios como El Partenón o El Erecteión han sido

relevados en sumo detalle por equipos de arqueólogos y arquitectos de renombre, usando las técnicas de

la Topografía 3D, también llamada Imagenología Espacial (Spatial Imaging) o Escaneo Laser.

A nivel de nuestro continente, zonas de sumo valor patrimonial como Iglesias coloniales de Lima o también

edificaciones de Cuzco y Machu Pichu también han sabido ser relevadas para su documentación

geométrica.


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El objetivo de estas tareas es poder generar un archivo digital que tenga dos carácterísticas bien

marcadas:

• por un lado una exactitud geométrica tal que permita el tratamiento arquitectónico desde el

punto de vista de las formas, medidas, etc. con el mayor grado de detalle posible;

• y por otra parte la riqueza de información semántica que posibilite tener un modelo del objeto

lo más fiel posible al real, trascendiendo los tradicionales cortes, planos y fachadas, a partir

de modelos tridimensionales que integren además de la geometría, fotografías color

referenciadas en el espacio correspondiente.

Las posibilidades que brinda el registro digital permiten una vez tomados los datos in situ, replicar todas

las veces que sea necesario el análisis en gabinete, usando paquetes de software específicos, mediante

los cuales se analizan las deformaciones, detalles, medidas y demás características sin la necesidad de

estar presente en el lugar en cuestión.


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2. LA DOCUMENTACIÓN REQUERIDA PARA LA CAPILLA DE LA CALERA DE LAS

HUÉRFANAS

El mencionado proyecto de actuación sobre el sitio conocido como “Calera de las Huérfanas” contemplaba

originalmente tareas de relevamiento mediante métodos tradicionales, de hecho fue así que los autores

del trabajo tomaron conocimiento de la iniciativa. Las especificaciones originales establecían un

relevamiento de detalle mediante técnicas topográficas clásicas (Estación Total para relevamiento de

puntos notables) y actividades de documentación básica (toma de fotografías digitales color con cámaras

de aficionado). A partir de lo cual se debería entregar un producto básico que constara de planos de

planta, corte y fachadas del edificio.

Las ruinas en sí abarcan una capilla construida en los s. XVIII y XIX y semi restaurada en el s. XX, con

unas dimensiones aproximadas de 25 m de largo por 10 m de ancho y 12 m altura, prácticamente sin

techo y casi sin revestimientos, donde en el exterior se pueden ver los ladrillos originales y su técnica de

ensamblado y en el interior existen resabios del altar, el coro y la entrada. Otra de las características a

considerar era la imposibilidad de permanencia extendida en el sitio y la presencia recurrente de

vegetación, sobre todo en las cumbreras, generada por las aves muy abundantes en el entorno, el cual es

totalmente rural y agreste, con la presencia de un arroyo en sus cercanías.


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3. CONSIDERACIÓN DE ALTERNATIVAS DE RELEVAMIENTO

En esas circunstancias se hizo un análisis preliminar de lo que implicaría en vistas a los objetivos

planteados y según los métodos tradicionales de la agrimensura, y se llegó a la conclusión que los tiempos

a emplear como la información requerida o bien dejaban mucho que desear o bien eran impracticables

desde el punto de vista de los costos (tiempo, recursos, dinero).

Se debe mencionar que uno de los planteos es la posibilidad de ejecutar monitoreos recurrentes de las

deformaciones a nivel de los muros y grietas existentes.

Se analizó asimismo la posibilidad de ejecutar un relevamiento por fotogrametría terrestre, pero se vió que

en nuestro país no existía mucha experiencia en el tema y además no hay actualmente cámaras en

producción capaces de ejecutar el trabajo, y asimismo los procesos de relevamiento (establecimiento de

puntos de control, ubicación de los pares de cámaras para la toma desde dos puntos de vista), revelado,

digitalización (escaneado) y restitución (en restituidores digitales) terminaba por complicar tanto el trabajo

que desalentaba su realización (por ejemplo solo existen en el Uruguay tres Estaciones Fotogramétricas

Digitales y las tres pertencen a organismos públicos, con sus propios tiempos y sus propios proyectos).

La siguiente alternativa que se contempló fue la del empleo de las técnicas de escaneo laser 3D del tipo

Spatial Imaging.

Visto los objetivos, los plazos y los recursos con que se contaba y considerando trabajos publicados en

distintas revistas y portales internacionales, se identificó esta opción no sólo como la más adecuada sino

como la única capaz de satisfacer y superar las expectativas del cliente.

Es así que se pasó al diseño del proyecto específico.


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4. EL PROYECTO DE RELEVAMIENTO 3D MEDIANTE SPATIAL IMAGING

Los técnicos responsables frente al PNUD necesitaban que se les suministrara un archivo a partir del cual

pudieran tanto los arqueólogos como los arquitectos participantes estudiar la geometría completa del

edificio, las técnicas de colocación de los materiales (sobre todo ladrillos de campo hechos en el lugar por

los esclavos, los indios y los religiosos), las deformaciones que ha ido sufriendo el conjunto, poder medir

distancias con el mayor grado de detalle posible, el análisis geométrico de las fisuras y las incrustaciones

realizadas en intentos de restauración hechos hace 50 años.

Se empleó en el trabajo un equipo bastante singular: TRIMBLE VX SPATIAL STATION.

Este dispositivo integra una estación total que puede escanear (es decir relevar mediante el disparo de un

láser de manera automática y controlada) cualquier objeto que esté hasta 300 metros de distancia y una

cámara de fotos que toma las mismas desde el mismo aparato. La principal diferencia con los escáneres

3D clásicos es que al ser una estación total no necesita el establecimiento de dianas o targets “externos”


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colocados sobre el objeto a relevar para luego ejecutar procesos de “registración”, indispensable para

integrar relevamientos ejecutados desde diversas posiciones.

De esta manera se planificó la georreferenciación relativa similar a los trabajos topográficos de obra,

estableciendo un conjunto de puntos de referencia/control en las inmediaciones de la capilla, para luego

poder “hacer estación libre”, es decir posicionar el equipo en el sistema de referencia y de coordenadas

preestablecido, mediante la vinculación a por lo menos tres de estos puntos de control. Para este paso se

usan las técnicas conocidas de medición a prisma y/o de laser sin prisma.

Otra de las particularidades tecnológicas de la VX es el sistema VISION, este permite a través de la

controladora de campo TSC2 (computadora portátil con pantalla táctil) “ver lo que el equipo ve” en tiempo

real y de manera remota (bluetooth), es decir el equipo filma a través de su objetivo y en el display de la

controladora se despliega lo mismo que el objetivo está filmando simultáneamente, además se puede

controlar la dirección de la estación con la pantalla táctil de la TSC2. Así, se puede planificar los

relevamientos a distancia, evitando por ejemplo tener que estar bajo la luz solar directa lo cual en

ocasiones dificulta la visibilidad de las pantallas de las computadoras de mano.

La operativa se desarrolló en dos campañas separadas en el tiempo, cada una de 4 jornadas de trabajo,

una para la parte externa de la capillla y otra para el interior de la misma.

Para el exterior se posicionó el equipo en lugares previamente elegidos de tal manera que cada cara

estuviera relevada desde el centro de la misma (es decir 4 posiciones “frontales”) y además se eligieron

cuatro posiciones esquinadas una por cada una. De esta manera cada cara estaría relevada desde 3

ubicaciones diferentes, lo que permite no solo el control del trabajo (por el análisis de los planos que se

forman para cada pared desde cada ubicación de relevamiento) sino la variación del espaciado de los

puntos a setear en el equipo. En este sentido hay que considerar en el análsis general la capacidad del

equipo de escanear a una “velocidad” de hasta 15 puntos por segundo, que en la práctica se puede

promediar en 5 a 10 puntos por segundo. De aquí y de la conformación elemental de la mampostería

existente (ladrillos de campo de unos 40 a 45 cm de largo, 15 cm de ancho y 7 cm de alto) es que se

setearon diferentes espaciados tanto para la componente horizontal como la vertical del escaneo, de

manera de relevar con el mayor detalle posible y de la manera más eficiente, buscando captar todas las

uniones entre los ladrillos rigurosamente.


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La metodología empleada fue la siguiente: en el display de la controladora se determinó mediante dibujo

cada área a escanear, encerrándola con un polígono vectorial sobre lo filmado por el equipo; a ese

polígono luego se le setean/establecen los parámetros de escaneo: distancia promedio al objeto,

espaciado de puntos en horizontal y en vertical (independientes) y cálculo preliminar del tiempo requerido,

cosa que el equipo hace automáticamente; esto permite controlar no sólo la disponibilidad del tiempo de

trabajo sino también el uso de las baterías portátiles.


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En cada una de las posiciones de escaneo se desarrolló simultáneamente (unas veces previo y otras a

posteriori) el trabajo de documentación por imágenes digitales. En este sentido vale destacar que es una

metodología no muy “emperantada” tradicionalmente con la agrimensura, pero que poco a poco y a fuerza

de resultados va mostrando todo su potencial, máxime en este proyecto donde el éxito final depende en

gran medida de la calidad de las fotografías tomadas.

Uno de los aprendizajes que primero se obtuvieron de la toma de imágenes fue la consideración de la

posición relativa del sol con respecto al equipo y al objeto relevado, constatándose que no es menor y que

la mejor de todas las alternativas es hacerlo con el sol “de espaldas” al aparato. Otra de las

consideraciones concluidas es que la campaña fotográfica debe hacerse de dos maneras

complementarias: automática y manual. Es decir primero debe establecerse mediante el display la zona a

documentar y dejar que la propia VX tome las fotografías, maximizando el tiempo y el solape entre ellas y

luego debe ejecutarse una captura manual de tal forma de que el propio técnico pueda concentrarse en

características o detalles prioritarios para los resultados buscados.

La campaña “interior” se ejecutó una vez procesados inicialmente los archivos de la campaña “exterior” por

lo que se pudo tomar los recaudos adecuados visto lo concluido de la primera etapa.

Aquí se hizo uso de puntos de control o referencia ubicados en las paredes de la capilla, como pequeñas

marcas existentes, dado que al ser patrimonial no se puede modificar nada de lo presente, o sea fue

imposible colocar dianas reflectoras adhesivas. De esta forma se vincularon los relevamientos integrando

además los puntos de control externos.

En esta etapa se hizo patente una dificultad no prevista que era la cercanía de las edificaciones al equipo,

lo que limitaba tanto el escaneo como la toma de fotografías, aumentado por la presencia de andamios

tubulares y la propia construcción con mucho más detalle que el exterior (altar, bóvedas, pórtico, etc.).

Otra dificultad no menor fue la existencia de una zona elevada sobre la entrada al templo, a unos 3 metros

de altura, desde donde originalmente se accedía al campanario. Para poder documentar este sitio se

debió subir el equipo con poleas y escaleras, y estacionarla sobre el entrepiso.


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Finalmente para el caso de las tomas fotográficas ocurrió que la presencia de sombras mucho más fuertes

y cambiantes a lo largo del día y de pocas horas, hizo necesario una más adecuada planificación de los

tiempos de captura de imágenes que para el exterior.


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5. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS Y GENERACIÓN DE MODELO

La gran potencia y tecnología del dispositivo de captura de datos 3D perdería toda su ventaja si no hubiera

un programa capaz de procesar todo ese volumen de datos geométricos y raster de una manera simple,

intuitiva y eficiente.

Esto es lo que hace el software Trimble REALWORKS.

Este software se usó en gabinete para procesar todo lo obtenido en campo: más de 1.500.000 puntos

tricoordenados en más de 15 estaciones, más de 10 puntos de control relevados desde

muchísimas posiciones, más de 30 escaneos efectuados desde esas mismas posiciones y más de

400 fotografías color capturadas.


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El proceso permite ir siguiendo una metodología ordenada e intuitiva, generando archivos intermedios y

finales, crecientes en su complejidad e información proporcionada y en el realismo adquirido.

Esquemáticamente la forma de trabajo implica:

• Generación de un proyecto único donde se vuelcan todos los datos obtenidos en campo.

• Partir de la nube total de puntos del proyecto: todos los puntos tricoordenados generados en

la suma de todos los escaneos.

• Filtrado (segmentación) inicial de puntos espúrios: son los puntos que no tienen ninguna

correlación con el objeto analizado, por ejemplo vegetación que se interpone entre el equipo y

el edificio, puntos que resultan del escaneo de “vacío”.

• Depuración de los escaneos o las estaciones de acuerdo al elemento a modelar: por lo

general se eligieron cada una de las caras exteriores independientemente de las demás y de

las interiores. Para esto existen varias herramientas que mediante colores o separaciones de

archivos internos dejan “filtrar” ya sea según diferentes estaciones o diferentes escaneos.

Otra de las herramientas es la visulaización desde la perspectiva de cada estación, y la

integración de puntos y fotografías, con lo que se puede planificar el modelado del sólido.


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• Generación de la nube inicial de cada cara.

• Generación de la malla ajustada según el método matemático elegido dentro del menú

correspondiente.


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• Depuración de la malla y de la nube. Esto se hace a partir del análisis visual de la malla

generada, ya que se pueden ver puntos que evidentemente no son parte de la cara a

modelar, porque por ejemplo los triángulos generados no tienen una significancia real.

• Refinamiento de la malla, con procedimientos automáticos del soft.

• Generación del texturado: aquí se integran las fotografías correspondientes a esa malla. El

soft permite visualizar todas las fotos que tienen una referencia espacial común con los

puntos de la nube seleccionados. De esta forma se puede seleccionar o dejar que el

programa “calce” las fotos con la malla de la manera más conveniente.


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• Otra vez puede ser beneficiosa una revisión de lo ejecutado a partir de este resultado final

“parcial”.

• Se repite el procedimiento con las demás caras exteriores e interiores.

• Luego se integran las diferentes caras y se analiza las zonas de unión (aristas).

• Finalmente se genera un modelo único con los texturados.


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6. CREACIÓN DE ENTREGABLE EN VISUALIZADOR NATIVO Y EXPORTACIÓN A CAD

Evidentemente el análisis técnico lo realizan los arqueólogos y arquitectos especialistas en el tema, por lo

que se vuelve necesario que ellos puedan disponer de herramientas lo suficientemente potentes como

para trabajar el archivo resultante similarmente a como fue generado.

Para este caso existe la posibilidad de descarga gratuita de un visualizador: Trimble RealWorks VIEWER,

el cual facilita todas las mismas herramientas de inspección que el soft de cálculo. En nuestro caso fue

grato ver cómo la contraparte captó rápidamente esta ventaja y empleó el mismo sin dificultades.

Por otro lado los software de diseño asistido por computadora (CAD) han empezado a incluir en sus

últimas versiones la posibilidad de tratamiento de nubes de puntos.

Fue por ello que se generó un entregable en este formato, para lo cual hubo que investigar en la web las

diferentes alternativas, como el empleo de aplicaciones intermedias que permitieran la casi no pérdida de

información en el proceso de conversión.


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7. CONCLUSIONES

Las técnicas de Spatial Imaging o Escaneo Láser Topográfico 3D están pasando a ser estándares para

algunos rubros culturales y científicos, principalmente para Documentación Arquitectónica con fines

Patrimoniales como así también para relevamientos de estructuras complejas (Plantas Industriales como

puede ser una central eléctrica).

Concretamente en este proyecto el cliente obtuvo un documento digital en el que de manera muy simple

puede analizar desde su PC todas las características geométricas del edificio, trabajando de manera

intuitiva sin necesidad de tener conocimiento de software específico como puede ser el CAD.

El resultado obtenido es altamente positivo, tanto para el contratante como para los propios autores, ya

que siginificó el primer abordaje de este tipo en el Uruguay, generando una primera experiencia pasible de

ser replicada y mejorada en proyectos similares.

La agrimensura está cambiando rápidamente, las técnicas y lo conceptual van evolucionando

conjuntamente y las perspectivas de trabajo de los profesionales lejos de reducirse aumentan

considerablemente, permitiendo una participación más activa en toda la vida de un proyecto, no solo en la

etapa de captura del dato, sino también en la planificación y la gestión de la información geométrica, una

vez ejecutados los relevamientos.


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