Metodología para la gestión y explotación de datos espaciales obtenidos con sistemas de captura masiva de puntos

La captura directa de puntos sobre una superficie nos permite obtener información sobre sus coordenadas, forma y color. El escaneado tridimensional es una técnica cada vez más extendida, al capturar puntos de manera masiva con gran precisión y productividad. Además de las coordenadas, proporciona medidas de distancia, y dependiendo del tipo de escáner, información sobre el color y la reflectividad de la superficie. Las nubes de puntos producidas por los escáneres se pueden usar directamente para la medición y visualización. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones utilizan modelos tridimensionales creados a partir de las nubes de puntos. En este proyecto se han estudiado los datos espaciales obtenidos de láser-escáneres para los casos de una muralla a escala 1/100 y de una ladera a escala 1/1000, gracias al software de código abierto MeshLab, que proporciona herramientas para el filtrado de las nubes de puntos y el modelado mediante triangulación. La memoria se ha estructurado de manera que los apartados 2 y 3 describan los procesos aplicados al tratamiento específico de las nubes de puntos y los apartados 4, 5 y 6 a la creación de los modelos tridimensionales. Finalmente, en los apartados 7 y 8 se describe el proceso realizado en MeshLab para los dos casos de estudio. Como se observa en las imágenes finales de cada caso, la generación de modelos junto con sombreados y texturas nos proporciona una representación muy realista de la superficie. La calidad y cantidad de información en los resultados deja entrever que el futuro del modelado tridimensional pasa por el uso de escáneres láser, dejando atrás la generación de modelos a partir de fotografías

Diseño, optimización y análisis de sistemas basados en técnicas láser, para el modelado geométrico, registro y documentación, aplicados a entidades de interés patrimonial.

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo e implementación de un sistema para mejorar la metodología de extracción de la información geométrica necesaria asociada a los procesos de documentación de entidades de interés patrimonial, a partir de la información proporcionada por el empleo de sensores láser, tanto aéreos como terrestres. Para ello, inicialmente se realiza una presentación y justificación de los antecedentes y la problemática en el registro de información geométrica para el patrimonio, detallando todos aquellos sistemas de registro y análisis de la información geométrica utilizados en la actualidad. Este análisis permitirá realizar la comparación con los sistemas de registro basados en técnicas láser, aportando sugerencias de utilización para cada caso concreto. Posteriormente, se detallan los sistemas de registro basados en técnicas láser, comenzando por los sensores aerotransportados y concluyendo con el análisis pormenorizado de los sensores terrestres, tanto en su aplicación en modo estático como móvil. Se exponen las características técnicas y funcionamiento de cada uno de ellos, así como los ámbitos de aplicación y productos generados. Se analizan las fuentes de error que determinan la precisión que puede alcanzar el sistema. Tras la exposición de las características de los sistemas LiDAR, se detallan los procesos a realizar con los datos extraídos para poder generar la información necesaria para los diferentes tipos de objetos analizados. En esta exposición, se hace hincapié en los posibles riesgos que pueden ocurrir en algunas fases delicadas y se analizarán los diferentes algoritmos de filtrado y clasificación de los puntos, fundamentales en el procesamiento de la información LiDAR. Seguidamente, se propone una alternativa para optimizar los modelos de procesamiento existentes, basándose en el desarrollo de algoritmos nuevos y herramientas informáticas que mejoran el rendimiento en la gestión de la información LiDAR. En la implementación, se han tenido en cuenta características y necesidades particulares de la documentación de entidades de interés patrimonial, así como los diferentes ámbitos de utilización del LiDAR, tanto aéreo como terrestre. El resultado es un organigrama de las tareas a realizar desde la nube de puntos LiDAR hasta el cálculo de los modelos digitales del terreno y de superficies. Para llevar a cabo esta propuesta, se han desarrollado hasta 19 algoritmos diferentes que comprenden implementaciones para el modelado en 2.5D y 3D, visualización, edición, filtrado y clasificación de datos LiDAR, incorporación de información de sensores pasivos y cálculo de mapas derivados, tanto raster como vectoriales, como pueden ser mapas de curvas de nivel y ortofotos. Finalmente, para dar validez y consistencia a los desarrollos propuestos, se han realizado ensayos en diferentes escenarios posibles en un proceso de documentación del patrimonio y que abarcan desde proyectos con sensores aerotransportados, proyectos con sensores terrestres estáticos a media y corta distancia, así como un proyecto con un sensor terrestre móvil. Estos ensayos han permitido definir los diferentes parámetros necesarios para el adecuado funcionamiento de los algoritmos propuestos. Asimismo, se han realizado pruebas objetivas expuestas por la ISPRS para la evaluación y comparación del funcionamiento de algoritmos de clasificación LiDAR. Estas pruebas han permitido extraer datos de rendimiento y efectividad del algoritmo de clasificación presentado, permitiendo su comparación con otros algoritmos de prestigio existentes. Los resultados obtenidos han constatado el funcionamiento satisfactorio de la herramienta. Esta tesis está enmarcada dentro del proyecto Consolider-Ingenio 2010: “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) realizado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad Politécnica de Madrid. ABSTRACT: The goal of this thesis is the design, development and implementation of a system to improve the extraction of useful geometric information in Heritage documentation processes. This system is based on information provided by laser sensors, both aerial and terrestrial. Firstly, a presentation of recording geometric information for Heritage processes is done. Then, a justification of the background and problems is done too. Here, current systems for recording and analyzing the geometric information are studied. This analysis will perform the comparison with the laser system techniques, providing suggestions of use for each specific case. Next, recording systems based on laser techniques are detailed. This study starts with airborne sensors and ends with terrestrial ones, both in static and mobile application. The technical characteristics and operation of each of them are described, as well as the areas of application and generated products. Error sources are also analyzed in order to know the precision this technology can achieve. Following the presentation of the LiDAR system characteristics, the processes to generate the required information for different types of scanned objects are described; the emphasis is on the potential risks that some steps can produce. Moreover different filtering and classification algorithms are analyzed, because of their main role in LiDAR processing. Then, an alternative to optimize existing processing models is proposed. It is based on the development of new algorithms and tools that improve the performance in LiDAR data management. In this implementation, characteristics and needs of the documentation of Heritage entities have been taken into account. Besides, different areas of use of LiDAR are considered, both air and terrestrial. The result is a flowchart of tasks from the LiDAR point cloud to the calculation of digital terrain models and digital surface models. Up to 19 different algorithms have been developed to implement this proposal. These algorithms include implementations for 2.5D and 3D modeling, viewing, editing, filtering and classification of LiDAR data, incorporating information from passive sensors and calculation of derived maps, both raster and vector, such as contour maps and orthophotos. Finally, in order to validate and give consistency to the proposed developments, tests in different cases have been executed. These tests have been selected to cover different possible scenarios in the Heritage documentation process. They include from projects with airborne sensors, static terrestrial sensors (medium and short distances) to mobile terrestrial sensor projects. These tests have helped to define the different parameters necessary for the appropriate functioning of the proposed algorithms. Furthermore, proposed tests from ISPRS have been tested. These tests have allowed evaluating the LiDAR classification algorithm performance and comparing it to others. Therefore, they have made feasible to obtain performance data and effectiveness of the developed classification algorithm. The results have confirmed the reliability of the tool. This investigation is framed within Consolider-Ingenio 2010 project titled “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) by Consejo Superior de Investigaciones Científicas and Universidad Politécnica de Madrid

Uso de escáner láser 3D para el registro del estado previo a la intervención de la Fuente de los Leones de La Alhambra

[ES] En el proceso de restauración y conservación del patrimonio histórico se hace necesaria la utilización de todas las técnicas disponibles que puedan aportar un adecuado conocimiento del proceso que se realice. En este artículo presentamos los trabajos realizados mediante el uso de escáner láser 3D para el registrado y documentación del estado de la Fuente de los Leones de La Alhambra, previos a las intervenciones de restauración que se están realizando. En primer lugar presentamos las técnicas clásicas usadas para el registro gráfico de las actuaciones, describiendo cómo se ha hecho hasta ahora, para después mostrar el nuevo proceso implantado con la utilización del escáner láser, y ver los resultados obtenidos. Para finalizar, describiremos algunas de las aplicaciones en las que se pretende utilizar el registrado obtenido.[EN] In the process of restoration and conservation of cultural heritage it’s necessary to use all available techniques that can contribute to a suitable knowledge of the process. In this paper we present the use of the 3D laser scanner for documenting the state of the Fuente de los Leones of the Alhambra, previous to the interventions of restoration that are being carried out at the moment. First, we present the classic techniques used for the graphical registry of the activities, describing how they have been used until now. Then, we describes the new process implanted with the use of the laser scanner, and show some results obtained. Finally, we describe some of the applications for which we plan to use the obtained models.Patronato de la Alhambra y Generalife, Ministerio de Ciencia y Tecnología y los fondos FEDER, a través del proyecto TIN2007-67474-C03-02, Consejería de innovación Ciencia y Empresa de la Junta de Andalucía a través del proyecto de excelencia TIC-401.Cano, P.; Lamolda Álvarez, F.; Torres, JC.; Villafranca, MDM. (2010). Uso de escáner láser 3D para el registro del estado previo a la intervención de la Fuente de los Leones de La Alhambra. Virtual Archaeology Review. 1(2):89-94. https://doi.org/10.4995/var.2010.4695OJS899412VALLE, J. M. (2006): Reflexiones sobre la Documentación Geométrica del Patrimonio. Papeles del Partal, núm. 3. [http://www.academiadelpartal.org/revista/revista_03/n3_8.pdf ]PAG (2004): Memoria de Intervención en el León nº 4 de la Fuente de los Leones. 2002-2004. Patronato de la Alhambra y Generalife.ALMAGRO, A. (1996): Realización de mapas de daños y de volumen: Fotogrametría. Curso: "Técnicas de diagnostico aplicadas a la conservación de bienes muebles".TIENZA, C. (2007): Proyecto integral de conservación-restauración en la Fuente de los Leones. Palacio y Patio de los Leones de la Alhambra. Informes de seguimiento de la intervención. Documento de trabajo del Servicio de Conservación, Patronato de la Alhambra y Generalife.GONZÁLEZ, A. (2006). Aportaciones de los sistemas de tratamiento digital de imagen en el estudio de las obras de arte. Innovación tecnológica en la Conservación y Restauración del patrimonio. U.A. MadridMINOLTA (2008): Escáner 3D Konica Minolta Vivid 910. [ http://www.minolta3d.com ]TORRES, J.C.; MELERO, F.J.; CANO, P.; MARTÍN, D.; LEÓN, A. (2007): Generación automatizada de modelado 3D para difusión y documentación del patrimonio histórico". En: Hernández, L. y Flores, J. (eds.) "Informática Gráfica y Patrimonio Histórico". pp: 111- 120.ESPAÑA, M.; MORENO, J.J.; MARTIN, D.; CANO, P. (2008): Herramientas para la triangulación y registrado inicial de modelos 3D a partir de nubes de puntos. Congreso Español de Informática Gráfica, pp: 261-264.SCHROEDER, W.J.; ZARGE, J. A.; LORENSEN, W. E. (1992): Decimation of Triangle Meshes. Proceedings of the 19th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pp. 65-70. http://dx.doi.org/10.1145/133994.134010http://dx.doi.org/10.1145/142920.134010HOPPE, H. ; DEROSE, T.; DUCHAMP, T.; MCDONALD, J.; STUELZLE, W. (1993): Mesh Optimization. ACM SIGGRAPH 1993, pp. 19-26. http://dx.doi.org/10.1145/166117.16611

Desarrollo y validación de un sistema de modelado 3D de software abierto

Desde el punto de vista ingenieril el proceso que se explica en el siguiente proyecto trata de crear un modelo 3D a partir de fotos del elemento real. Para ello utilizaremos dos programas de software abierto: Visual SfM y Meshlab. Las posibilidades de las nuevas herramientas basadas en técnicas de fotogrametría, nos aportan un excelente medio para la documentación gráfica 3D. Por su accesibilidad desde el punto de vista económico, así como facilidad de implementación o manejo, constituyen una alternativa a métodos de modelado 3D basados en tecnología láser o luz estructurada. Y gracias a las nuevas impresoras 3D de software libre podemos imprimir los modelos obtenidos, construyendo un proceso de prototipado 3D. Teniendo, en definitiva, un desarrollo CAD/CAM sencillo y económico.Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Expresión Gráfica en la Ingeniería, Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría, Ingeniería Mecánica e Ingeniería de los Procesos de FabricaciónGrado en Ingeniería Mecánic

Una experiencia en la aplicación del Láser Escáner 3D a los procesos de documentación y análisis del Patrimonio Construido: su aplicación a Santa Eulalia de Bóveda (Lugo) y San Fiz de Solovio (Santiago de Compostela)

Nowadays, field surveying has very accurate instruments that allow a substantial speeding up of the processes of topographic measurement, maximizing the information that they provide and obtaining features that represent the objects with a high precision. That is the case of the High- Definition Survey with Terrestrial Laser Scanner. This paper shows the application of such tools to some historical buildings in Galicia. The results have contributed to create a database valuable both as graphic representations, as part of the analytical processes of the architectonic record, and as three-dimensional reconstructions of the different phases of construction of the buildings under análisis.El campo de la topografía cuenta actualmente con herramientas de gran precisión que han permitido agilizar los procesos de recogida de datos, maximizar la información proporcionada por estos y obtener resultados que aportan una representación cada vez más fiel del objeto. Este es el caso del Levantamiento de Alta Definición mediante Láser Escáner 3D. En este artículo se presenta nuestra experiencia en la aplicación de esta herramienta concreta al conjunto monumental de Santa Eulalia de Bóveda (Lugo) y la iglesia de San Fiz de Solivio (Santiago de Compostela), cuyos resultados han aportado una información muy valiosa tanto desde el punto de vista de la representación, el análisis del objeto arqueológico y arquitectónico, la propia interpretación o la generación de resultados, como en las reconstrucciones tridimensionales de las distintas fases documentadas en uno de los edificios analizados

Levantamiento topográfico tridimensional del foro romano del castillo de Sagunto empleando técnicas de fotomodelado

[ES] Las técnicas de reconstrucción fotográfica permiten obtener modelos tridimensionales de importantes entornos físicos para salvar y tratar su información. La aportación que da el campo de la topografía a la sociedad es beneficiar a los usuarios de dichas imágenes y modelos tridimensionales para su uso y disfrute. El presente trabajo fin de grado consiste en la realización completa de un levantamiento topográfico tridimensional del foro romano del castillo de Sagunto (Valencia). Con el objetivo de favorecer el desarrollo de la metodología de trabajo colaborativo, para la creación y gestión de un proyecto de reconstrucción, se muestra como la información digital obtenida es útil en cada fase, ya que se dispone de comparaciones teóricas y reales de como avanza la ejecución de la obra. Mediante técnicas de fotomodelado se obtiene un modelo en 3D del foro romano el cual sirve para el análisis comparativo sobre un modelo BIM del proyecto a realizar. A lo largo de este trabajo explicaremos como obtener las imágenes para lograr mayor detalle en el modelo 3D, y también como darle uso a la información obtenida.[EN] Photographic reconstruction techniques allow obtaining three-dimensional models of important physical environments to save and process their information. The contribution that the field of topography gives to society is to benefit the users of said images and three-dimensional models for their use and enjoyment. The present final degree project consists of the complete realization of a three-dimensional topographic survey of the Roman forum of the castle of Sagunto (Valencia). In order to favor the development of the collaborative work methodology, for the creation and management of a reconstruction project, it is shown how the digital information obtained is useful in each phase, since there are theoretical and real comparisons of how it progresses the execution of the work. Using photomodeling techniques, a 3D model of the Roman forum is obtained, which is used for comparative analysis on a BIM model of the project to be carried out. Throughout this work we will explain how to obtain the images to achieve greater detail in the 3D model, and also how to use the information obtained.[CA] Les tècniques de reconstrucció fotogràfica permeten obtindre models tridimensionals d'importants entorns físics per a salvar i tractar la seua informació. L'aportació que dona el camp de la topografia a la societat és beneficiar als usuaris d'aquestes imatges i models tridimensionals per al seu ús i gaudi. El present treball fi de grau consisteix en la realització completa d'un aixecament topogràfic tridimensional del fòrum romà del castell de Sagunt (València). Amb l'objectiu d'afavorir el desenvolupament de la metodologia de treball col·laboratiu, per a la creació i gestió d'un projecte de reconstrucció, es mostra com la informació digital obtinguda és útil en cada fase, ja que es disposa de comparacions teòriques i reals de com avança l'execució de l'obra. Mitjançant tècniques de fotomodelatge s'obté un model en 3D del fòrum romà el qual serveix per a l'anàlisi comparativa sobre un model BIM del projecte a realitzar. Al llarg d'aquest treball explicarem com obtindre les imatges per a aconseguir major detall en el model 3D, i també com donar-li ús a la informació obtinguda.Ramírez Asitimbay, JD. (2021). Levantamiento topográfico tridimensional del foro romano del castillo de Sagunto empleando técnicas de fotomodelado. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/171172TFG

Modelado automático 3D de edificios históricos

En el presente Trabajo Fin de Máster se aborda el desarrollo de una metodología que, utilizando algoritmos basados en técnicas de visión artificial, permita generar la reconstrucción virtual de una edificación de forma automática a partir de una nube de puntos. La metodología parametriza los elementos básicos del modelo virtual sin que sea necesaria la intervención de un experto en ningún momento. La metodología propuesta contempla varias fases de procesamiento. Para cada una de estas fases se han desarrollado algoritmos que son capaces de detectar y modelar de forma automática los elementos arquitectónicos más representativos de edificaciones históricas. Concretamente, los algoritmos han sido optimizados para el análisis de los muros y las torres de edificaciones defensivas como los castillos, detectados aplicando técnicas de segmentación y etiquetado inteligente. Los diferentes algoritmos de la metodología propuesta han sido integrados en una herramienta informática. Los algoritmos, que forman parte de una biblioteca software, pueden ser utilizados directamente en el entorno BIM Revit de la compañía Autodesk, lo que mejora notablemente la usabilidad del desarrollo realizadoDepartamento de Ingeniería de Sistemas y AutomáticaMáster en Investigación en Ingeniería de Procesos y Sistemas Industriale

Control dimensional de piezas aeroespaciales con sistemas láser escaner: helicoptero BO-105

[ES] El objetivo de este trabajo fin de carrera es la descripción y aplicación de la tecnología láser de escaneado tridimensional a la industria aeroespacial. La modelización 3D, es una técnica en pleno auge, que apoyada en aplicaciones típicamente topográficas y debido a su alta precisión, ha permitido su implantación en mediciones de aparatos, elementos u objetos aeroespaciales. En este trabajo, se ha llevado a cabo la medición de un helicóptero militar, mediante la utilización de dos escáneres láser para el modelado 3D. El hecho de obtener el levantamiento tridimensional con dos instrumentos de diferente generación, ha permitido establecer una comparación entre los distintos modelos y, por consiguiente, los distintos láser escáner, pudiendo observar su evolución en el tiempo y sus características potenciales.Vergara Gómez, S. (2016). Control dimensional de piezas aeroespaciales con sistemas láser escaner: helicoptero BO-105. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/70136TFG

Algoritmo para la clasificación de nubes de puntos LiDAR en entornos urbanos: discriminación entre vegetación y edificaciones.

Los sistemas de registro aerotransportados que utilizan láser (LiDAR) se están convirtiendo en el principal instrumental para la recogida de la información cartográfica debido, principalmente, a la gran densidad de puntos, precisión alcanzada y rapidez en la obtención de modelos digitales. Sin embargo, sería importante disponer de algoritmos que permitan filtrar la información, seleccionando aquellos puntos medidos en zonas deseadas. Cuando se miden zonas urbanas, los elementos más importantes son las edificaciones. Por ello, se propone un nuevo algoritmo que permite clasificar y diferenciar aquellos puntos medidos sobre edificios, extrayendo, como resultado, el límite exterior que definen, de tal forma que se podría calcular la zona edificada. Abstarct: Registration systems using airborne laser (LIDAR) are becoming the main device for the collection of cartographic information, mainly due to the high density of points, accuracy and rate achieved in obtaining digital models. However, it would be important to have algorithms that filter the information by selecting those points measured in targeted areas. When measuring urban areas, buildings are the most important objects. Therefore, a new algorithm is proposed to classify those measured points on buildings and to compute their outer boundaries, so the built up area can be computed

Extracción de variables forestales a partir de datos tomados con láser escáner terrestre en Sierra Espadán, Castellón

[ES] La correcta gestión de los importantes espacios forestales de la Comunitat Valènciana requiere de un amplio y pleno conocimiento de su realidad. Pero la captura de esa información no es una tarea sencilla ni rápida. Los inventarios forestales pretenden mediante medidas manuales un tanto imprecisas la determinación de variables tanto arbóreas como arbustivas. Algunas de esas variables, como alturas dominantes, diámetros medios de tronco, área basimétrica, altura de inicio de copa, contenido de combustible y biomasa, se determinan mediante ecuaciones alométricas en las que intervienen algunas medidas manuales puntuales. La creciente versatilidad de los equipos láser escáner terrestre está permitiendo su uso en aplicaciones hasta ahora poco exploradas, como son las forestales. La inmensa cantidad de datos que aportan estos dispositivos permite tener unas estimaciones de las variables forestales mucho más precisas que con los métodos clásicos. Este TFG pretende explorar las vías de caracterización geométrica forestal a partir de nubes de puntos tomadas con láser escáner en parcelas circulares de 30 metros de diámetro. Se usará software libre como Computree, Cloudcompare y 3D Forest para no estar limitados por la dipsonibilidad de licencias comerciales.[EN] The correct management of the important forest areas of the Comunitat València requires a wide and full knowledge of their reality. But capturing that information is not a simple or quick task. Forest inventories seek by means of somewhat imprecise manual measures the determination of both arboreal and shrub variables. Some of these variables, such as dominant heights, mean trunk diameters, basal area, crown height, fuel content and biomass, are determined by allometric equations in which some manual point measures are involved. The growing versatility of laser scanner equipment is allowing its use in applications so far little explored, such as forestry. The immense amount of data provided by these devices allows us to have much more precise estimates of forest variables than with classical methods. This paper intends to explore the pathways of geometric forest characterization from clouds of points taken with laser scanner in circular plots of 30 meters in diameter. Free software such as Computree and Cloudcompare will be used in order not to be limited by the dipsi - ability of commercial licenses.[CA] La correcta gestió dels importants espais forestals de la Comunitat Valenciana requereix d’un ampli i ple coneixement de la seua realitat. Però la captura d’aquesta informació no es una tarea fàcil ni ràpida. Els investaris forestals pretenen obtindre per mig de mesures manuals, un tant imprecises, l’adquisició de variables asociades tant als arbres com als arbustos. Alguna d’aquestes variables son les altures dominants, el diàmetre mig dels troncs, l’àrea basimètrica, l’altura de l’inici de les copes dels arbres, el contingut de combustible i la biomasa, les quals son determinades per mig d’equacions alomètriques en les que intervenen algunes medides manuals puntuals. La creixent versatilitat dels equips làser escáner en el terreny esta permitint el seu ús en aplicacions fins ara inexplorades, com son les forestals.La inmensa quantitat de dades que ofereix aquestos dispositius permeteix tindre unes estimacions de les variables forestal molt mes precisos que la metodología clàsica. Aquest treball de fi de grau preten explorar les vies de propietats geomètriques forestals a partir de nuvols de punts obteses amb làser escáner dins de parceles circulars de 30 metres de diàmetre. S’usarà software lliure com CompuTree, CloudCompare i MatLAB per no estar limitat per la disponibilitat de la llicènciaMartí Sanfeliu, R. (2017). Extracción de variables forestales a partir de datos tomados con láser escáner terrestre en Sierra Espadán, Castellón. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/82302TFG