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

Propuesta de metodología de trabajo para la obtención de cartografía a partir de datos LiDAR registrados en una zona rústica.

Tras la llegada de la medición mediante LiDAR, la obtención de cartografía se ha visto facilitada, obteniendo modelos digitales con gran rapidez y precisión. No obstante, para poder tratar la gran cantidad de información registrada, se necesita emplear un conjunto de algoritmos que permita extraer los detalles importantes y necesarios de la zona registrada. Por ello, se presenta este trabajo donde se expondrá una metodología de actuación para obtener cartografía a escala 1/1000 de una zona rústica, basada en el cálculo de mapas de curvas de nivel y ortofotografías, generadas a partir de los MDT y MDS de la zona. Todas las pruebas se han realizado mediante el software MDTopX. Abstract: After the arrival of the LiDAR measurement, mapping has been facilitated, obtaining digital models very quickly and accurately. However, in order to manage the great amount of recorded information, a set of algorithms is required which allows the extracting of important and necessary details of the recorded area. Therefore, a methodology is presented for mapping at 1/1000 scale of a rural area, based on contour maps and orthophotos, generated from the DTM and DSM of the area. All tests were performed using MDTopX software

Estudio de procesos y herramientas aplicables a la generalización vectorial de entidades lineales.

Se presenta un estudio de algoritmos que ofrecen resultados óptimos en cuanto a lo que a la generalización vectorial de entidades lineales se refiere. Este estudio se encuentra dentro del marco del proyecto CENIT España Virtual para la investigación de nuevos algoritmos de procesado cartográfico. La generalización constituye uno de los procesos cartográficos más complejos, cobrando su mayor importancia a la hora de confeccionar mapas derivados a partir de otros a mayores escalas. La necesidad de una generalización se hace patente ante la imposibilidad de representar la realidad en su totalidad, teniendo ésta que ser limitada o reducida para la posterior elaboración del mapa, manteniendo, eso sí, las características esenciales del espacio geográfico cartografiado. La finalidad, por tanto, es obtener una imagen simplificada pero representativa de la realidad. Debido a que casi el ochenta por ciento de la cartografía vectorial está compuesta por elementos lineales, la investigación se centra en aquellos algoritmos capaces de procesar y actuar sobre éstos, demostrando además que su aplicación puede extenderse al tratamiento de elementos superficiales ya que son tratados a partir de la línea cerrada que los define. El estudio, además, profundiza en los procesos englobados dentro de la exageración lineal que pretenden destacar o enfatizar aquellos rasgos de entidades lineales sin los que la representatividad de nuestro mapa se vería mermada. Estas herramientas, acompañadas de otras más conocidas como la simplificación y el suavizado de líneas, pueden ofrecer resultados satisfactorios dentro de un proceso de generalización. Abstract: A study of algorithms that provide optimal results in vector generalization is presented. This study is within the CENIT project framework of the España Virtual for research of new cartographic processing algorithms. The generalization is one of the more complex mapping processes, taking its greatest importance when preparing maps derived from other at larger scales. The need for generalization is evident given the impossibility of representing whole real world, taking it to be limited or reduced for the subsequent preparation of the map, keeping main features of the geographical space. Therefore, the goal is to obtain a simplified but representative image of the reality. Due to nearly eighty percent of the mapping vector is composed of linear elements, the research focuses on those algorithms that can process them, proving that its application can also be extended to the treatment of surface elements as they are treated from the closed line that defines them. Moreover, the study focussed into the processes involved within the linear exaggeration intended to highlight or emphasize those features of linear entities that increase the representativeness of our map. These tools, together with others known as the simplification and smoothing of lines, can provide satisfactory results in a process of generalization

Estado del arte de algoritmos de generalización vectorial de núcleos urbanos.

Se presenta este artículo con el ánimo de enumerar y estudiar diferentes algoritmos que tratan la generalización de datos cartográficos vectoriales de zonas urbanas, debido a que en ellas se concentran la mayoría de los conflictos que se pueden encontrar en los procesos de generalización cartográfica. A pesar de que la generalización es uno de los procedimientos más difíciles de automatizar, existen herramientas que implementan estos algoritmos y ofrecen resultados satisfactorios, aunque ninguna de ellas es capaz de automatizar por completo el proceso de generalización. A continuación, se incluyen las pruebas realizadas al respecto, describiendo y analizando los resultados obtenidos, estableciendo una comparativa con trabajos realizados por diferentes autores. Se concluye el documento valorando los posibles trabajos futuros para solventar la problemática de la generalización cartográfica. Este estudio se encuentra en el marco del proyecto CENIT España Virtual. Abstract: This article is focused in studying different algorithms about generalization of vector map data from urban areas, because most of the conflicts in the processes of cartographic generalization are concentrated in these areas. Although generalization is one of the most difficult processes to automate, there are tools that implement these algorithms and provide satisfactory results. However,none of them can automate the process of generalization completely. Then tests in describing and analyzing the results are included, establishing a comparison with works of various authors. The document concludes by assessing the possible future works to solve the problem of cartographic generalization. This study is within the CENIT project España Virtual

Estado del arte de algoritmo de generalización vectorial de núcleos urbanos

La generalización de núcleos urbanos es uno de los procesos más complejos dentro de la generalización vectorial. Debido a los numerosos conflictos que se pueden dar en el tratamiento de cartografía urbana, se requiere del establecimiento de una pauta a seguir mediante la actuación conjunta de diferentes operadores. El objetivo final de este proceso es la obtención de cartografía representativa de la zona a tratar, manteniendo en la medida de lo posible las relaciones entre los elementos que conforman y definen el núcleo urbano. La generalización de núcleos urbanos adquiere especial relevancia debido a la necesidad de tener en cuenta la geometría de las edificaciones, así como la del entramado viario, aspecto poco notable cuando se trata de cartografía de zonas rústicas. Además, ha sido objeto de diversas investigaciones por englobar una gran variedad de procesos de gran utilidad y aplicación en otros apartados incluidos en la automatización de procesos de generalización vectorial. El estudio de la bibliografía existente al respecto permite agrupar los algoritmos atendiendo a los operadores que intervienen en el proceso de generalización. Estos operadores permitirán reducir el número de edificios, garantizar la legibilidad entre ellos y mantener las relaciones existentes entre los mismos. Este estudio se encuentra en el marco del proyecto CENIT España Virtual.The generalization of urban areas is one of the most complex processes within the vector generalization. Due to the numerous conflicts that may occur in the treatment of urban maps, establishing a pattern is required to follow through joint action by different operators. The final target of this process is to obtain representative mapping of the treated area, keeping, as far as possible, the relationships between the elements that define the urban area. The generalization of urban areas is especially relevant because of the need to take in account the geometry of buildings, as well as the road network, which is poorly marked in rural areas cartography. Moreover, it has been goal of several investigations because it involves a wide variety of useful processes included in the automation of vector generalization. The study of the literature about the algorithms can group them in terms of the operators involved in the process of generalization. These operators will reduce the number of buildings, keeping legibility and existing relationships between them. This study is within the CENIT project España Virtual

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

Nuevo algoritmo de generalización lineal y ortogonalización de construcciones en un entorno urbano.

Resumen: La generalización cartográfica es el proceso que permite la obtención de cartografía derivada a partir de la generada mediante el registro de información geográfica. Normalmente, la generalización implica una reducción de escala, aunque podría ser una reducción de la cantidad de información sin reducir la escala, debido a un cambio de objetivo de la cartografía. La dificultad de la generalización aumenta cuanto menor es la escala destino y mayor la diferencia entre ésta y la escala origen. Estas dificultades se concentran en aquellas entidades que representan objetos modificados por el hombre, es decir, principalmente en los núcleos urbanos, ya que deben preservar ciertas propiedades en su geometría una vez generalizados. En este artículo, se propone un algoritmo para la generalización lineal de núcleos urbanos, basándose en las características constructivas y relacionales de las edificaciones que los conforman. Abstract: Mapping generalization is the process which derived maps are obtained from others generated by recording geographic information. Usually, generalization involves a reduction of scale, although it could be a reduction in the amount of information without reducing the scale, due to a change in target mapping. The smaller target scale, the more difficult is the generalization. Also, the more difference between origin scale and target scale, the more difficult is the generalization. The difficulties are concentrated in entities that represent objects modified by man, mainly in urban areas, as they must preserve certain geometry properties once generalized. In this paper, an algorithm is proposed for linear generalization of urban areas, based on constructive and relational characteristics of the buildings that shape them

Road safety evaluation through automatic extraction of road horizontal alignments from Mobile LiDAR System and inductive reasoning based on a decision tree

13 p.Safe roads are a necessity for any society because of the high social costs of traffic accidents. This challenge is addressed by a novel methodology that allows us to evaluate road safety from Mobile LiDAR System data, taking advantage of the road alignment due to its influence on the accident rate. Automation is obtained through an inductive reasoning process based on a decision tree that provides a potential risk assessment. To achieve this, a 3D point cloud is classified by an iterative and incremental algorithm based on a 2.5D and 3D Delaunay triangulation, which apply different algorithms sequentially. Next, an automatic extraction process of road horizontal alignment parameters is developed to obtain geometric consistency indexes, based on a joint triple stability criterion. Likewise, this work aims to provide a powerful and effective preventive and/or predictive tool for road safety inspections. The proposed methodology was implemented on three stretches of Spanish roads, each with different traffic conditions that represent the most common road types. The developed methodology was successfully validated through as-built road projects, which were considered as “ground truth.”S

Testing and Application of Geospatial Techniques in Seismic Engineering

Identification and classification of the different structures and infrastructures that make up a city (conventional buildings, power stations, nuclear power stations, routes of communication, etc.) are of great importance at the time of characterize their vulnerability and carry out estimates of seismic risk. Different types have different physical damage to some seismic movement, hence the importance of correctly assign a class of vulnerability. For this reason, it is necessary to know, updated form, the distribution and composition of structures and infrastructure of a city. Behaviour that presented these elements to a seismic phenomenon is linked, among others, building material and its geometric shape. Today, cadastral information updated about the infrastructure of a city does not have the data necessary and useful to carry out a calculation of seismic risk. For decades, the way of being able to have such information, has been through the development of campaigns of field for the elaboration of databases. This practice entails long time of work and the need for qualified personnel for the identification of the constructive typologies of the different structures. Nowadays, there are different geospatial techniques that allow data acquisition on a massive scale in a short time. In particular, by means of laser measurements, it is possible to have clouds of millions of points with geometric and radiometric information in a matter of seconds. This article presents a line of research whose main objective is to innovate in the vulnerability mapping and seismic risk estimation methods using geospatial techniques: static and dynamic laser. The end is contributing to knowledge and more accurate risk results, on which will be supported after the emergency plans that facilitate post event actions

Remote sensing techniques applied to seismic vulnerability assessment

Advances in remote sensing and photogrammetry techniques have increased the degree of accuracy and resolution in the record of the earth’s surface. This has expanded the range of possible applications of these data. In this research, we have used these data to document the construction characteristics of the urban environment of Lorca, Spain. An exposure database has been created with the gathered information to be used in seismic vulnerability assessment. To this end, we have used data from photogrammetric flights at different periods, using both orthorectified images in the visible and infrared spectrum. Furthermore, the analysis is completed using LiDAR data. From the combination of these data, it has been possible to delineate the building footprints and characterize the constructions with attributes such as the approximate date of construction, area, type of roof and even building materials. To carry out the calculation, we have developed different algorithms to compare images from different times, segment images, classify LiDAR data, and use the infrared data in order to remove vegetation or to compute roof surfaces with height value, tilt and spectral fingerprint. In addition, the accuracy of our results has been validated with ground truth data. This work is developed in the context of the MERISUR project (ref. CGL2013-40492-R), with funding from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness