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El proceso de modelamiento topográfico de un túnel utilizando escáner láser presenta ventajas significativas en cuanto representatividad y calidad de los datos obtenidos en terreno. Sin embargo, se presentan varios desafíos relacionados con mantener correctamente la orientación de las diferentes posiciones de escaneo que componen el proyecto debido al defecto de geometría que existe en este tipo de escenarios. En esta segunda parte de la experiencia junto a Rumbos Geomensura, se mostrará el proceso de levantamiento realizado en terreno con escáner láser, además del manejo de la nube de puntos para llegar desde posiciones de escaneo aisladas hasta una nube de puntos registrada y correctamente georreferenciada para obtener productos finales que representan la geometría existente.
Rumbos Geomensura, empresa especializada en representaciones topográficas a partir de escáner láser, cuenta con un escáner láser Trimble TX6 con el cual han participado en una variedad de proyectos. Luego de haber terminado la estructura geodésica (sobre la cual se enmarcan los escaneos), mostrada en el primer reporte de esta experiencia, se da inicio intensivo a las tareas de escaneo.
El proceso de medición utilizando escáner láser en este tipo de situaciones se ve condicionado, principalmente, por la geometría del túnel debido a que el rango de escaneo no es muy extenso. En este sentido, para lograr una apropiada densidad en la representación del túnel fue necesario realizar estaciones a distancias no superiores de 25 m (dependiendo de la envergadura de la sección del túnel).
De esta forma, el escáner láser Trimble TX6 se fue estacionando progresivamente manteniendo esta equidistancia. Adicionalmente, se conserva una estricta nivelación del instrumento manteniendo el compensador activo. Esto será de gran ayuda al momento de realizar el registro de los escaneos ya que el instrumento permanecerá vertical haciendo uso de esta orientación natural. Con el fin de tener una referencia entre las diferentes estaciones, se instalan un par de conos generando un enlace entre posiciones consecutivas lo cual ayudará al momento de generar el registro de escaneos. Adicionalmente, en lugares específicos en donde se encuentra las estaciones de la poligonal, se ubican tarjetas blanco/negro las cuales permitirán generar un punto para georreferenciar.
Este proceso se extendió por casi 4 días, en los cuales se desarrollaron 282 posiciones de escaneo.
Fig 1. Proceso de medición en terreno
Una vez terminado el proceso en terreno, se obtienen 4 proyectos los cuales son procesados utilizando el software Trimble RealWorks a partir del cual se realiza el registro de escaneos.
El proceso de registro de las diferentes posiciones de escaneo se realiza utilizando el modo de registro basado en nubes el cual utiliza una porción común de la nube de puntos entre posiciones de escaneo consecutivas para calcular el registro*. Para esto, al momento de realizar los escaneos, se integró un objeto reconocible en la nube de puntos (conos consecutivos), facilitando el trabajo en gabinete y asegurando el correcto registro de cada una de las posiciones de escaneo en el recorrido del túnel y, de paso, simplificando este procedimiento.
* Referencia modos de registro https://www.geocom.cl/blogs/news/nube-de-puntos-registro-referenciacion-y-georreferenciacion
El proceso de registro se realiza entre posiciones consecutivas manteniendo como referencia las posiciones anteriormente ajustadas con el objetivo de registrar el recorrido completo. Sin embargo, este proceso no se puede llevar de forma indiscriminada: al no existir control, la nube puede tender a tener deformaciones en términos de lo que se conoce como deriva. Este efecto es independiente del método que se utilice para registrar las nubes, ya sea utilizando objetos o registro basado en nube siendo una condición inherente de la geometría del escenario a representar. En situaciones de representaciones menos exigentes, la deriva se controla a través de una gran superposición entre nubes, situación que no ocurre en un túnel.
Fig 2. Registro basado en nube / inspección visual del registro
Finalmente, a partir del reporte de registro basado en escaneos, se puede obtener una visión real de las precisiones establecidas en este proceso y el comportamiento del registro en el conjunto de datos del día correspondiente.
Fig 3. Reporte de registro de escaneos
El proceso de georreferenciación es crítico en este flujo de trabajo para dotar de la referencia que ya fue establecida en la poligonal. Ya se comentó acerca de la deriva -error en orientación- que se produce en el propio registro la cual puede ser incrementada a medida que se aumenta la distancia a partir de la estación de referencia lo cual se vería reflejado en una inconsistencia entre la poligonal y el ajuste de la representación topográfica a partir de escáner láser pudiendo encontrar errores significativos a medida que se avanza en este proceso.
Para dar solución a esta problemática es necesario generar la georreferenciación por tramos que no superen los 300 m de avance, de tal forma de minimizar la deriva en tramos que aún no están conectados logrando mantener la geometría inicial. De esta manera, se controla la deriva que se pueda generar en el registro producto de la geometría acotada del túnel.
Para georreferenciar la nube de puntos producida, se cuenta con puntos con coordenadas conocidas en todo el recorrido del túnel tales como punterías en el piso del túnel a distancias definidas (los mismos puntos de la poligonal junto con una puntería blanco/negro) y posiciones en puntos reconocibles en la nube de puntos (bireflex, placas de kilometraje, pasacables).
Fig 4. Ejemplo de puntos de control observados
A partir de estos puntos de control se realiza georreferenciación de los diferentes tramos que componen el proyecto, manteniendo en todo el recorrido una estación con coordenadas de traslape e intentando mantener los residuales de la georreferenciación dentro de valores aceptables en términos topográficos asegurando que no se generen dobles capas en las zonas de superposición de datos.
Fig 5. Georreferenciación de escaneos
Fig 6. Rumbos Geomensura
El uso de Trimble RealWorks fue vital para la georreferenciación de la nube de puntos a partir del progresivo registro de escaneos. En este sentido, Trimble RealWorks plantea un flujo de trabajo totalmente recomendable para ser aplicado en escáneres de la serie TX. Sin embargo, en la creación de los entregables finales se decidió usar Trimble Business Center a través de su módulo de Túneles debido a su facilidad para consolidar este tipo de reportes.
El proceso en Trimble Business Center es muy sencillo permitiendo una completa reportabilidad. El primer paso, es importar la nube de puntos para establecer puntos discretos en un intervalo definido. Estos puntos son asociados a cierto PK (avance en longitud sobre el trazado horizontal) de un corredor de túnel (se requiere una alineación tridimensional junto con una sección de diseño) para ser comparados en términos de evaluar la excavación.
Fig 7. Puntos discretos obtenidos a partir de la nube de puntos
Para estos efectos se construye una sección circular a partir de un alineamiento tridimensional que relata el trazado del túnel de aducción. Uno de los primeros reportes que se puede obtener para revisar la representación es un completo informe en formato word:
Fig 8. Reporte de túnel en formato Word
Este reporte sirve principalmente para revisar el resultado. En este caso, el entregable final se requería en formato CAD representando exclusivamente la sección del túnel. Por esta razón, el reporte en word constituye una fuente útil para hacer una revisión inicial.
Luego, a través de la configuración de una plantilla de túnel se crean diversas láminas, en un formato de papel establecido, logrando representar el efecto deseado en el tipo de archivo requerido:
Fig 9. Entregable final de la secciones transversales del túnel en formato CAD
Para la correcta ejecución de proyectos de túnel es imprescindible contar una red geodésica de apoyo que asegure la precisión en posición y orientación de la geometría del túnel, para que a partir de esta, se asegure la correcta georreferenciación del levantamiento LiDAR.
El punto crítico en este tipo de levantamientos, tiene relación con minimizar la deriva de la nube de puntos. Para esto es importante tener en cuenta diferentes estrategias de registro, además de las estrategias de georreferenciación en gabinete, contando con suficientes puntos de control. Sin embargo, quizá la parte crucial de este proceso tiene que ver con referenciar tramos acotados de la nube de puntos entre puntos de control. Claramente, este tipo de estrategias ayuda a mantener intactas las geometrías logrando una representación adecuada.
Finalmente, Trimble Business Center es una herramienta que permite consolidar todo el buen trabajo que se realiza en terreno a través de una adecuada presentación de resultados por medio de reportes y representaciones gráficas.
