Escaneo láser 3D portátil en la documentación del patrimonio subterráneo

Capturar, proteger y difundir el conocimiento sobre la historia utilizando tecnologías modernas

Lea cómo se utilizó la tecnología SLAM para escanear un antiguo complejo minero en Polonia para garantizar la seguridad durante un proyecto para preservar la importancia histórica, educativa y funcional del sitio.

Patrimonio cultural subterráneo es el término utilizado para describir los numerosos sitios, tanto naturales como hechos por el hombre, debajo de la superficie de la Tierra que pueden contribuir al conocimiento de la historia del planeta. Para preservar el entorno, los ambientes con ricas características geométricas, los espacios cerrados y los lugares sin luz natural deben medirse y capturarse de manera adecuada. Este artículo describe el uso de un escáner GeoSLAM Zeb Horizon en un complejo minero histórico en Polonia que presenta múltiples pasajes y dos niveles de galerías, algunas de las cuales también se inundaron.

El patrimonio cultural ha sido ampliamente reconocido por la comunidad internacional como un factor favorable al desarrollo que ayuda a difundir el conocimiento sobre el pasado en las sociedades modernas. En este contexto, los sitios subterráneos de origen tanto natural como artificial pueden tener una importancia histórica, educativa y funcional. Todo tipo de actividades mineras han tenido un gran impacto en la evolución de la arquitectura y la construcción a lo largo de los siglos. Hay una creciente conciencia de esto, como lo ilustra el creciente interés en transformar antiguas minas y sus galerías y galerías (entradas y pasillos) en todo el mundo en museos y atracciones turísticas.

En cualquier proyecto de transformación de este tipo, la primera consideración debe ser la seguridad, tanto de los trabajadores que están abriendo la mina como, posteriormente, de los turistas que la visitarán. Por lo tanto, es necesario determinar el movimiento del macizo rocoso sobre los pasadizos, realizar evaluaciones de deformación e investigar todos los demás procesos del macizo rocoso para proteger la importancia histórica de los sitios y garantizar que la futura atracción turística sea segura. Todo esto requiere una gran cantidad de datos para ser recopilados y gestionados. Esto significa que los ingenieros e investigadores buscan constantemente soluciones de cartografía y documentación espacial más eficientes. La tecnología SLAM puede ofrecer la respuesta.

La tecnología de localización y mapeo simultáneos (SLAM) ha estado evolucionando durante muchos años y ahora se aplica en numerosos campos. Un dispositivo basado en SLAM puede simultáneamente localizar (ubicarse en el mapa) y mapear (crear un mapa virtual del espacio medido). Calcula una "mejor estimación" de dónde está realmente. Se recopila nueva información posicional cada pocos segundos, las características se alinean y la estimación se mejora continuamente. Probablemente una de las mayores ventajas de SLAM es que puede hacer lo que el GPS no puede. Dado que el GPS se basa en la triangulación entre satélites, debe poder 'ver' los satélites. Esto significa que no funciona bajo tierra. SLAM no tiene este problema, ya que opera dentro del propio espacio, registrando el entorno y recordando el recorrido.

En su primer paso, el escáner láser de mano GeoSLAM Zeb Horizon utiliza datos de escaneo láser y datos de unidades de medición inercial (IMU). Gracias al reconocimiento de características 3D, el escáner puede identificar y registrar su ubicación en cualquier espacio a medida que el topógrafo se mueve. En este caso, las 'características' son áreas con una geometría única, que miden al menos 1 metro de tamaño y están ubicadas a no más de 40 metros del dispositivo, aunque el GeoSLAM Zeb Horizon tiene un alcance de 100 m, según el fabricante. Según las características, los escaneos se registran (registro de escaneo a escaneo) para producir una nube de puntos 3D registrada como resultado final. Esto no requiere más coincidencias. Por lo tanto, la ventaja notable de la tecnología SLAM es la velocidad a la que se puede obtener una nube de puntos registrada final.

El Complejo Riese está ubicado en las Montañas Owl en la Baja Silesia en Polonia, cerca de la frontera checa. El Riese (que significa 'enorme') fue uno de los mayores proyectos de minería y construcción de los alemanes durante la Segunda Guerra Mundial. No está claro si debe su nombre a la cantidad de personas que trabajaron en su construcción, la cantidad prevista de hormigón utilizado o el tamaño de la infraestructura adyacente. Hasta el día de hoy, se desconoce el propósito del edificio ya que todo el proyecto fue ultrasecreto. Desde entonces, se han descubierto seis estructuras subterráneas.

El área más grande de Riese es el Complejo Włodarz, que está abierto a los turistas como un museo subterráneo. Comprende 3.000 m que incluyen muchos pasajes rectos y dos niveles de galerías o galerías subterráneas, algunas de las cuales están inundadas. Por lo tanto, este era un entorno muy desafiante para usar el escáner.

Este proyecto incluyó el uso de varias tecnologías topográficas en el campo; Además de realizar mediciones con el escáner láser de mano GeoSLAM Zeb Horizon, el equipo realizó escaneo láser terrestre (TLS) con un Faro Focus 3D, taquimetría clásica y GNSS (no hace falta decir que esto se hizo fuera del socavón).

En caso de escaneo láser manual, se recomienda hacer algunos preparativos antes de tomar las medidas exactas. Los pasos preparatorios incluyen la planificación de la ruta de captura y las ubicaciones de inicio y finalización en relación con el proyecto, asegurándose de que haya suficientes características para el registro de escaneo, la planificación de los bucles y los cierres de bucle, y la estimación del número de escaneos para registrar toda el área de interés. Además, es fundamental recordar que cada bucle debe completarse (comenzar y terminar en el mismo lugar) en un máximo de 20 minutos. Cerrar los bucles es muy importante para la precisión de SLAM, ya que más bucles equivalen a una mejor precisión. Dado que el Complejo Włodarz está dispuesto en forma de cuadrícula, fue fácil planificar los bucles en cada nivel. Sin embargo, era importante planificar medidas y bucles a través de todos los niveles. Los topógrafos realizaron un total de seis vueltas cubriendo todos los socavones, galerías y niveles, incluso con embarcación en el caso de los que se encontraban inundados. Llevó un total de dos días completar todos los levantamientos con el escáner de mano, incluida la planificación y el aprendizaje de cómo usar el dispositivo. Si en su lugar se hubiera utilizado un escáner estacionario, se habría tardado mucho más en completar las mediciones, probablemente hasta una semana para un sitio realmente grande. En última instancia, el levantamiento con el propio Zeb Horizon tomó algunas horas, mientras que el posprocesamiento de los datos en el software GeoSLAM Hub + Draw tomó varias horas adicionales.

Todos los escaneos de GeoSLAM se procesaron posteriormente en GeoSLAM Hub + Draw y luego se exportaron a formato .e57 y se visualizaron y analizaron en Cloud Compare (consulte la Figura 3). Como base para análisis posteriores, como el cálculo del volumen y el área de un determinado complejo, se creó el modelo de malla triangular: una colección de vértices, aristas y caras que define la forma de un sitio inventariado (ver Figura 4). Toda la información obtenida de la nube de puntos, la malla y su posprocesamiento se muestra en la Tabla 1.

Es importante documentar la historia arquitectónica y arqueológica, y los sitios del patrimonio cultural, y especialmente los sitios subterráneos, requieren un tratamiento especial en términos de medición, protección y también difusión del conocimiento sobre ellos. El escaneo láser, ya sea manual o TLS, es un método universal sin contacto que, combinado con las técnicas geodésicas clásicas, se puede usar fácilmente en el inventario de sitios subterráneos. Las nubes de puntos resultantes permiten la creación de modelos espaciales y, después del posprocesamiento, admiten más análisis informáticos. Los escáneres portátiles (incluido el GeoSLAM Zeb Horizon) reproducen las derivas con suficiente precisión para la preparación de documentación sobre los sitios del patrimonio cultural subterráneo. Sin embargo, no se recomienda utilizar SLAM cuando se requieren mediciones de alta precisión (p. ej., para la evaluación de deformaciones). Se necesitan técnicas más precisas y detalladas como TLS para mediciones y análisis más precisos. Sin embargo, los geodatos de SLAM pueden ser útiles para profesionales de muchos campos con un propósito social, como historiadores, geofísicos, arqueólogos y geólogos, lo que enfatiza el carácter interdisciplinario de este tipo de investigación.

Otras lecturas

Hassani F., Documentación de técnicas, potencialidades y limitaciones del patrimonio cultural, Archivos internacionales de fotogrametría, teledetección y ciencias de la información espacial, Volumen XL-5/W7, 2015, 25.º Simposio internacional de CIPA 2015, 31 de agosto - 4 de septiembre de 2015, Taipéi, Taiwán (2015)

Ochałek A., Jabłoński M., Lipecki T., Jaśkowski W., Metodología de estudios de inventario de objetos subterráneos históricos–contribución, Geoinformatica Polonica (2018) doi: 10.5194/isprsarchives-XL-5-W7-207-2015

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Agnieszka Ochałek se graduó en la Facultad de Topografía Minera e Ingeniería Ambiental de la Universidad AGH...

Tomasz Lipecki es profesor en el Departamento de Protección de Áreas Mineras, Geoinformática y Minería.

Wojciech Jaśkowski es profesor en la Universidad de Ciencia y Tecnología AGH en Cracovia, Polonia. Minería...