Auscultación de presas de hormigón con láser escáner terrestre y modelización de las deformaciones del paramento

Resumen

Se está produciendo en la geodesia un cambio de paradigma en la concepción
de los modelos digitales del terreno, pasando de diseñar el modelo con el
menor número de puntos posibles a hacerlo con cientos de miles o millones de
puntos. Este cambio ha sido consecuencia de la introducción de nuevas
tecnologías como el escáner láser, la interferometría radar y el tratamiento de
imágenes. La rápida aceptación de estas nuevas tecnologías se debe
principalmente a la gran velocidad en la toma de datos, a la accesibilidad por
no precisar de prisma y al alto grado de detalle de los modelos.
Los métodos topográficos clásicos se basan en medidas discretas de puntos
que considerados en su conjunto forman un modelo; su precisión se deriva de
la precisión en la toma singular de estos puntos. La tecnología láser escáner
terrestre (TLS) supone una aproximación diferente para la generación del
modelo del objeto observado. Las nubes de puntos, producto del escaneo con
TLS, pasan a ser tratadas en su conjunto mediante análisis de áreas, de forma
que ahora el modelo final no es el resultado de una agregación de puntos sino
la de la mejor superficie que se adapta a las nubes de puntos. Al comparar
precisiones en la captura de puntos singulares realizados con métodos
taquimétricos y equipos TLS la inferioridad de estos últimos es clara; sin
embargo es en el tratamiento de las nubes de puntos, con los métodos de
análisis basados en áreas, se han obtenido precisiones aceptables y se ha
podido considerar plenamente la incorporación de esta tecnología en estudios
de deformaciones y movimientos de estructuras.
Entre las aplicaciones del TLS destacan las de registro del patrimonio, registro
de las fases en la construcción de plantas industriales y estructuras, atestados
de accidentes y monitorización de movimientos del terreno y deformaciones de
estructuras.
En la auscultación de presas, comparado con la monitorización de puntos
concretos dentro, en coronación o en el paramento de la presa, disponer de un
modelo continuo del paramento aguas abajo de la presa abre la posibilidad de
introducir los métodos de análisis de deformaciones de superficies y la creación de modelos de comportamiento que mejoren la comprensión y previsión de sus
movimientos. No obstante, la aplicación de la tecnología TLS en la auscultación
de presas debe considerarse como un método complementario a los
existentes. Mientras que los péndulos y la reciente técnica basada en el
sistema de posicionamiento global diferencial (DGPS) dan una información
continua de los movimientos de determinados puntos de la presa, el TLS
permite ver la evolución estacional y detectar posibles zonas problemáticas en
todo el paramento.
En este trabajo se analizan las características de la tecnología TLS y los
parámetros que intervienen en la precisión final de los escaneos. Se constata la
necesidad de utilizar equipos basados en la medida directa del tiempo de
vuelo, también llamados pulsados, para distancias entre 100 m y 300 m Se
estudia la aplicación del TLS a la modelización de estructuras y paramentos
verticales. Se analizan los factores que influyen en la precisión final, como el
registro de nubes, tipo de dianas y el efecto conjunto del ángulo y la distancia
de escaneo. Finalmente, se hace una comparación de los movimientos dados
por los péndulos directos de una presa con los obtenidos del análisis de las
nubes de puntos correspondientes a varias campañas de escaneos de la
misma presa.
Se propone y valida el empleo de gráficos patrón para relacionar las variables
precisión o exactitud con los factores distancia y ángulo de escaneo en el
diseño de trabajos de campo. Se expone su aplicación en la preparación del
trabajo de campo para la realización de una campaña de escaneos dirigida al
control de movimientos de una presa y se realizan recomendaciones para la
aplicación de la técnica TLS a grandes estructuras.
Se ha elaborado el gráfico patrón de un equipo TLS concreto de alcance
medio. Para ello se hicieron dos ensayos de campo en condiciones reales de
trabajo, realizando escaneos en todo el rango de distancias y ángulos de
escaneo del equipo. Se analizan dos métodos para obtener la precisión en la
modelización de paramentos y la detección de movimientos de estos: el
método del “plano de mejor ajuste” y el método de la “deformación simulada”. Por último, se presentan los resultados de la comparación de los movimientos
estacionales de una presa arco-gravedad entre los registrados con los
péndulos directos y los obtenidos a partir de los escaneos realizados con un
TLS. Los resultados muestran diferencias de milímetros, siendo el mejor de
ellos del orden de un milímetro. Se explica la metodología utilizada y se hacen
consideraciones respecto a la densidad de puntos de las nubes y al tamaño de
las mallas de triángulos. A shift of paradigm in the conception of the survey digital models is taking place
in geodesy, moving from designing a model with the fewer possible number of
points to models of hundreds of thousand or million points. This change has
happened because of the introduction of new technologies like the laser
scanner, the interferometry radar and the processing of images. The fast
acceptance of these new technologies has been due mainly to the great speed
getting the data, to the accessibility as reflectorless technique, and to the high
degree of detail of the models.
Classic survey methods are based on discreet measures of points that,
considered them as a whole, form a model; the precision of the model is then
derived from the precision measuring the single points. The terrestrial laser
scanner (TLS) technology supposes a different approach to the model
generation of the observed object. Point cloud, the result of a TLS scan, must
be treated as a whole, by means of area-based analysis; so, the final model is
not an aggregation of points but the one resulting from the best surface that fits
with the point cloud. Comparing precisions between the one resulting from the
capture of singular points made with tachometric measurement methods and
with TLS equipment, the inferiority of this last one is clear; but it is in the
treatment of the point clouds, using area-based analysis methods, when
acceptable precisions have been obtained and it has been possible to consider
the incorporation of this technology for monitoring structures deformations.
Among TLS applications it have to be emphasized those of registry of the
cultural heritage, stages registry during construction of industrial plants and
structures, police statement of accidents and monitorization of land movements
and structures deformations.
Compared with the classical dam monitoring, approach based on the registry of
a set of points, the fact having a continuous model of the downstream face
allows the possibility of introducing deformation analysis methods and behavior
models that would improve the understanding and forecast of dam movements.
However, the application of TLS technology for dam monitoring must be considered like a complementary method with the existing ones. Pendulums
and recently the differential global positioning system (DGPS) give a continuous
information of the movements of certain points of the dam, whereas TLS allows
following its seasonal evolution and to detect damaged zones of the dam.
A review of the TLS technology characteristics and the factors affecting the final
precision of the scanning data is done. It is stated the need of selecting TLS
based on the direct time of flight method, also called pulsed, for scanning
distances between 100m and 300m. Modelling of structures and vertical walls is
studied. Factors that influence in the final precision, like the registry of point
clouds, target types, and the combined effect of scanning distance and angle of
incidence are analyzed. Finally, a comparison among the movements given by
the direct pendulums of a dam and the ones obtained from the analysis of point
clouds is done.
A new approach to obtain a complete map-type plot of the precisions of TLS
equipment based on the direct measurement of time of flight method at
midrange distances is presented. Test were developed in field-like conditions,
similar to dam monitoring and other civil engineering works. Taking advantage
of graphic semiological techniques, a “distance - angle of incidence” map based
was designed and evaluated for field-like conditions. A map-type plot was
designed combining isolines with sized and grey scale points, proportional to
the precision values they represent. Precisions under different field conditions
were compared with specifications. For this purpose, point clouds were
evaluated under two approaches: the standar "plane-of-best-fit" and the
proposed "simulated deformation”, that showed improved performance. These
results lead to a discussion and recommendations about optimal TLS operation
in civil engineering works.
Finally, results of the comparison of seasonal movements of an arc-gravity dam
between the registered by the direct pendulums ant the obtained from the TLS
scans, are shown. The results show differences of millimeters, being the best
around one millimeter. The used methodology is explained and considerations
with respect to the point cloud density and to the size of triangular meshes are
done.