Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

APLICACIONES GEOTÉCNICAS DE LA TECNOLOGÍA LIDAR (LIGHT DETECTION AND RANGING).

Geotechnical applications of LiDAR technology.

Edgar MÉNDEZ SÁNCHEZ1 , Gabriel AUVINET GUICHARD1 y José Luis SÁNCHEZ PALMA1

1Instituto de Ingeniería, UNAM

RESUMEN: En este trabajo se exponen los principios básicos de la técnica de percepción remota denominada LiDAR y se presentan algunas aplicaciones. Esta técnica es conocida sobre todo por sus aplicaciones cartográficas ya que permite definir con precisión los rasgos de los espacios geográficos, es decir, permite el levantamiento de información sobre llanuras, montañas, masas forestales, franjas costeras, corredores urbanos y líneas eléctricas, con toma de fotografías en forma simultánea. También se divisa como muy prometedora para aplicaciones en geotecnia y en particular para evaluar la subsidencia de los suelos causada por la extracción de agua, petróleo, gas o por la construcción de túneles.

ABSTRACT: This paper presents basic principles of the remote perception technique known as LiDAR as well as some applications. This technique is best known for its mapping applications since it can be used to accurately characterizing any geographic space, providing surveys of information on plains, mountains, forests, coastal zones, urban corridors and power lines and allowing taking pictures simultaneously. It also looks very promissory for geotechnical engineering applications, including assessment of soil subsidence caused by extraction of water, oil, gas or construction of tunnels.

1 INTRODUCCIÓN

El Sistema de luz laser para la detección y medición a distancia LiDAR (Light Detection And Ranging) es una novedosa herramienta tecnológica que permite la adquisición de una nube densa de datos del terreno con la posición (x, y) y elevación (z) de cada punto de la misma; dicha nube de puntos se almacena en un archivo con extensión LAS (Log ASCII Standard), con valores x, y y z en formato binario

El LiDAR es un sensor activo basado en la emisión y recepción de luz láser en forma de pulsos o continua que se refleja en el terreno y en los objetos que están sobre él. El sistema, compuesto por un emisor/receptor y montado normalmente sobre aviones o helicópteros permite realizar barridos sobre franjas de terreno y, recientemente, sobre cuerpos de agua someros. La trayectoria y movimientos de la aeronave se determinan en cada momento con un receptor GPS (Global Positioning System) y un sistema inercial INS (Inertial Navigation System).

Figura 1. Barridos de LiDAR sobre franjas de terreno y zonas costeras.

La precisión del LiDAR depende de la altura de vuelo y de la calidad del GPS. En condiciones óptimas, la precisión es de 0.5 a 1m en coordenadas (x, y), posición horizontal y de 0.15 m en “z”, posición vertical.

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2 Título del trabajo

2 TIPOS DE SENSORES LIDAR

Los sensores LiDAR se pueden clasificar en manual, terrestre y aerotransportado.

I ManualEl principio básico de medición con luz laser es el que emplean los distanciómetros. Se emite una luz laser que se refleja en una superficie y es recibida nuevamente por el sensor; el tiempo que tarda en ir y regresar la luz, permite calcular la distancia.

Figura 2. Distanciómetro laser.

II TerrestresHay dos tipos principales de LiDAR terrestre: estáticos y móviles.

a) EstáticoEste realiza la adquisición de nubes de puntos

desde una ubicación estática; típicamente, el sensor LiDAR está montado sobre un tripie, Este sistema puede recoger nubes de puntos x, y y z dentro de los edificios y en exteriores. Las aplicaciones más comunes para este tipo de LiDAR son la ingeniería civil, la minería, la topografía, y la arqueología.

Figura 3. LiDAR Terrestre.

b) MóvilEste realiza la adquisición de nubes de puntos

desde una plataforma móvil. Los sistemas móviles

LiDAR pueden incluir cualquier número de sensores montados sobre vehículos, trenes, e incluso barcos. Los sistemas móviles por lo general consisten en un sensor LiDAR, cámaras, sistemas GPS, y un INS como los del sistema LiDAR aerotransportado. Los datos LiDAR se pueden utilizar para analizar la infraestructura de carreteras y localizar cruces de cables aéreos, postes de luz, y señales de tráfico cerca de las carreteras o líneas ferroviarias.

Figura 4. LiDAR Móvil.

III AerotransportadoEs instalado en un avión o helicóptero. Existen dos tipos de sensores aerotransportados: Topográfico y Batimétrico.

c) TopográficoPuede ser usado para obtener modelos del

terreno útiles en diversas aplicaciones de tipo forestal, hidrológico, geomorfológico, ecológico y para cálculo de volúmenes, urbanismo y planeación.

Figura 5. LiDAR Aerotransportado Topográfico.

d) BatimétricoLa mayoría de los sistemas LiDAR de este tipo

recopilan elevaciones y profundidad de agua simultáneamente, mediante un LiDAR aerotransportado con dos tipos de rayos laser. Con un estudio batimétrico LiDAR, la luz de un sistema láser tradicional se refleja en la superficie de la tierra, mientras que el segundo tipo de láser viaja a través de la columna de agua. Los análisis de los recorridos de los dos rayos distintos se utilizan para establecer profundidades de agua y las elevaciones del litoral. La información batimétrica es muy

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

importante cerca de las costas y en puertos, también se utiliza para localizar objetos en el suelo marino.

Figura 6. LiDAR Aerotransportado Batimétrico.

3 RESULTADOS

La implementación de esta tecnología comprende tres etapas: Planeación del vuelo, Procesamiento geodésico de datos LiDAR y Generación de Modelos Digitales de Elevación.

En la figura 7 se muestra el área barrida en un levantamiento realizado por INEGI en 20007 para la ciudad de México. Los resultantes del procesamiento de los datos LiDAR se muestran en las láminas de las figuras 8a y 8b. La figura 8b se obtuvo por procesamiento a posteriori de los datos de las nubes de puntos previamente clasificados.

Figura 7. Superficie barrida con LiDAR (INEGI, 2007).

Figura 8a. Modelo de superficie.

Figura 8b. Modelo de terreno

En las láminas de las figuras 9 a 16, se muestran las diferentes maneras de presentar los datos LiDAR.

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4 Título del trabajo

Figura 9. Distribución espacial de elevaciones del Valle de México, 2007.

Figura 10. Definición del relieve del Valle de México a partir del barrido LiDAR, 2007.

Figura 11. Acercamiento a la parte más baja del Valle de México, que muestra el relieve, 2007.

Figura 12. Definición del relieve de la Sierra del Chichinautzin a partir del barrido Lidar, 2007.

Figura 13. Nube de puntos LiDAR de Ciudad Universitaria, UNAM, 2011.

Figura 14. Nube de puntos LiDAR con atributo RGB (color).

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 5

Figura 15. Nube de puntos LiDAR clasificados de acuerdo a elevaciones.

Figura 16. Nube de puntos LiDAR Batimétricos de Zona Costera.

4 APLICACIONES GEOTÉCNICAS

La tecnología presentada resulta útil para el control de movimientos de masas de suelo (laderas) o de obras geotécnicas.

Por otra parte, mediante la comparación de Modelos Digitales del Terreno obtenidos en diferentes fechas a partir de la tecnología LiDAR, se puede evaluar el fenómeno del hundimiento regional de los suelos causado por la extracción de agua, petróleo, gas o asentamientos debidos a la construcción de túneles.

Cabe destacar, que a pesar de que la Ciudad de México es uno de los ejemplos más extraordinarios de subsidencia en el mundo, aún no ha sido objeto de un estudio para este fin con el LíDAR.

5 CONCLUSIONES

La tecnología LiDAR presenta un fuerte potencial para aplicaciones en ingeniería geotécnica.

Se obtienen modelos digitales del terreno con precisión y detalle.

Debe sin embargo tomarse en cuenta que es una técnica compleja que requiere de la intervención de

varios especialistas (fotonavegantes, geodestas y fotogrametristas)

No hay actualmente dependencias, instituciones ni compañías mexicanas que realicen barridos LiDAR.

Finalmente debe tenerse presente que para el procesamiento de la nube de puntos LiDAR, existe una gran diversidad de programas de computadora. Los criterios implícitos en los algoritmos disponibles pueden variar entre un experto y otro y conducir a resultados significativamente diferentes.

REFERENCIAS

Auvinet, G., Méndez, E & Moisés, J. (2010) “Modeling Land Subsidence of Mexico City”, Memorias Eight international symposium on land subsidence, Querétaro, México. Session 7: Modeling land subsidence and associated hazards.

Brian, R. Raber, Cannistra (2005). LIDAR Guidebook: concepts, project design and practical applications. URISA, Sanborn. http://www.urisa.org/files/publications/lidar_guidebook/lidar_guidebook.pdf

García, J. C. (2009). Fundamentos del LIDAR y análisis de datos LIDAR con DielmoOpenLIDAR.. Universidad de Girona. http://dugi-doc.udg.edu/bitstream/10256/1413/1/C17.pdf. 97

Heidemann, H. (2009). National Considerations for LIDAR Standards and Specifications. Center for LiDAR Information Coordination and Knowledge (CLICK), United States Geological Survey (USGS). http://lidar.cr.usgs.gov/downloadfile.php?file=ASPRS_Lidar_Standards_Specs.ppt

Instituto de Geografía, UNAM. (2011). Levantamiento LiDAR de la Ciudad Universitaria, UNAM.

Instituto Nacional de Estadística y Geografía (2007). Levantamiento LiDAR de la Ciudad de México y alrededores.

Méndez, E. & Auvinet, G. (2009). “Evaluación del Hundimiento Regional”, ISSMGE TC36 WORKSHOP, Geotechnical Engineering in Urban Areas Affected by Land Subsidence Mexico City, Bangkok and other large cities., Ciudad Universitaria, México, D.F.

Méndez, E, Auvinet, G., Moisés, J., & Matus U. (2010) “Recent Information on Mexico City Subsidence”, Memorias Eight international symposium on land subsidence, Querétaro, México. Sesión 6: Monitoring techniques of ground displacements and subsurface deformation.

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). 2008. An Introduction to LiDAR Technology, Data and Applications. Digital Coast (Coastal Remote Sensing Program).

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6 Título del trabajo

http://www.csc.noaa.gov/digitalcoast/data/coastallidar/_pdf/What_is_Lidar.pdf

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