Arqueología Vitoria-Gasteiz. | Láser escáner y nubes de puntos. Un horizonte aplicado al análisis arqueológico de edificios.

Ismael García-Gómez* Enklabe Koop. S.T.

Miren Fernández de Gorostiza López de Viñaspre Enklabe Koop. S.T.

Amaia Mesanza Moraza Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea.

Madrid / Vitoria. ISSN 1695-2731 - eISSN 1989-5313 - doi 10.3989/arqarqt.2011.10019

Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de una licencia de uso y distribución Creative Commons Reconocimiento 4.0 Internacional (CC-by 4.0).

* ism.garc@gmail.com; mgorosvi@gmail.com; amaia.mesanza@ehu.es

Resumen.

En el siguiente artículo analizamos uno de los más modernos instrumentos de documentación gráfica del patrimonio, el láser escáner. Aunque profundizaremos en todos aquellos aspectos técnicos, logísticos y de método relativos a su empleo, nos centraremos en su efectiva aplicabilidad dentro del campo de la Arqueología de la Arquitectura, incidiendo en aquellas capacidades diagnósticas que pueden ayudar al estratígrafo a determinar la secuencia evolutiva de un edificio. Tomaremos como base nuestra experiencia en la iglesia de San Miguel de Vitoria-Gasteiz.

Abstract.

This paper analyses the laser scanner, a powerful tool for graphic recording of cultural heritage sites. Although attention will be drawn to those technical and logistical aspects and methods related to its employment, this report will mainly focus on its applicability on Building Archaeology, highlighting those diagnosing capacities which may help the stratigrapher to establish an evolutionary sequence of the building. The basis of this study is our work on San Miguel church in Vitoria-Gasteiz.

1. INTRODUCCIÓN.

Como todo instrumento, el láser escáner es un medio y, como tal, sirve a una finalidad. En este sentido, y por más que tecnológicamente no resista comparación, la finalidad del láser escáner es esencialmente la misma que la de la cinta métrica, esto es, medir; medir para conocer la geometría de la realidad física que se despliega ante nuestros ojos.

Esa finalidad —evidente y primaria— del láser escáner requiere múltiples matizaciones cuando entramos en contexto arqueológico. Al cómo medir se añaden otras cuestiones clave que no sólo tienen que ver con los fines de los proyectos de investigación (qué medir, para qué medir…) sino también con la logística que los hace posibles (con qué medios, a qué coste…).

Esa dialéctica que se establece entre los objetivos inherentes al registro gráfico y aquellos propios del análisis arqueológico, es la que pretendemos constituya el telón de fondo de nuestra reflexión sobre el láser escáner.

Somos conscientes de que este planteamiento puede volverse en nuestra contra, situándonos en una suerte de tierra de nadie, pues en los aspectos arqueológicos difícilmente satisfaremos al arqueólogo y, desde luego, sería del todo ingenuo intentar sorprender a los especialistas en documentación gráfica del patrimonio en cuestiones de láser escáner, o a los profesionales de la programación con nuestra torpe incursión en el terreno de los sistemas expertos (SS.EE.) .

Ahora bien, pensamos que el interés y la justificación de las líneas que siguen radica precisamente en el intento de establecer puentes entre nichos disciplinares.

Con objeto de alcanzar ese horizonte interdisciplinar, creemos que no queda otra opción que centrarse en cuestiones muy básicas, porque en esencia se trata de introducir a especialistas de diversos campos en terrenos que, en principio, no les son propios.

Con todo, es preciso advertir que el presente artículo va preferentemente dirigido a arqueólogos que quizá ya hayan oído hablar del láser escáner, deseen tener una idea más concreta de cómo funciona y de cómo en un futuro —quizá gracias al desarrollo de herramientas informáticas ad hoc— puede ayudarles en el análisis arqueológico.

Asimismo, como probablemente el mejor modo de exponer nuestros planteamientos acerca de la relación entre láser escáner y arqueología consista en tratar algún ejemplo práctico, en la última parte de esta contribución nos referiremos brevemente al ensayo que desarrollamos en el contexto de la iglesia de San Miguel de Vitoria-Gasteiz ( 1 ).

( 1 ) Este proyecto de análisis configuracional fue posible gracias a una coincidencia de intereses metodológicos entre nuestro equipo (Enklabe KST) y el Grupo de Investigación en Patrimonio Construido de la UPV/EHU (GPAC). Nosotros empezábamos a hablar de la necesidad de «sistematizar para automatizar», cuando de hecho la noción de «sistema experto» ya venía sirviendo como idea articuladora de algunos de los últimos proyectos que, bajo la dirección de A. Azkarate, se están desarrollando en el GPAC y en los que también participamos los firmantes de este trabajo.

2. LA CUESTIÓN TOPOLÓGICA Y EL REGISTRO GRÁFICO.

Como arqueólogos, a menudo estamos tan centrados en la obtención de la secuencia cronológica, que tendemos a obviar la naturaleza intrínsecamente espacial de los sistemas estratificados. El proceso de confección del diagrama Harris constituye a nuestro juicio una buena muestra de ello.

Obsérvese al respecto cómo en su estado primario de elaboración éste tiene un carácter topológico más que cronológico (Cattani y Fiorini, 2004: 325), puesto que para confeccionarlo hay que tomar en consideración todas las relaciones físicas registradas en las fichas (redundantes o no); estas relaciones físicas constituyen el material en bruto sin el cual no se podrían dar los siguientes pasos para lograr el diagrama con la secuencia temporal relativa, pero a pesar de su importancia es probable que no pasen al papel ni siquiera como borrador.

A nuestro juicio es tal el énfasis el que se ha puesto sobre el hecho (indiscutible por otra parte) de que «la representación global de la estratigrafía no puede ser topográfica sino estratigráfica, es decir, reducida a la dimensión del tiempo relativo», y tan taxativa la directriz que establece que en el diagrama «sólo deben expresarse las relaciones esenciales entre unidades, descartando las líneas de conexión redundantes » (Carandini, 1996: 79-80), que el problema del análisis topológico viene sistemáticamente soslayado.

A efectos de este artículo, la cuestión topológica es relevante entre otras razones porque según se le dé o no importancia, el rol de la documentación gráfica en contexto arqueológico será uno u otro; más pasivo o más activo.

Así, desde el momento en que «la excavación estratigráfica presupone siempre representaciones topográficas en relación a la necesidad de la reconstrucción científica y por lo tanto de las relaciones estratigráficas y su periodización» (Carandini, 1996: 65), es decir, desde el momento en que el análisis topológico puede solventarse con el recurso al registro alfanumérico y el papel de la documentación gráfica queda reducido a su vertiente descriptiva —mero soporte para la visualización de los resultados—, huelgan prácticamente reflexiones técnicas sobre la necesidad de uno u otro sistema de medición.

Toda observación acerca de la precisión métrica, o acerca de los errores inherentes al instrumental pierde entonces sentido en favor de consideraciones que tienden a primar la estética y capacidad expresiva de las imágenes que servirán para respaldar la síntesis interpretativa.

Ahora bien, en cuanto la cuestión topológica salta al centro del análisis arqueológico, el papel del registro gráfico deviene mucho más activo, y esto es lo que sucede en los análisis de tipo configuracional.

En estudios de este género, cuando a menudo la presencia de enlucidos impide una visualización directa de la estructura —y por lo tanto un análisis estratigráfico propiamente dicho—, un buen levantamiento geométrico resulta fundamental: «Un levantamiento geométrico detallado y preciso es un óptimo indicador de las medidas y de las coincidencias a diferentes planos de aquello que no se ve» (Mannoni, 1998: 83).

Ya no sólo como mallazo sobre el que articular un SIG y georreferenciar las variables cronotipológicas (Azkarate, 2002: 67), sino para la propia caracterización e individualización de estas últimas. En este caso, cuestiones como la precisión métrica o los errores inherentes al instrumental son del todo pertinentes, porque pueden afectar de un modo crítico a la definición de la secuencia cronotipológica relativa.

3. ANÁLISIS CONFIGURACIONAL, CRONOTIPOLÓGICO Y LÁSER ESCÁNER.

A lo largo de la historia de la arqueología, han sido diversos los sistemas e instrumentos de registro gráfico empleados para complementar las capacidades perceptivas del arqueólogo a la hora de captar la geometría que formalmente define estratos, edificios, distribuciones de objetos, etc.

Empezando por la cinta métrica o métodos como el de la trilateración, pasando por el teodolito, el taquímetro, las actuales estaciones totales, técnicas como la fotogrametría —estereoscópica o convergente—, la rectificación fotográfica y por supuesto el láser escáner, todos son medios que han acompañado a nuestra disciplina desde sus orígenes.

Algunos siguen de plena actualidad por méritos propios, es el caso de la cinta métrica o el nivel óptico (sobre todo en excavación), otros sin embargo han quedado fuera de uso al ser sustituidos por herramientas tecnológicamente más eficaces.

Ahora bien, en nuestra opinión, la eficacia de un sistema o instrumento de registro gráfico no depende tanto de sus teóricas prestaciones, sino de su versatilidad o idoneidad según los objetivos y el contexto de aplicación (volviendo al ejemplo de la cinta métrica, es precisamente su sencillez la que la hace versátil, su bajo coste el que la hace accesible, y de ahí deriva su eficacia).

Desde esta perspectiva, puede que el láser escáner no sea el instrumento de menor coste, o el de manejo más sencillo, pero a cambio ofrece precisión y exhaustividad, amén de otras cualidades que trataremos de destacar a lo largo de las próximas líneas.

Es evidente que si pensamos en un contexto de aplicación limitado a las habituales necesidades del registro arqueológico, el empleo del escáner resultará —sobre todo por cuestión de costes— escasamente rentable frente a otros métodos (si bien el abaratamiento de los equipos y su creciente autonomía empiezan a poner incluso este extremo en entredicho).

Por contra, si en lugar de centrarnos en los usos habituales, reflexionamos sobre el conjunto de líneas de investigación abiertas en el campo arqueológico, y trabajamos en aquellos contextos de aplicación donde las especificidades del láser escáner mejor se ajusten a las necesidades del método, los ensayos pueden resultar eficaces y asumibles en términos económicos.

La presencia de enlucidos y de otro tipo de enmascaramientos convierten al análisis configuracional o cronotipológico en el único análisis de tipo arqueológico al que pueden aspirar gran parte de los templos y edificios residenciales que conforman nuestros cascos históricos (Mannoni, 1998: 85); pues bien, este es un contexto en que —a nuestro modo de ver— el láser escáner tiene mucho que aportar, coadyuvando incluso a una mejor gestión del patrimonio arqueológico.

4. SISTEMAS EXPERTOS EN ARQUEOLOGÍA DE LA ARQUITECTURA; UN HORIZONTE.

Es tal la cantidad de información que comportan las nubes de puntos obtenidas por medio del láser escáner, que —más allá de la propia visualización— resulta verdaderamente difícil para el operador humano procesarla y aprehenderla de un modo satisfactorio. Una disección sistemática de los modelos de nube de puntos ejecutada con el fin de elaborar corpus planimétricos que comprendan un completo juego de secciones en planta y alzado, será en ese sentido de gran ayuda.

Sobre este corpus el arqueólogo podrá trabajar como hasta el momento venía haciéndolo; comparando perfiles de basas, capiteles o nervaduras, analizando la disposición del dovelaje de los arcos (Gabbrielli, 1998: 44) o señalando cambios en el desplome de los muros.

Esta es la línea de trabajo que —como se verá— hemos intentado explorar con ayuda del láser escáner en San Miguel de Vitoria-Gasteiz, una tímida experiencia que nos ha abierto a un horizonte insospechado que excede con mucho las pretensiones del propio ensayo, pero al que nos gustaría dedicar una breve reflexión final; el citado horizonte tiene que ver con los medios informáticos y el software para el procesado de datos (ver fig. 1).

Fig. 1. Para el análisis configuracional de San Miguel de Vitoria, se estudiaron —entre otras— las orientaciones de paramentos, la geometría de las bóvedas, las secciones verticales de los pilares y las de las nervaduras.

Hoy día ya nadie discute la utilidad de los Sistemas de Información Geográfica en campo arqueológico, ésta es desde hace tiempo nuestra herramienta de cabecera a la hora de gestionar las —cada vez— más ingentes cantidades de información georreferenciada que generamos, pero, por ceñirnos más específicamente al láser escáner, debemos sobre todo hablar de los algoritmos para el procesado y síntesis gráfica de las nubes de puntos que todo software de tratamiento de nubes incluye en sus paquetes más básicos.

Aunque éstos no han sido pensados específicamente para su uso en arqueología, lo cierto es que —al menos algunos de ellos— pueden resultar de gran ayuda. Empleados del modo adecuado, aquellos algoritmos diseñados para la obtención de mapas de elevaciones por ejemplo, pueden servirnos para detectar cambios en el desplome en los muros, los cuales a su vez pueden estar denotando la presencia de interfaces horizontales.

De hecho, si vamos al caso de los escáneres aerotransportados (LiDAR ( 2 )), ya hace tiempo que el English Heritage está ensayando con algunos de estos para su empleo en arqueología, comprobándose cómo éstos empiezan a facilitar tareas de prospección aérea hasta el momento inconcebibles, como la localización de yacimientos en zonas de bosque cerrado (Cruthley, 2010: 26).

En nuestra opinión, a poco que nos proyectemos en el futuro partiendo de hechos constatables como los apenas mencionados, no parece aventurado prever que el desarrollo de SS.EE. pensados desde y para la arqueología, serán una realidad en no demasiado tiempo.

( 2 ) LiDAR es el acrónimo de Light Detection And Ranging.

Con todo, por más que intuyamos la inminencia con que probablemente se producirá el desarrollo de estos sistemas de asistencia experta, debemos ser realistas y reconocer que aún queda mucho trabajo que hacer.

Primero está el problema de ponernos de acuerdo dentro de la propia disciplina arqueológica (no podemos automatizar ningún proceso que previamente no tengamos sistematizado desde el punto de vista metodológico) y, en segundo lugar, está la necesidad de abrirnos a otros campos como el de la programación informática o el de los sistemas de captura y gestión exhaustiva de datos geométricos; no se trata de convertirnos en especialistas, pero sí de controlar los rudimentos básicos para poder establecer una comunicación eficaz con quienes lo son.

5. LÁSER ESCÁNER Y NUBE DE PUNTOS: FUNDAMENTOS BÁSICOS.

Empecemos haciendo un poco de historia. Si hubiera que destacar un punto de inflexión en la reciente evolución tecnológica del instrumental aplicado a la documentación geométrica del patrimonio, deberíamos retrotraernos al filo del cambio de milenio, momento en que empezaron a utilizarse las estaciones totales con medida directa de distancia, aquéllas que gracias al láser eran capaces de medir distancias sin necesidad de emplear prisma reflectante (Martínez Rubio, 2010: 67).

Atrás quedaban los teodolitos con distanciómetro acoplado o los tediosos cálculos de las bisecciones, necesarios para determinar la situación de los puntos medidos en un alzado.

Los equipos empezaron a incorporar asimismo servomotores, una innovación que en primera instancia dio lugar a las estaciones totales robotizadas, y más adelante al láser escáner, que como el resto de instrumental topográfico de uso corriente en la actualidad, se beneficia de las últimas mejoras en la electrónica de la medida de distancias, tanto en precisión como en velocidad.

5.1. Mecánica del láser escáner.

En síntesis, podríamos decir que el láser escáner consta de dos componentes básicos. Por un lado, y como es obvio, de un dispositivo de medida de distancias, el láser; y por otro, de un mecanismo de barrido, que no es sino un sistema motorizado de espejos que desvía el láser procedente del distanciómetro en las direcciones vertical y horizontal (ver fig. 2).

Provisto de este equipamiento, el escáner es capaz de medir la distancia de una gran cantidad de puntos, obteniendo al mismo tiempo datos referidos a los ángulos y al valor de la reflectancia de las distintas superficies impactadas por el láser. Con los valores angulares y la distancia registrados, se podrán calcular las coordenadas tridimensionales —x, y, z— de cada uno de esos puntos (Farjas et alii, 2010: 81).

Fig. 2. Esquema básico del funcionamiento de un láser-escáner.

Dentro de la familia del láser escáner existen equipos de diversas características. En primera instancia se pueden diferenciar dos grandes grupos según si van o no montados sobre alguna plataforma móvil; es por ello que se habla de unidades dinámicas (LiDAR, Mobile Mapping, etc.) y unidades estáticas.

Esta última es la categoría en la que se engloban los escáneres habitualmente empleados para la documentación del patrimonio, que a su vez se clasifican —según el sistema de medición de distancias— en escáneres basados en la medida del tiempo y escáneres basados en la medida de una triangulación (Lerma y Biosca, 2008: 20).

Los escáneres de triangulación son de corto alcance (inferior a los 10 m) y alta precisión, del orden de micras.

Se emplean para documentar objetos de reducidas dimensiones que exigen un muestreo con un alto grado de detalle y precisión.

Los escáneres de medida de tiempo son lo que calculan la distancia midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del pulso láser y la recepción, después de que éste sea reflejado por el objeto. Dentro de éstos, de nuevo tenemos que hablar de dos subgrupos: aquellos que se basan en pulsos (conocidos también como de tiempo de vuelo), y aquellos que se basan en la comparación de fase.

Los primeros tienen un alcance mayor, aunque la velocidad y la precisión son algo inferiores, llegan a superar los mil metros con precisiones de centímetro. Los segundos, al contrario, se caracterizan por la rapidez en la medición, proporcionando miles de puntos por segundo con precisiones milimétricas, aunque con un alcance inferior a los cien metros. Ambos tipos de escáner se emplean habitualmente en el levantamiento de edificios, los primeros son más indicados para trabajos exteriores y los segundos para interiores.

5.2. Del laser escáner a la nube de puntos.

Las nubes de puntos son sin duda el producto más genuino del láser escáner. En su definición más simple no son otra cosa que conjuntos de puntos en un sistema de coordenadas tridimensional.

Otros enunciados entran más en detalle especificando que las nubes de puntos están compuestas por «miles de mediciones individuales en un sistema de coordenadas (x, y, z), que en sí mismas componen un modelo tridimensional de los objetos registrados, aunque como tal conjunto de puntos sin procesado posterior, son un modelo muy simplificado que opera sólo visualmente, pues se compone únicamente de entidades singulares de tipo punto» (Mañana-Borrazás, 2008: 16) (ver fig. 3).

Fig. 3. Detalle del modelo de San Miguel en el cual puede observarse la trama de la nube de puntos.

Como más adelante apuntaremos, un modelo de nube de puntos no es sino una copia virtual del edificio, compuesto por puntos cuya captura ha sido realizada de forma altamente automatizada. Como es natural, la exactitud y la calidad de esa copia está limitada por los errores inherentes al instrumental de medida y a los métodos de observación, pero también por la buena o mala distribución de las tomas. En orden a lograr un registro lo más fiable posible será necesario atender a dos cuestiones clave: la resolución y la reflectividad.

5.2.1. La resolución.

En síntesis hablar de resolución es hablar del nivel de detalle. Sin embargo, escanear a la máxima resolución no siempre es la mejor opción: hay que tener en cuenta que los tiempos de escaneo se multiplican, así como el tamaño de los ficheros y el volumen de datos a manejar.

Para elegir la resolución óptima hay que pensar en la finalidad del trabajo, es decir, en cuál es el detalle más pequeño que deseamos representar, teniendo bien presente la precisión máxima que puede ofrecer el instrumental (si la precisión nominal del escáner, es decir, la variación mínima de magnitud que puede detectar, es de 3 mm en el mejor de los casos, no tiene sentido medir un punto cada 2 mm).

Con todo, es necesario hacer especial hincapié en que la resolución del escaneo (o el volumen de datos a capturar) es un parámetro que el usuario puede configurar en el instrumento, pero la resolución de la nube de puntos resultante es algo que depende de la situación del instrumento respecto al elemento escaneado.

Obsérvese que la separación entre puntos no será uniforme en toda la superficie escaneada, puesto que el modo de dispersión de las mediciones es esférico. Dependiendo del alejamiento y de la orientación de la superficie respecto al escáner, la densidad y la distribución de los puntos en el modelo variarán. La geometría de la toma es un factor determinante en este punto (ver fig. 4).

Fig. 4. Los haces en color azul muestran la variación de la resolución en función de la distancia y el ángulo de incidencia. Los haces en color amarillo muestran la variación de la reflectividad en función del ángulo de incidencia. El alzado de la derecha es la nube de puntos en escala de grises, que indica el nivel de reflectividad en cada punto.

5.2.2. La reflectividad.

Cuando el láser impacta en la superficie de un objeto, una parte de la energía del haz de luz es absorbida por el material que lo compone, y otra parte es reflejada al medio original; esta última es la que tiene que detectar el escáner para calcular la distancia. Cuanto mayor sea la intensidad de la señal de retorno, más precisa será la distancia medida; hablar de reflectividad equivale por lo tanto hablar de calidad en la medición.

Como es lógico, en esta cuestión influyen mucho las características del material —el grado de reflexión que depende de la rugosidad y color—, pero también, una vez más, las condiciones geométricas de la observación, ya que en distancias largas y ángulos escorados aumenta el ruido de la señal.

La geometría perfecta se consigue cuando colocamos la dirección del haz del láser perfectamente perpendicular a la superficie, de lo contrario, según se incrementa el ángulo de incidencia respecto a la perpendicular, la intensidad de la señal reflejada se reduce (ver fig. 4).

5.3. De las nubes de puntos al modelo 3D.

La fiabilidad geométrica de las plantas, secciones o vectorizaciones por obtener a partir de las nubes de puntos no sólo está ligada a la calidad del dato de base, sino también a su procesado, por ello, todas las nubes capturadas deben ser depuradas antes de elaborar otros productos derivados.

Una buena georreferenciación de los escaneos es asimismo clave para componer el modelo final.

5.3.1. Errores instrumentales y depurado de las nubes de puntos.

La precisión de los instrumentos es finita y tan difícil de determinar que ni siquiera las empresas suministradoras de los equipos láser son capaces de aportar datos seguros: «las especificaciones de precisión, proporcionadas por los fabricantes de escáneres en sus publicaciones, no son comparables con la realidad.

La experiencia nos muestra que a veces no están contrastadas y que la precisión de estos instrumentos, que son construidos en pequeñas series, varía de un equipo a otro y depende de la calibración individual y del cuidado que se haya tenido en su manejo desde entonces» (Boehler y Marbs, 2003: 2).

La precisión de un instrumento está asociada a la apreciación (la unidad de magnitud mínima que puede detectar) y la exactitud a la calidad de la calibración. Un instrumento puede ser muy preciso (medir en milímetros), pero a la vez inexacto si desvía todas las medidas un centímetro, debido por ejemplo, a la falta de verticalidad de su eje principal.

En todo instrumento de medición siempre existe un cierto grado de imprecisión que es inherente al mecanismo que lo conforma. En el caso de los instrumentos de detección remota, además, las mediciones están fuertemente determinadas por las condiciones ambientales y las características del objeto que se mide. Las fuentes de error pueden clasificarse en dos grupos:

a) Errores debidos al diámetro del láser. El láser no es infinitamente delgado y al incidir en una arista es posible que parte se refleje en un plano y parte en otro, devolviendo dos distancias diferentes, o en ciertas ocasiones varias distancias dispersas a medio camino entre los bordes y el fondo. En los dispositivos de tiempo de vuelo el retorno de la señal es único, sin embargo en los sistemas de comparación de fase puede suceder que haya varios retornos para un mismo punto. En ambientes de mucha humedad o polvo, el láser puede reflejarse en las partículas en suspensión.

b) Errores debidos a la reflexión de la señal. La medida de distancia depende de la calidad de la señal reflejada, que a su vez depende de varios factores:

– Las condiciones atmosféricas. En condiciones extremas de temperatura y presión pueden variar la velocidad del pulso láser, afectando al resultado de la distancia.

– Los ángulos de incidencia. El ángulo de incidencia que mejor refleja el pulso láser es el perpendicular a la superficie escaneada; los ángulos muy escorados reflejan la señal con menor intensidad.

– El nivel de reflectividad de los materiales. Ya hemos hecho alusión a ello; cabe añadir que —frente a los oscuros— los materiales claros son los que mejor reflejan la señal.

Todos estos errores, que por sí mismos son errores sistemáticos, pueden considerarse errores accidentales, en cuanto que, combinados entre ellos, no se repiten en una magnitud conocida.

Pero en cualquier caso —aunque no podamos estimar el error de forma individualizada en cada punto—, tenemos la obligación de intentar minimizar sus efectos corrigiendo o eliminando los puntos con errores más evidentes. Para ello existen programas ad hoc que se sirven de algoritmos para examinar cada punto del escaneo y comprobar si cumplen con las condiciones de calidad establecidas ( 3 ).

5.3.2. Georreferenciación y propagación de errores.

Si pudiésemos documentar por completo un edificio desde una única posición, no habría mucho de qué hablar en el este punto; la precisión del modelo obtenido sería equivalente al error que comete el escáner.

Sin embargo esto no sucede prácticamente nunca, casi siempre son necesarias distintas posiciones de escáner para poder registrar todas las partes de un inmueble. Suponiendo que las especificaciones de nuestro escáner contemplaran un error de 6 mm, al estacionar dos veces, habríamos cometido el error otras tantas.

Evidentemente esto no quiere decir que tengamos un error acumulado de 12 mm; eso implicaría que los errores en cada medición fueron los máximos y se produjeron en la misma dirección, cuando lo habitual es que se cometan en mayor o menor medida y con la misma probabilidad tanto por exceso como por defecto, razón por la cual tienden a compensarse.

Originalmente cada escaneo tiene un sistema de coordenadas relativo; cada vez que se estaciona el escáner estamos definiendo uno distinto ( 4 ).

( 3 ) Es preciso aclarar que no todos los programas de procesado de nubes incorporan algoritmos de filtrado. De hecho, algunos programas para los escáneres de tiempo de vuelo no lo hacen; este tipo de escáneres son los que —a priori— menos ruido generan en sus mediciones, debido a que no tienen que trabajar con múltiples retornos. Ahora bien, esto no quiere decir que no introduzcan ruido alguno en sus mediciones; aunque en menor medida que los escáneres de comparación de fase, también lo hacen.

( 4 ) Un sistema cartesiano cuyos ejes tienen el origen en el centro del espejo del escáner. Donde el eje Z será la vertical —normal o línea de gravedad— si el aparato está correctamente nivelado y el eje Y toma la dirección del origen de la rotación horizontal (orientación aleatoria en función de cómo posicionemos el origen de ángulos del escáner).

( 5 ) Una buena síntesis sobre la teoría de errores la encontramos en: Sevilla, 1993: 133-166.

Todos los puntos que se registran durante la exploración estarán referidos a este sistema relativo. Cuando volvamos a estacionar de nuevo el escáner, éste tendrá otra posición y orientación diferentes, y así sucesivamente. Como es lógico, para relacionar todos los datos y obtener la geometría del inmueble es imprescindible que las capturas cuenten con referencias comunes que permitan encajar unas nubes de puntos con otras (ver fig. 5).

Fig. 5. Unión de tres nubes de puntos. En la imagen superior los escaneos en el sistema de coordenadas relativo al escáner, en la central referenciados en relación al sistema de coordenadas de uno de ellos y la inferior los escaneos georreferenciados en el sistema de coordenadas global.

Asimismo, es necesario conocer las coordenadas de estas referencias en el sistema de coordenadas absoluto, que debería coincidir además, con el sistema de coordenadas de la cartografía oficial para situar el levantamiento en su exacta posición geográfica.

La cuestión de la propagación de errores como resultado de la georreferenciación no es fácil de tratar; hay que analizar todas causas de incertidumbre que intervienen.

Primero, cuántas mediciones han sido necesarias para alcanzar la magnitud final. Segundo, con qué desviaciones se ha realizado cada una (según el método o los instrumentos empleados). Tercero, cuál es el sentido de transmisión de los errores (longitudinal o perpendicular).

De hecho, desde esta perspectiva —y sin necesidad de entrar en la teoría de errores ( 5 )—, creemos que no es arriesgado afirmar que las precisiones milimétricas, de las que —si se nos permite la expresión— tan alegremente se habla en el campo del láser escáner, son inalcanzables en la gran mayoría de los trabajos.

5.4. El modelo resultante de la georreferenciación.

En cuestión de modelos virtuales existe a nuestro juicio una tendencia bastante generalizada a confundir la parte con el todo, es decir, la visualización del modelo con el modelo en sí. En este sentido, creemos importante recordar que la información que recoge el láser escáner se compone de simples valores numéricos que son los que definen las características de cada punto medido (los valores de posición x, y, z; los valores de intensidad; y —en su caso— los valores RGB).

El software es luego el que «lee y traduce» esos valores y genera a partir de ellos la representación gráfica que podemos observar en pantalla.

Como ya hemos dicho, antes de la georreferenciación, los valores numéricos de posición son los relativos de cada escaneo; pero después de ella, esos mismos tienen un carácter absoluto con respecto al modelo en su conjunto. Es por lo tanto la georreferenciación la que «crea» el modelo, independientemente de que tengamos o no la intención de visualizarlo gráficamente (ver fig. 6).

Fig. 6. El modelo existe desde que georreferenciamos las nubes de puntos, independientemente de que tengamos la intención de visualizarlo gráficamente

Existe —al menos entre los no especialistas en documentación del patrimonio— la idea equivocada de que para trabajar con un modelo hay que tenerlo activo en nuestra CPU, todo él al mismo tiempo y, si es posible, visible en todo su detalle.

Probablemente esto se debe a que se iguala la noción de modelo virtual a la de maqueta, o a la de otro tipo de representaciones que reproducen —a escala— la forma del edificio documentado. Sin embargo, hoy día la herramienta informática nos permite separar en capas, unir archivos temporalmente, o establecer hipervínculos, de modo que podemos estar trabajando sobre el conjunto del modelo sin tenerlo activo al mismo tiempo ( 6 ).

( 6 ) En el caso de San Miguel, que expondremos al final, nunca llegamos a visualizar unitariamente los 3042 millones de puntos que lo componen; no era necesario, el modelo sólo es un medio y su visualización integral no entraba entre nuestros objetivos.

5.5. Gestión de los archivos de nube de puntos.

Hablando de nubes de puntos, no podemos soslayar uno de los hándicaps que se le atribuyen al sistema de registro basado en láser escáner; nos estamos refiriendo a la manejabilidad de los datos. De todos es conocido que los archivos de nube de puntos consumen gran cantidad de memoria, y que los formatos en que trabajan las distintas empresas suministradoras de los equipos no son ni mucho menos universales, de modo que las tareas de exportar e importar datos pueden resultar en ocasiones tediosas.

Normalmente, las primeras fases del procesado —es decir, importación de la nube, filtrado de puntos y unión de escaneos— se realizarán con el software que proporciona el fabricante del escáner. Si se desea hacer estas operaciones con otro programa distinto al del fabricante, en principio existe la posibilidad de exportar esta información a cualquiera de los formatos de intercambio disponibles en el mercado (ASCII o binario).

En esta transferencia no deberían darse pérdidas de datos, ya que ambos son formatos ampliamente utilizados, sin embargo la realidad es que cada fabricante ha desarrollado programas de procesado propio, cuyo uso de algún modo intenta imponer; es por ello que introducen ciertas restricciones que en la mayoría de ocasiones obligan al operario a emplear el software propietario de la casa suministradora del escáner.

En cuanto al volumen de datos que se genera, antes de acometer ningún proyecto de estas características, es importante tener muy claro cuál es el objetivo del registro geométrico que se va a efectuar. En función del tipo de análisis que se pretenda, será preciso que los escaneos tengan una mayor o menor resolución, lo que redundará en el tamaño del fichero.

Con todo, no podemos sino mostrarnos muy optimistas ya que este problema del peso de los archivos es cada vez más relativo. La capacidad de los ordenadores sigue creciendo año tras año, mientras que el tamaño de los archivos de nube de puntos se mantiene; a esta tendencia hay que sumar la creciente potencia del software de dibujo ( 7 ).

( 7 ) Actualmente, la versión 2011 de Auto CAD® lleva incorporada la posibilidad de trabajar con de nubes de puntos procedentes de escáneres terrestres o aéreos permitiendo en un único dibujo gestionar hasta dos mil millones de puntos.

5.6. Productos. Delinear o no delinear.

Las plantas, las secciones, las vistas, y en general todos los productos que es posible extraer de un modelo de nube de puntos, hacen que la información geométrica referente a un edificio sea más comprensible y manejable, aunque a la vez menos exacta, dado que los procesos para obtenerlos implican sucesivas transformaciones de los datos que conllevan a su vez una generalización.

Pensemos por ejemplo en un modelo alámbrico obtenido mediante una estación total. Los datos originales son sólo aquellos referentes a la x, y, z, de los puntos que se han medido con el equipo, mientras que las polilíneas que los emplean como referencia para conformar el modelo vectorial, no son otra cosa que interpolaciones, generalizaciones que no tienen por qué responder a la realidad salvo en sus puntos extremos.

Sin embargo, cuando el levantamiento se ha realizado con alta definición, es decir, mediante un láser escáner, es posible obtener productos sin delinear, que respetan el dato original; basta con diseccionar el modelo de nube de puntos.

Esto se debe a que la densidad de las mediciones es tal, que resulta suficiente seleccionar los puntos contenidos en un plano de cierto grosor —algunos milímetros dependiendo de la densidad del levantamiento— para obtener una planta o una sección clara de un edificio sin necesidad de trazar líneas entre los puntos. De este modo, el plano realizado a partir de un modelo de nube de puntos sin delinear puede aproximarse más a la realidad objetiva que otro elaborado por métodos tradicionales.

Que una serie de puntos alineados parezcan una línea continua es sencillamente una cuestión de escala. Los planos donde las líneas no son producto de una delineación o interpolación, sino sólo fruto del límite de percepción visual y de la escala parecen más borrosos, los bordes de algunos objetos imprecisos y los detalles más pequeños y alejados, menos nítidos. Creemos que estos defectos son sólo aparentes, producto de una visión y una estética formal que tiene una larga tradición. Quizá debamos empezar a superarla, quizá debamos tender hacia una «estética de la objetividad»; rígida, áspera, pero metódicamente veraz (ver fig. 7).

Fig. 7. Planta de San Miguel a partir de la nube de puntos sin delinear (obsérvese el detalle ampliado). Es la proyección ortogonal de todos los puntos contenidos entre dos planos horizontales separados un centímetro entre sí. A estos puntos se han añadido, posteriormente las secciones horizontales de otros elementos que quedan por debajo del plano de corte.