Tesis:
Estudio y aplicación de la técnica fotogramétrica Structure from Motion para la resolución de problemas geotécnicos
- Autor: GARCÍA LUNA, Ramiro
- Título: Estudio y aplicación de la técnica fotogramétrica Structure from Motion para la resolución de problemas geotécnicos
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA Y MORFOLOGIA DEL TERRENO
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81191/
- Director/a 1º: JIMÉNEZ RODRÍGUEZ, Rafael
- Director/a 2º: SENENT DOMÍNGUEZ, Salvador
- Resumen: There are many techniques and devices on the market for the generation of 3D digital models, such as laser scanning (LiDAR) and Differential SAR interferometry (inSAR), however, their access is very limited due to their high price. In contrast, the economic limitations of photogrammetric techniques are almost non-existent. In particular, the Structure from Motion (SfM) technique does not require the use of special devices (e.g,, photogrammetric cameras) for the generation of high-quality 3D models, similar to those achieved with other remote techniques. This technique uses only the digital information from the images themselves to model the photographed scene in a 3D point cloud. Thus, for the application of the SfM technique, the only device required is a conventional photographic camera and a computer software that applies this method.
In this doctoral thesis, this technique has been used to solve several geotechnical problems, with real application on site, developing work methodologies aimed to improve the control, monitoring and safety of construction works.
To do this, firstly, once the problem to be addressed has been identified, an Orientation Template (with several control points) was designed to help us scale and orient the 3D models. Likewise, in each of the cases, different aspects of the technique have been analysed, such as the number of images, the lighting conditions, the configuration of the device and the processing quality when generating the 3D models; with the aim of optimising its use under real application conditions. On the other hand, different capture strategies have been developed, which have allowed us to apply this technique regardless of the working scale: medium, short or long distance; and the application environment: underground, in the laboratory or in the field. In this document, these applications are presented in three different chapters, split according to the type of problem to be dealt with (Chapter 3, identification of discontinuity families in tunnels; Chapters 4 and 5, roughness analysis in rock surfaces) and the working distance used for their study (Chapter 4, short distance in the laboratory; Chapter 5, long distance on slopes). The results provided in the first application analysed (Chapter 3) have allowed us to determine that this technique is not limited for use in poorly lit underground environments, since, with the proposed methodology, SfM is able to improve the results obtained from manual methods. On the other hand, the applications shown in Chapters 4 and 5 have confirmed that this technique can analyse discontinuity surfaces with total precision, obtaining the JRC values of the analysed profiles from correlations (statistical and spectral), both in the laboratory and in the field for profiles with different measurements and orientations. In addition, the last chapter has shown that the implementation of different camera lens contributes to drastically increase the analysis distance without sacrificing a reduction in the quality of the 3D models generated.
Therefore, the conclusions drawn from the use of this technique in the different examples shown in this doctoral thesis have allowed us to determine that this technique represents an excellent, low-cost and easy-to-use alternative to traditional remote techniques for the acquisition and analysis of any physical aspect of interest in the field of civil engineering.
RESUMEN
Existen multitud de técnicas y dispositivos en el mercado para la generación de modelos digitales 3D, como por ejemplo el láser escáner (LiDAR) y la interferometría SAR Diferencial (inSAR), sin embargo, su acceso se encuentra muy limitado por su elevado precio. Por el contrario, las limitaciones económicas que presentan las técnicas fotogramétricas son prácticamente nulas. En concreto, la técnica Structure from Motion (SfM) no requiere la utilización de dispositivos especiales (e.g., cámaras fotogramétricas) para la generación de modelos 3D de alta calidad, similares a los obtenidos con otras técnicas remotas. Esta técnica emplea únicamente la información digital, obtenida de las propias imágenes, para la modelización de la escena fotografiada en una nube de puntos 3D. De este modo, para la aplicación de la técnica SfM, el único dispositivo necesario es una cámara fotográfica convencional y un software informático que aplique este método.
En esta tesis doctoral, se ha empleado esta técnica para la resolución de varios problemas geotécnicos, con aplicación real en obra, desarrollando metodologías de trabajo orientadas a mejorar el control, seguimiento y seguridad de las obras de construcción.
Para ello, en primer lugar, una vez identificado el problema a tratar se ha diseñado una Plantilla de Orientación (con varios puntos de control) que nos servirá de ayuda a la hora de escalar y orientar los modelos 3D. Asimismo, en cada uno de los casos se han analizado diferentes aspectos propios de la técnica, como el número de imágenes, las condiciones de iluminación, la configuración del dispositivo y la calidad de procesamiento a la hora de generar los modelos 3D; con el objetivo de optimizar su uso bajo condiciones reales de aplicación. Por otro lado, se han desarrollado diferentes estrategias de captura, que nos han permitido la aplicación de esta técnica con independencia de la escala de trabajo empleada: media, corta o larga distancia; y el entorno de aplicación seleccionado: subterráneo, en laboratorio o en campo. En este documento, estas aplicaciones se presentan en tres capítulos diferentes, separadas en función del tipo de problema a tratar (Capitulo 3, identificación de familias de discontinuidad en túneles; Capítulos 4 y 5, análisis de la rugosidad en macizos rocosos) y de la distancia de trabajo empleada para su estudio (Capitulo 4, corta distancia en laboratorio; Capitulo 5, larga distancia en taludes). Los resultados proporcionados en la primera aplicación analizada (Capítulo 3) nos han permitido determinar que esta técnica no se encuentra limitada para su uso en ambientes subterráneos poco iluminados, puesto que, con la metodología propuesta, SfM es capaz de mejorar los resultados obtenidos a partir de métodos manuales. Por otro lado, las aplicaciones mostradas en los Capítulos 4 y 5 han permitido confirmar que esta técnica es capaz de analizar con total precisión las superficies de discontinuidad, obteniendo los valores JRC de los perfiles analizados a partir de correlaciones (estadísticas y espectrales), tanto en laboratorio como en campo, para perfiles de diferentes medidas y orientaciones. De manera adicional, el último capítulo se ha demostrado que la implementación de diferentes objetivos a la hora de efectuar la adquisición de las imágenes contribuye a aumentar drásticamente la distancia de análisis sin renunciar a una reducción en la calidad de los modelos 3D generados.
Por lo tanto, las conclusiones adquiridas a partir del uso de esta técnica en los diferentes ejemplos mostrados en esta tesis doctoral nos han permitido determinar que esta técnica representa una excelente alternativa, de bajo coste y fácil utilización, a las técnicas remotas tradicionales para la adquisición y análisis de cualquier aspecto físico que resulte de interés dentro del campo de la ingeniería civil.