COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS TOPOGRÁFICOS APLICADOS EN LA

CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES, UTILIZANDO EL MÉTODO CONVENCIONAL Y

LA TECNOLOGÍA ESCÁNER LASER 3D (ELT)

Proyecto de grado presentado por:

ANDERSON FABIÁN SÁNCHEZ MORA

ANA MARÍA OSORIO SÁNCHEZ

Para optar al Título de Tecnólogo en Topografía

Dirigido por:

Carlos Alfredo Rodríguez Rojas

Ingeniero Topográfico

Modalidad:

Monografía

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

TECNOLOGÍA EN TOPOGRAFÍA

BOGOTÁ 2016

2

NOTA DE ACEPTACIÓN.

____________________________________________________

____________________________________________________

____________________________________________________

____________________________________________________

___________________________________________________

Ing. Carlos Alfredo Rodríguez Rojas

Docente Director

____________________________________________________

Ing. Julio Hernán Bonilla Romero

Docente evaluador

BOGOTÁ D.C. DÍA: 12 MES: Ago. AÑO: 2016

3

AGRADECIMIENTOS.

A mis padres por apoyarme en todo momento, por los valores que me han inculcado y sobre todo

por ser un excelente ejemplo de vida a seguir; donde siempre recordare que la educación y

crecimiento personal será lo más importante y satisfactorio. También, agradezco la confianza,

soporte y dedicación de tiempo a los diferentes docentes que sin su intervención esto no sería

posible, por su puesto, destacando a nuestros director y revisor, dos profesores que nos brindaron

su apoyo y sobre todo compartieron sus conocimientos y opiniones.

A los diferentes compañeros que me brindaron su ayuda, que creyeron en mí y de haber hecho de

esta etapa de mi vida un trayecto de vivencias que nunca olvidaré.

Atte: Anderson Fabian Sánchez Mora

4

AGRADECIMIENTOS.

Al padre todopoderoso por darme la vida y la oportunidad de salir adelante junto con sus planes

que ha tenido deparados para mi familia y para mí;

A mis padres por ser la primera fuente de apoyo, por ser mis ejemplos de vida y dar lo mejor de

ellos para cumplir mis metas;

A mis hermanas por estar presentes en cada etapa de mi vida a pesar de que no estuviésemos

juntas siempre;

A mis compañeros y amigos por estar allí apoyándome durante la carrera de la vida

enseñándome el valor de la amistad;

Al docente director del presente proyecto el Ingeniero Carlos Rodríguez por brindar su apoyo

durante el proyecto junto con las instrucciones para terminarlo;

Al docente evaluador del proyecto el Ingeniero Julio Bonilla por su paciencia e instrucción en la

corrección del proyecto y su aprobación.

“La gratitud es la memoria del corazón”.

Jean Baptiste Massieu.

Atte: Ana María Osorio Sánchez

5

Art. 117

“Ni la universidad ni el jurado de grado serán responsables de las ideas expuestas por los

graduados en el trabajo”

6

RESUMEN.

A través del tiempo la ciencia y tecnología trabajan conjuntamente para crear o mejorar nuevas

máquinas y herramientas, abarcándose desde una necesidad para el hombre mejorando su

rendimiento, precisión y eficiencia. Todas las ciencias conocidas han evolucionado la forma de

llevar su trabajo en cada uno de sus campos, la topografía no se queda atrás, se han innovado

nuevos instrumentos de medición y toma de datos, generando una mejor precisión, optimización

del trabajo y nuevas metodologías aplicadas a cada una de las actividades ingenieriles;

adicionalmente estos avances le generan mucha más conformidad y confianza al ingeniero. La

comparación de los métodos topográficos aplicados en la construcción de túneles muestra un

avance para la actualidad ya que utilizando la nueva tecnología del Escáner Láser Terrestre 3D

(ELT) 3D, se sabe que la presencia de túneles en una sociedad es de suma importancia, pues son

esenciales para el transporte de larga distancia, desarrollo e innovación de las economías

regionales. Por otro lado, el ELT es un dispositivo que permite diversas aplicaciones en el sector

de la construcción, este instrumento trabaja con tecnología de punta, ofreciendo una infinidad de

aplicaciones que son muy significativas. Además, el sistema láser que maneja el escáner es

calificado como una solución que llega a reemplazar la fotogrametría, es decir, permite generar

con detalle modelos digitales del terreno MDT.

El objeto de este trabajo es de comparar la información obtenida por el ELT con el empleo de

topografía convencional en zonas de difícil condición de trabajo y acceso dentro de una obra

subterránea. Para determinar la eficiencia del ELT y los rendimientos topográficos en cuanto a:

precisión, toma de datos, procesos y rentabilidad, el área de estudio se ubica en el túnel de acceso

a la Hidroeléctrica en Prado-Tolima.

Palabras clave: escaneo laser, estación total, levantamiento topográfico, modelo digital, software,

túneles.

7

ABSTRACT.

Over time the science and technology work together to create or improve new machines and

tools, ranging from a need for men to improve its performance, precision and efficiency. All known

Sciences have evolved the way to carry their work in each of their fields, topography is not far

behind, they have innovated new instruments of measurement and data collection, generating

better accuracy, optimization of the work and new methodologies applied to each of the

engineering activities; Additionally, these advances generated much more conformity and trust the

engineer. Comparison of topographic methods applied in the construction of tunnels shows a step

forward for now since using the new Terrestrial Laser Scanner 3D (TLS 3D) technology, we know

that the presence of tunnels in a society is of utmost importance, as they are essential for the

transport of long distance, development and innovation of regional economies. On the other hand,

the TLS is a device that allows several applications in the construction industry, this instrument

works with cutting edge technology, offering an infinite number of applications that are very

significant. In addition, the laser system that handles the scanner is qualified like a solution that

goes so far as to replace the photogrammetry, that is to say, this one allows to generate in detail

digital models of the area MDT.

The object of this work is of comparing the information obtained by the TLS with the employment

of conventional topography in areas of difficult condition of work and access inside an

underground work. The object of this work is of comparing the information obtained by the TLS

with the employment of conventional topography in areas of difficult condition of work and access

inside an underground work. To determine the efficiency of the TLS and topographic yields in

terms of: accuracy, data, processes and profitability, the study area is located in the access tunnel

to the hydroelectric power plant in Prado-Tolima.

Key words: Digital model, Scanning Laser, Software, Topographic survey, Total Station, Tunnels.

8

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

RESUMEN. _________________________________________________________________ 6

ABSTRACT. _________________________________________________________________ 7

LISTA DE TABLAS. _________________________________________________________ 10

LISTA DE FIGURAS. ________________________________________________________ 11

LISTA DE GRÁFICAS. _______________________________________________________ 13

INTRODUCCIÓN. ___________________________________________________________ 14

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. _____________________________________ 15

2. JUSTIFICACIÓN. _______________________________________________________ 16

3. OBJETIVOS. ___________________________________________________________ 17

3.1. GENERAL. ________________________________________________________________ 17

3.2. ESPECÍFICOS. ____________________________________________________________ 17

4. MARCO TEÓRICO. _____________________________________________________ 18

4.1. GEORREFERENCIACIÓN. _________________________________________________ 18

4.1.1. SIRGAS _______________________________________________________________ 19 4.1.2. MAGNA-SIRGAS _______________________________________________________ 20 4.1.3. Estaciones MAGNA-ECO (Estaciones Continuas) ______________________________ 20

4.2. TÚNELES. ________________________________________________________________ 21

4.2.1. Tipos de túneles _________________________________________________________ 21 4.2.2. Métodos de perforación de túneles ___________________________________________ 22 4.2.3. Túneles en Colombia _____________________________________________________ 24

4.3. ESCÁNER LÁSER TERRESTRE 3D (ELT 3D). ________________________________ 25

4.3.1. Clasificación general _____________________________________________________ 26 4.3.2. Funcionamiento _________________________________________________________ 28

4.3.3. Aspectos metrológicos: análisis del error ______________________________________ 30 4.3.4. Procesamiento de los datos _________________________________________________ 33 4.3.5. Registro de la nube de puntos _______________________________________________ 33 4.3.6. Resolución _____________________________________________________________ 34

4.3.7. Calidad ________________________________________________________________ 35 4.3.8. Relación resolución calidad ________________________________________________ 35 4.3.9. Precisión y exactitud _____________________________________________________ 36 4.3.10. LIDAR (Light detection and ranking) ________________________________________ 37

4.3.11. Escáner laser Faro Focus 3D _______________________________________________ 37

9

4.4. SOFTWARE. ______________________________________________________________ 38

5. METODOLOGÍA. _______________________________________________________ 40

5.1. PLANEACIÓN. ____________________________________________________________ 41

5.1.1. Equipo ________________________________________________________________ 42 5.1.2. Software _______________________________________________________________ 44 5.1.3. Recursos humanos _______________________________________________________ 44

5.2. FASE I: CAPTURA DE LA INFORMACIÓN. __________________________________ 44

5.2.1. Georreferenciación _______________________________________________________ 44 5.2.2. Levantamiento topográfico convencional (estación total) _________________________ 47

5.2.3. Levantamiento topográfico utilizando la tecnología (ELT) ________________________ 48

5.3. FASE II: PROCESAMIENTO DE LOS DATOS OBTENIDOS EN CAMPO. _______ 50

5.3.1. Post-proceso ____________________________________________________________ 50

6. RESULTADOS. _________________________________________________________ 65

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS. ____________________________________________ 68

7.1. COMPARACIÓN DE ÁREAS. _______________________________________________ 69

7.2. COMPARACIÓN DE VOLÚMENES. _________________________________________ 72

7.3. COMPARACIÓN DE EQUIPOS. _____________________________________________ 73

8. CONCLUSIONES. _______________________________________________________ 75

9. RECOMENDACIONES __________________________________________________ 77

10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. _____________________________________ 78

11. ANEXOS. ____________________________________________________________ 80

10

LISTA DE TABLAS.

Pág.

Tabla 1: Número de puntos capturados dependiendo de diferentes distancias para esferas _ 34

Tabla 2: Máxima distancia entre los targets y el escáner ____________________________ 34

Tabla 3: Número de puntos levantados según la resolución, utilizando una calidad de 4X _ 36

Tabla 4: Puntos de posicionamiento GPS _________________________________________ 45

Tabla 5: Diferencia de coordenadas elipsoidales ___________________________________ 52

Tabla 6: Diferencia coordenadas geocéntricas_____________________________________ 53

Tabla 7: Diferencia entre altura elipsoidal ________________________________________ 53

Tabla 8: Coordenadas GPS1 ___________________________________________________ 54

Tabla 9: Sistema de coordenadas túnel ___________________________________________ 55

Tabla 10: Cartera de Coordenadas ______________________________________________ 55

Tabla 11: Coordenadas de los targets. ___________________________________________ 59

Tabla 12: Áreas extraídas K0+000 y K0+005 ______________________________________ 69

Tabla 13: Áreas extraídas K0+075 y K0+080 ______________________________________ 70

Tabla 14: Áreas extraídas K0+165 y K0+170 ______________________________________ 70

Tabla 15: Promedio y Desviación estándar _______________________________________ 71

Tabla 16: Volúmenes extraídos _________________________________________________ 72

Tabla 17: Comparación de equipos ______________________________________________ 73

11

LISTA DE FIGURAS.

Pág.

Figura 1: Estaciones SIRGAS _________________________________________________ 19

Figura 2: Estaciones de funcionamiento continuo (MAGNA ECO) estado Octubre 2004 __ 20

Figura 3: Métodos de perforación de túneles. _____________________________________ 23

Figura 4: Tuneladora TBM. ___________________________________________________ 24

Figura 5: Túnel Sumapaz, Melgar ______________________________________________ 25

Figura 6: Medición del tiempo _________________________________________________ 26

Figura 7: Diferencia de fase ___________________________________________________ 27

Figura 8: Equipos de tiempo de vuelo y diferencia de fase ___________________________ 28

Figura 9: Funcionamiento escáner laser terrestre 3D ______________________________ 29

Figura 10: Coordenadas polares de un punto _____________________________________ 29

Figura 11: Efecto de la refracción en materiales semitransparentes ___________________ 31

Figura 12: Tipos de dianas ____________________________________________________ 33

Figura 13: Resolución y calidad escáner faro 3d __________________________________ 35

Figura 14: Relación calidad resolución __________________________________________ 35

Figura 15: Precisión contra Exactitud en la toma de datos en una esfera ______________ 36

Figura 16: Escáner Laser Terrestre 3D FARO FOCUS_____________________________ 37

Figura 17: Ubicación del proyecto (Hidroeléctrica, Prado-Tolima) ___________________ 41

Figura 18: Ubicación de la Finca la España______________________________________ 42

Figura 19: Posicionamiento con receptor GPS en el vértice TT1 _____________________ 45

Figura 20: Poligonal cerrada Punto a Punto _____________________________________ 46

Figura 21: Posición de los targets ______________________________________________ 47

Figura 22: Target ___________________________________________________________ 47

Figura 23: Levantamiento por Radiación ________________________________________ 48

Figura 24: Esferas no coloneales y su separación con el escáner _____________________ 49

Figura 25: Medición de distancia entre ELT y esferas ______________________________ 49

Figura 26: Toma de datos con escáner Focus 3D __________________________________ 50

Figura 27: Tiempo de rastreo, escáner faro Focus 3D ______________________________ 50

Figura 28: Vectores generados en el post proceso, Software Topcon Tools _____________ 51

Figura 29: Información general del post-proceso, Software Leica Geo office ___________ 51

Figura 30: Error ajustado de los puntos GPS1 y GPS2, Software Leica Geo Office ______ 52

Figura 31: Error ajustado de los puntos GPS3 y GPS4, Software Leica Geo Office ______ 52

Figura 32: RMS mejorados, Software Topcon Tools _______________________________ 52

Figura 33: Creación de nuevo origen cartesiano, Aplicación Magna3 Pro _____________ 54

Figura 34: Inicio del túnel ____________________________________________________ 56

Figura 35: Centro del túnel ___________________________________________________ 56

12

Figura 36: Nicho del túnel ____________________________________________________ 56

Figura 37: Arrastre de las imágenes a SCENE ____________________________________ 57

Figura 38: Registro de las esferas en cada escena _________________________________ 57

Figura 39: Aplicación de color en las escenas ____________________________________ 58

Figura 40: Registro de los targets ______________________________________________ 58

Figura 41: Importación de las coordenadas en formato csv __________________________ 59

Figura 42: Ubicar coordenadas en las targets. ____________________________________ 60

Figura 43: Tensión en las coordenadas de los targets ______________________________ 60

Figura 44: Verificación de target T1 ____________________________________________ 61

Figura 45: Verificación de target T2 ____________________________________________ 61

Figura 46: Verificación de target T3 ____________________________________________ 62

Figura 47: Verificación de target T4 ____________________________________________ 62

Figura 48: Verificación de target T5 ____________________________________________ 63

Figura 49: Verificación de target T6 ____________________________________________ 63

Figura 50: Generación del modelo básico 3D _____________________________________ 64

Figura 51: Revisión de distancias entre esferas y el escáner _________________________ 64

Figura 52: Sección extraída con Estacón Total ___________________________________ 65

Figura 53: Sección extraída con ELT3D _________________________________________ 65

Figura 54: Sección extraída con Estacón Total ___________________________________ 65

Figura 55: Sección extraída con ELT3D _________________________________________ 65

Figura 56: Sección extraída con Estacón Total ___________________________________ 66

Figura 57: Sección extraída con ELT3D _________________________________________ 66

Figura 58: Sección extraída con Estacón Total ___________________________________ 66

Figura 59: Sección extraída con ELT3D _________________________________________ 66

Figura 60: Sección extraída con Estacón Total ___________________________________ 67

Figura 61: Sección extraída con ELT3D _________________________________________ 67

Figura 62: Sección extraída con Estacón Total ___________________________________ 67

Figura 63: Sección extraída con ELT ___________________________________________ 67

Figura 64: Modelo túnel, AutoCAD_____________________________________________ 68

Figura 65: Modelo túnel SCENE _______________________________________________ 68

Figura 66: Superposición sobre las abscisas K0+000 y K0+005 ______________________ 69

Figura 67: Superposición sobre las abscisas K0+075 y K0+080 ______________________ 69

Figura 68: Superposición sobre las abscisas K0+165 y K0+170 ______________________ 70

13

LISTA DE GRÁFICAS.

Pág.

Gráfica 1: Comparación de volúmenes ___________________________________________ 72

14

INTRODUCCIÓN.

El desarrollo tecnológico de la actualidad ha generado la posibilidad de implementar diversas

ayudas en la ejecución de proyectos ingenieriles en cualquier especialidad, por ejemplo, la

tecnología LiDAR (Light Detection And Ranging) en Topografía subterránea, la cual permite

obtener una nube de puntos de la superficie generada mediante el escáner láser que se apoya en la

georreferenciación de las escenas levantadas con el dispositivo, la posición del sensor y el ángulo

del espejo en cada barrido que realiza. A partir de esta nueva tecnología se plantea realizar el

levantamiento topográfico y modelamiento Digital con un escáner laser terrestre 3D de la galería

de drenaje que comunica el Municipio de Prado-Tolima, con el embalse de HIDROPRADO; con

el objeto de determinar su eficiencia en cuanto a precisiones, rendimientos, costos, y rentabilidad.

Para la ejecución del proyecto, se plantearon tres (3) Fases: la primera consistió en la captura de

la información, que fundamentó la georreferenciación de dos puntos (GPS) en el sitio del túnel,

un levantamiento Topográfico del área de estudio y realizó el escaneo laser 3D dentro de la galería,

en la segunda se elaboraron los cálculos y el procesamiento de los datos de la fase inmediatamente

anterior obteniendo el modelo digital 3D, y la tercera correspondió en el análisis de los resultados

de las dos metodologías. Estos resultados fueron empleados para calcular los respectivos

volúmenes, la identificación detallada de superficies del terreno o deformaciones del mismo, y

finalmente se comparó este tipo de tecnología (escáner laser) para determinar la eficiencia con su

aplicación en cuanto a rendimientos, precisiones, ahorro de tiempo, procesos rentabilidad.

15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

La realización de proyectos de ingeniería exigen rentabilidad, tiempo, equipo, personal y

metodologías -procesamiento de los datos-, día a día se adoptan nuevas tecnologías que facilitan

al profesional de la topografía participar en diseños, cálculos, construcciones y levantamientos;

con la utilización de la estación total -cada vez más robustas-, y las nuevas tecnologías como el

escáner laser terrestre 3D el cual optimiza el tiempo y la digitalización, puede ser utilizado en

zonas de difícil acceso como es el caso de las minas subterráneas, túneles o galerías y socavones,

para obtener la visualización del proyecto en tiempos más cortos, y la realización de los cálculos

con la ayuda de software especializados para una mayor precisión.

Los volúmenes de excavación hallados en los túneles con topografía convencional se realizan

por medio de secciones transversales en intervalos de distancias o abscisas cada 2.5 y 5 m, donde

se asume que el sector entre abscisas es homogéneo, es decir, estos espacios son tomados como

una superficie cilíndrica; en el caso que se presente variación entre las abscisas, no es posible

detectarse; con la implementación de la TL éstas superficies son tomadas en su totalidad a lo largo

del túnel, el cual obteniendo mayor número de detalle en toda la superficie del túnel.

La comparación de los dos métodos de recopilación de datos, tomando en cuenta que el avance

tecnológico evoluciona cada día para la optimización y calidad de trabajo da a lugar la cuestión de

cuál es el mejor método a utilizar en cuanto a eficiencia y precisión en la toma de datos; en

Colombia, ésta tecnología viene siendo utilizada en poco porcentaje frente a métodos

convencionales ya que la adquisición de los equipos es costosa e igualmente se requiere de

capacitación para su manejo e implementación.

16

2. JUSTIFICACIÓN.

El propósito de esta monografía consistió en realizar una comparación Técnica entre las

ventajas que ofrece el escáner laser 3D (Faro-Focus) con respecto a los procesos desarrollados en

la actualidad con la utilización de la topografía convencional pretendiendo hacer aportes

importantes a la comunidad en general.

Los beneficios que se pueden apreciar con la utilización de esta tecnología señala estadísticamente

la calidad en la obtención de información tanto cuantitativa como cualitativa, logrando una ventaja

con respecto al método convencional y al mismo tiempo compite en otros aspectos tanto técnicos

como económicos ya que lo que se busca en un proyecto de ingeniería es maximizar los avances

en la ejecución de obras en periodos de tiempo mucho más cortos y una correcta administración

de los recursos.

17

3. OBJETIVOS.

3.1. GENERAL.

Comparar los métodos topográficos aplicados en la construcción de túneles, utilizado la Estación

Total (ET) y la Tecnología Escáner Laser 3D (ELT).

3.2. ESPECÍFICOS.

1.- Coleccionar los datos de la Galería de acceso de la represa de Prado-Tolima tomados con

Estación Total y el Escáner Laser 3D (Faro-Focus).

2.- Procesar la información utilizando los programas: Pentax (DL-02), SCENE (Faro-Focus) y el

Autodesk (AutoCAD) para generar los modelos 2D y 3D, haciendo énfasis en las secciones

transversales, áreas y volúmenes.

3.- Comparar la información obtenida por los métodos propuestos para cuantificar las precisiones,

rendimientos y costos.

18

4. MARCO TEÓRICO.

La topografía ha existido desde que el hombre ha tenido la necesidad de medir sus inmuebles,

teniendo inicios desde el antiguo Egipto, donde se media a partir de los mismos utensilios de

trabajo, como por ejemplo la cuerda o lazo; también, crearon su propia unidad de medición como

el codo y el pie. Con el tiempo fueron empleando otras herramientas de medición que aunque

fueran poco precisas y sencillas funcionaban, pero fue hasta la invención de la brújula (S. XIII) y

junto al avance astronómico, geométrico y matemático se descubren nuevas aplicaciones a la

topografía, para el S. XV Mercator estudió las proyecciones y dimensiones terrestres, y en el siglo

XVII la Geodesia contribuye a la creación del telescopio, tablas logarítmicas y métodos de

triangulación, principio por el que se fundamenta la topografía actual. A mediados del siglo XVIII

la topografía avanzo más, debido a la necesidad de generar mapas de mayor precisión y delimitar

fronteras entre países.

En el último siglo la topografía ha evolucionado valiosamente, y ha desarrollado instrumentos o

equipos más precisos y sofisticados como lo son: el Teodolito, El Transito, Distanciómetro,

Estación Total, niveles electrónicos, Navegadores GPS, hasta llegar a nuestros días con la

implementación de nuevas y mejores tecnologías como lo son el escáner Laser 3D. La tecnología

del Escáner Laser terrestre 3D es una herramienta ideal en topografía, pues brinda la posibilidad

de realizar levantamientos en diferentes espacios, con periodos de tiempo más cortos, con mejor

precisión y generando una mayor cantidad de datos. Donde el sistema laser terrestre ha sido

adaptado en diferentes aplicaciones, siendo utilizada por ingenieros, arquitectos, mecánicos o

cualquier profesional con sentido de registrar los mejores detalles de un objeto u espacio a

catalogar digitalmente.

4.1. GEORREFERENCIACIÓN.

El término de georreferenciación se refiere a dar posición y localización a un punto de la

superficie de la tierra definiéndola con coordenadas y Datum específicos (Cureño, 2008); para ello

se definieron los diferentes tipos de referencia a nivel mundial para que los diferentes países tengan

relación de coordenadas con otros y a nivel local para que haya facilidad de medición por tradición

19

del país y que el manejo de coordenadas no tenga tantos caracteres por ser globales, con el objeto

de tener control sobre la información que suministra cada posición; a continuación se conocerán

las convenciones usadas a nivel Suramérica y en Colombia para conocimiento de posición.

4.1.1. SIRGAS

Como cada continente instituyó sus coordenadas, convencionalmente para América se

estableció SIRGAS -Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas- el cual es establecido

por una red de estaciones GPS –Global Positioning System, en español: Sistema de Posición

Global- de alta precisión con el fin de garantizar la participación de cada país suramericano y

adoptado como sistema de referencia oficial para todos los países americanos por la ONU -

Organización de las Naciones Unidas- en 2001, evita incompatibilidad entre los sistemas locales

(IGAC, 2004).

Figura 1: Estaciones SIRGAS

MUNDOGEO. 2000. La Emigración de los Sistemas de Referencia Clásicos al Sirgas 2000

Recuperado de: http://mundogeo.com/blog/2000/01/01/la-emigracion-de-los-sistemas-de-referencia-clasicos-al-

sirgas-2000/

20

A nivel Colombia se estableció:

4.1.2. MAGNA-SIRGAS

El Marco Geocéntrico Nacional –MAGNA- es un sistema de referencia establecido para

Colombia por medio de la extensión del ITRF -Intenational Terrestrial Reference Frame, en

español significa: Marco de Referencia Terrestre Internacional- en América y que en su uso, el

IGAC -Instituto Geográfico Agustín Codazzi- hace determinación de la red básica GPS

adhiriéndose a SIRGAS entre los años 1994, 1995 y 1997, suministrando una plataforma confiable

ante los productores y usuarios de la red en el país, (IGAC, 2004).

4.1.3. Estaciones MAGNA-ECO (Estaciones Continuas)

Las estaciones MAGNA-ECO son estaciones GPS de funcionamiento continuo, con

coordenadas procesadas semanalmente, por lo tanto, estas sirven como bases para

posicionamientos geodésicos, reduciendo así el costo y el tiempo de trabajo, (IGAC, 2004).

Figura 2: Estaciones de funcionamiento continuo (MAGNA ECO) estado Octubre 2004

IGAC. 2004

21

4.2. TÚNELES.

Los túneles o galerías son obras subterráneas designadas a establecer comunicación a través de

un espacio inaccesible como, por ejemplo, a través de una montaña, por debajo de un cause o

atravesando obstáculos para permitir el transporte de vehículos, conducciones hidráulicas o

eléctricas, explotación de minerales, entre otros (Concepto de túnel, 2016).

4.2.1. Tipos de túneles

En la construcción de túneles, se encuentra una clasificación según el empleo que se le vaya a

dar en la comunidad.

Túneles Viales

Los túneles viales fueron diseñados con el fin de dar comunicación a lugares inasequibles o para

hacer que los viajes sean más cortos y cómodos para el usuario, también han sido diseñados para

la protección forestal de sitios como montañas ya que la construcción de una carretera sobre la

montaña puede causar afecciones a la fauna y la flora existentes sobre la misma, dando a lugar el

paso de peatones y vehículos tales como automóviles, buses o trenes (Notas de clase. Topografía

Subterránea. 2015).

Túneles Hidráulicos

Diseñados para nada más que la conducción de fluidos, este tipo de túneles facilitan el acceso de

líquidos a los distintos destinos que tengan y hacer usos de ellos de las distintas formas ya sea para

el desvío de ríos caudalosos, sistemas de riego o para transformar la energía potencial cinética en

energía eléctrica y proporcionar electricidad a una comunidad (Escuela de Ingeniería de Antioquia,

2003).

22

Túneles de servicios o Galerías

Los túneles de servicios fueron diseñados para la conducción de cableado, tuberías de gas o de

calefacción (Xtralis, 2016).

Túneles Mineros

Túneles destinados a la explotación de minería cumplen la función de transportar los materiales

extraídos y ofrecen acceso de entrada y salida al personal empleado (Notas de clase. 2015).

4.2.2. Métodos de perforación de túneles

En los tipos de perforación de túneles, se encuentran los métodos aplicados por los distintos

países los cuales iniciaron en la historia con la construcción de galerías.

Método Inglés

El método de perforación ingles fue aplicado inicialmente en Inglaterra dividiendo la perforación

en 4 secciones en donde se inicia con un centro de la parte superior del túnel denominado bóveda,

proseguido de los laterales de la galería o bien llamados axiales y luego con otras dos secciones

una central y otra inferior como lo muestra la Figura 3 (Galabru, 2004).

Método Belga

En éste método, la perforación inicia a la mitad superior del túnel, comenzando con una galería

central desde el coronamiento hasta el arranque del arco, siguiendo el orden que se muestra en la

Figura 3.

23

Método Alemán

Este método inicia con unas secciones en la parte inferior de los laterales, de tal forma en la que la

excavación este dividida en cinco partes las cuales están indicadas en la Figura 3.

Método Austriaco

Los austríacos desarrollaron un plan de trabajo basado en la utilización de puntales de madera

formando un sistema de entibación evitando accidentes causados por exceso de material suelto

ocasionando derrumbes. La excavación se realiza como indica la Figura 3.

Figura 3: Métodos de perforación de túneles.

Montenegro, J. Métodos de perforación de túneles. Recuperado de: http://civilgeeks.com/2011/09/22/metodos-de-

perforacion-de-tuneles/

TBM (Tunnel Boring Machine)

En este método de perforación se utilizan unas tuneladoras tipo taladro que se encargan de perforar

el suelo y que, en casos de material suelto, se pueden ocasionar derrumbes; el taladro, puede ser

diseñado para inyectar concreto en las paredes del túnel proyectado con el fin de evitar accidentes

en la ejecución del proyecto. Éste tipo de perforación además de ser inicialmente aplicado para

24

taladrar rocas hace el trabajo más rápido ya que a medida en que penetra el material, va extrayendo

los residuos al inicio de la perforación y así cargarlos a los vehículos de transporte de material

residual. (EUROHINCA, 2016).

Figura 4: Tuneladora TBM.

The Robbins Company. Nada perfora la roca más rápido que una tuneladora abierta

Recuperado de: http://www.therobbinscompany.com/es/our-products/tunnel-boring-machines/main-beam/

4.2.3. Túneles en Colombia

En Colombia, la ley 105 de 1993, especifica que el ancho de carril en las vías debe ser de 3.65

m, esto también aplica para el carril dentro de un túnel, por otra parte, galibo minino debe ser de

5 metros y el valor mínimo del ancho del andén de 0.90m (INVIAS, 2015).

Nacionalmente, los túneles han sido diseñados con el mismo fin que se ha tenido a nivel mundial,

los primeros proyectos datan de hace aproximadamente cincuenta años en la historia iniciando con

el tránsito de líneas férreas a través de montañas para facilitar el viaje haciéndolo más rápido y

cómodo lo cual a través del tiempo con la evolución del tránsito en Colombia se dejaron de utilizar

las líneas férreas y los túneles se empezaron a proyectar para uso vehicular pesado y

automovilístico (Ardila & Rodríguez. 2013. Túneles viales de carretera en Colombia: Una luz para

la competitividad en nuestra movilidad); los túneles existentes en Colombia más destacados son

el túnel Fernando Gómez Martínez o túnel del occidente fundado en el año 2005 en Medellín

25

(Antioquia), el túnel Dosquebradas en Risaralda lanzado en el año 2009, el túnel de Daza en Nariño

inaugurado en el año 2012, el túnel Sumapaz en Melgar (Tolima) promovido en el año 2010

(Osorio, 2013).

Figura 5: Túnel Sumapaz, Melgar

El tiempo. 2014. Recuperado de: http://www.eltiempo.com/economia/sectores/paso-restringido-en-el-tunel-de-

sumapaz/14687147

4.3. ESCÁNER LÁSER TERRESTRE 3D (ELT 3D).

Los ELT son instrumentos de alta precisión, aptos para trabajar en diferentes entornos y bajo

condiciones atmosféricas hostiles. Básicamente se basa en el uso de la taquimetría, haciendo

énfasis en la distancia, donde el láser realiza un barrido de todo su campo visual variando la

dirección de captura, donde todos los puntos del objeto de medida son capturados; esto lo puede

llevar a acabo rotando el propio dispositivo o bien utilizando un sistema de espejos rotativos.

(Jiménez, 2012). Se puede decir que gracias a que mide ángulos y distancias, se generan

coordenadas polares, también si se tiene un punto de amarre o un sistema de coordenadas

fácilmente se puede obtener y guardas coordenadas rectangulares (x, y, z).

26

4.3.1. Clasificación general

El escáner laser terrestre 3D, se destaca por la medición a distancia, por ende, su clasificación

será en dos tipos: TOF (Time of Flight – tiempo de vuelo) y Diferencia de Fase (Phase Shift).

TOF (Time of Flight – Tiempo De Vuelo)

Se basa en medir la distancia del objeto escaneado a partir del tiempo y partiendo de la resolución

requerida. Donde el rayo láser se refleta en el objeto y vuelve al escáner, el equipo lo confirma con

un pulso de luz, que es integrado en dos tiempos, el viaje de ida y vuelta, que determinan la

distancia total del viaje de la luz. Entonces la distancia va hacer igual a [𝐶 ∗ 𝑇]/2, donde C es la

velocidad de la luz y T el tiempo véase Figura 6. Estos equipos se caracterizan por su alta

precisión, un eficaz muestreo y generan una alta densidad de puntos (Carpio, 2014).

Actualmente, existen equipos que permiten la medición de poco más de 100 mil puntos por

segundo, alcanzando hasta 3 kilómetros de distancia, este tipo de equipo es el más utilizado en

topografía (Cartografía.CL. 2005).

Figura 6: Medición del tiempo

Cartografía.CL.2005

27

Diferencia de Fase (Phase Shift)

Emite el láser de forma continua, usando potencia modulada e identificado la variación de

distancia, restando las longitudes de ciclos internos por un sistema de ecuación véase Figura 7.

Esto desencadena diferentes ambigüedades en la medida de la distancia proporcional a la longitud

de onda. A diferencia del TOF este tiene menor alcance, pero tiene mayor precisión y captura

mayor cantidad de puntos por segundo, casi un millón; esta clase de equipos se utiliza más en

arquitectura e ingeniería inversa. (Cartografía.CL. 2005)

Figura 7: Diferencia de fase

Stack Exchange. Electrical Engineerig. Recuperado de:

http://electronics.stackexchange.com/questions/219108/calculating-the-average-power-using-the-oscilloscope

En la siguiente figura se pueden observar las diferencias de los equipos que poseen dichas

funciones en los dos métodos.

28

Figura 8: Equipos de tiempo de vuelo y diferencia de fase

Porras, Cáceres & Gallo, (2014), Modelos urbanos tridimensionales generados a partir de nubes de puntos de un

escáner láser terrestre. Bogotá D.C. Colombia.

4.3.2. Funcionamiento

Funciona bajo el envío de un haz laser infrarrojo que parte dese el emisor (escáner) hacia el

centro de un espejo giratorio, véase Figura 9. El espejo desvía el láser en rotación vertical hasta

un punto del objeto y se refleta, se calcula la distancia al realiza una trayectoria de ida y vuelta,

con un determinado tiempo y bajo la velocidad constante de la luz, la precisión en las medidas de

distancia depende de la intensidad de esta última (Jiménez, 2012).

29

Figura 9: Funcionamiento escáner laser terrestre 3D

(Faro, 2011)

Por cada señal reflejada se obtiene dos ángulos correspondientes (α y θ) la distancia ρ y la

intensidad véase Figura 10. Mediante los ángulos se puede definir la posición de cada uno de los

puntos de la escena en un sistema de coordenadas polares, que internamente es transformado a un

sistema cartesiano según las ecuaciones: x= ρ cosα senθ; y= ρ cosα cosθ; z= ρ senα. Donde “α” y

“θ” son los ángulos en coordenadas polares; “ρ” la distancia en coordenadas polares; “x, y, z” son

las coordenadas cartesianas. (Jiménez, 2012)

Figura 10: Coordenadas polares de un punto

Arco, Vargas & García, (2010), Laser Escáner 3D Aplicado a la Edificación, Granada, España, Universidad de

Granada.

30

4.3.3. Aspectos metrológicos: análisis del error

Cada escáner laser tiene su propia precisión, estipulada en el catálogo de la compañía fabricante,

sin embargo, la experiencia demuestra que no solo es necesario confiar en la precisión del equipo,

sino que también hay que evaluar algunos aspectos como lo son: errores instrumentales, errores

relacionados con los objetos, condiciones ambientales y errores metodológicos.

Errores instrumentales

Los errores instrumentales por lo general son metódicos o aleatorios. Los aleatorios afectan a la

precisión de la medida, por intervención de los impulsos recibidos, mientras que los metodológicos

son intervenidos por la temperatura en la electrónica de medición. Ejemplo:

Propagación de haz de laser: normalmente la propagación del haz de luz debe ser de buena

calidad, si se desajusta es debido a la anchura que alcanza el haz con la distancia recorrida,

la diferencia del haz tiene una fuerte influencia con la resolución de la nube (Weichel,

1990).

Ambigüedad en la distancia: según el tipo de escáner láser, puede ser un láser de tiempo

de vuelo o de diferencia de fase, aunque en el desfase los ruidos de la señal dependerán de

la señal. Sn Embargo, la mayoría de los escáneres terrestres de medio y largo alcance

proporcionan una ambigüedad en la distancia de entre 2mm y 50 mm para una distancia de

50 m (Lerma & Biosca, 2008).

Ambigüedad angular: dependerá directamente de la posición de los espejos, errores en los

ejes de rotación, la precisión está en la medición de los ángulos. Entre mayor sea la

distancia al escáner una pequeña diferencia angular puede provocar un error considerable.

(Contreras, 2014)

31

Errores en los ejes: En el desarrollo de los procesos de calibración de un escáner láser, se

definen tres ejes:

1.- Eje vertical: Permite al escáner mover el haz láser de forma horizontal. Este es

el eje de rotación de la cabeza del escáner o el eje ortogonal a los ejes de balanceo

de los espejos.

2.- Eje de colimación: Es el eje que pasa por el centro del espejo de escaneado y el

centro de la huella del láser sobre la superficie del objeto escaneado.

3.- Eje horizontal: Es el eje de rotación del espejo de escaneado.

Debido a las tolerancias en la fabricación, estos ejes no están alineados perfectamente, lo cual

puede llevar un error en la colimación y un error en el eje horizontal.

Errores relacionados con los objetos

El haz laser y su reflexión en superficies, es afectada por tres factores: por la filtración de la

señal, la reflexión del material y el ángulo de incidencia.

Aparte de los efectos de reflectividad, hay materiales que tienen una capa semitransparente que

permite pasar el haz láser refractándose y reflejándose en el propio material, como por ejemplo la

madera o el mármol véase Figura 11; se deberá de añadir una constante en las mediciones de la

distancia. (Lerma & Biosca, 2008)

Figura 11: Efecto de la refracción en materiales semitransparentes

(Contreras, 2014)

32

Condiciones ambientales

Son aquellos factores bióticos que rodean el entorno del escaneo, los más importantes son:

1.-La temperatura: Se tendrá en cuenta tanto la temperatura interna y externa del equipo,

dándole siempre más importancia a la interna. Por ejemplo, cuando se escanea la superficie

u objeto a una temperatura alta, la radiación causada por las superficies calientes filtra la

señal del láser generando ruidos, como resultado los datos tomados son distorsionados.

(Lerma & Biosca, 2008).

2.-La atmosfera: Principalmente la densidad del aire depende de las variaciones

atmosféricas de temperatura, presión y humedad, en donde las condiciones lleguen a ser

no aptas puede interferir en el índice de refracción, la longitud de onda electromagnética

y la velocidad de la luz. (Contreras, 2014)

3.-Distorsión por movimiento: se produce de dos maneras, una es la dilatación térmica,

que en otras palabras es un cambio de temperatura que hace que el escáner se mueva

minuciosamente, la otra, se generara por las mismas vibraciones del escáner al momento

de realizar un barrido. Esto ocasiona una distorsión de datos, debido a que cada punto se

toma en un tiempo diferente. (Lerma & Biosca, 2008)

4.-Interferencia de radiación: es el resultado de mucha iluminación externa, la mayoría de

veces por fuentes artificiales muy fuertes.

Errores metodológicos

Los errores metodológicos se deben al método topográfico elegido o a la experiencia de los

usuarios con esta tecnología. Esto quiere decir que el usuario es el que determina la precisión y la

forma de medición que se va ejecutar, de esto dependerá los diferentes ruidos generados a mayor

o menor escala, al momento de capturar los datos. También se debe al momento de realizar una

elección a escoger el escáner adecuado. (Contreras, 2014)

33

4.3.4. Procesamiento de los datos

Los datos obtenidos por el ELT, son un conjunto de puntos denominado por el doctor Jon Mills

y David Barberen en 2003 como nube de puntos, donde referencian a Yuriy Reshetyuk “la nube

de puntos es un conjunto de coordenadas XYZ en un sistema de referencia común, que le muestra

al espectador una comprensión de la distribución espacial de un objeto en el sitio” (Reshetyuk,

2009)

4.3.5. Registro de la nube de puntos

El escaneo de superficies muy extendidas se realiza en varias posiciones, por lo tanto es

necesario realizar el armado del escáner desde diferentes posiciones, realizándose el escaneado

por secciones que comparten parámetros por escena permitiendo una unión óptima logrando una

representación completa; para obtener las coordenadas de los puntos deseados, es indispensable el

uso de objetos de enfoque para el registro como lo son las esferas y las targets, las cuales son útiles

para generar puntos artificiales de registro, se basa en una gama de accesorios fabricados con

materiales reflectantes véase Figura 12, para ser identificados fácilmente. Permiten una efectiva

georreferenciación y en la práctica es indispensable su uso. Se recomienda que en la práctica se

utilicen mínimo tres (3) targets o tres esferas.

Esfera

Target

Figura 12: Tipos de dianas

Fuente: Propia.

34

4.3.6. Resolución

La resolución en un levantamiento con la tecnología láser es básicamente la separación que se

debe tener presente en la toma de datos de la nube de puntos, es decir, si la resolución es de 1/4 se

tomará una cuarta parte de los puntos escaneados en el sitio; el rango de resolución que maneja el

escáner laser FARO FOCUS 3D trabaja una resolución mínima de 1/1 y una máxima de 1/32. Para

tener una captura optima de la esfera en cuanto a su registro, se debe tener en cuenta la distancia

que hay entre ésta y el escáner apreciada en la tabla 1, donde hay que tener en cuenta el número

de puntos capturados ya que, por distancia, la diana entre más lejos se encuentre del equipo, menos

puntos se capturarán (para el escáner FARO FOCUS, el número de puntos capturado menor que

100 es inaceptable para el registro) y será más difícil obtener el cálculo del centro de la esfera para

el programa, lo que podría generar error de precisión en el modelamiento 3D.

Tabla 1: Número de puntos capturados dependiendo de diferentes distancias para esferas

Distancia (m) Número de puntos capturados

3.10 5.60 7.70 10.10 12.50 14.70 17.20 19.70 22.40 24.70 27.20 30.00 32.80

Res

olu

ción

1/16 169 29 21

1/10 333 118 79 29

1/8 675 144 62 51 33

1/5 1 829 541 254 136 72 66 61 39 32

¼ 2 756 834 384 230 137 55 49 75 41 31

½ 10 103 3 420 1 629 974 632 410 243 208 149 121

1/1 2 437 1 646 617 855 702 520 397 347 269

(Faro, 2016)

Al igual que las esferas, para calcular el centro de los targets, se debe tener en cuenta la distancia

máxima al escáner según la resolución, para ello se muestra la tabla 2.

Tabla 2: Máxima distancia entre los targets y el escáner

Resolución Distancia (m)

1/32 1

1/16 3

1/10 5.5

1/8 10

1/5 10

1/4 12.5

1/2 38.3

1/1 69 (Faro, 2016)

35

4.3.7. Calidad

La calidad es el rastreo que tiene del láser al momento de pasar por un punto de la superficie,

es decir, el escáner laser FARO FOCUS 3D tiene rangos de calidad de 1x hasta 16x, lo que

significa que el láser pasa x cantidad de veces por el mismo punto en un segundo para obtener

imágenes nítidas y optimas a la hora de realizar el procesamiento de datos.

4.3.8. Relación resolución calidad

La relación de la resolución es dependiente de la calidad, puesto que la resolución maneja la

dispersión de puntos, pero la calidad maneja el número de veces donde se transita por los mismos

puntos.

Figura 13: Resolución y calidad escáner faro 3d

Fuente: Propia.

Figura 14: Relación calidad resolución

Manual scanner FARO FOCUS 3D, (2011)

En relación a la dependencia que hay entre resolución y calidad, se toma un número de puntos

efectivos con un tiempo determinado para la captura de las imágenes, ejemplificándose en la

tabla 3.

36

Tabla 3: Número de puntos levantados según la resolución, utilizando una calidad de 4X

RESOLUCIÓN PUNTOS TOTAL

PUNTOS

PUNTOS

EFECTIVOS

TIEMPO

Horizontal Vertical Segundos Minutos

1 40 000 20 000 800 000 000 700 000 000 6 666.67 111.11

½ 20 000 10 000 200 000 000 175 000 000 1 666.67 27.78

¼ 10 000 5 000 50 000 000 43 750 000 416.67 6.94

1/5 8 000 4 000 32 000 000 28 000 000 266.67 4.44

1/8 5 000 2 500 12 500 000 10 937 500 104.17 1.74

1/10 4 000 2 000 8 000 000 7 000 000 66.67 1.11

1/16 2 500 1 250 3 125 000 2 734 375 26.04 0.43

1/32 1 250 625 781 250 683 594 6.51 0.11 (Faro, 2016)

4.3.9. Precisión y exactitud

La precisión se refiere a la incertidumbre de un número de valores obtenidos en varias

mediciones repetidas en una misma magnitud, es decir, entre menor número de puntos dispersos,

la precisión se hace mayor. Por otro lado, la exactitud se encarga de definir si el valor medido se

acerca a la realidad de la magnitud.

Figura 15: Precisión contra Exactitud en la toma de datos en una esfera

Tortosa, G., (2011). Manual práctico de quimiometría. EEZ.

37

4.3.10. LIDAR (Light detection and ranking)

Es el sensor óptico del escáner, allí se despliega el haz laser. Estos receptores registran el

tiempo preciso desde que el pulso láser dejó el sistema hasta cuando regresó para calcular la

distancia límite entre el sensor y el objetivo. Combinado con la información posicional (GPS e

INS), estas medidas de distancia se transforman en medidas de puntos tridimensionales reales del

objetivo reflector en el espacio del objeto. Esta tecnología permite capturar de manera discreta

cualquier elemento en tres dimensiones (3D), para poder ser analizado posteriormente en

diferentes entornos digitales. (ArcMap, 2016)

4.3.11. Escáner laser Faro Focus 3D

El FARO Focus3D Serie X, es un escáner láser terrestre de alta velocidad que ofrece una

confiable y eficaz medición y documentación de imágenes 3D. Su tipo de medición es de

diferencia de fase, lo que lo hace ser muy preciso al momento de tomar la nube de puntos, y

además, la nube de puntos va ser densa, utiliza el software SCENE. (FARO, 2016)

Figura 16: Escáner Laser Terrestre 3D FARO FOCUS

(Faro, 2016)

Precisión de distancia hasta _2 mm

Rango de 0.6 m a 120 m

Velocidad de medición hasta 976,000 puntos/seg.

38

4.4. SOFTWARE.

Para el procesamiento de los datos y la realización de los modelos digitales a partir de los datos

obtenidos, se utilizaron los diferentes programas para dichos procedimientos, a continuación, están

algunos de los softwares más utilizados en la topografía.

AutoCAD

Es un programa para la construcción de dibujo en 2D y modelamiento en 3D. Es diseñado por la

empresa Autodesk, su manejo es fácil y su uso no es limitado; se utilizará para procesar y modelar

la nube de puntos obtenida por la estación. Los requisitos mínimos para utilizarlo en el ordenador

son: Procesador Intel® Pentium® 4 o AMD Athlon 64, Memoria: 4 GB de RAM (mínimo) 8 GB

de RAM (recomendado), Resolución de visualización: 1280 x 1024 (1600 x 1200 o superior

recomendado) con color verdadero, Espacio en el disco: 10 GB para la instalación (archivo

descargado) 6 GB para archivos de programa. (Autodesk, 2015)

DataLink

O DL es el programa creado por el mismo fabricante de la estación Pentax para descargar archivos

hacia el computador, permite visualizar gráficamente los puntos y generar exportaciones de

diferentes formatos de archivos, pero la importación de formatos es limitada. Por otro lado, su uso

es de fácil manejo y la instalación a el ordenador es muy fácil, no requiere de mucha memoria

virtual y tarjeta gráfica. (Runco, 2002)

Leica Geo Office

Es un fabricante diferente a Topcon, pero al igual que TopconTools es un programa para realizar

post-procesos, es un poco más detallado, su uso es más fácil y se pueden ejecutar más de 5 puntos

a la vez; los requisitos de la computadora a usar son mínimos. Los resultados son más precisos.

(Leica Geosystems, 2016)

39

SCENE

Este software es administrado por el mismo fabricante del escáner laser terrestre, es decir, los datos

crudos generados en campo serán fácilmente procesados por el programa, tiene la capacidad de

generar un área de trabajo cómoda para el manejo de nube de puntos robustas, realiza un efectivo

registro de escenas, donde automáticamente detenta las targets y esferas utilizadas en el trabajo de

campo. Su uso es limitado, y lo requisitos mínimos para utilizarlo en el computador son: 2 GHz

(procesador Multi Core x64 de 2,5 GHz recomendado), 6 GB de RAM o más recomendados, HDD:

Espacio libre en disco mínimo 2GB, Pantalla: Max. Resolución de 1280 x 768 (WXGA), Tarjeta

gráfica con 512 MB y OpenGL 2.0 -tarjetas NVIDIA recomendadas, Quadro class 3D necesario

para visualización estereoscópica-. (Faro, 2016)

TopconTools

Es un programa utilizado para procesar los datos obtenidos de los receptores GPS manejados en

campo, se realiza un eficiente y minucioso post-proceso, con su respectivo ajuste. También, es útil

para la transformación, importación y exportación de datos crudos a diferentes formatos; Los

requisitos de la computadora a usar son mínimos, peros solo se pueden ejecutar 5 puntos a la vez.

(Topcon, 2016)

40

5. METODOLOGÍA.

41

5.1. PLANEACIÓN.

El túnel corresponde a una galería de drenaje con una longitud aproximada de 204 metros con

acceso peatonal, vehicular y eléctrico a la represa de Hidroprado, a una distancia de 4 kilómetros

del municipio de Prado-Tolima, el cual se encuentra a 321 msnm a una distancia de 108 Km a

Ibagué (capital del departamento del Tolima) y a 227 Km de Bogotá Distrito Capital, lo cual

establece una duración de viaje por tierra de 6 horas desde la capital del país.

(Alcaldía de Prado – Tolima, 2016).

Figura 17: Ubicación del proyecto (Hidroeléctrica, Prado-Tolima)

Google Earth. 2007. Lat. 3°45'17.48"N, Long. 74°53'21.06"O.

Recuperado de: https://www.google.com/maps/.

Determinada la ubicación del sitio, se realizó la consulta en el Instituto Geográfico Agustín

Codazzi (IGAC-Bogotá), obteniendo la información del vértice geográfico TT1 ubicado en el

costado norte de los potreros de la finca La España en el suroeste del municipio de Prado-Tolima

(véase Figura 18).

En una primera actividad de reconocimiento, la comisión topográfica ubicó el mojón TT1 en sitio,

haciendo posición con la antena GPS Híper lite en modo base, y en el área de estudio, se proyectó

el posicionamiento de dos puntos en cada una de las bocas del túnel con el objeto de

georreferenciar la poligonal base; para posteriormente realizar los trabajos de topografía utilizando

Estación Total y levantamiento 3D.

42

Figura 18: Ubicación de la Finca la España

IGAC, (2003). Lat. 3°44'40"N, Long. 74°55'60"O.

5.1.1. Equipo

Receptores GPS doble frecuencia

GR5

Cantidad: 2

Marca: Topcon

Referencia: GR 5

Observables: Doble Sistema de Comunicación de Múltiples Radios y Combinación Celular

Precisión: Estático (H: 3 mm +5ppm, V: 5mm + 5ppm), RTK (H: 10 mm + 1ppm, V: 15mm

+ 1ppm)

Autonomía: Doble Batería Intercambiable en Caliente

Controlador: Opera con el completo juego de Controladores Topcon y los paquetes de

Software

Memoria: Interna, Tarjeta de Memoria Removible SD/SDHC 32GB

43

Hiper lite

Cantidad: 2

Marca: HiPer® y Topcon Positioning Systems™

Referencia: HiPer lite & HiPer lite+

Observables: Fase y código en la frecuencia L1, L2.

Precisión: L1+L2 (H: 3 mm + 0.5 ppm)

Autonomía: 36 horas con una batería recargable.

Controlador: Colector de datos.

Memoria: Interna con una capacidad de 8 MB.

Estación total

Cantidad: 1

Marca: Pentax

Modelo: r-400v

Precisión angular: 5” 3” 2”

Distancia 1 Prisma: 7000 m

Distancia sin prisma: 400 m

Autonomía: 4.5horas, batería recargable

Compensador: doble eje (2 Axls)

Puerto: USB & RS232

Memoria Interna: Hasta 45000 Puntos y SD

Escáner láser 3D (TLS)

Cantidad: 1

Marca: Faro-Focús

Modelo: Serie X

Rango de alcance (06-130m)

Precisión de ± 2 mm.

Resolución de 1/1

Velocidad de medición: hasta 976.000 Puntos/Seg.

Cámara integrada hasta 70 megapíxeles

44

5.1.2. Software

Autodesk AutoCAD

DL

Leica Geo Office

Topcon Tools

SCENE

5.1.3. Recursos humanos

Comisión topográfica:

Topógrafos: 2

Auxiliares de topografía: 2

La ejecución de la metodología del proyecto está dividida en dos (2) fases:

Captura de la información.

Procesamiento de los datos obtenidos en campo.

5.2. FASE I: CAPTURA DE LA INFORMACIÓN.

5.2.1. Georreferenciación

A partir del vértice geográfico TT1 (IGAC), se realizó la georreferenciación tomando este

vértice como base y se posicionaron cuatro (4) puntos sobre las placas ubicadas, cerca de la entrada

y salida del túnel. La base TT1 está ubicada a 5 Km del punto GPS más lejano, en donde el tiempo

de recepción de cada GPS dependió de este factor:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑐𝑖ó𝑛 → 𝑣é𝑟𝑡𝑖𝑐𝑒𝑠 𝑑𝑒 3 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛 =15 minutos + (10 minutos por cada km)

Dicho proceso, se llevó a cabo el día 28 de noviembre del año 2015 con una estimación de

posicionamiento por cada punto de mínimo una (1) hora, teniendo en cuenta que el receptor esté

bien armado y que los puntos estén bien marcados como lo muestra en la figura 19.

45

Figura 19: Posicionamiento con receptor GPS en el vértice TT1

Fuente: Propia.

Para cada punto a posicionar, se utilizó un receptor GPS en función estática teniendo en cuenta su

altura instrumental, el tipo de antena y la duración de recepción de cada armada para poder obtener

sus coordenadas de posicionamiento como lo muestra la tabla 4.

Tabla 4: Puntos de posicionamiento GPS

Punto Altura

instrumental

Tipo de

posicionamiento

Tipo de

antena Duración

TT1 1.124 Estático Híper Lite 1h 16' 51''

GPS1 2 Estático Híper Lite 1h 29' 43''

GPS2 1.337 Estático Híper Lite 1h 33' 24''

GPS3 1.65 Estático GR5 1h 58' 59''

GPS4 2 Estático GR5 1h 53' 02''

Fuente: Propia.

46

Puntos de Control

Se realizó una poligonal por el método punto a punto, luego partiendo de los deltas de la

poligonal y puntos auxiliares, se tomaron puntos de referencia –targets- y algunos puntos de

control para la asignación de las coordenadas correspondientes para la georreferenciación del

modelo.

1. Poligonal punto a punto

Se realizó una poligonal punto a punto con estación total Pentax con el método cero atrás, partiendo

desde los puntos GPS1 -Delta de armado- y GPS2 -Señal de Azimut-, desde allí se visó a un delta

D1 luego se siguió la metodología y se añadieron dos deltas más -D2 y D3-; finalmente en D3 se

cerró la poligonal, terminando en los puntos GPS3 y GPS4 para el amarre de coordenadas como

se muestra en la siguiente figura.

Figura 20: Poligonal cerrada Punto a Punto Recuperado de: https://www.google.com/maps/.

47

Georreferenciación de targets

A partir de la poligonal, se detallaron dos targets en cada boca del túnel y dos más en el centro,

para un total de seis targets ubicadas dentro y fuera de la galería del túnel (figura 21). Utilizando

los deltas D1, D2 y el punto auxiliar, como puntos de armada y de referencia, se georrefenciaron

los targets. Esto se llevó a cabo apuntando con la estación y sin prisma al punto centro de cada

target.

Figura 21: Posición de los targets

Fuente: Propia.

Figura 22: Target

Fuente: Propia.

5.2.2. Levantamiento topográfico convencional (estación total)

Para el levantamiento detallado utilizando la topografía convencional, se utilizó la estación total

marca PENTAX R-400v en función de radiación en donde se utilizaron los deltas D1 Y D2,

tambien los puntos auxiliares necesarios iniciando desde el K0+000 tomándose siete (7) puntos

por sección, en cada sección se tomó el punto mas alto, dos puntos al nivel de suelo, dos en el

inicio y final del arco, y dos puntos entre la curvatura del arco como lo muestra la Figura 21;

aunque en algunas secciones el numero de puntos tomados fue mayor de 7, porque habian más

detalles o puntos de quiebre, siendo tomados con prisma sin tener en cuenta su altura, ya que el

prisma estuvo lo mas cerca posible a la superficie del túnel.

48

Figura 23: Levantamiento por Radiación

Fuente: Propia.

5.2.3. Levantamiento topográfico utilizando la tecnología (ELT)

2. Configuración inicial

Se determinaron parámetros iniciales como el idioma, fecha y hora, unidades a manejar en el

escaneo, temperatura y se le aplicó la opción de color al escaneo. La máscara de elevación fue de

60°, estableciendo una zona ciega de más o menos un metro de diámetro, (punto ciego más agudo

que pueda establecer el sensor del equipo).

3. Resolución y Calidad

Para este trabajo se utilizó una resolución de 1/4 y una calidad de 3X, se estimó obtener 796000

putos efectivos por escena (véase tabla 3), claro está, que la distancia de las esferas interviene en

la cantidad de puntos obtenidos. Se obtuvo una duración promedio de 5 minutos con 38 segundos

con 360° de rotación horizontal y -60° de rotación vertical por cada escaneo.

49

4. Ubicación de esferas y targets

Para la ubicación de las esferas, se estableció un compartimento de tres esferas atrás y otras tres

adelante del escáner de tal forma en que su posición no fuese colineal entre las mismas y el escáner

para que el equipo tenga una visibilidad completa de ellas; por otro lado, se tuvo en cuenta la

distancia entre las esferas y el equipo en donde la medida máxima entre este y la diana más lejana

fue de 15 metros véase las figuras 24 y 25 dando un avance de 30 metros por cada armada del

dispositivo, para la captura de cada escena, se tuvo que mover el equipo de tal forma en que sólo

se movieron las esferas de atrás hacia adelante del equipo de manera progresiva en cada sesión

haciendo que el enlace entre ellas esté exitosamente alineado.

Figura 24: Esferas no coloneales y su separación

con el escáner

Fuente: Propia.

Figura 25: Medición de distancia entre ELT y

esferas

Fuente: Propia.

50

5. Colección de datos

Ya teniendo todo listo se inició con la toma de datos con el scanner laser 3D, se realizó un total de

10 escenas, donde se armó el equipo cada 30 metros y tuvo una duración total de 1 hora.

Figura 26: Toma de datos con escáner Focus 3D

Fuente: Propia.

Figura 27: Tiempo de rastreo, escáner faro Focus

3D

Fuente: Propia.

5.3. FASE II: PROCESAMIENTO DE LOS DATOS OBTENIDOS EN CAMPO.

5.3.1. Post-proceso

El post-proceso del posicionamiento GPS se realizó utilizando los softwares Topcon Tools y

Leica Geo Office, donde los resultados se compararon y se escogió el resultado que generó menos

ambigüedades. En ambos softwares se tuvo en cuenta el día y la semana GPS, las antenas, las

efemérides precisas, los ruidos, los diferentes vectores a usar, la desviación estándar y los errores

de ajuste.

51

Figura 28: Vectores generados en el post proceso, Software Topcon Tools

Fuente: Propia.

En el post-proceso en ambos softwares, se utilizó como punto de control o punto base el TT-1, se

tomaron tres alturas instrumentales inclinadas y dos verticales. También en cada software se revisó

el control de calidad y su desviación estándar.

Figura 29: Información general del post-proceso, Software Leica Geo office

Fuente: Propia.

Por otro lado, el RMS juega el papel más importante pues entre menos error genere el software

utilizado más preciso será el resultado, puesto que, el error cuadrático a distribuir entre los

particulares será menor. En esta ocasión el RMS que menos error arrojo, fue el de Leica Geo

Office, pues el error fue menor a 2 milímetros (véase la figura 32) mientras que en Topcon Tools

el error fue menor a 6 milímetros (véase la figura 32), esto quiere decir que el RMS más alto fue

el de Topcon, por ende, es siempre recomendado utilizar el menor, en este caso fue el de Leica del

cual para georreferenciar se utilizaron las coordenadas que el programa generó.

52

Figura 30: Error ajustado de los puntos GPS1 y GPS2, Software Leica Geo Office

Fuente: Propia.

Figura 31: Error ajustado de los puntos GPS3 y GPS4, Software Leica Geo Office

Fuente: Propia.

Figura 32: RMS mejorados, Software Topcon Tools

Fuente: Propia.

Para verificar lo anterior se pueden observar las siguientes comparaciones.

Tabla 5: Diferencia de coordenadas elipsoidales

COORDENADAS ELIPSOIDALES

Con Topcon Tools Con Leica Geo Office Diferencia

GPS1 3° 45' 10.73690'' N 3° 45' 10.73695'' N 0.00005

74° 53' 14.07763'' W 74° 53' 14.07738'' W -0.00025

GPS2 3° 45' 14.21831'' N 3° 45' 14.21797'' N -0.00034

74° 53' 12.91500'' W 74° 53' 12.91462'' W -0.00038

GPS3 3° 45' 16.20227'' N 3° 45' 16.20278'' N 0.00051

74° 53' 25.32400'' W 74° 53' 25.32368'' W -0.00032

GPS4 3° 45' 15.03366'' N 3° 45' 15.03408'' N 0.00042

74° 53' 27.43415'' W 74° 53' 27.43373'' W -0.00042 Fuente: Propia.

53

Tabla 6: Diferencia coordenadas geocéntricas

COORDENADAS GEOCÉNTRICAS

Pto. Con Topcon Tools Con Leica Geo Office X Y Z X Y Z

GPS1 1659462.652 -6144802.270 414717.576 1659462.6754 -6144802.3275 414717.8819

GPS2 1659495.733 -6144787.159 414824.658 1659495.7450 -6144787.1594 414824.6474

GPS3 1659122.434 -6144873.568 414884.821 1659122.3997 -6144873.3951 414884.8250

GPS4 1659059.244 -6144889.335 414848.764 1659059.2467 -6144889.3610 414848.7788

Fuente: Propia.

DIFERENCIA

Pto. X Y Z

GPS1 0.023 -0.058 0.306

GPS2 0.012 0.000 -0.011

GPS3 -0.034 0.173 0.004

GPS4 0.003 -0.026 0.015

Fuente: Propia.

Tabla 7: Diferencia entre altura elipsoidal

ALTURA ELIPSOIDAL

Pto. Con

Topcon

Con

Leica Diferencia

GPS1 386.435 386.4967 0.0617

GPS2 387.475 387.4774 0.0024

GPS3 377.547 377.4713 -0.0757

GPS4 373.94 373.971 0.031

Fuente: Propia.

Cabe resaltar que las coordenadas obtenidas por Leica se les realizó el proceso de convertirlas a

coordenadas de la época, donde:

𝑐𝑜𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑝𝑜𝑐𝑎 = (𝐴ñ𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 × 𝐿𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜) + 𝐶𝑜𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎

54

Sistema de coordenadas Prado túnel

Tomando como base las coordenadas generadas por el post- proceso de Leica y ya con la

conversión a la época, se tomó el GPS1 Como punto datum, donde se realizó el sistema de

coordenadas Prado Túnel, pero inicialmente se tuvieron en cuenta las coordenadas planas:

Tabla 8: Coordenadas GPS1

COORDENADAS GPS1

Geocéntricas Planas Gauss

X Y Z N E ALTURA

1659462.673 -6144802.291 414717.863 906798.399 910049.654 386.46

Fuente: Propia.

Luego se creó un punto de origen cartesiano:

Figura 33: Creación de nuevo origen cartesiano, Aplicación Magna3 Pro

Fuente: Propia.

55

Ya teniendo un punto de origen cartesiano, se transformaron los puntos GP2, GPS3 Y GPS4, al

sistema de coordenadas Prado túnel.

Tabla 9: Sistema de coordenadas túnel

SISTEMA DE COORDENADAS PRADO TÚNEL

Planas Gauss

Pto. N E ALTURA

GPS1 906798.399 910049.654 386.460

GPS2 906905.642 910085.529 387.519

GPS3 906966.586 909702.612 377.592

GPS4 906930.689 909637.496 373.984

Fuente: Propia.

Ajuste de poligonal punto a punto

Después de desarrollar la cartera de coordenadas, se resolvieron y ajustaron los tres (3) deltas de

la poligonal, se ajustaron con el método de Crandall. Para obtener la diferencia de alturas y su

respectiva cota se realizó nivelación trigonométrica, donde se comenzó desde la cota del GPS2 y

se terminó en la cota del GPS3.

Tabla 10: Cartera de Coordenadas

PUNTO ESTE NORTE COTA

GPS1 910049.654 906798.399 386.460

GPS2 910085.529 906905.642 387.519

D1 910050.392 906930.108 386.567

D2 909850.249 907007.627 381.031

D3 909815.502 906984.905 374.777

GPS3 909702.612 906966.586 377.592

GPS4 909637.496 906930.689 373.984

Fuente: Propia.

56

Secciones transversales

Por medio del software Autodesk AutoCAD Civil 3D después del procesamiento de los datos

extraídos de la estación total, se generaron las secciones transversales de algunas abscisas:

Figura 34: Inicio del túnel

Fuente: Propia.

Figura 35: Centro del túnel

Fuente: Propia.

Figura 36: Nicho del túnel Fuente: Propia.

57

Modelamiento básico 3D del túnel

Se realizó el modelamiento 3D del túnel a partir de las escenas tomadas con el Scanner Laser 3D

utilizando el software SCENE:

Se inició por el arrastre de los archivos capturados al programa.

Figura 37: Arrastre de las imágenes a SCENE

Fuente: Propia.

Seguido por la unión de las escenas; en donde se registró manualmente cada esfera en las escenas.

Figura 38: Registro de las esferas en cada escena

Fuente: Propia.

58

Después se registró y se adicionó el color en las escenas

Figura 39: Aplicación de color en las escenas

Fuente: Propia.

Se registró manualmente cada target, para un total de 6 unidades, 4 en las bocas del túnel y dos en

el centro.

Figura 40: Registro de los targets

Fuente: Propia.

59

El siguiente paso fue la georreferenciación de los targets iniciando por la importación del archivo

de coordenadas en formato csv.

Figura 41: Importación de las coordenadas en formato csv

Fuente: Propia.

Para la georreferenciación de la galería, se utilizaron las coordenadas de los targets mostradas en

la tabla 11, extraídas del levantamiento topográfico utilizando estación total.

Tabla 11: Coordenadas de los targets.

TARGET NORTE ESTE COTA

1 906932.739 910048.685 387.813

2 906928.725 910047.153 387.748

3 906971.027 909951.345 386.968

4 906966.232 909950.206 386.879

5 907009.097 909849.265 385.867

6 907003.979 909854.327 385.960 Fuente: Propia.

60

Seguido por la actualización de los escaneos, es importante tener en cuenta que los códigos de las

coordenadas importadas sean igual a los códigos puestos en los targets.

Figura 42: Ubicar coordenadas en las targets.

Fuente: Propia.

Por último, se calculó la tensión o precisión de las coordenadas de los targets.

Figura 43: Tensión en las coordenadas de los targets

Fuente: Propia.

61

A continuación, se verificaron las coordenadas de cada una de las Targets

Figura 44: Verificación de target T1

Fuente: Propia.

Figura 45: Verificación de target T2

Fuente: Propia.

62

Figura 46: Verificación de target T3

Fuente: Propia.

Figura 47: Verificación de target T4

Fuente: Propia.

63

Figura 48: Verificación de target T5

Fuente: Propia.

Figura 49: Verificación de target T6

Fuente: Propia.

64

Y después se generó del modelo básico 3D

Figura 50: Generación del modelo básico 3D

Fuente: Propia.

Por último, se revisó la distancia del equipo escáner hacia las esferas, donde la máxima distancia

fue 16.2 m, distancia que sobrepasó la óptima; para revisar estas distancias se realizó una vista de

correspondencia, donde desde el modelo 3D se observaron las diferentes medidas en este caso

desde la escena número 20.

Figura 51: Revisión de distancias entre esferas y el escáner

Fuente: Propia.

65

6. RESULTADOS.

Se extrajeron las áreas de las abscisas escogidas como las partes importantes del túnel como

K0+000, K0+005, K0+075, K0+080, K0+165 y K0+170 en donde la primera y la segunda abscisa

están posicionadas sobre revestimiento de concreto, las siguientes dos están en material natural

pétreo de la montaña y las últimas dos en donde hay un nicho.

Secciones transversales con estación total vs las obtenidas con escáner láser

ABSCISA K0+000

Figura 52: Sección extraída con Estacón Total

Fuente: Propia.

Figura 53: Sección extraída con ELT3D

Fuente: Propia.

DIMENSIONES

EQUIPO ANCHO m ALTURA m

ESTACIÓN 3.990 4.396

ESCÁNER 3.988 4.495

ABSCISA K0+005

Figura 54: Sección extraída con Estacón Total

Fuente: Propia.

Figura 55: Sección extraída con ELT3D

Fuente: Propia

.

DIMENSIONES

EQUIPO ANCHO m ALTURA m

ESTACIÓN 4.001 4.337

ESCÁNER 4.056 4.454

66

ABSCISA K0+075

Figura 56: Sección extraída con Estacón Total

Fuente: Propia.

Figura 57: Sección extraída con ELT3D

Fuente: Propia.

DIMENSIONES

EQUIPO ANCHO m ALTURA m

ESTACIÓN 4.811 5.203

ESCÁNER 5.067 5.334

ABSCISA K0+080

Figura 58: Sección extraída con Estacón Total

Fuente: Propia.

Figura 59: Sección extraída con ELT3D

Fuente: Propia.

DIMENSIONES

EQUIPO ANCHO m ALTURA m

ESTACIÓN 4.688 5.196

ESCÁNER 4.929 5.020

67

ABSCISA K0+165

Figura 60: Sección extraída con Estacón Total

Fuente: Propia.

Figura 61: Sección extraída con ELT3D

Fuente: Propia.

DIMENSIONES

EQUIPO ANCHO m ALTURA m

ESTACIÓN 8.279 5.173

ESCÁNER 9.317 5.419

ABSCISA K0+170

Figura 62: Sección extraída con Estacón Total

Fuente: Propia.

Figura 63: Sección extraída con ELT

Fuente: Propia.

DIMENSIONES

EQUIPO ANCHO m ALTURA m

ESTACIÓN 5.493 5.117

ESCÁNER 5.294 5.470

68

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Partiendo de los resultados obtenidos de las áreas y volúmenes seleccionados, se comparan

ambos métodos (levantamiento por estación y escáner) en donde se manejaron las diferencias tanto

de diseño como de cantidades.

Figura 64: Modelo túnel, AutoCAD

Longitud de la galería: 204 metros, pendiente: 2.5%

Fuente: Propia.

Figura 65: Modelo túnel SCENE

La galería tiene una longitud de 204 metros y una pendiente de 2.5%

Fuente: Propia.

69

7.1. COMPARACIÓN DE ÁREAS.

Para la comparación de las áreas obtenidas en ambos sistemas, se han de tener en cuenta las

diferencias de área que son internas y externas para tener el área real en las figuras, para ello se

superpusieron las figuras que tenían la misma abscisa y poder extraer dichas áreas como se muestra

a continuación.

El área externa se muestra en color verde y el área interna en color naranja

Figura 66: Superposición sobre las abscisas K0+000 y K0+005

Fuente: Propia.

Tabla 12: Áreas extraídas K0+000 y K0+005

ÁREA m2

K0+000 K0+005

EXTERNA INTERNA EXTERNA INTERNA

0.787 0.137 0.935 0.063 Fuente: Propia

Figura 67: Superposición sobre las abscisas K0+075 y K0+080

Fuente: Propia.

70

Tabla 13: Áreas extraídas K0+075 y K0+080

ÁREA m2

K0+075 K0+080

EXTERNA INTERNA EXTERNA INTERNA

0.960 0.981 2.285 1.830 Fuente: Propia

Figura 68: Superposición sobre las abscisas K0+165 y K0+170

Fuente: Propia.

Tabla 14: Áreas extraídas K0+165 y K0+170

ÁREA m2

K0+165 K0+170

EXTERNA INTERNA EXTERNA INTERNA

7.654 2.208 2.237 1.425 Fuente: Propia

Promedio y desviación estándar

Se extrajeron las distancias de las diferencias de tamaño en las secciones que fueron comparadas

con la superposición de las figuras y se extrajeron los promedios y las desviaciones estándar en

cada sección para determinar la diferencia de tamaños y cómo se distribuyen dichos contrastes

como lo muestra la tabla 15.

71

Tabla 15: Promedio y Desviación estándar

ABSCISA ÁREA DISTANCIAS DIFERENCIALES ENTRE SECCIONES SUPERPUESTAS (m) MEDIA

(m)

DESV.

EST. (m)

K0+000 EXTERNA

0.161 0.193 0.142 0.177 0.153 0.146 0.139 0.046 0.064 0.114 0.072 0.128 0.100 0.122

0.092 0.072

INTERNA -0.073 -0.068 -0.083 -0.062 -0.072

K0+005 EXTERNA 0.071 0.139 0.177 0.179 0.176 0.166 0.195 0.215 0.184 0.108 0.055 0.073 0.039 0.137

0.094 INTERNA -0.055 -0.099 -0.077

K0+075

EXTERNA 0.171 0.161 0.070 0.115 0.155 0.065 0.232 0.338 0.350 0.293 0.170 0.054 0.090

0.145

0.179 0.042 0.053 0.284 0.238 0.102 0.021 0.043 0.008

INTERNA -0.057 -0.051 -0.085 -0.039 -0.085 -0.049 -0.118 -0.133 -0.355 -0.405 -0.194 -0.082 -0.061

-0.141 -0.293 -0.161 -0.094 -0.252 -0.198 -0.130 -0.104 -0.071 -0.232 -0.327 -0.037 -0.022 -0.030

K0+080 EXTERNA

0.139 0.153 0.215 0.296 0.331 0.291 0.370 0.409 0.187 0.027 0.230 0.223 0.037 0.168

0.291 0.180 0.069 0.025 0.144 0.207 0.291 0.153 0.009 0.006 0.153 0.128 0.069 0.025

INTERNA -0.115 -0.109 -0.306 -0.422 -0.686 -0.518 -0.516 -0.584 -0.516 -0.394 -0.054 -0.024 -0.354

K0+165 EXTERNA

0.057 0.125 0.219 0.129 0.094 0.003 0.011 0.029 0.076 0.081 0.011 0.079 0.193

0.388 0.489

0.114 0.378 0.408 0.110 0.328 0.214 0.283 0.316 0.572 0.682 0.274 1.010 1.244

1.279 1.457 1.599 0.988 0.491 0.523 0.121 0.059 0.029

INTERNA -0.005 -0.080 -0.087 -0.038 -0.063 -0.005 -0.782 -0.650 -0.552 -0.105 -0.110 -0.225

K0+170 EXTERNA

0.077 0.174 0.190 0.399 0.511 0.486 0.176 0.168 0.330 0.594 0.568 0.260 0.312 0.295

0.298 0.144 0.132 0.197

INTERNA -0.251 -0.234 -0.166 -0.099 -0.069 -0.168 -0.108 -0.205 -0.188 -0.387 -0.414 -0.409 -0.159 -0.220

Fuente: Propia

Las áreas de las secciones se calcularon utilizando cada uno de los softwares, en la aplicación de

manejo de puntos y modelamiento de cada método, sea AutoCAD para los datos de la estación y

SCENE para la nube de puntos del escáner. Por otro lado, la diferencia está dada entre la resta de

las áreas del escáner y de la estación, donde se tomó el área del escáner como las más aproximadas

a la realidad y al resultado más preciso.

Hay que tener en cuenta que los datos del escáner son más precisos porque se pueden tomar los

puntos más detallados por sección, donde si se tiene un perímetro real de 14 m, es muy probable

que capture mínimo puntos cada 4 milímetros, para un total de 3500 puntos por sección, esto hace

que la sección transversal sea más fina, resalten mejor los puntos de quiebre y no estigmatice

mayor error en calcular el área.

72

7.2. COMPARACIÓN DE VOLÚMENES.

Para hacer la comparación de volúmenes, con las áreas anteriores se estableció la ecuación:

((Área 1 + Área 2) /2) *5

Donde las áreas tomadas son de cada abscisa, estableciendo un área promedio y se multiplicó por

cinco (5) que es la distancia entre ellas dando a lugar a al volumen que hay en las secciones

escogidas, por ejemplo, el volumen que hay entre K0+000 y K0+005 sería:

((Área K0+000 + Área K0+005) /2) *5

Tabla 16: Volúmenes extraídos

ABSCISAS VOLUMEN m3

ESTACIÓN ESCÁNER DIFERENCIA

K0+000-K0+005 71.245 80.063 8.819

K0+075-K0+080 112.470 113.429 0.959

K0+165-K0+170 144.583 159.545 14.962

Fuente: Propia.

Gráfica 1: Comparación de volúmenes

Fuente: Propia.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

K0+000-K0+005 K0+075-K0+080 K0+165-K0+170

Comparación de Volúmenes

Estación Total Escáner Láser

73

7.3. COMPARACIÓN DE EQUIPOS.

Esta comparación se realizó con los resultados obtenidos al final de procesar cada método, se

escogió los contextos más importantes para un trabajo de topografía eficaz.

Tabla 17: Comparación de equipos

Ítem Estación Total Escáner Focus 3D

Valor monetario diario $60 000 $750 000

Tiempo en toma de datos 8 horas 2 horas

Precisión 9 mm 16 mm

Nube de puntos 320 43883576

Alcance comprendido De 0.3 A 2000 m De 0.6 m a 120 m

Almacenamiento Masivo 4 GB 32 GB

Número de Técnicos 2 a 3 1 a 2

Almacenamiento masivo 87 kb 8 GB

Fuente: Propia.

El rendimiento siempre será mayor en un escáner láser que con una estación, aunque el flujo

vehicular que entra y sale del túnel jugó un papel importante ya que la nube de puntos del escáner

es de alta densidad permitiendo que haya mayor cantidad de datos obtenidos en campo y que la

información tenga más aplicaciones al momento de ser utilizado; por otro lado, la información que

se obtenga del uso de la estación total depende del criterio del usuario, o sea, la reunión de los

puntos más considerables como por ejemplo los quiebres o cambio bruscos de nivel en un sitio.

74

COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS TOPOGRÁFICOS

USO DE LA ESTACIÓN TOTAL USO DEL ESCÁNER LÁSER

Fácil manipulación para compilación de datos Fácil manipulación para configurar parámetros

de escaneo

No hay restricción del equipo, pues el precio comercial no es tan elevado

El acceso a este equipo es restringido por su elevado precio comercial.

Es más resistente a los cambios del medio ambiente

No se recomienda usar bajo condiciones climáticas de, humedad excesiva, pues

presenta distorsión en los datos.

El uso del software para el procesamiento de datos es más comercial

Sólo se dispone del software nativo para la manipulación de los datos según la marca del

escáner y su licencia es menos comercial.

Se toma únicamente un punto por captura y se puede demorar hasta de 30 segundos

Mayoría de datos obtenidos con respecto al tiempo

La memoria de almacenamiento es más limitada

Memoria de almacenamiento extraíble, por lo que se puede insertar una memoria de mayor

almacenamiento

La nube de puntos y el rendimiento durante el levantamiento depende de las decisiones del

usuario

Representación real del área de estudio, la nube de puntos es más detallada

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8. CONCLUSIONES.

Partiendo del uso del método y recolección de datos se determinó que:

La densidad de datos obtenidos fue más rigurosa en el escáner obteniendo

aproximadamente 400 puntos que conforman el perímetro de la sección de un túnel, a 7

puntos obtenidos de la captura por el método tradicional.

La captura total de las secciones del túnel por el método del escáner laser tiene 175% más

de información que la generada por la estación total, además se pueden generar

secciones cada 5 cm, por su densidad de puntos.

Cuando se captura la información en campo el rendimiento es mayor en el escáner,

puesto que por cada 5 minutos y medido se obtiene la información de 6 secciones

transversales (cada 5 metros), mientras que con la estación total solo se registra una

sección transversal por cada minuto y medio.

Usando el método con estación, la información obtenida se limita a la cantidad de puntos

captura por el operador, dependiendo de los puntos que el usuario desee tomar, esto

determina el tiempo y rendimiento del levantamiento.

Al procesar la información se demostró que una mayor cantidad de puntos levantados enriquece

la vista del modelo en 3D, esto permitió que:

El modelo 3D ejecutado en el software SCENE fuera más denso y detallado, generando

una superficie más precisa, que género áreas y volúmenes más acertados a la realidad.

En el Caso del modelo 3D Construido en AutoCAD, la superficie fue más geométrica, y con

diferencias relativas a la superficie de la realidad, ejemplo claro es el de la Superposición

sobre las abscisas K0+165 y K0+170.

En las distancias interiores y externas hay una diferencia en área aproximadamente del

7%, favoreciendo siempre a las áreas generadas por e SCENE.

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Si se habla de costos, precisión y rendimientos se definió:

Es menos costoso la estación total debido a que hay más oferta, pero el más

recomendado al momento de recopilar información es el uso del escáner laser terrestre,

por otro lado, la diferencia monetaria es casi de $ 700 00 pesos, un valor a tener en

cuenta.

La precisión del escáner tuvo un error de 6 mm por sección transversal, mientras que la

estación tuvo una precisión que vario de 10 cm a 1m de error, reflejadas en las diferencias

de áreas internas y externas.

El rendimiento del escáner fue de un 70% más óptimo que el de la estación total, debido

a los parámetros de tiempo por sección, el traslado de equipo y presencia necesaria de

operarios.

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9. RECOMENDACIONES

Antes de realizar el trabajo encampo con el escáner, siempre se tiene que tener planeado

la resolución y calidad, para que a partir de ellas tener especificaciones técnicas precias

de ubicación de objetos, para tener en escaneo con más altos índices de calidad.

Al momento de ubicar las esferas en campo nunca deben quedar colonialmente entre

ellas, las targets deben estar ubicadas lo más ortogonalmente al escáner y siempre tratar

de guardar la distancia pertinente de las esferas y target.

Cuando se maneja una nube de puntos tan densa generada por varias escenas del escáner

se puede considerar solo 2 puntos de targets o esfera para georreferenciar, por otro lado,

siempre utilizar una computadora que soporte los requisitos necesarios para el uso del

software SCENE, de lo contrario el desarrollo del trabajo se vuelve más engorroso.

Para realizar el control de las galerías de un túnel lo mejor es usar el método de escáner

laser 3D así se genera un trabajo con los mejores estándares de calidad y precisión,

aunque el método tradicional no deja de ser también efectivo y de bajo costo

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10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

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11. ANEXOS.

Se anexan cálculos y los planos en formato PDF. Véase carpeta de anexos.