La nube de puntos al servicio del BIM
La nube de puntos es el resultado del levantamiento de un objeto determinado, realizado mediante un escáner láser. Descubre cómo simplifica el modelado BIM
Toda intervención constructiva en un edificio existente debe partir del levantamiento del estado actual. Hoy en día, gracias a tecnologías cada vez más eficientes que nos permiten optimizar todo el proceso de levantamiento y generación de los modelos 3D, es posible crear una sinergia fructífera entre la actividad de diseño realizada en el entorno BIM (Building Information Modeling) y la necesaria fase previa de levantamiento del estado actual.
El Scan to BIM es un proceso de ingeniería inversa (reverse engineering) que utiliza tecnologías avanzadas de levantamiento para obtener nubes de puntos y mallas 3D que se utilizarán como base para el modelado BIM. Estas tecnologías pueden ser el escaneo láser 3D, la Structure for Motion y la fotogrametría de alta definición.
El resultado del levantamiento con escáner láser proporciona un conjunto de millones de puntos en un espacio de 3 dimensiones. La nube de puntos (point cloud) así obtenida puede ser gestionada con un point cloud to BIM software con el fin de producir un modelo digital del estado actual, evaluable incluso en una navegación en un entorno de realidad virtual.
Interfaz de Edificius con la función de importación de la nube de puntos
¿Qué es una nube de puntos?
Una nube de puntos es el resultado del levantamiento de un objeto determinado realizado mediante un escáner láser. En la práctica, es el conjunto de muchos puntos dispuestos en el espacio que contienen información como la posición (coordenadas x,y,z), color, reflectancia, etc.
La nube de puntos también se puede obtener a través de técnicas de structure from motion que te permiten obtener puntos procesando fotos tomadas adecuadamente. También se puede ver a través de programas especificos que te permiten gestionar y restituir gráficamente los datos obtenidos del levantamiento.
Pero, una vez que se obtiene la nube de puntos (con una de las técnicas disponibles en la actualidad), ¿cuál es su utilidad?
Múltiples ventajas, más allá de la simple visualización. En efecto, es posible:
- realizar comparaciones entre diferentes modelos
- utilizar la nube para el modelado BIM del edificio
- medir distancias directamente en el modelo de nube (uso métrico)
- generar un modelo de malla (superficie) obtenido uniendo los distintos puntos.
Lo anterior depende del propósito del levantamiento y de la calidad de la nube de puntos obtenida del levantamiento. Generalmente, se suele hablar de resolución de la nube, relacionada con la densidad de los puntos.
Hemos dicho que con la nube de puntos es posible obtener también un modelo 3D compuesto por mallas (mesh): cada malla está formada por muchos triángulos descritos por coordenadas tridimensionales x,y,z presentes en la nube de puntos.
La malla obtenida originalmente no tiene color. El color (o texture) se puede asignar a varios polígonos de dos maneras diferentes:
- color por vértices – se tiene en cuenta el «promedio» de los colores de los distintos puntos que forman los vértices del polígono. En este caso, la calidad del resultado final está directamente relacionada con la resolución del modelo, ya que depende de los puntos que forman el modelo en sí;
- textura – se toman como referencia las fotos realizadas por el equipo de levantamiento. Estas imágenes ya están orientadas hacia el modelo y se pueden proyectar directamente sobre las superficies. Cada malla estará asociada con la unión de estas fotos (texturas) que se pueden ver como una «sábana» que cubre los polígonos. La calidad del resultado final dependerá de la calidad de las fotografías y no de la resolución del modelo.
¿Cuáles son las principales técnicas utilizadas?
Son varias las técnicas utilizadas para el levantamiento de edificios. Sin detenernos en las tradicionales (por ejemplo la trilateración), veamos las que permiten generar la nube de puntos:
1. Fotogrametría
La fotogrametría es una técnica importante que te permite obtener la posición, la forma y el tamaño del objeto que se detectará mediante el procesamiento de una serie de imágenes. Esto es posible gracias al análisis de fotogramas estereoscópicos, obtenidos por una cámara estereoscópica o una cámara métrica que encuadra el mismo objeto y que está dispuesta sucesivamente en dos posiciones distintas.
El procedimiento fotogramétrico se puede dividir en 3 fases:
- la toma: tomando una foto del objeto con la cámara estereométrica o con la cámara fotográfica colocada en dos puntos distintos;
- la orientación de los fotogramas: los fotogramas estereométricos se orientan adecuadamente para obtener un modelo tridimensional;
- la restitución: el modelo 3D se reconstruye y en él es posible detectar la forma y las dimensiones.
Procedimiento fotogramétrico
El levantamiento fotogramétrico puede ser aéreo, utilizando dispositivos como drones, o también puede ser terrestre, utilizando cualquier cámara fotográfica o cámara estereoscópica.
2. Drone
El dron es una aeronave pilotada a distancia (APR), es decir, no requiere la presencia humana a bordo de la aeronave para la conducción, pero se utiliza un control remoto específico.
En el mercado hay muchos tipos de drones que se pueden agrupar en estas tres macro categorías:
- drones con estructura de hélices
- drones con estructura planar
- drones híbridos
Estas herramientas permiten realizar levantamientos aerofotogramétricos garantizando una restitución fiel del objeto. Para ello las operaciones a seguir son:
- identificación del área a detectar (por ejemplo, a través de Google Maps);
- análisis de la zona y proyecto de input;
- elección de los puntos de despegue y aterrizaje del dron e identificación del punto de posicionamiento de la estación de control en tierra;
- planificación de las operaciones de vuelo comprobando la presencia de posibles obstáculos;
- programación de posibles misiones de vuelo automáticas;
- identificación de medidas en tierra que pueden ayudar y apoyar el levantamiento fotogramétrico;
- adquisición de imágenes;
- orientación de fotogramas y reconstrucción de escenas (Structure for Motion);
- generación de la nube de puntos;
- generación del modelo 3D a malla.
Para ello se puede confiar en dos metodologías de misión de vuelo:
- el modo automático a través de WayPoint, que implica el escaneo automático de un área seleccionando previamente puntos del mapa de referencia
- el modo manual, tomando fotos de acuerdo con un esquema predeterminado.
Nube de puntos en el BIM | Levantamiento nadiral con dron
3. Escáner láser
El escáner láser es un instrumento que permite realizar el levantamiento de un objeto gracias a un rayo láser. La luz del láser golpea la superficie del objeto y, en relación con el tiempo de retorno (tiempo que tarda el rayo en regresar al dispositivo emisor), el ángulo del dispositivo y otros factores, es posible identificar la posición exacta en el espacio de cada punto individual del objeto.
Los escáneres láser se pueden dividir en tres categorías:
- a tiempo de vuelo (Time of Flight – TOF): la distancia se mide mediante la identificación del tiempo transcurrido entre la emisión de luz desde el dispositivo y su retorno. En este caso, el dispositivo que emite la señal funciona también como receptor (Ranging scanner).
- a diferencia de fase (Phase shift) – la distancia se mide gracias al conocimiento de la diferencia de fase entre la fase de la onda láser en el momento en que se emite la señal y la recepción del impulso. También en esta situación el dispositivo que emite la señal es el mismo que lo recibe (Ranging scanner).
- a triangulación – la medida se calcula mediante la técnica de la triangulación y, por lo tanto, mediante cálculos trigonométricos. En este caso, el dispositivo que emite la señal y el que la recibe están separados y colocados a una distancia constante y calibrada. Este sistema permite obtener un levantamiento más detallado pero a distancias más cortas.
El resultado final del levantamiento es una nube de puntos a escala que refleja el objeto detectado. Este modelo está compuesto por millones de puntos, de los cuales se conocen las coordenadas espaciales y el valor de la reflectancia de los materiales. Además, gracias a las cámaras integradas en los instrumentos de levantamiento, se pueden obtener también los «colores» de cada punto, para mejorar el rendimiento de la restitución gráfica del levantamiento.
Los límites del sistema de levantamiento mediante escáner láser están dados, principalmente, por la distancia máxima del instrumento co respecto al objeto, por las superficies no visibles y por las zonas de sombra. Todos estos son problemas que se resuelven gracias al levantamiento desde diferentes puntos para obtener un modelo más fiel a la realidad con un margen de error más pequeño.
Nube de puntos en el BIM | Levantamiento con escáner láser
4. Escáner láser con tecnología SLAM
Entre los sistemas más innovadores se encuentra el escáner láser SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) que permite realizar escaneos en movimiento, sin la necesidad de identificar puntos fijos para el levantamiento.
Con este tipo de escáner láser puedes moverte en un espacio determinado y recrear un mapa del entorno ubicandote automáticamente dentro de él (por lo tanto, sin el uso del GPS).
GeoSlam, sistema móvil con tecnología Slam. Fuente: Microgeo.it
Estos dispositivos se pueden instalar en vehículos y drones, por lo que también se pueden realizar levantamientos de superficies muy grandes en un tiempo relativamente corto, o incluso transportarse simplemente a mano dentro de entornos donde la señal GPS no está presente.
Estos escáneres están clasificados en la subcategoría iMMS (Indoor Mobile Mapping Systems) perteneciente al grupo más amplio de los MMS (Mobile Mapping Systems). Aunque los primeros han sido optimizados para el levantamiento de interiores, también se utilizan a menudo al aire libre para escanear infraestructuras, sitios de construcción, edificios, etc.
Ambos sistemas (MMS e iMMS) no deben confundirse con los escáneres 3D LiDAR (Light Detection and Ranging) ya que en este caso se hace referencia a una categoría más amplia. Lo que hay que saber, sin embargo, es que la tecnología LiDAR (tecnología que utiliza la luz láser para realizar mediciones) se utiliza para casi todos los sistemas MMS e iMMS.
Nube de puntos en el BIM | Levantamiento con tecnología slam
Gestión de la nube de puntos y generación del modelo BIM
La nube de puntos, como se mencionó, es fundamental para el proceso de generación del modelo paramétrico.
Existen point cloud BIM software, como Edificius de ACCA software, que te permite aprovechar las poderosas herramientas de reconocimiento para identificar automáticamente los diferentes elementos presentes en el modelo.
Creación del modelo BIM a partir de una nube de puntos
Es posible reconocer objetos como muros, puertas, ventanas, forjados, de forma automática y precisa, obteniendo un modelo digital capaz de devolver automáticamente los documentos gráficos necesarios:
- Planos (plantas, alzados, secciones, etc.)
- Informe técnico
- Presupuesto
- Cronograma GANTT
- etc.
Prueba por ti mismo lo fácil que es construir un modelo BIM a partir de una nube de puntos. Descarga la versión de prueba del point cloud to BIM software e importa tu nube de puntos o, si lo prefieres, descarga gratuitamente uno de los archivos de ejemplo en el cloud con nuestro BIM management system.
