Integración de la Nube de puntos en SIG: nueva frontera para el análisis espacial

En el panorama en rápida evolución de las tecnologías geoespaciales, la integración de las nube de puntos en SIG (Sistemas de Información Geográfica) representa un cambio significativo. Las nubes de puntos (point cloud), son conjuntos de datos tridimensionales que describen la superficie de un objeto o de un área a través de puntos individuales con coordenadas específicas. Estas nubes de puntos se obtienen principalmente a través de técnicas de escaneo láser (LiDAR) o fotogrametría aérea, y ofrecen una representación detallada y precisa del mundo real.

El uso de un software BIS GIS específico, permite la integración de mapas GIS con modelos 3D, modelos openBIM, mallas texturizadas y nubes de puntos. Esto permite a su vez gestionar, en una única escena, una gran cantidad de información derivada de diferentes ámbitos disciplinarios.

¿Qué es una nube de puntos?

Antes de pasar a la integración, es sin duda útil tener un panorama claro de qué es una nube de puntos. ¡Veámoslo juntos!

Las point cloud, o nubes de puntos, son un conjunto de puntos en el espacio digital, identificados a través de su posición única en un sistema de coordenadas X, Y y Z y adquiridos mediante:

• levantamiento láser 3D/LiDAR (Light Detection and Ranging): utiliza pulsos láser para medir distancias precisas desde la fuente (generalmente un avión o un dron) hasta la superficie terrestre. Este método produce datos de alta resolución que pueden capturar detalles minuciosos del terreno y de las estructuras;
• fotogrametría: consiste en el uso de imágenes fotográficas para crear mapas tridimensionales. Las imágenes superpuestas tomadas desde diferentes ángulos se procesan para extraer las coordenadas espaciales, generando así una nube de puntos.

La nube de puntos constituye una representación muy precisa (la precisión dependerá del número de puntos adquiridos), útil como base de partida para realizar:

• el modelo 3D del objeto levantado;
• el modelo BIM directamente desde la nube de puntos.

Nube de puntos

Integración entre nube de puntos y SIG

Cuando a las nubes de puntos y a los modelos 3D/BIM integramos el GIS, se amplía la esfera de uso del modelo. Esto nos permite la realización de Gemelos Digitales Geoespaciales y Ciudades Inteligentes. Es decir, modelos IFC/openBIM^®, BIM/3D, nubes de puntos, mallas texturizadas, etc. geolocalizados e integrados con el GIS.

Usos de la sinergia entre openBIM y GIS

Algunos de los importantes usos que derivan de la sinergia entre openBIM y GIS son:

• cartografía de precisión: las nubes de puntos proporcionan datos de alta resolución que mejoran la precisión de los mapas topográficos y temáticos. Esto es útil para la planificación urbana, la ingeniería civil y la gestión de recursos naturales;
• monitoreo ambiental: la capacidad de detectar cambios en el terreno, vegetación, etc., permite monitorear la erosión del suelo, la acumulación de sedimentos y otros fenómenos ambientales con una increíble precisión;
• gestión de infraestructuras: pueden ser utilizadas para inspeccionar y gestionar infraestructuras críticas como puentes, carreteras y redes, identificando daños y degradación con alta precisión;
• arqueología y conservación del patrimonio cultural: las nubes de puntos permiten la creación de modelos detallados de sitios arqueológicos y monumentos. Esto facilita la documentación y la conservación digital;
• gestión de activos: para el mantenimiento y la gestión de los activos a lo largo del tiempo.

Las nubes de puntos están convirtiéndose en elementos cada vez más esenciales para una amplia gama de sectores y disciplinas que requieren análisis espaciales precisos y profundos. Todo esto gracias a su capacidad para proporcionar datos detallados y tridimensionales.

En el caso sea de tu interés, es posible realizar un modelo 3D BIM directamente desde la nube de puntos, aprovechando los automatismos de un software de nube de puntos a BIM. Descubre cómo aquí.

Técnicas avanzadas para la adquisición de nubes de puntos

Veamos juntos otras las técnicas más avanzadas que el dinámico mundo de la tecnología nos propone, además de los ya mencionados LiDAR y fotogrametría:

• Escaneo 3D a luz estructurada: basada en el uso de escáneres específicos que permiten digitalizar en 3D los objetos. Se reconstruye geometría a través de la proyección de patrones de luz codificados. Una o más cámaras detectan las imágenes de cómo la luz estructurada se deforma cuando se proyecta sobre las superficies de los objetos. Estos datos se transforman en coordenadas 3D a través de algoritmos de triangulación. Esta técnica encuentra aplicación sobre todo en el diseño industrial y en la ingeniería inversa.
• Cámaras de tiempo de vuelo: el tiempo de vuelo (Time of Flight) es una técnica de imagen que aprovecha la iluminación del objeto con una fuente de luz modulada. La posición se determina por el tiempo de recorrido (Time of Flight) de un impulso de luz enviado por el emisor y su regreso al sensor después de haber sido reflejado por un objeto. Utilizando esta información temporal, es posible calcular con precisión la distancia entre el objeto y el sensor, permitiendo la creación de imágenes tridimensionales detalladas. Encuentra amplia aplicación sobre todo en la robótica.
• Multibeam Echo Sounder (MBES): se trata de un complejo sistema compuesto por múltiples sensores que aplica los principios de la reflexión acústica, la difusión y la interferometría acústica para crear datos batimétricos que miden la profundidad y permiten elaborar un levantamiento cartográfico de los fondos. Encuentra aplicación en levantamientos marinos y en mapeos de extrema precisión de los fondos. Tanto para inspecciones de carácter geológico, arqueológico o de investigación/recuperación. Más recientemente, también se utilizan para monitorear gasoductos, cables submarinos y parques eólicos offshore.

Nube de puntos en SIG: Guía paso a paso para su integración

La adquisición de nubes de puntos, mediante la integración de más técnicas, no prevé la referencia automática a ninguna coordenada del mundo real. Esto significa que, una vez adquirida la nube de puntos, debemos realizar de manera correcta la integración de los modelos 3D/BIM con plataformas BIM-GIS.

Para georreferenciar nuestros modelos existen tres métodos que regulan de manera automática la orientación y la posición de los mismos al sistema de coordenadas apropiado. Todo esto sin causar alteraciones de forma, dimensiones o escala:

• georreferenciación de nubes de puntos LiDAR utilizando puntos de control en tierra (GCPs): los puntos de control en tierra, o Ground Control Points, son puntos en el terreno con coordenadas conocidas a los cuales se recurre para conectar el levantamiento fotogramétrico a las dimensiones y la orientación real. En la realidad operativa del levantamiento, los GPC son visibles mediante marcadores de contraste cromático, objetos de alta reconocibilidad, que se fijan adecuadamente al suelo en puntos siempre visibles desde arriba. A través de una instrumentación específica (estación total u otros instrumentos) se registran las coordenadas del punto de control GCP identificado por el marcador;
• alineación de nubes de puntos LiDAR a modelos o dibujos de edificios ya georreferenciados: este método, ligeramente más empírico que el primero, consiste en alinear la nube de puntos aún no georreferenciada a datos de diseño que ya lo están. En este caso, será necesario abrir el modelo georreferenciado a través de un software BIM-GIS y alinear la nueva nube de puntos al modelo ya orientado y posicionado utilizando puntos de referencia conocidos;
• registro de una nube de puntos a una geolocalizada preexistente: Si ya se dispone de una nube de puntos georreferenciada para el sitio, es posible registrar y georreferenciar la nueva nube de puntos haciendo referencia a esta.

Superar los desafíos técnicos en la integración de nube de puntos en SIG

La integración entre nubes de puntos y GIS es ahora posible, pero esto no significa que no hayan desafíos técnicos que superar. Veamos juntos cuáles son los principales:

1. Recolección de datos espaciales precisos y confiables

Pueden surgir problemas como baja calidad de la señal, batería descargada, formatos incompatibles o atributos faltantes. Para superar estos desafíos, es necesario planificar cuidadosamente la recolección de datos y utilizar métodos y herramientas apropiadas. Por ejemplo, se pueden utilizar:

• aplicaciones móviles que funcionan sin conexión y sincronizan los datos cuando están en línea;
• cargadores solares o baterías de repuesto para extender la duración de la batería;
• formatos estándar y metadatos para garantizar la compatibilidad de los datos;
• procedimientos de control de calidad para verificar y corregir errores de datos.

2. Análisis y visualización de datos

Este problema técnico podría manifestarse con mapas de baja calidad o con el uso de símbolos y colores poco adecuados para el uso mismo del mapa. En este caso, es necesario utilizar principios y prácticas efectivas de diseño y comunicación. Por ejemplo, será útil utilizar:

• imágenes o mapas base de alta resolución;
• símbolos o colores claros y coherentes;
• etiquetas o leyendas para explicar los elementos del mapa;
• funciones interactivas o multimedia para mejorar la experiencia del mapa.

3. Gestión y almacenamiento de datos territoriales

Este desafío podría referirse a la pérdida, robo o corrupción de datos, su duplicación o incongruencia, o la gestión de la privacidad de los datos. Para superar estos desafíos, es necesario utilizar sistemas y políticas de gestión y almacenamiento de datos confiables y seguros. Por ejemplo:

• el almacenamiento en la nube para prevenir la pérdida o el daño de los datos;
• utilizar estándares o protocolos de datos para garantizar la coherencia o la calidad de los mismos;
• adoptar un cifrado o contraseñas para proteger la privacidad y la seguridad de los datos.

4. Integración estática de datos

Otro posible límite de las tecnologías actualmente adoptadas para la digitalización de las construcciones es la integración estática de datos entre los sistemas BIM y GIS, lo que conlleva numerosos límites en la gestión de gemelos digitales. Para resolver este desafío técnico es indispensable recurrir a plataformas de gestión de gemelos digitales geoespaciales que basan su funcionamiento en una integración dinámica y bidireccional entre el sistema openBIM^® y el GIS.

5. Gestión y compartición de proyectos complejos

El enorme volumen de datos es el problema más grande cuando se combinan los detalles del BIM, con toda la información de cada objeto de la construcción, con la visión a escala territorial del GIS. Sin embargo, en este caso, el desafío es superable mediante el uso de las herramientas adecuadas gracias a las cuales toda la información del BIM está siempre disponible para el GIS para consultas geoespaciales sin ningún límite en número y tamaño.

Casos de estudio reales: aplicaciones de la nube de puntos en SIG

Hemos anticipado que la integración entre BIM y GIS permite abordar desafíos de diseño y gestión de edificios e infraestructuras de manera completamente vanguardista. Para entender mejor de qué estamos hablando, veamos juntos algunos casos de estudio reales, en Italia y en el mundo:

• Gemelos Digitales Geoespaciales para un proyecto de Ciudad Inteligente en Milán: el proyecto previó el levantamiento tridimensional, la adquisición de nubes de puntos de infraestructuras y edificios del centro de Milán, incluido el estadio con una nube de 2,6 millones de puntos, la elaboración de modelos IFC y su posterior integración con mapas GIS de los cuales se pueden extraer, por tanto, información de carácter geoespacial;
• Gestión de Activos GIS – caso de estudio de un centro comercial: en este caso, el modelo IFC openBIM del centro comercial está integrado en un contexto geoespacial, permitiendo un análisis detallado de los recursos dentro del entorno circundante;
• OpenBIM y GIS en arqueología: beneficios y aplicaciones en la ciudad antigua de Pompeya: la integración entre GIS, levantamientos digitales con nubes de puntos y modelos BIM ha permitido una visualización detallada e inmersiva de todo el parque arqueológico, ofreciendo nuevas perspectivas sobre la conservación y el estudio de las “domus” pompeyanas.
• El Jadida – Marruecos: la integración entre openBIM y GIS ha dado resultados extraordinarios también en lo que respecta a la modelado histórico de ciudades. Como caso de estudio emblemático, mencionamos la digitalización de la ciudad de El Jadida, en Marruecos, cuyo modelo resulta particularmente útil para la planificación urbanística de la ciudad.
• Barcelona: en este caso, el modelo IFC del Área Metropolitana de Barcelona (AMB) se ha integrado con plataformas GIS para optimizar la gestión de la ciudad.

Gemelo digital geoespacial – el caso estudio Smart city en Milán

Futuro de la nube de puntos en SIG: tendencias e innovaciones

Los desafíos de la integración entre GIS y point cloud pueden superarse con el uso de las herramientas tecnológicas adecuadas. De hecho, al trabajar con aplicaciones avanzadas en línea, muchos de los desafíos mencionados ya no constituyen un obstáculo. Con las herramientas en la nube, por ejemplo, no se requieren software especializados para el procesamiento de datos ni herramientas para la conversión y compatibilidad entre formatos (GIS y point cloud) ni espacios de almacenamiento en el escritorio.

Por ejemplo, la tecnología de usBIM.geotwin permite insertar en una escena GIS, no solo modelos 3D openBIM en formatos abiertos y propietarios, sino también levantamientos y nubes de puntos en los formatos más comunes disponibles actualmente en el mercado. Estos modelos insertados en la escena interactúan con todo lo demás y no son solo simples maquetas. De hecho, es posible realizar diversas acciones como tomar medidas directamente sobre modelos presentes en la escena, o generar secciones de los modelos 3D en tiempo real, para visualizar también los interiores de los edificios y llevar a cabo análisis detallados a diferentes escalas.

El mapa GIS, por lo tanto, se enriquece con modelos informativos y levantamientos también muy extensos en el espacio, como infraestructuras de tipo lineal (ferrocarriles, líneas aéreas, etc.), estaciones de tren, túneles, puentes, etc. Trabajar con modelos de gran tamaño sigue siendo una operación ágil y eficiente y la visualización es precisa y realista.

Los modelos pueden ser siempre actualizados y modificados, sin necesidad de recurrir al uso de BIM authoring, directamente con aplicaciones en línea de edición de archivos IFC.

La integración es completa porque permite visualizar en un único mapa modelos 3D openBIM, levantamientos con mallas texturizadas y nubes de puntos. Además, la información relacionada en el mapa no son solo las geométricas, sino también las de carácter informativo.

Ventajas de usBIM.geotwin

En resumen, utilizando usBIM.geotwin:

• gestionas modelos IFC/openBIM, BIM/3D, nubes de puntos, mallas texturizadas, etc.;
• cargas modelos complejos en un único entorno de trabajo;
• geolocalizas los modelos y los integras perfectamente con el GIS;
• realizas extraordinarios Digital Twin Geoespaciales;
• operas sin límites en la complejidad, en el número y en la actualización continua de los datos.

El futuro de las point cloud en GIS parece prometedor. Por lo tanto, con continuos avances tecnológicos que reducen los costes y mejoran la accesibilidad. La integración con tecnologías emergentes como la inteligencia artificial y el machine learning promete automatizar y mejorar aún más el análisis de datos, abriendo la puerta a nuevas aplicaciones innovadoras.

Para profundizar, lee también: Análisis de datos espaciales en GIS

Guía completa para los profesionales GIS Point Cloud

Las profesiones relacionadas con el mundo del GIS son múltiples y están en constante evolución, así como evoluciona el dinámico mundo de la tecnología que ve interactuar el BIM con el GIS. Quien trabaja dentro del mundo GIS y se enfrenta a la gestión de las nubes de puntos y posterior procesamiento del modelo BIM sabe que los pasos necesarios a seguir son:

• recopilación y gestión de datos: sabemos que en el GIS los datos son la información esencial para elaborar mapas y modelos y comprender sus relaciones. Para gestionar mejor esta fase, será necesario confiar en herramientas de levantamiento adecuadas y en software de edición y gestión;
• elegir las herramientas adecuadas: cuando se comienza a trabajar en este mundo, la elección del software puede parecer marginal, pero no todos los software son iguales entre sí y es necesario prestar atención a factores como la cantidad de datos que el software BIM-GIS puede gestionar y a la integración dinámica y bidireccional entre el sistema openBIM^® y el GIS;
• proyección y visualización de mapas: la proyección de mapas es un paso más que esencial en el mundo GIS Point Cloud, porque gracias a ellos transferimos información que debe ser lo más accesible y comprensible posible. Por lo tanto, será importante la elección equilibrada de colores e íconos;
• técnicas de análisis espacial: el análisis espacial es el lugar donde ocurre la verdadera magia en los GIS. Nos permite descubrir patrones y relaciones entre nuestros datos a través del diseño cuidadoso realizado en el paso anterior;
• integración del GIS con otras tecnologías: integrar en mapas GIS, modelos 3D openBIM, mallas texturizadas y nubes de puntos permite gestionar simultáneamente, en una única escena, una gran cantidad de información derivada de diferentes ámbitos disciplinarios.

Ventajas de la integración entre nubes de puntos y GIS

Como profesionales GIS, el uso de nubes de puntos es más que frecuente y necesario. Se utilizan nubes de puntos para crear modelos 3D de paisajes, ciudades y edificios, superficie del suelo, para levantamientos submarinos, para monitorear los cambios ambientales a lo largo del tiempo como la deforestación o el derretimiento de glaciares, y para análisis geoespaciales de diversos tipos. Por lo tanto, las ventajas de la integración entre nubes de puntos y GIS son múltiples, entre las que se incluyen:

• precisión y detalle: las point cloud ofrecen una representación extremadamente detallada del mundo real, útil para análisis precisos y profundos;
• eficiencia: la recopilación de datos mediante LiDAR y fotogrametría, o otras técnicas avanzadas, puede cubrir amplias áreas en tiempos relativamente cortos en comparación con los métodos tradicionales;
• integración con otros datos GIS: las point cloud pueden integrarse fácilmente con otras capas de datos GIS, enriqueciendo los análisis espaciales.

Conclusión

En conclusión, las point cloud representan un componente crucial para el futuro de los sistemas GIS. Su capacidad para proporcionar datos detallados y precisos está revolucionando la forma en que interpretamos e interactuamos con el mundo espacial, ofreciendo nuevas oportunidades para la investigación, la planificación y la gestión de recursos.

A continuación, te muestro un breve video de usBIM.geotwin con aplicaciones prácticas y casos de estudio de gestión de point cloud y GIS.

Para profundizar, lee también: Cómo crear un modelo 3D a partir de la nube de puntos