A nuvem de pontos ao serviço do BIM

 A nuvem de pontos é o resultado de um levantamento com escaneamento a laser de um determinado objeto. Saiba como simplificar a modelação BIM.

Qualquer intervenção construtiva em um edifício existente deve começar por um levantamento da situação.

Hoje, graças a tecnologias eficientes que permitem otimizar o processo através da criação de modelos 3D, é possível criar uma sinergia rentável entre a atividade de projeto operada no ambiente BIM e a necessária fase de levantamento preventivo da situação.

O Scan-to-BIM é um processo de engenharia reversa que usa tecnologias avançadas de detecção, como digitalização a laser 3D, estrutura para movimento e fotogrametria de alta definição, para obtenção de nuvens de pontos e malhas 3D que servirão de base para a modelagem BIM.

O resultado do levantamento do escaneamento a laser retorna com um conjunto de milhões de pontos em um espaço tridimensional; a nuvem de pontos assim obtida pode ser gerenciado com um software de modelagem BIM a partir da nuvem de pontos a fim de produzir um modelo digital existente, que também pode ser avaliado em uma navegação de ambiente de realidade virtual.

Imagem do software Edificius com a função de importação de nuvens de pontos

O que é uma nuvem de pontos

A nuvem de pontos é o resultado do levantamento de um determinado objeto realizado por meio de um escaneamento a laser. Na prática é o conjunto de muitos pontos dispostos no espaço contendo informações como posição (coordenadas x,y,z), cor, refletância, etc.

A nuvem de pontos também pode ser obtida através de técnicas de estrutura do movimento que permitem obter pontos processando fotos tiradas adequadamente ou também pode ser visualizado por meio de um software especial que permite gerenciar e retornar graficamente os dados obtidos na pesquisa.

Mas, uma vez obtida a nuvem de pontos (com uma das técnicas disponíveis hoje), qual é a sua utilidade?

As vantagens são muitas, além da simples visualização. De fato, é possível:

• fazer comparações entre diferentes modelos;
• usar a nuvem para a modelagem BIM do edifício;
• medir distâncias diretamente no modelo de nuvem;
• gerar um modelo de malha (superfície) obtido pela junção dos vários pontos.

O que foi dito depende do propósito do levantamento e da qualidade da nuvem de pontos obtida do levantamento. Geralmente falamos de resolução de nuvem, ligada à densidade dos pontos.

Dissemos que com a nuvem de pontos também é possível obter um modelo 3D composto por malhas: cada malha é composta por vários triângulos descritos por coordenadas tridimensionais x,y,z presentes na nuvem de pontos.

A malha originalmente obtida não tem cor. A cor (ou textura) pode ser atribuída aos vários polígonos de duas maneiras diferentes:

• cor por vértice: é considerada a “média” das cores dos vários pontos que formam os vértices do polígono. Neste caso a qualidade do resultado final está diretamente ligada à resolução do modelo, pois depende dos pontos que formam o próprio modelo;
• texturas: as fotos tiradas pelo instrumento de pesquisa são tomadas como referência. Essas imagens já estão orientadas ao modelo e podem ser projetadas diretamente nas superfícies. Cada malha será associada à união dessas fotos (texturas) que podem ser vistas como uma “folha” cobrindo os polígonos. A qualidade do resultado final dependerá da qualidade das fotografias e não mais da resolução do modelo.

Quais são as técnicas de levantamento usadas

Existem várias técnicas utilizadas para o levantamento de edifícios. Sem nos determos nos tradicionais (por exemplo trilateração), vejamos aqueles que permitem gerar a nuvem de pontos.

Fotogrametria

A fotogrametria é uma técnica de levantamento que permite obter a posição, forma e tamanho do objeto a ser levantado através do processamento de uma série de imagens. Isso é possível graças à análise de quadros estereoscópicos, obtidos por meio de uma câmera estereoscópica ou com uma câmera métrica que enquadra o mesmo objeto e que é disposto sucessivamente em duas posições distintas.

O processo fotogramétrico pode ser dividido em 3 fases:

• a tomada: fotografe o objeto com a câmera estereométrica ou com a câmera posicionada em dois pontos distintos;
• a orientação dos quadros: os quadros estereométricos são orientados adequadamente para obter um modelo tridimensional;
• a restituição: o modelo 3D é reconstruído e é possível detectar formas e dimensões nele.

Processo fotogramétrico

O levantamento fotogramétrico pode ser aéreo, utilizando dispositivos como drones, ou terrestre, utilizando qualquer câmera ou câmera estereoscópica.

Drone

O drone é um aeronave remotamente pilotada, ou seja, não requer a presença humana a bordo da aeronave para condução, mas é utilizado um rádio controle remoto específico.

Existem muitos tipos de drones no mercado que podem ser agrupados nessas três macrocategorias:

• drones com estrutura de hélice;
• drones com estrutura planar;
• drones híbridos.

Estas ferramentas permitem realizar levantamentos fotogramétricos aéreos garantindo uma restituição fiel do objeto. Para fazer isso, os passos a seguir são:

• identificação da área a ser pesquisada (por exemplo via Google Maps);
• análise de área e projeto de admissão;
• escolha dos pontos de decolagem e pouso do drone e identificação do ponto de posicionamento da estação de controle de solo;
• planejamento das operações de voo, verificando a presença de quaisquer obstáculos;
• programação de quaisquer missões de voo automáticas;
• identificação de medições de terreno que possam auxiliar e apoiar o levantamento fotogramétrico;
• aquisição de imagem;
• orientação do quadro e reconstrução da cena (Structure for Motion);
• geração de nuvem de pontos;
• geração do modelo de malha 3D.

Para fazer isso, você pode contar com duas metodologias de missão de voo:

• o modo automático utilizando pontos de notificação (ou simplesmente “fixos);
• o modo manual, tirando fotos em um padrão predeterminado.

Levantamento Nadiral com drone

Escaneamento a laser

O escaneamento a laser é uma ferramenta que permite o levantamento de um objeto graças a um feixe de laser. A luz do laser incide na superfície do objeto e em relação ao tempo de retorno (tempo que o feixe leva para retornar ao dispositivo emissor), o ângulo do dispositivo e outros fatores, é possível identificar a posição exata no espaço de cada ponto individual do objeto.

Os escaneamentos a laser podem ser divididos em três categorias, são elas:

• em tempo de voo: a distância é medida graças à identificação do tempo decorrido entre a emissão da luz do dispositivo e seu retorno. Neste caso o aparelho que emite o sinal também funciona como receptor.
• Diferença de fase: a distância é medida graças ao conhecimento da diferença de fase entre a fase da onda laser no momento em que o sinal é emitido e a recepção do impulso. Também nesta situação o dispositivo que emite o sinal é o mesmo que o recebe.
• Triangulação: a medida é calculada graças à técnica de triangulação e, portanto, a cálculos trigonométricos. Neste caso, o dispositivo que emite o sinal e o que o recebe são separados e colocados a uma distância constante e calibrada. Este sistema permite obter um levantamento mais detalhado mas a distâncias mais próximas.

O resultado final do levantamento é uma nuvem de pontos em escala que espelha o objeto levantado. Este modelo é constituído por milhões de pontos, dos quais se conhecem as coordenadas espaciais e o valor da refletância dos materiais. Além disso, graças às câmeras integradas nas ferramentas de levantamento, também é possível obter as “cores” de cada ponto individual, de forma a melhorar a renderização da representação gráfica do levantamento.

Os limites do sistema de levantamento por um escaneamento a laser são dados principalmente pela distância máxima do instrumento do objeto, das superfícies não visíveis e das áreas sombreadas. São todos problemas que se resolvem graças ao levantamento de diferentes pontos para obter um modelo mais fiel à realidade com menor margem de erro.

Nuvem de pontos no BIM |Levantamento com escaneamento a laser

Escaneamento a laser com tecnologia SLAM

Entre os sistemas mais inovadores citamos o escaneamento a laner SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) que permite digitalizar em movimento, sem a necessidade de identificar pontos fixos para o levantamento.

Com este tipo de escaneamento a laser, você pode se mover em um determinado espaço e recriar um mapa do ambiente, localizando-se automaticamente dentro dele (portanto, sem o uso de GPS).

Nuvem de pontos no BIM|GeoSlam, sistema móvel com tecnologia Slam- Fonte: Microgeo.it

Estes dispositivos podem ser instalados em veículos e drones, de forma a poderem realizar levantamentos de superfícies muito grandes num tempo relativamente curto, ou simplesmente transportados à mão em ambientes onde o sinal de GPS não está presente.

Esses escaneamentos são classificados na subcategoria iMMS (Indoor Mobile Mapping Systems) pertencente ao maior grupo de MMS (Mobile Mapping Systems). Embora os primeiros tenham sido otimizados para levantamentos internos, eles também são frequentemente usados ao ar livre para escanear infraestruturas, canteiros de obras, edifícios, etc.

Portanto, ambos os sistemas (MMS e iMMS) não devem ser confundidos com scanners LiDAR 3D (Light Detection and Ranging), pois neste caso nos referimos a uma categoria mais ampla. O que você precisa saber, no entanto, é que a tecnologia LiDAR (tecnologia que usa luz laser para fazer medições) é usada para quase todos os sistemas MMS e iMMS.

Levantamento com tecnologia Slam

Gerenciamento de nuvem de pontos e geração de modelo BIM

A nuvem de pontos, como mencionado, é fundamental para o processo de geração de modelos paramétricos.

Existe, por exemplo, o software de modelagem BIM a partir da nuvem de pontos, um ambiente do software Edificius da ACCA software que permite tirar proveito de poderosas ferramentas de reconhecimento para identificar automaticamente os diferentes elementos presentes no modelo.

Criação do modelo BIM a partir de uma nuvem de pontos

Torna-se possível com uma nuvem de pontos reconhecer objetos como paredes, portas, janelas, pisos, de forma automática e precisa, obtendo um modelo digital capaz de devolver automaticamente os documentos necessários:

• pranchas gráficas (plantas, elevações, cortes, etc.);
• relatório técnico;
• orçamento;
• cronograma;
• etc.

Então, experimente você mesmo como é fácil construir um modelo BIM a partir de uma nuvem de pontos. Baixe a versão de teste gratuita do software de modelagem BIM a partir da nuvem de pontos e importe sua nuvem de pontos ou, se preferir, baixe diretamente um dos arquivos de exemplo presentes na nuvem em um BIM Management System.