Análisis de un método que permita el estudio geológico de
afloramientos inaccesibles
Estudiante
Edgar Felipe Tarazona Bran
201222604
Director de Proyecto de grado
Mauricio Baquero, MS
Codirector del proyecto de grado
Rodrigo Alberto Marín, Ph.D
Geociencias
Tesis de grado
Universidad de los Andes
Bogotá
2017
Tabla de contenidos
1. Abstract 3
2. Resumen 4
3. Introducción 5
4. Zona de estudio 6
4.1. Generalidades 6
4.2. Geología 7
5. Bases teóricas 9
5.1. Fotogrametría 9
5.2. SFM 10
6. Herramientas 12
6.1. Plataforma - Cuadricóptero 12
6.2. Software 14
6.2.1. Generación de modelos tridimensionales 14
6.2.2. Interpretación de modelos tridimensionales 16
7. Metodología 17
7.1. Trabajo de campo dentro de la universidad 18
7.2. Trabajo de campo en afloramientos reales 22
7.3. Trabajo en el laboratorio de computación avanzada 27
8. Resultados 33
9. Conclusiones 40
10. Agradecimientos 42
1. Abstract
Using photogrammetry and SFM (Structure from Motion) methods and an aerial photography platform (DJI Phantom 4 quadcopter), it is sought to implement a method to obtain structural information from a geological outcrop. The project has been developed in the main road that communicates the city of Bogota with the town of Choachi. It took different structural measures of two main planes in a chosen outcrop (one fault plane and one stratification plane); also, it took two rounds of photographs in the same outcrop which have been introduced in two different image processing programs (Agisoft Photoscan and Pix4Dmapper), these programs show as a result a digital three-dimensional model based on the taken photographs. Using a digital structural measure program, Open Plot, it obtained the value of the dip direction and dip angle in each plane inside each model. Finally, using the stereonet tool, the real and digital measures were plotted, in that way it was easier to understand and see the difference between the real measures in respect of the digital ones. The differences between real and digital measures were tabulated in such a way that they could be shown.
2. Resumen
Utilizando los métodos de la fotogrametría, el SFM (Structure from Motion) y una plataforma fotográfica aérea (cuadricóptero DJI Phantom 4), se busca implementar un método que permita obtener información estructural de un afloramiento geológico. El proyecto se desarrolló en la vía principal que comunica a la ciudad de Bogotá con el municipio de Choachí. Se tomaron mediciones estructurales en dos planos diferentes de un afloramiento elegido (un plano de fractura y un plano de estratificación); también se fotografió dicho afloramiento geológico, con lo cual se obtuvo un total de 2 adquisiciones de fotografías que posteriormente fueron introducidas en programas de procesamiento de fotografías (Agisoft Photoscan y Pix4Dmapper), los cuales arrojan como resultado un modelo digital y tridimensional. Utilizando un programa de mediciones geológicas estructurales digitales, Open Plot, se obtuvieron las mediciones de buzamiento y dirección de buzamiento para cada uno de los planos dentro de los modelos digitales. Para finalizar, se graficaron las mediciones tanto reales como digitales para cada modelo utilizando proyecciones estereográficas y se tabuló la diferencia entre el valor de las mediciones reales y las mediciones digitales para cada plano dentro de cada modelo. Como resultado final, se estimaron las diferencias y se pudo observar que la variación entre las mediciones reales y digitales no aumentaba los 10°, concluyendo que el método es de uso aceptable.
3. Introducción
Este proyecto está enfocado en la implementación de un método que permita obtener la mayor cantidad de información en trabajos de campo a lo largo del estudio de un afloramiento geológico. Tomando como principio básico la fotogrametría y utilizando una plataforma que nos permita el acceso a los afloramientos que son la fuente de las mediciones, se busca crear un modelo digital y tridimensional de los diferentes afloramientos encontrados en campo, para comparar las mediciones tomadas con brújula de mano, con los datos obtenidos del modelo digital y así, aseverar una precisión y alcance del método.
El deseo de este proyecto de grado es aportar las bases para un método que en un futuro pueda ser implementado en afloramientos sin acceso, de los cuales se requiere extraer información para engrosar las bases de datos geológicas y aumentar la información de un estudio de campo.
Es por esto por lo que el mayor motivante de este proyecto es responder afirmativamente a la disyuntiva de si realmente se deben tomar datos de lugares o afloramientos que no se pueden alcanzar con una brújula de mano. Es habitual dejar información relevante sin medir y sin estudiar debido al difícil acceso de afloramientos que se encuentran cientos de metros por encima de la vía de acceso o datos geológicos que se encuentran dentro de planicies que no se pueden alcanzar debido a un obstáculo natural.
En este caso, tomando como plataforma el cuadricóptero DJI Phantom 4 y aplicando técnicas de fotogrametría moderna (aerofotogrametría con fotografías horizontales empleando SFM (Structure from Motion)), se busca recrear de forma digital un afloramiento geológico real de manera que sea accesible a las mediciones. Posteriormente, utilizando un programa que permita realizar mediciones estructurales en modelos digitales, para determinar la diferencia que se obtiene entre las mediciones reales con brújula de mano y las mediciones digitales.
4. Zona de estudio
4.1. Generalidades
La zona de estudio se encuentra ubicada en el flanco oriental de la cordillera oriental colombiana. El proyecto se llevó a cabo sobré la carretera principal que comunica a Bogotá con el municipio de Choachí, Cundinamarca, al costado Nor-Oriental de la quebrada el Raizal. La zona presenta una gran diferencia de elevación entre sus estructuras montañosas; se pueden apreciar diferencias de alturas entre valles y crestas de hasta 500 metros. Por otro lado, la exposición de las unidades rocosas es excelente, debido a que se encuentran gran cantidad de afloramientos de gran tamaño y altura y en los cuales se evidencia un bajo porcentaje de vegetación, haciendo que la exposición de los afloramientos del lugar sea muy buena. Se eligió un afloramiento que presenta dichas características, como lo son una excelente exposición, planos de estratificación bien definidos y planos de fractura con diferentes orientaciones. Lo anterior hace del lugar un afloramiento ideal para la implementación del método porque, al presentar una exposición libre de vegetación y unos planos de estratificación y fractura bien definidos, se hace mucho más fácil que los programas de procesamiento de imágenes, de los cuales se hablara más adelante, comprendan las diferentes estructuras que componen a la totalidad del afloramiento y permita que la definición de los planos sea más pulcra; lo que quiere decir que, los planos sobresaldrán del modelo digital tridimensional y no se confundirán con la superficie perpendicular de la roca. La ubicación exacta del afloramiento en el cual se realizó la toma de imágenes y las mediciones pertinentes es 4° 33.659 N, 073° 57.659 W, empleando el instrumento GPS Garmin Etrex VENTURE HC.
Hay que tener en cuenta que el clima de la zona es el único impedimento para llevar a cabo métodos como el desarrollado en este proyecto, debido a que presenta lluvia y vientos de gran velocidad en gran parte del día. Estas características se deben a la ubicación de la zona de estudio y a su cercanía con el páramo Matarredonda. Lo anterior hace difícil el vuelo de una plataforma fotográfica aérea y también interrumpe la toma de las fotografías debido a la baja luminosidad que se presenta. Fue por estas razones, que el trabajo tuvo que llevarse a cabo en momentos específicos del día y en días en los cuales las condiciones meteorológicas fueran las adecuadas (sin lluvia, sin mucho viento y poca nubosidad).
4.2. Geología
Ubicando el dato del punto GPS, tomado en la zona de estudio, dentro de la Plancha 247 denominada Bogotá Sur Este (Cáqueza) del Servicio Geológico Colombiano (Patiño et al., 2011), se llegó a la conclusión que las rocas dentro del afloramiento fotografiado pertenecen al contacto entre la formación Arenisca Dura y formación Plaeners, esta última denominada k2p en la plancha 247, del grupo Guadalupe (Patiño et al., 2011; Salazar, 1978) (ver imagen 1).
Imagen 1 – Ubicación del punto GPS dentro de la plancha 247 del Servicio Geológico Colombiano utilizando la herramienta de visualización geográfica Google Earth
La formación Plaeners, que se encuentra sobre la formación Arenisca dura y debajo de la formación Labor, en esta región tiene una litología de lodolitas y arcillolitas dentro de paquetes gruesos y finamente laminados, también con capas de areniscas de grano fino (Patiño et al, 2011). Presenta liditas en la parte media del afloramiento (Patiño et al, 2011). Patiño et al. (2011) también pone de manifiesto que el contacto inferior entre la formación Plaeners y la formación Arenisca dura es concordante, entre capas de arenas y capas de arcillas. Dentro del campo realizado durante este proyecto, se pudo observar que la parte inferior del afloramiento fotografiado (ver imagen 2) está caracterizada por capas de areniscas con una potencia grande y un color claro que subyacen a capas más delgadas y con un color más oscuro a grisáceo; lo anterior permite pensar que el afloramiento se encuentra en la parte inferior de la formación Plaeners. Según las descripciones de Pérez & Salazar (1978) y Patiño et al. (2011) esta aseveración tiene sentido, ya que ambas referencias hablan de un contacto abrupto y muy bien definido entre estas dos formaciones (Formación Arenisca Dura y Formación Plaeners).
Imagen 2 – Fotografía ilustrativa del afloramiento en el cual se desarrolló el método
La edad que se le asigna a la formación Plaeners no es precisa ya que varios autores determinan que dicha formación tiene edades diferentes. Según Pérez & Salazar (1978) la edad de la formación Plaeners es Maastrichtiano inferior; por otro lado, Follmi et al. (1992) (en Vergara y Rodriguez, 1997 (en Patiño et al. 2011)) dice que la formación Plaeners tiene una edad desde Campaniano Superior a Maastrichtiano temprano.
5. Bases teóricas
Este proyecto tiene como objetivo construir un modelo digital de un afloramiento a partir del método fotogramétrico, del cual se obtenga información geológica estructural, como dirección y ángulos de inclinación de las diferentes capas y planos.
Para comprender cómo se construye un modelo virtual del afloramiento, incluyendo la captura de información fotográfica en el campo, es necesario entender la base teórica de la fotogrametría y en particular de Structure from Motion o SFM; este último es el método encargado de obtener un modelo digital tridimensional con una plataforma fotográfica móvil. 5.1. Fotogrametría
La fotogrametría es la ciencia que permite obtener mediciones correctas de un conjunto de imágenes. Toma como base la visión estereoscópica, de la cual gozan los seres humanos y otros seres vivos. La visión estereoscópica se basa en la diferencia de perspectiva entre la visión del ojo izquierdo y la visión del ojo derecho (Linder, 2006). Cada uno de los ojos crea una imagen del objeto que tiene delante, imágenes bidimensionales.Sin embargo, se necesita tener imágenes en tres dimensiones para poder comprender la distancia o la profundidad que tiene el ojo al objeto. Aunque cada una de las imágenes que recibe cada uno de los ojos son en dos dimensiones únicamente, el cerebro del ser humano y de los animales es capaz de procesar y transformar la información visual de dos imágenes diferentes bidimensionales, en una sola imagen central tridimensional. Esta última afirmación es el principio fundamental de la fotogrametría (Linder, 2006).
Si tenemos un objeto P (ver imagen 3) en el suelo y fotografiamos dicho objeto desde dos posiciones diferentes, ya sea desde una plataforma fotográfica terrestre o aérea, obtenemos dos imágenes bidimensionales de un mismo objeto. Lo anterior quiere decir que un mismo punto en el espacio se encuentra ubicado en dos imágenes tomadas en lugares diferentes. Si tenemos la posibilidad de reconstruir de forma correcta toda la geometría de ambas imágenes y por medio de la teoría de la visión estereoscópica podemos obtener las coordenadas x, y y z del objeto fotografiado y por ende transformar ambas fotografías en una sola imagen tridimensional, lo cual se hace llevando o corrigiendo los rayos centrales de ambas fotografías (p’ y p’’ en la imagen 3) al lugar correcto o a la ubicación correcta del objeto P, obtenemos una imagen final central y tridimensional con medidas reales y mesurables, de la cual se pueda extraer información correcta (Linder, 2006).
Imagen 3 – Geometría de un modelo estereométrico orientado. Adaptado de “Digital Photogrammetry – A practical
course”, por W. Linder, 2006
Dicha imagen final, libre de perturbaciones en sus extremos y que esta ortogonalmente corregida, presenta las características necesarias para poder llevar acabo mediciones de puntos (ubicaciones), distancias y áreas dentro de la misma.
Es por esto por lo que la fotogrametría es la ciencia que nos permite obtener un modelo tridimensional a partir de múltiples imágenes de un objeto a estudiar, para posteriormente extraer información relevante en cuanto a mediciones de dicho modelo (Foster y Halbstein, 2014). De esta forma, la fotogrametría es una de las bases teóricas principales en las cuales se basa este proyecto.
5.2. SFM
El método SFM o Structure from Motion es un método relativamente nuevo en el mundo de la fotogrametría. Sus bases teóricas son las mismas que usa la fotogrametría habitual, tomando como columna teórica principal la visión estereoscópica, anteriormente descrita. Sin embargo, el SFM se diferencia de la fotogrametría en cuanto a que este no requiere de blancos precisos y con un alto nivel de contraste dentro de las fotografías tomadas (Westoby et al., 2012).
Durante el desarrollo de un proyecto fotogramétrico en el cual se utilice meramente la teoría de la fotogrametría clásica, se necesita tomar una serie de fotografías en las cuales aparezca (en todas ellas) un objeto o blanco con un contraste alto, de esta forma al desarrollar un modelo basado en esta clase de fotografías, es fácil identificar el mismo objeto y, por ende, es fácil aseverar la similitud o traslape entre las imágenes y así, poder ubicar y formar un modelo tridimensional. Esta clase de manipulación fotográfica se hace de forma manual y
requiere de la identificación de dicho blanco en cada una de las fotografías (Westoby et al., 2012).
Por otro lado, el método de SFM no requiere el uso de un blanco u objeto con alto contraste dentro de las fotografías tomadas para el desarrollo de un modelo tridimensional; por el contrario, el método se basa en la toma de fotografías con un alto porcentaje de traslape entre las mismas y tomadas, como el nombre del método lo dice, con un objetivo o lente en movimiento (ver imagen 4). Basado en fotografías que presenten entre ellas un porcentaje de traslape alto a muy alto (70 a 90 por ciento), el método de SFM es capaz de identificar puntos redundantes que aparezcan en las diferentes fotografías y de esta forma es capaz de crear sus propios blancos de referencia, los cuales usara como puntos de referencia para obtener las coordenadas espaciales del modelo tridimensional (Westoby et al., 2012). Estas coordenadas espaciales son las encargadas de darle forma, escala y orientación al modelo tridimensional. Así como el método identifica sus puntos de amarre o blancos de referencia, también identifica puntos redundantes secundarios en cada una de las fotografías y utilizando la triangulación ubica cada uno de estos puntos dentro de una nube de puntos, para posteriormente crear una malla de triángulos a la cual se le asignara una textura identificada de las fotografías iniciales.
Imagen 4 – Teoría base para el método SFM (Structure from Motion). Adaptado de “‘Structure-from-Motion’
photogrammetry: A low-cost, effective tool for geoscience applications”, por M. Westoby et al., 2012, ELSEVIER, 179, 300-314
Hay que tener en cuenta que el uso del método SFM nace en los años 90’s como una rama de la visión computacional que en dicho momento empezaría a tomar fuerza. El uso de los computadores facilitó la implementación de este método por medio de la automatización. De esta forma la identificación de los puntos redundantes en múltiples fotografías ya no se hacía manualmente sino de forma automática tomando como núcleo o mente del método, diferentes algoritmos creados por las casas de software.
6. Herramientas
6.1. Plataforma - Cuadricóptero
Para el desarrollo de este proyecto se utilizó el cuadricóptero de la marca DJI, con referencia Phantom 4 (ver imagen 5).
Imagen 5 – DJI Phantom 4, durante el trabajo de campo
El cuadricóptero está conformado por un armazón de plástico con 4 extensiones en cada uno de sus extremos. Dentro de este armazón se encuentra todo el sistema que le da vida al Phantom 4. Una batería de LiPo 4S que se encarga de propulsar todo el sistema de motores (4 en total), el sistema de posicionamiento global, el sistema de almacenamiento de la información fotográfica obtenida por la cámara montada, el sistema de enfriamiento interno, el sistema de calibración y equilibrio de la cámara (cuyo nombre en inglés es Gimbal) y por supuesto, la cámara del Phantom 4, en la cual recae todo el interés y de la cual se hablará más adelante.
En cuanto al funcionamiento como cuadricóptero, el Phantom 4 tiene una altura de servicio de 6000 metros sobre el nivel del mar, puede soportar vientos o ráfagas de viento de hasta 10 metros por segundo, tiene un tiempo de vuelo máximo de 28 minutos (hay que tener en cuenta que este tiempo se ve ampliamente afectado por el tipo de uso que se le dé a los motores del cuadricóptero), posee un sistema de posicionamiento incorporado que está regido por GLONASS y GPS, este último tiene una precisión en la vertical de −+0.5 metros y en la horizontal de −+1.5 metros. El cuadricóptero también posee un sistema de visión por medio de la cámara (visión en tiempo real) en dirección hacia adelante y hacia abajo, así como un sensor de evasión de obstáculos en su parte de adelante (el sentido en el cual ve la cámara), este permite evitar que el cuadricóptero se estrelle con cualquier objeto que esté por delante del mismo. Durante el desarrollo de este proyecto se han llevado a cabo alrededor de 10 vuelos con el cuadricóptero Phantom 4 y por medio de las experiencias de vuelo del piloto y estudiante Edgar Tarazona, quien ha llegado a la conclusión de que el sensor de evasión de obstáculos, no permite acercarse a menos de 2 metros del obstáculo que se tiene en la parte
de adelante del cuadricóptero, en este caso, del afloramiento a estudiar; por lo tanto, esto quiere decir que las fotografías que se tomaron para desarrollar los modelos 3D digitales de los afloramientos, no pudieron hacerse a una distancia menor a 2 metros de la pared de roca o afloramiento en estudio.
El estabilizador de la cámara o gimbal (por su nombre en inglés) que posee el Phantom 4 tiene la capacidad de estabilizar en los 3 ejes principales, el pitch o cabeceo del cuadricóptero, el roll o desplazamiento del cuadricóptero y el yaw o giro en el eje vertical del cuadricóptero, otorgándole una precisión de corrección de estabilización de −+0.02 grados con respecto a cada uno de los 3 ejes principales, según especificaciones y características brindadas por el fabricante.
El control remoto del Phantom 4 tiene la posibilidad de conectar un dispositivo de visión como un smartphone o un IPad, ayudando a que el piloto pueda obtener una imagen real y en vivo de lo que observa la cámara que lleva inmersa el cuadricóptero, lo que facilita la toma de imágenes y la decisión del lugar preciso donde se quiere hacer la toma de las mismas. Por último, el cuadricóptero DJI Phantom 4 posee una cámara con las siguientes especificaciones:
- Sensor: 1 2.3"⁄ CMOS
- Pixeles efectivos: 12.4 Megapíxeles
- Lente: FOV 94° 20 mm y 𝑓⁄2.8 enfoque a infinito - Rango de ISO: Video (100 - 3200) y Foto (100 - 1600)
- Rango disparador eléctrico: Entre 8 segundos y 1 8000⁄ segundos - Tamaño de la imagen: 4000 x 3000
- Formato de las imágenes: JPEG, DNG (RAW)
- Almacenamiento: Micro SD (capacidad máxima de 64 GB)
Esta cámara otorga la posibilidad de ser utilizada de forma automática, puesto que el algoritmo interno de la cámara controla los blancos, el tiempo de exposición, el ISO de la cámara y el sensor de luminosidad o HDR (High Dynamic Range), este último permite que las fotografías tengan una luminosidad similar a la real en el momento de la toma de la imagen, lo que lleva a la obtención de una fotografía con colores reales y no, manipulados o corregidos. Se consideró que todas estas características hacen de la cámara una herramienta muy útil para trabajar en los ambientes que se estuvo trabajando durante el campo (a veces nublados, a veces soleados, con condiciones meteorológicas muy cambiantes). Como la cámara tiene un rango muy grande en cada uno de sus componentes o características, la hace propicia para el uso en dicho ambiente.
Toda la información suministrada sobre la herramienta o plataforma fotográfica aérea, cuadricóptero DJI Phantom 4, fue extraída de la página principal del fabricante DJI. Recuperado de: //www.dji.com/es/phantom-4/info#specs.
6.2. Software
Como se ha dicho previamente, el proyecto se desarrolló por medio de algunos programas encargados de generar el modelo tridimensional a partir de las fotografías y otro usado específicamente para hacer las mediciones del buzamiento y la dirección de buzamiento de los planos.
Los programas que se utilizaron para tales fines son los siguientes: - Agisoft PhotoScan
- Pix4Dmapper - Open Plot
Los dos primeros programas mencionados son los que se utilizaron para generar el modelo digital tridimensional del afloramiento, a partir de las fotografías tomadas del mismo. El funcionamiento de estos dos programas es similar; su base funcional es el SFM o Structure from Motion, la fotogrametría y la paralaje. Se usaron dos programas diferentes para la construcción de los modelos digitales, con el objetivo de identificar cuál de los dos arrojaba el mejor resultado en términos de geometría, geología y correcta georreferenciación. Posteriormente se escogería uno de los dos programas como el principal y único a usar, debido a obstáculos que el otro presentó a lo largo de la metodología del proyecto, de lo cual se hablara más adelante.
6.2.1. Generación de modelos tridimensionales
El desarrollo de un modelo tridimensional en cada uno de los dos programas comienza de la misma forma.
1) El primer paso es ingresar la cantidad de fotografías que se tomaron del afloramiento a estudiar. Hay que tener en cuenta que las fotografías deben tener un traslape alto entre ellas, aproximadamente en un rango entre el 70 al 90 por ciento, para que el código de ambos programas comprenda la estructura.
2) El segundo paso es alinear las fotografías en el espacio, utilizando dos componentes diferentes de las mismas. Por un lado, el programa realiza un barrido rápido de las fotografías e identifica puntos semejantes en cada una de ellas (en este caso ya no deben ser puntos con un alto contraste dentro de la fotografía, ya que el programa utiliza la técnica SFM); estos puntos van a ser los puntos de amarre o referencia principales que tenga el programa para identificar la estructura a modelar. Las coordenadas que le asigna el programa a estos puntos de amarre son coordenadas en x, y y z, locales.
Por otro lado, el programa tiene la posibilidad de utilizar la información de posicionamiento que le brinde la plataforma fotográfica. En este proyecto se utilizó un cuadricóptero con GPS que le otorga un punto de posicionamiento a cada una de las fotografías justo en el momento en que son tomadas; por ende, las fotografías tienen información de posicionamiento con coordenadas geográficas. El programa utiliza las coordenadas geográficas de cada una de las
fotografías para compararlas con las coordenadas x, y y z locales anteriormente asignadas y así decidir el lugar correcto en el cual ubicar cada uno de los puntos de amarre principales. Después de ubicar los puntos de amarre en los lugares correctos, el usuario debe definir el área (rectángulo tridimensional) sobre la cual el programa centrara el modelado tridimensional.
3) La creación de una nube de puntos densa es el siguiente paso que cumple el programa. La nube de puntos densa se crea a partir del uso del método SFM o Structure from Motion, el cual se basa en la identificación de puntos secundarios de amarre o de referencia en cada una de las fotografías ingresadas en el programa. El software realiza el mismo procedimiento que desarrolló en pasos anteriores, cuando definió los puntos principales de amarre; esto quiere decir, que el programa identifica la redundancia de puntos iguales dentro de múltiples fotografías. Así, puede crear una nube de puntos densa utilizando los nuevos puntos de amarre o de referencia secundarios. De igual forma que en pasos anteriores, durante la creación de la nube de puntos densa, el programa le asigna una ubicación con coordenadas x, y y z locales a cada uno de los puntos de la nube de puntos densa. Posteriormente, dentro del mismo proceso, el programa compara las coordenadas x, y y z locales anteriormente asignadas a los puntos con la información de posicionamiento (en coordenadas geográficas) que le proporciona la plataforma fotográfica (en este caso, el cuadricóptero con GPS). Así, puede decidir la ubicación correcta de cada uno de los puntos dentro de la nube de puntos densa.
4) A continuación se procede a la creación de una superficie por medio de una malla que emplea los puntos principales de amarre y la nube de puntos densa. La creación de la malla es el método por el cual el programa une cada uno de los puntos a sus semejantes más cercanos, de tal forma que se cree una serie de triángulos que definen los planos, la geometría y la forma de la estructura a modelar. Es a esta serie de triángulos que se le llama Malla o
Mesh (por su nombre en inglés). El programa es el encargado de decidir que puntos une entre
si, utilizando una serie de algoritmos privados.
5) Para finalizar el desarrollo del modelo tridimensional, el programa lleva a cabo un proceso llamado “Textura”. Este último paso hace referencia a la asignación de una textura fotográfica, a cada uno de los triángulos anteriormente creados dentro de la malla. Este proceso se lleva a cabo por medio de la identificación de la mejor representación fotográfica de un lugar determinado dentro de la colección de fotografías; el programa revisa todas las fotografías e identifica la que mejor represente dicho lugar, la recorta y almacena en un atlas de texturas junto con todos los segmentos que cubren la totalidad de la estructura. Cada segmento de imagen del atlas tiene su propio sistema de coordenadas que lo relaciona con el lugar de la malla en que debe insertarse. De esta forma, cuando el programa ha identificado la mejor representación textural y ha creado el atlas de texturas, ubica en cada triángulo la textura que le corresponde para producir un modelo tridimensional con geometría, planos, vértices y textura definidos.
Cuando el modelo tridimensional está terminado, se puede exportar para ser interpretado geológicamente en otros paquetes en diferentes formatos que manejan información tridimensional.
6.2.2. Interpretación de modelos tridimensionales
En el presente proceso, se exportó el modelo en formato .obj para poderlo importar en Open Plot, el programa de interpretación. El formato .obj contiene las coordenadas tridimensionales (puntos, líneas y polígonos) y el atlas de texturas. Esta clase de archivo se puede abrir con una gran variedad de programas de manipulación y edición de objetos tridimensionales.
En este proyecto, se utilizó el programa Open Plot como herramienta principal para abrir los modelos tridimensionales obtenidos con cada uno de los programas y llevar a cabo las mediciones de los planos, en cuanto a dirección de buzamiento y buzamiento.
Dentro de las funcionalidades del programa, se encuentran importar un modelo tridimensional georreferenciado e interactuar con cada plano del mismo y generar nuevas superficies a partir de ellos sobre las cuales se puede obtener información geológica estructural del modelo. El software Open Plot, también permite la creación de estereogramas para representar las mediciones espaciales. Así mismo, es posible exportar las superficies generadas con sus respectivas mediciones de buzamiento y dirección de buzamiento, como un archivo tridimensional.
La información del programa de mediciones estructurales Open Plot, fue extraída del artículo de Tavani et al. (2011) y de la página web principal del proyecto Open Plot Pj.
7. Metodología
La metodología del proyecto está dividida en tres fases claves del mismo. Primero se realizó una fase o momento de experimentación y aprendizaje, en el cual se tomó como base el poder identificar las características claves de la plataforma fotográfica aérea (cuadricóptero) y también el poder aprender a identificar la mejor forma de tomar las fotografías. Esta fase se llama “Trabajo de campo dentro de la universidad”, dentro de esta está el momento denominado “Prueba y error”. Durante este paso se encontraron varios problemas con el método, ya que los modelos resultantes no eran los deseados y por esta razón, se aprendió que no se debían tomar fotografías para obtener un modelo digital tridimensional de una estructura con paredes de vidrio.
Por otro lado, en una segunda fase llamada “Trabajo de campo en afloramientos reales” se expone todo el trabajo realizado durante las secciones de campo en la zona entre Bogotá y Choachí, lugar donde se identificó el afloramiento en el cual se implementaría el método. Esta fase está compuesta por dos adquisiciones de fotografías diferentes, las cuales se realizaron en días diferentes de trabajo; la realización de cada una de las adquisiciones tomo un día de trabajo. Adquisición de fotografías se denomina a la toma de un conjunto de fotografías para la posterior obtención de un modelo digital tridimensional a partir de estas mismas, según el autor de este proyecto. Para el desarrollo de las adquisiciones se utilizó una plataforma fotográfica aérea (cuadricóptero); esta plataforma fue pilotada por el estudiante Edgar Tarazona, sin embargo, la toma de las fotografías se realizó de forma automática usando un programa llamado Pix4Dcapture, el cual se encargaba de tomar una fotografía cada vez que el piloto movía el cuadricóptero un metro tanto en el eje vertical como en el eje horizontal. Se utilizo el método de un vuelo manual sumado a una toma de las fotografías de forma automática, con el objetico de obtener un traslape alto entre las fotografías.
Para finalizar la metodología, se realizó una tercera y última fase. Esta última fase llamada “Trabajo en el laboratorio de computación avanzada”, muestra los diversos pasos que se llevaron a cabo para procesar las fotografías tomadas en campo y de esta forma obtener los modelos digitales tridimensionales que se deseaban. Durante esta última fase se identificaron varios errores con los programas que se tenía previsto utilizar (Agisoft Photoscan y Pix4Dmapper). Se concluyó que el único programa que se utilizaría para el desarrollo de los modelos seria Agisoft Photoscan. Al procesar las fotografías obtenidas dentro de las dos adquisiciones llevadas a cabo durante la segunda fase, se identificó que la información de la primera adquisición (699 fotografías) no se podía usar dentro del proyecto, así que se tomó solamente la información de la segunda adquisición (197 fotografías). Posterior a obtener el modelo digital (Modelo 4) de la segunda adquisición, se identificó que este no estaba debidamente georreferenciado, por lo que se procedió a identificar las mejores fotografías dentro de esta adquisición, de las cuales se pudiera obtener un modelo correcto (georreferenciado). Se obtuvo un modelo adecuado con 20 fotografías (Modelo 5) y se realizaron varias mediciones digitales.
Durante el desarrollo del trabajo de campo se identificaron dos planos principales, los cuales fueron medidos con la brújula de mano y de igual forma dentro de los modelos digitales
(Modelos 4 y 5). Se procedió a comparar los valores de las tablas de resultados y así obtener una diferencia entre los dos métodos, brújula de mano y mediciones digitales.
7.1. Trabajo de campo dentro de la universidad
Se inicia la metodología de este proyecto con un primer paso denominado “Prueba y error”. Como primera prueba se hizo un vuelo en el parque denominado El Bobo sobre la única estatua que se encuentra dentro de dicho espacio. Al sobre volar la estatua se tomaron 22 fotografías desde diferentes ángulos y también se tomaron fotografías con la cámara del cuadricóptero inclinada 45 grados hacia abajo, de nuevo, en los diferentes ángulos de la estatua. Esta información fotográfica fue procesada en un software en línea y gratuito llamado DroneDeploy; el software procesó las fotografías y construyó un modelo tridimensional de la estatua del parque El Bobo (ver imagen 6). El modelo presentaba algunos errores de asignación y ubicación de las imágenes, por lo tanto, algunas partes de la estatua no tenían una definición clara de lo que se encontraba en dicho lugar. El vuelo y la toma de las fotografías que se desarrolló en dicha primera prueba fueron hechas totalmente de forma manual; esto llevó a la conclusión, que la falencia del modelo 3D obtenido de la estatua del parque El Bobo, se debió principalmente al bajo traslape que existía entre las fotografías. Después de consultar y obtener información sobre los principios de la fotogrametría, se entendió que las imágenes o fotografías tomadas, ya sea de un objeto aislado o de un plano irregular, se debían tomar teniendo en cuenta un traslape de mínimo un 80 por ciento del tamaño de la fotografía para que el modelo final obtenido después del procesamiento de las fotografías fuera correcto. Por otro lado, se entendió que la toma de las fotografías, para obtener un modelo 3D, era muy diferente para un objeto como una estatua que para un objeto como una pared de roca; debido principalmente a que, para poder desarrollar el modelo de una estatua se necesita tomar fotografías mínimo cada 2 grados alrededor de la misma, por otro lado, para una pared de roca se necesita tomar fotografías en una misma vertical u horizontal con un traslape de 80 por ciento o superior entre ellas.
Imagen 6 – Diferentes vistas del modelo de 22 fotografías de la estatua del parque El Bobo, primera prueba
En este momento, se dedujo que la primera prueba había ayudado a comprender que el primer paso de “Prueba y error” no se podía llevar a cabo en estructuras pequeñas como una estatua (objeto aislado), sino en infraestructuras más grandes como un edificio (plano irregular), ya que estas últimas se asemejaban más a un afloramiento geológico.
Por esta razón, la segunda prueba se llevó a cabo en el centro deportivo de la Universidad de los Andes o predio también llamado La Gata Golosa. Dentro de las instalaciones del centro deportivo de la universidad, se encuentra la cancha principal de futbol, un espacio propicio para el vuelo del cuadricóptero e ideal por su seguridad al no estar cerca de una aglomeración de personas; dentro de este centro deportivo y vecino a la cancha se encuentra el edificio principal del centro deportivo de la Universidad de los Andes (ver imagen 7), una infraestructura adecuada para fotografiar y hacer el papel de afloramiento en la segunda prueba de “Prueba y error”. Se sobrevoló, a una altura de 50 metros toda el área del centro deportivo (área comprendida entre la cancha principal de futbol y el edificio principal del centro deportivo), tomando fotografías automáticamente para asegurar un traslape alto (197 fotografías), con un programa llamado Pix4Dcapture, un traslape del 90 por ciento y un ángulo de toma de 90 grados (ángulo de la cámara perpendicular a la superficie de la cancha). Se obtuvo un primer modelo después de procesar las fotografías en dos programas diferentes; uno de estos programas fue el mismo usado para la primera prueba (prueba de la estatua del parque El Bobo), cuyo nombre es DroneDeploy; el otro programa llamado Pix4Dmapper el cual es un software profesional de procesamiento de imágenes y del cual se utilizó también una de sus variantes para tomar las fotografías de forma automática (Pix4Dcapture) en esta, la segunda prueba. El resultado fue una representación muy buena en términos de topografía de la zona. Se podía diferenciar el hecho de que el edificio y la cancha eran dos superficies
diferentes, aparte y con una elevación al suelo determinada. Sin embargo, el resultado del modelo no fue tan satisfactorio en términos de calidad de imagen en la parte de la fachada del edificio, esta no tenía buena calidad para un uso de observación únicamente, así como tampoco para un uso de mediciones de distancias (ver imagen 8), ya que el acercamiento en apariencia entre el modelo digital y la realidad no era el correcto. Se podría observar que había perturbaciones dentro del modelo, principalmente en el área de la fachada del edificio. Se llegó a la conclusión de que se debían tomar fotografías de forma perpendicular a la fachada del edificio y no únicamente de forma perpendicular a la superficie de la cancha.
Imagen 7 - Edificio y cancha principal del centro Deportivo de la Universidad de los Andes. Extraído de: http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=459132&page=9
Imagen 8 – Diferentes vistas del modelo de 197 fotografías desarrollado en DroneDeploy del edificio y cancha principal del centro Deportivo de la Universidad de los Andes (A y B), segunda prueba
Por esta razón, se desarrolló la tercera prueba en la misma zona de la prueba número dos, pero con una diferencia; esta prueba comprendía tomar fotografías verticales a una altura de 50 metros de forma perpendicular a la superficie de la cancha, con un traslape de 90 por ciento. Se adquirieron fotografías utilizando nuevamente el software Pix4Dcapture, (este software se encargó del vuelo del cuadricóptero de forma automática, así como de la toma
de las imágenes también de forma automática). Posteriormente, se tomaron fotografías perpendiculares a la fachada del edificio, es decir horizontales. Este procedimiento se hizo con un vuelo manual (vuelo en el cual el piloto y estudiante Edgar Tarazona tenía el control del movimiento del cuadricóptero), pero con una toma de las imágenes de forma automática. Se le asignó al software Pix4Dcapture que tomara una fotografía cada vez que el piloto moviera el cuadricóptero 1 metro tanto en el eje vertical como en el eje horizontal, creando un espaciamiento de 1 metro entre fotografías. Fue de esta forma que se obtuvieron 469 fotografías en total, que se procesaron en el programa de software Pix4Dmapper y se obtuvo un modelo, así como también se procesaron en el programa DroneDeploy y también se obtuvo un modelo en este. Los modelos de cada programa representaban muy bien la topografía, representando la zona con sus elevaciones y el edificio como una superficie separada de la base de la cancha; sin embargo, ambos modelos presentaban un defecto en común puesto que los dos programas (Pix4Dmapper y DroneDeploy) desplegaron de forma incorrecta la superficie de la fachada del edificio, ya que la textura y las características visuales no eran las reales (la semejanza entre la apariencia de la realidad y la apariencia de los modelos no eran las adecuadas). Después de observar los errores que presentaban en común los dos modelos, se llegó a la conclusión que la causa fue el material de la fachada. Puesto que es de vidrio (ver imagen 9 e imagen 10), ambos softwares tuvieron problemas en reconocer la fachada del edificio, detectando como fachada lo que estaba por dentro del vidrio y no la estructura como tal de la pared de vidrio.
Imagen 9 – Modelo desarrollado en DroneDeploy (469 fotografías) del edificio y cancha principal del centro deportivo de la Universidad de los Andes, tercera prueba
Imagen 10 – Diferentes vistas del modelo (469 fotografías) desarrollado en Pix4Dmapper del edificio y cancha principal del centro deportivo de la Universidad de los Andes (A y B), tercera prueba
Fue entonces después de estas tres primeras pruebas, que se decidió dejar de experimentar dentro de las instalaciones de la Universidad de los Andes y se prefirió seguir adelante con el inicio de los trabajos de campo en afloramientos reales, ya que se habían encontrado muchos obstáculos en poder identificar un objeto semejante a un afloramiento geológico, en un ambiente que estuviese dentro de las instalaciones de la Universidad.
7.2. Trabajo de campo en afloramientos reales
Después de haber decidido dejar de experimentar dentro de las instalaciones de la Universidad de los Andes, el proyecto se trasladó por completo a una zona fuera de la ciudad de Bogotá. Se pensó en lugares lejanos de la ciudad, como la zona central del departamento de Santander, también ciudades como Villeta y La Vega y al final se tomó la decisión de trabajar en la zona oriental de la ciudad de Bogotá, zona que comprende al municipio de Choachí. La vía que comunica a la ciudad de Bogotá con el municipio de Choachí es lugar de grandes afloramientos con planos de estratificación muy bien definidos y planos de fractura sobresalientes. Es lugar de formaciones rocosas conocidas y estudiadas; por lo tanto, se tomó como el lugar idóneo para iniciar un proceso que llevase a obtener un modelo 3D digital a base de fotografías y posteriormente, poder obtener información de este mismo. Sin embargo, como aun no era precisa la implementación del método de obtención de la información fotográfica y posteriormente la obtención de los datos estructurales, ya que no se había podido obtener ninguna medición en las diferentes estructuras fotografiadas dentro de la Universidad de los Andes, era necesario poder empezar con un afloramiento que fuera posible medir por medio de la brújula de mano y posteriormente comparar estas mediciones obtenidas con la brújula, con aquellos datos obtenidos de los modelos digitales tridimensionales.
Al principio fue necesario recorrer la zona para poder identificar un afloramiento que cumpliera con las características deseadas para iniciar con el proceso de la toma de las fotografías. Después de dos días de recorrido por la zona, se identificó un afloramiento adecuado (ver imagen 11). El afloramiento era accesible, de tal forma que se pudieron hacer mediciones en algunos planos de estratificación y en algunos planos de fractura; el afloramiento presentaba un tamaño bastante considerable, tenía una distancia horizontal de
aproximadamente 25 metros y una altura de 10 metros. Presentaba una orientación de oeste (parte izquierda del afloramiento) a este (parte derecha del afloramiento); la cobertura vegetal que presentaba era muy poca. Por otro lado, el afloramiento era lo suficientemente grande para satisfacer un traslape alto entre las imágenes tomadas, teniendo en cuenta que la toma de las fotografías se realizaría de forma automática utilizando el software Pix4Dcapture, el cual tomaría las fotografías cada metro que el piloto moviera el cuadricóptero tanto en el eje vertical como en el eje horizontal.
Imagen 11 – Fotografía del afloramiento con los planos de estratificación y fractura representados. Plano FR_1: Plano de fractura 1. Plano TR_1: Plano de estratificación – techo 1
Tabla de mediciones estructurales tomadas con brújula de mano en afloramiento real
Nombre del plano Dirección de buzamiento / Buzamiento Plano de fractura 1 (FR_1) 111° / 69° 100° / 68° 104° / 69° 101° / 70°
Plano de estratificación (Dato tomado en techo) (TR_1)
340° / 11° 340° / 10° 343° / 11°
Dibujo 1 – Afloramiento de campo con la representación de los diferentes planos medidos con brújula de mano
La primera adquisición de fotografías que se desarrolló en el afloramiento seleccionado se hizo mediante tres vuelos, cada uno de estos con características diferentes; sin embargo, los tres vuelos fueron realizados de forma manual, con disparos automáticos de la cámara (toma de las fotografías) cada 1 metro que el piloto movía el cuadricóptero tanto de forma horizontal como vertical. Esta automatización de la toma de las fotografías la desarrollaba el programa Pix4Dcapture.
El primer vuelo se hizo principalmente de forma horizontal. Se empezó en el extremo inferior izquierdo del afloramiento y finalizo en el extremo superior derecho del mismo. De tal forma que los brazos o mangas más largos del primer vuelo estaban en el eje horizontal (ver esquema 1).
El segundo vuelo se inició, de igual forma que el primero, en el extremo inferior izquierdo del afloramiento y finalizó en el extremo superior derecho del mismo. Al contrario del primer vuelo, en este, el segundo vuelo, los brazos más largos se encontraban en el eje vertical (ver esquema 2). Durante el desarrollo, tanto en el primero como en el segundo vuelo, la cámara del cuadricóptero se encontraba en posición perpendicular a la superficie del afloramiento.
El tercer y último vuelo de la primera adquisición se inició en el extremo inferior izquierdo del afloramiento y termino en el extremo superior derecho, teniendo sus brazos más largos en el eje horizontal (ver esquema 1). En el tercer vuelo la cámara del cuadricóptero se encontraba inclinada levemente hacia arriba, de tal forma que los planos que estaban mayormente sobresalientes (planos medidos como techo en el campo) pudieran ser identificados.
En esta primera adquisición se recolectaron 699 fotografías en total, 251 en el primer vuelo, 215 en el segundo vuelo y 258 en el tercer vuelo. El total de las fotografías fue posteriormente procesado en dos programas de procesamiento de imágenes, diferentes. Uno de ellos es el anteriormente utilizado durante el proceso de “Prueba y error”, llamado Pix4Dmapper; por otro lado, el otro programa es también un procesador de imágenes profesional llamado Agisoft PhotoScan, el cual se decidió usar como reemplazo del programa ya utilizado, DroneDeploy, ya que los resultados obtenidos con este último no habían sido satisfactorios durante la fase de “Prueba y error”. Del procesamiento de las fotografías se obtuvieron dos modelos digitales 3D del afloramiento, cada uno de estos correspondiente a cada uno de los softwares anteriormente mencionados.
Esquema 1 - Adquisición de las fotografías del afloramiento, con los brazos de fotografías más largos en el eje horizontal. Los puntos azules representan fotografías tomadas con una separación de un metro
Esquema 2 - Adquisición de las fotografías del afloramiento, con los brazos de fotografías más largos en el eje vertical. Los puntos azules representan fotografías con una separación de un metro
Debido al enorme esfuerzo computacional que implicó procesar casi 700 imágenes y la consiguiente imposibilidad de realizar pruebas adicionales, se realizó una segunda adquisición de fotografías en un área menor del mismo afloramiento. En esta oportunidad se enfocó la toma de las fotografías en el área que fue posible medir con la brújula de mano, con el fin de poder comparar las mediciones obtenidas de un nuevo modelo digital tridimensional con información más compacta y concisa, con las mediciones tomadas con la brújula de mano en los planos FR_1 y TR_1, representados en el Dibujo 1 y en la Tabla 1. En la segunda adquisición se obtuvieron un total de 197 fotografías, las cuales fueron obtenidas por medio de tres vuelos tal y como se desarrollaron en la primera adquisición de fotografías.
El primer vuelo se inició en la parte inferior izquierda del trozo del afloramiento a fotografiar y finalizo en la parte superior derecha del mismo; los brazos de fotografías más largos estuvieron en el eje horizontal para este vuelo (ver esquema 1).
El segundo vuelo se inició en el extremo inferior izquierdo del afloramiento y finalizo en el extremo superior derecho del mismo, con los brazos más largos de fotografías en el eje vertical (ver esquema 2). Ambos vuelos iniciales, se desarrollaron con la cámara de forma perpendicular al afloramiento.
Por último, el tercer vuelo se desarrolló con la cámara levemente inclinada hacia arriba, iniciando en el extremo inferior izquierdo del afloramiento y finalizando en el extremo superior derecho del mismo (ver esquema 1).
La totalidad de las fotografías fue llevada al centro de computación avanzada del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes y procesadas en dos softwares de procesamiento de fotografías diferentes; estos softwares fueron los mismos que se utilizaron en el procesamiento de las fotografías de la primera adquisición.
Durante todo el desarrollo de la actividad de campo en afloramientos reales, se estuvo desarrollando las mediciones de buzamiento y dirección de buzamiento en dos planos principales, en la totalidad del afloramiento. Estos dos planos principales hacen referencia a un plano de estratificación TR_1 y a un plano de fractura FR_1. Se obtuvieron diferentes medidas en cada uno de los dos planos, las cuales están presentadas en la Tabla 1.
7.3. Trabajo en el laboratorio de computación avanzada
Al culminar la adquisición de las fotografías y datos de campo, se procedió a llevar toda la información adquirida al laboratorio de computación avanzada de la Universidad de los Andes. En las maquinas del laboratorio se instaló el software Pix4Dmapper y el software Agisoft PhotoScan, así como también el software de interpretación geológica Open Plot. Siguiendo los pasos descritos en la sección de “Herramientas”, se obtuvieron cuatro modelos del afloramiento a estudiar. Dos modelos obtenidos a partir de las 699 fotografías de la primera adquisición, ver Imágenes 12 y 13, a estos modelos se les asignó el nombre de Modelo 1 y Modelo 2, respectivamente; también se obtuvieron dos modelos a partir de las 197 fotografías de la segunda adquisición, ver Imágenes 14 y 15, a los cuales se les llamó Modelo 3 y Modelo 4, respectivamente. Sin embargo, durante el procesamiento de las imágenes en cada uno de los programas (Pix4Dmapper y PhotoScan) se pudo determinar que todos los modelos no se podían utilizar.
Imagen 13 – Modelo 2 - Diferentes vistas del modelo de 699 fotografías desarrollado en Pix4Dmapper
Imagen 15 – Modelo 4 - Diferentes vistas del modelo de 197 fotografías desarrollado en Photoscan
Usando las 699 fotografías de la primera adquisición, se obtuvo el Modelo 2 con el programa de Pix4Dmapper, el cual mostraba con claridad cada una de las partes del afloramiento, así como cada uno de sus planos (ver imagen 13), lo que lo clasificó como un modelo a seguir utilizando para el desarrollo del proyecto. Por otro lado, con el programa de PhotoScan se obtuvo el Modelo 1, pero este no presentaba una coherencia correcta entre sus fotografías; las fotografías habían sido entendidas por el software en diferentes ubicaciones, haciendo que el modelo se partiera en dos (ver imagen 12), por lo tanto, clasificándolo como un modelo que no se podía utilizar para el desarrollo del proyecto, un modelo descartado. Esto último se decidió basado en múltiples intentos fallidos que se realizaron para borrar una de las dos superficies que aparen en el Modelo 1 (ver imagen 12). Por lo tanto, utilizando las 699 fotografías de la primera adquisición, solo se pudo seguir trabajando con uno de los dos modelos que se tenían previstos para utilizar.
Usando las 197 fotografías de la segunda adquisición, se obtuvo un modelo con cada uno de los dos programas. Con el programa de Pix4Dmapper, se obtuvo el Modelo 3 (ver imagen 14). Con el programa de PhotoScan, se obtuvo el Modelo 4 (ver imagen 15). Ambos modelos representaban satisfactoriamente la realidad y se asemejaban a esta. Por lo tanto, con la información obtenida en la segunda adquisición, se pudo adquirir dos modelos digitales del afloramiento.
Los tres modelos que se obtuvieron y que se clasificaron como aptos para el uso en el desarrollo del proyecto (Modelo 2, Modelo 3 y Modelo 4), tenían primero que ser verificados en cuanto a sus características de georreferenciación. Para poder saber con certeza que los modelos eran útiles para desarrollar en ellos medidas estructurales, se tenía que conocer que tuvieran el tamaño, la ubicación y la orientación adecuadas. Para poder conocer que los modelos tenían el tamaño adecuado y real, se midieron ciertos objetos dentro del modelo a los cuales se les conocía, previamente, su longitud; por otro lado, para poder conocer que los modelos tenían tanto su ubicación como su orientación de forma correcta, se exportó cada uno de ellos como un archivo kmz y se ubicó en herramientas de visualización geográfica, en este caso se utilizó Google Earth como herramienta principal.
Después de verificar que los tres modelos cumplían con las tres características de un modelo georreferenciado, se procedió a exportar cada uno de ellos como un archivo obj, que permitiera poder utilizar el modelo en algún programa de mediciones geológicas estructurales.
Se decidió utilizar el programa Open Plot para realizar las mediciones estructurales de los tres modelos previamente obtenidos. Este es un software descargable y sin costo, para generar planos o líneas sobre superficies creadas previamente e importadas con características de archivos en formato obj y poder obtener información como orientación (dirección de buzamiento) e inclinación (buzamiento) de planos y líneas.
Durante el proceso de importación de cada uno de los modelos dentro del programa Open Plot, ocurrieron varios altibajos y errores. El primero de ellos fue identificar que los modelos provenientes del programa Pix4Dmapper no eran importables dentro del programa Open Plot, ya que este no entendía el modelo como un archivo con textura. Esto llevó a descartar el uso de los modelos provenientes de Pix4Dmapper (Modelo 2 y Modelo 3) y dejar como única opción de medida al único modelo proveniente del programa PhotoScan, el Modelo 4. A diferencia de los otros dos modelos provenientes de Pix4Dmapper, el modelo de PhotoScan fue importable dentro del programa de Open Plot; los triángulos, texturas y demás características pudieron ser importados en el software Open Plot y de esta forma se pudo proseguir con las diferentes mediciones de los planos.
Al generar las mediciones dentro del programa en cada uno de los planos que se deseaban medir del Modelo 4, el plano de estratificación (medido como techo en el campo) y el plano de fractura, se obtuvieron ciertos valores que no coincidían con los obtenidos con la brújula de mano en el afloramiento real (ver tabla 2). Después de observar las diferentes características del Modelo 4, se identificó que el modelo estaba mal orientado, ya que presentaba una inclinación incorrecta hacia adelante y las capas no estaban buzando en la dirección real, algo que no se pudo prever con la herramienta Google Earth. Por lo tanto, se decidió volver a desarrollar otro modelo digital del afloramiento, pero en esta oportunidad no con la totalidad de las fotografías de la segunda adquisición (197 fotografías), sino solo utilizando una pequeña parte de la información fotográfica.
Tabla de comparación de valores de mediciones reales (tomadas con brújula de mano) Vs. digitales (tomadas dentro del modelo digital tridimensional) (Modelo 4)
Mediciones reales
Mediciones digitales
Plano de fractura (Plano FR_1 y Plano FD_1)
111° / 69° 100° / 68° 104° / 69° 101° / 70° 107° / 88° 109° / 88° 107° / 88° 111° / 88°
Plano de estratificación (Mediciones de techo) (Plano TR_1 y TD_1) 340° / 11° 340° / 10° 343° / 11° 165° / 20° 159° / 21° 162° / 20°
Tabla 2 – Comparación de mediciones reales y digitales del Modelo 4
Fue necesario llevar a cabo una inspección del total de las fotografías de la segunda adquisición y escoger aquellas en las cuales aparecía el área de interés en la cual se quería enfocar el proyecto. Esta área de interés estaba basada en aquel lugar en el cual aparecían los planos que se pudieron medir en el afloramiento real con la brújula de mano, para de esta forma poder comparar las mediciones reales con aquellas obtenidas en Open Plot con el modelo digital.
Primero se intentó generar un modelo tridimensional solamente con las fotografías del primer y segundo vuelo de la segunda adquisición; al obtener el modelo, este no cumplía con las características correctas de georreferenciación, ya que presentaba una inclinación hacia adelante. Luego, se intentó generar un modelo con las fotografías del primer y tercer vuelo de la segunda adquisición, pero los resultados fueron los mismos. Por último, se decidió generar un modelo tridimensional utilizando no más que las fotografías del primer vuelo de la segunda adquisición, y únicamente aquellas que enfocaban el área de interés. Los resultados fueron satisfactorios y se decidió trabajar solamente con esta porción de la información fotográfica de la segunda adquisición.
Se identificaron 20 fotografías del primer vuelo de la segunda adquisición, para el desarrollo del nuevo modelo digital. Como se había identificado que los Modelos 2 y 3, obtenidos en el programa de Pix4Dmapper no eran importables dentro del programa de medición Open Plot, se decidió utilizar únicamente el programa de PhotoScan para el procesamiento de las 20 fotografías seleccionadas para este nuevo modelo, el cual se le asignaría el nombre de Modelo 5. Posterior al procesamiento de las imágenes y a la obtención del Modelo 5, el cual estaba debidamente calibrado en tamaño, ubicación y orientación, se procedió a su exportación como un archivo de formato obj y a su importación dentro del programa Open Plot.
Se desarrollaron varias mediciones tanto en el plano de estratificación como en el plano de fractura. Las mediciones concordaban con las mediciones tomadas en campo con la brújula de mano en el afloramiento real (ver tabla 3).
Tabla de comparación de valores de mediciones reales Vs. digitales (Modelo 5)
Mediciones reales Mediciones digitales
Plano de fractura (Plano FR_1 y FD_1)
111° / 69° 100° / 68° 104° / 69° 101° / 70° 097° / 71° 094° / 69° 096° / 70° 095° / 69° 097° / 70°
Plano de estratificación (Mediciones de techo) (Plano TR_1 y TD_1) 340° / 11° 340° / 10° 343° / 11° 329° / 16° 331° / 16° 328° / 16° 331° / 15° 324° / 19°
Tabla 3 – Comparación de las mediciones reales y digitales del Modelo 5
Posteriormente a obtener los datos que ayudarían a verificar que el Modelo 5 se encontraba debidamente georreferenciado, a los cuales se les denominó datos de calibración, se dispuso a medir múltiples planos tanto de estratificación como de fractura dentro del Modelo 5. Esto último se desarrolló con el fin de alcanzar el objetivo de este proyecto, el cual se basa en poder obtener información geológica estructural de planos que no se pueden alcanzar con una brújula de mano en el campo. Observando la Imagen 11, se pueden ver múltiples planos de estratificación y fractura que no se pueden llegar a medir en campo debido a su altura o a la imposibilidad de llegar a estos, por lo tanto, se tomó ventaja del Modelo 5 y se desarrollaron diferentes mediciones en estos planos inaccesibles. Después de obtener las mediciones de dichos planos, se procedió a graficar las mediciones obtenidas en los planos FR_1 y TR_1 en campo con la brújula de mano, las mediciones de calibración obtenidas dentro del Modelo 5 en los planos FD_1 y TD_1 y las múltiples mediciones de otros planos de estratificación y fractura que aparecían dentro del Modelo 5 (a estas mediciones se les llamo, medidas extra). Se decidió realizar esto último ya que la estratificación del afloramiento presentaba planos casi paralelos (lo que podría guiar en la obtención de información correcta) y también, para identificar la tendencia de los planos de fractura predominantes.
8. Resultados
Tomando los resultados obtenidos en el proceso de “Trabajo en el laboratorio de computación avanzada”, se pudieron generar algunos diagramas conocidos como Proyecciones estereográficas para graficar y comparar las mediciones obtenidas con la brújula de mano, con las mediciones obtenidas utilizando el programa Open Plot en los modelos digitales tridimensionales (Modelo 4 y 5).
Antes de graficar los valores de las mediciones en las proyecciones, se creó una nomenclatura para poder definir cada uno de los planos medidos tanto de forma real como de forma digital; la nomenclatura es la siguiente:
- FD_1 = Fractura digital 1 - FR_1 = Fractura real 1 - TD_1 = Techo digital 1 - TR_1 = Techo real 1
Los Planos FR_1 y TR_1 están representados en la Imagen 11. Por otro lado, los Planos FD_1 y TD_1 hacen referencia a los planos medidos en los Modelos 4 y 5, como datos o mediciones digitales (ver tablas 2 y 3).
Para desarrollar la proyección estereográfica que compare las mediciones reales y digitales del Modelo 4, se utilizaron los valores que se encuentran representados en la Tabla 2.
Imagen 16 – Proyección estereográfica con los valores de las mediciones tanto reales como digitales del Modelo 4. La barra roja representa la separación entre los promedios de las mediciones reales y digitales de un mismo plano
En la imagen 16, se puede apreciar el plano de fractura y el plano de estratificación (techo) medidos tanto con la brújula de mano en el afloramiento real, como con el programa Open Plot en el Modelo 4. Cada plano tiene un color que ayuda a representar su ubicación dentro de la proyección. Se puede apreciar dentro de dicha proyección estereográfica que la barra de separación entre los promedios de las mediciones reales y digitales es bastante larga, lo que deja de manifiesto que efectivamente el Modelo 4 presentaba un error en su orientación, debido a su inclinación.
Por otro lado, para desarrollar la proyección estereográfica que compare las mediciones tanto reales y digitales del Modelo 5, se utilizaron los valores que se encuentran en la Tabla 3.
Imagen 17 – Proyección estereográfica con los valores de las mediciones tanto reales como digitales del Modelo 5. La barra roja representa la separación entre los promedios de las mediciones reales y digitales de un mismo plano
En la imagen 17, se graficaron los polos de los planos medidos tanto con la brújula de mano (planos reales), como con el programa de medición estructural Open Plot (planos del Modelo 5). Cada plano tiene un color para facilitar su ubicación dentro de la proyección estereográfica del Modelo 5. Como se puede observar en esta proyección estereográfica la barra de separación entre las mediciones reales y digitales de cada plano es muy corta, lo que deja claro que el Modelo 5 es correcto y los datos digitales se acercan a la realidad.
Utilizando los valores de las mediciones desarrolladas en cada uno de los planos, con la brújula de mano y en cada uno de los modelos digitales (Modelo 4 y 5), se calculó el promedio de los valores de las mediciones de cada plano y se obtuvo la siguiente tabla (ver tabla 4):
Promedio de los valores de las mediciones por plano Mediciones afloramiento real Mediciones digitales Modelo 4 Mediciones digitales Modelo 5 Plano de fractura (FR_1 y FD_1) 104° / 69° 108° / 88° 096° / 70° Plano de estratificación (TR_1 y TD_1) 341° / 11° 162° / 20° 329° / 16°
Tabla 4 – Promedio de los valores de las mediciones por plano tanto en el afloramiento real, como en cada uno de los modelos digitales, Modelo 4 y Modelo 5
Como parte final de los “Resultados”, se decidió tomar múltiples mediciones en diversos planos de fractura y de estratificación dentro del Modelo 5, teniendo en cuenta que este modelo fue el único que cumplió con las tres características (tamaño, orientación y ubicación) de un modelo digital tridimensional georreferenciado.
Las mediciones de dirección de buzamiento y buzamiento se realizaron utilizando el programa Open Plot en los diversos planos de fractura que se encontraban en el afloramiento digital del Modelo 5 (ver imagen 18). A estas mediciones se les denominó, mediciones de Fractura Extra (ver imagen 20).
Imagen 18 – Representación de las mediciones realizadas en los planos de fractura con el programa Open Plot, dentro del Modelo 5
Por otro lado, también se desarrollaron varias mediciones estructurales en los planos de estratificación del Modelo 5 (ver imagen 19). Hay que tener en cuenta que los planos de estratificación que se pudieron identificar dentro del modelo digital únicamente fueron aquellos que en el campo se denominarían, planos medidos como techo; aunque esto sea una característica propia del afloramiento real, no implica una alteración o cambio en los
resultados de las mediciones dentro del programa Open Plot. A estas mediciones se les denominó, mediciones de Estratificación Extra (ver imagen 20).
Imagen 19 – Representación de las mediciones realizadas en los planos de estratificación con el programa Open Plot, dentro del Modelo 5
En total se midieron, 40 datos estructurales en planos de estratificación y 37 datos estructurales en planos de fractura, dentro del Modelo 5. Las mediciones digitales de los múltiples planos de estratificación y fractura del Modelo 5 y las mediciones reales del afloramiento, están representadas en le Tabla 5.
Mediciones totales, digitales y reales, de los planos de estratificación y fractura (Modelo 5)
Mediciones reales Mediciones digitales
Planos de estratificación 340° / 11° 340° / 10° 343° / 11° 327° / 17° 323° / 16° 325° / 16° 334° / 15° 329° / 17° 334° / 18° 328° / 18° 328° / 16° 325° / 23° 342° / 15° 331° / 14° 337° / 17° 331° / 17° 339° / 19° 333° / 17° 330° / 17° 327° / 17° 337° / 16° 336° / 19° 339° / 16° 334° / 17° 341° / 19° 341° / 16° 340° / 18° 335° / 17° 319° / 16° 334° / 18° 327° / 17° 329° / 15° 332° / 19° 328° / 19° 331° / 16° 322° / 21° 306° / 14° 330° / 18° 330° / 21° 327° / 18° 341° / 15° 330° / 18° 332° / 18° Planos de fractura 111° / 69° 100° / 68° 104° / 69° 101° / 70° 099° / 69° 098° / 72° 094° / 68° 092° / 71° 093° / 62° 104° / 74° 104° / 80° 112° / 79° 082° / 75° 084° / 70° 096° / 71° 097° / 69° 111° / 82° 104° / 82° 104° / 76° 096° / 72° 110° / 82° 112° / 82° 161° / 75° 159° / 80° 115° / 81° 191° / 86° 184° / 86° 180° / 89° 211° / 89° 192° / 78° 171° / 84° 113° / 84° 120° / 87° 109° / 84° 179° / 78° 105° / 84° 170° / 78° 178° / 79° 194° / 73° 185° / 87° 187° / 71°
Tabla 5 – Datos de las mediciones digitales realizadas en múltiples planos de estratificación y fractura dentro del Modelo 5, también aparecen los datos de las mediciones realizas con brújula de mano en planos de estratificaron y fractura en el
afloramiento real. Los datos presentes en esta tabla son los datos representados en la Imagen 20
Las mediciones extra desarrolladas se graficaron en una proyección estereográfica junto con las mediciones estructurales tomadas con brújula de mano en el afloramiento real, tanto en planos de estratificación como en planos de fractura y también, junto con las mediciones digitales tomadas dentro del Modelo 5 que se usaron como datos de calibración. Con esta proyección estereografía, se pudo aseverar que la implementación del método es válida y que las mediciones digitales tomadas dentro de un afloramiento tridimensional obtenido a partir de fotografías se acercan a las mediciones tomadas con métodos clásicos en un afloramiento real.
