Sistema óptico de monitoreo continuo: DEFOX ®

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 90)

Roberto J. Luis Fonseca. Dr. Ing. Caminos, Canales y Puertos Grupo Geobrugg
Carles Raïmat Quintana. Dr. Ing. Geología. Grupo Geobrugg
Julio Prieto Fernández. Ing. Minas. Grupo Geobrugg
Felix Blumenschein. Dr. Lic. Matemática. Geopraevent
Juan Altimir Planes. Geólogo. Geoconsult Andorra
Marc Heredia. Ing. Caminos, Canales y Puertos. Grupo Heracles

Descripción de la cámara del sistema óptico para el control de la deformación

El sistema utilizado permite realizar un análisis óptico automatizado de posibles deformaciones e inestabilidades a largo plazo en superficies de roca, suelo y hielo basado en imágenes de alta resolución y un método óptico que permite la comparación automática de imágenes de alta resolución, tomadas de cerca, pero a una distancia segura con una precisión centimétrica (<3cm/día). Para realizar un análisis deformacional adecuado, es preciso conseguir una buena visibilidad del área de estudio junto con estructuras identificables y predefinidas como áreas estables.

Análisis de deformación automatizado

El software para el control de la deformación facilita una identificación y cuantificación rápida y sencilla del movimiento del terreno dentro de un área inestable. Geopraevent ha desarrollado un algoritmo avanzado para el análisis de las deformaciones sobre la base de datos ópticos. El análisis de deformación determina los desplazamientos de subpíxeles entre dos imágenes, con respecto a las dos componentes de deformación perpendiculares a la dirección de visualización. El proceso implica la correlación-comparación automática de pares de imágenes adecuados, con ayuda de un algoritmo complejo.

Para garantizar una información confiable, el área en movimiento requiere el tamaño de al menos algunos píxeles. Las deformaciones se pueden proyectar en un modelo de elevación digital del terreno (MDT) y convertirlas de pixeles a milímetros. En gran medida, la calidad del análisis deformacional depende de la visibilidad, contraste, resolución y selección automática de la imagen más adecuada, respectivamente.

Se utilizan cámaras (fig. 1) de alta resolución (42 megapíxeles) combinadas con la técnica HDR (High Dynamic Range). El procesamiento HDR es ventajoso para establecer un mejor control manual del usuario, permite optimizar las condiciones de iluminación, al generar más contraste. De forma autónoma la cámara capta imágenes del área monitoreada, varias veces al día y las transmite a los servidores para el análisis deformacional y su preparación para la representación en el portal de usuario.

El intervalo de análisis se puede seleccionar según sea necesario. Por lo general, el análisis de deformaciones se calcula todas las noches y se carga en el portal de datos on-line, a la mañana siguiente. Se puede acceder a los análisis de deformación, todas las imágenes, así como las imágenes en vivo en cualquier momento a través del portal.

Manejo básico de las imágenes HDR de alta resolución

El visor de imágenes del portal de datos se utiliza para la comparación de imágenes de forma manual, intuitiva y fácil utilizando las imágenes de máxima resolución, acercando o alejando partes de la imagen en pantalla (zoom). Para visualizar zonas, se puede cambiar rápidamente entre las imágenes almacenadas en caché, usando las flechas del teclado hacia la izquierda/ derecha. Además, puede seleccionar un conjunto de imágenes haciendo clic en las imágenes de la lista, mientras mantiene presionado CMD (Mac) / CTRL (Windows). Usando las flechas en la parte inferior de la imagen las flechas del teclado, la zona seleccionada, saltará directamente entre las imágenes seleccionadas.

Para verificar manualmente los cambios en detalle, puede acercar la imagen y alternar entre las imágenes (figs. 2 y 3). El nivel de aumento y la región seleccionados no cambiarán por sí mismos al cambiar entre imágenes. Se puede cambiar la ventana de selección / posición relativa de la imagen haciendo clic en la imagen, sosteniendo y arrastrando la imagen hasta que se muestre la región deseada.

Análisis de las deformaciones mediante imágenes

Como se ha descrito, el análisis de deformaciones es el resultado de la comparación de pares de imágenes pertenecientes a la fecha actual y a una fecha de referencia anterior. La figura 4 muestra una imagen del análisis deformacional del área de estudio durante la fase de instalación. La comparación inicial se realizó con imágenes con solo dos días de diferencia, logrando representar sólo movimientos muy rápidos. Las fechas que se comparan se indican en el encabezado de la imagen.

Con la acumulación de conocimiento y conjunto de datos de la región observada, se estableció un marco comparativo de 30 días (Fig. 5). Esto permitió una sensibilidad a la deformación 10 veces mayor que con la configuración inicial.

El número de días entre paréntesis en la cabecera de la imagen (figuras 4 y 5), indica el rango de aceptabilidad para maximizar la calidad general del análisis de la deformación. El resultado se traza usando tanto flechas (fig. 5 – ampliación) y códigos de colores, como proyección en la imagen original (figuras 4 y 5). El resultado se muestra en mili píxeles cada 24 horas (mili píxeles / día). La deformación de subpíxeles es el resultado de la interpolación de imágenes, la interpolación de resultados y de la expansión del intervalo. Se configuró el código de color final, de manera que:

• verde: regiones sin deformación importante
• amarillo: movimientos relativamente lentos
• rojo a azul: deformaciones importantes (hasta 3 pixeles/ día).
• áreas sin exceso de color: pérdida de correlación, debido a cambios demasiado rápidos o fuertes para seguir, es decir, grandes movimientos u objetos en rotación, o un cambio de superficie demasiado fuerte, inducido por ejemplo por una nevada (fig.7).

De forma adicional se plotean:

• flechas blancas: indican la dirección y la magnitud del movimiento del área subyacente (fig. 5 derecha).
• líneas amarillas: delimitación de áreas estables definidas manualmente, incluidas en su mayoría áreas rocosas estables en comparación el resto.
• líneas circundantes negras o blancas: regiones de interés definidas manualmente, para las cuales se calcula una velocidad de movimiento promedio y máxima. La velocidad media se indica en letras rojas en la parte superior del gráfico

Tras un análisis de resultados en conjunto con el cliente y la asistencia técnica, el 10 de febrero de 2021, se decidió redirigir la cámara más hacia la derecha (fig. 6), ya que la gravera de rocas (hasta ahora al centro de la imagen), tiene el comportamiento esperado, en tanto en cuanto los bloques están depositados siguiendo el ángulo de reposo del material y se encuentran en una posición de movimiento inminente. Sin embargo, en la zona de la derecha, que han sido objeto de estabilización con vigas de hormigón y potentes anclajes permanentes de cable, es necesario controlar la deformación, ya que la estación topográfica digital instalada, estaba reportando en esta zona movimientos milimétricos (≈ 1mm/semana) (fig. 3).

La variación deformacional del mes de febrero de 2021 se muestra en la figura 7, para la orientación definitiva de la cámara. En dicha figura, se observa claramente, la falta de correlación que se da en el área marcada debido a la ejecución de los trabajos de estabilización, con trasiego de personal y equipos en constante movimiento (ver ampliación).

La siguiente figura 8 muestra el resultado medio año después, una vez finalizadas las obras de estabilización. Las regiones estabilizadas muestran menos movimiento. Como detalle, se logra percibir la retirada de un equipo en la zona intermedia (punto negro enmarcado en rojo). Más adelante en el documento, se hace una descripción del comportamiento deformacional en el tiempo, en las diferentes zonas.

Gráfico de velocidad

Para poder hacer un análisis de la velocidad de movimiento es indispensable contar con referencias (zonas estables) dentro de la imagen, que permitan hacer una comparación racional. La división en áreas también evolucionó en la media en que se realizaban los trabajos. En una primera instancia las áreas estaban definidas como muestra la figura 9, ya que como se había explicado, en un principio se deseaba también caracterizar la gravera. A esta fecha inicial, las zonas 1 a 10 se consideraron estables, mientras el resto (11 y 12) eran potencialmente inestables.

Con posterioridad al redireccionamiento de la cámara, se estableció una nueva perspectiva como se observa en la figura 10, donde las áreas 6, 7, 8, 9 y 10 son las más importantes regiones de interés. El objetivo es claro y consiste en valorar cuan efectivas estaban siendo las medidas de estabilización antes mencionadas. Para ello controlar la velocidad media de movimiento, resulta esencial.

Las velocidades medias de movimiento registradas durante todo el año (fig. 11) se representan a lo largo del tiempo en el siguiente gráfico de velocidad. Como se puede apreciar la unidad para los valores del desplazamiento relativo, que aparece ploteado en la figura 11 es el milli-Pixel/ día, por ello es necesario hacer una calibración a partir del conocimiento del modelo digital de elevación del terreno (MDT), que permite establecer por área, los valores medios de equivalencia en milímetros/día , ver tabla 1.

La figura 12 muestra por ejemplo como en el área 9 el valor medio de desplazamiento relativo en junio (19.06.21) era de 123,99 milli-Pixel/día, que equivale a 2,7mm/día en dirección vertical y 3,7mm/día en horizontal. El valor medio, en esta misma zona, es mínimo en octubre (07.10.21) 10,27 milli-Pixel/día, [0,2mm/día en vertical y 0,3mm/día en horizontal].

Referencias

Meier, L., Wahlen S. and Kristensen, L. (2021) “Automatic Deformation Analysis with Cloud Processing of High-Resolution
Images with Examples of Veslemannen (Norway) and Trift Glacier (Switzerland)” 14th Congress Interpraevent 2021.

Meier, L., Wahlen, S., Kuster, C., Steinacher, R. (2021) “Long-term Monitoring in Bondo: over two Years of Permanent Radar Measurements at Piz Cengalo and seven Years with Debris Flow Alarm System” 14th Congress Interpraevent 2021.

Meier, L., Wahlen S. and Kristensen, L. (2018) Monitoring landslide Moosfluh. Optical deformation analysis. Geopraevent Switzerland.

Meier, L., Wahlen S. (2019) Rockfall alarm system Gumpisch, Axenstrasse., Geopraevent Switzerland.

Geobrugg-Geopraevent (2021) Cámara de deformación DEFOX® para monitoreo remoto de inestabilidades en rocas y hielo. Suiza.

Altimir, J. and Collel, X. (2020) ”Protecció enfront la caiguda de blocs rocosos al p.k. 9+250 de la CG 1, Zona de La Portalada”. Euroconsult Andorra. Principal d’Andorra.

Huertas, J.M. (2019) “Noves mesures per ampliar la seguretat a la zona de la Portalada”. Govern d’Andorra