1. Posiciones del escáner y zonas de captura. Ba-rrido con el escáner en posición de eje vertical, enposición de eje trasversal y posición de eje longitu-dinal. Control de la captura de datos a través de unordenador portátil.

82 MÉTODOS V PROCESOS PARA EL LEVANTAMIENTO DE RECONSTRUCCiÓNtG1 TRIDIMENSIONAL GRÁFICA DE ELEMENTOS DEL PATRIMONIO CULTURAl.

LA IGLESIA DE SANT SEVER DE BARCELONAAndrés de Mesa GisbertJoaquín Regot MarimónMa Amparo Núñez AndrésFelipe Buill Pozuelo

Levantamientos de objetosde interés Patrimonial.Áreas de aplicación

Un "levantamiento" se realiza pa-ra poder establecer el conocimientométrico y formal de un edificio, mo-numento, yacimiento arqueológico opieza escultórica. El término levan-tamiento se utiliza en todas las labo-res relacionadas con la toma de datosde un objeto más o menos complejocon el fin de obtener su representacióngráfica (Cramer, 1986; Almagro,2004; Buill et al., 2007)_

En arquitectura y arqueología loslevantamientos son necesarios paraconocer el estado del edificio desde unpunto de vista amplio y genérico. Larepresentación de un edificio en unmodelo, a partir de un proceso siste-mático de "levantamiento" es un ob-jetivo prioritario en la catalogación depatrimonio arquitectónico, para po-der conocer con el máximo detalle

aquellos parámetros que permiten es-tablecer con gran fidelidad las medi-das y las formas del objeto que se de-sea catalogar,

La utilización del escánerláser en los levantamientosde arquitectura, esculturao arqueología

Los levantamientos se pueden rea-1izar mediante técnicas y herramientastradicionales, es decir, a partir de laelaboración de croquis, bocetos o di-bujos que con la ayuda de cintas mé-tricas, plomadas, clinómetros, etc.(Arias et al., 2007; Pavlidis et al.,2007) permiten establecer los datosmétricos necesarios para definir y co-nocer el objeto. Sin embargo, este pro-ceso requiere de mucho tiempo paragenerar una documentación gráficaque se pueda utilizar en una cataloga-ción precisa de elementos arquitectó-nicos, arqueológicos o de escultura.

Los instrumentos utilizados en lostrabajos de topografía tal como las es-taciones totales, han sido instrumen-tos que han facilitado la labor de le-vantamiento de edificios y han

permitido una mayor precisión métri-ca. Actualmente, se trata de aparatosque permiten el almacenamiento de lasobservaciones e incluso incorporar to-

mas fotográficas y la medida automá-tica de puntos en el área seleccionadapor el operario, redundando en el ren-dimiento y en la eficacia de los traba-jos de levantamiento.

ILa aparición del escáner láser en

las tareas de obtención de datos, es-ta cambiando la manera con la que sevienen desarrollando las técnicas detopografía para ~llevantamiento te-rrestre dirigido al campo del urba-nismo y el de la arquitectura. Las ca-racterísticas más importantes queaportan los sistemas de láser escánerson (Núñez y Buill, 2008):

• La adquisición masiva de datos tri-dimensionales en poco tiempo; se cap-turan miles de puntos por segundo.

• Realizan mediciones tridimensio-nales de alta precisión de largo ycorto alcance. Los escáneres te-rrestres de largo alcance (uso ur-bano o arquitectónico), permitenrealizar mediciones a 400m de dis-tancia con una fiabilidad métricade desviaciones máximas entre 1 y2cm. En el caso de escáneres te-rrestres de corto alcance que em-plean el método de triangulación

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2. Nubes de puntos capturadas por el escáner y uni-das con la misma referencia espacial. Imágenes pa-norámicas capturadas por la cámara del escáner mos-trando el ámbito de captura de dos de los barridosrealizados por este instrumento.

óptica, utilizados en la medición deesculturas u objetos pequeños, lasprecisiones de medida pueden lle-gar a centésimas de milímetro pa-ra una sola toma y décimas de mi-límetro al unir varias.

• La captura de datos se realiza en laventana que selecciona el operador.Así mismo se selecciona el paso demalla horizontal y vertical. Todaslas medidas quedan referidas a unsistema relativo propio del instru-mento para cada estación.

• Para cada punto además de su posi-ción tridimensional (x, y, z) se re-gistra la reflectividad, lo que facili-ta la clasificación de materiales, y enel caso de disponer de cámara digi-tal su color.

Con estas características, el traba-jo de campo no sólo se puede realizarcon más agilidad y rapidez, sino quese puede obtener una gran cantidadinformación métrica mente muy pre-cisa, que si se procesa adecuadamen-te da como resultado una base gráfi-ca y analítica muy completa del objetoque se ha escaneado.

Metodología de utilización delescáner láser

Este tipo de aparato de medición uti-liza la emisión de un rayo láser parapoder determinar la posición de lospuntos de un objeto en el espacio. Eltiempo de respuesta entre el momen-to de la emisión y la reflexión del ra-yu láser sobre el objero al origen lidinstrumento, permite establecer la dis-tancia y posición del punto escaneado(Baltsavias, 1999). Como en el casotopográfico y fotogramétrico se pro-

ducen obstrucciones que impiden lacaptura total del modelo. Como con-secuencia es necesario realizar la tomade datos, desde diferentes posicionespara poder tener el modelo. A este pro-blema, se le suman las limitaciones delcampo "visual" que es capaz de barrerel escáner con el rayo láser. Esta limi-tación depende del diseño del mode-lo de escáner que se utilice.

La necesidad de realizar la toma dedatos desde diferentes posiciones, conun escáner láser, obliga a tener encuenta que, para relacionar las nubesde puntos de cada una de las tomas,es necesario establecer unos puntosde referencia en el espacio que pue-dan ser reconocidos por el instru-mento en cada una de las distintascapturas. Estos puntos se consiguen,emplazando unos cilindros o discosreflectantes, (dianas), sobre el espa-cio que se va a barrer con el láser. Es-tas posiciones, que necesariamente de-ben ser comunes para todas las nubesde puntos realizadas, permiten unirdiferentes capturas en el post proce-so de gestión de datos. La finalidades obtener un único modelo con todala información recogida en un sóloconjunto de posiciones 3D.

Aplicación de la técnica delevantamiento con escánerláser en la iglesia deSant Sever de Barcelona.(Toma de datos)

Para realizar cl Icvantamicnro delespacio arquitectónico de los retablosde la iglesia de Sant Sever se utilizó unescáner láser Riegl Z420i capaz de es-tablecer una precisión de10mm a 50m

de distancia (Riegl, 2008). El campovisual de su sistema láser en capturascon eje de giro vertical es de barridohorizontal completo 360°, y con unaamplitud limitada a 80° en barrido ver-tical (Fig. 1).

Para resolver la obtención de datosdel espacio de Sant Sever, teniendo encuenta la cobertura del haz luminosodel aparato y sus medidas, se estable-ció un plan de trabajo que consistió enprever 4 bases de posicionamiento delescáner para poder cubrir toda la na-ve de la iglesia. Se situaron 11 dianasde control, a las que se dio coordena-das mediante una estación total de me-dida sin prisma en un sistema de re-ferencia establecido para toda la nave.Así mismo se observaron puntos sig-nificativos del retablo, que junto conlas dianas permitieron la transforma-ción de los diferentes barridos a un sis-tema de referencia único.

En cada una de las 4 bases de esta-cionamiento del aparato, se realizaron3 tomas:

• una primera toma, con el escáner enposición vertical,

• una segunda con el eje del escáneren posición horizontal y coinciden-te con el eje longitudinal de la nave,

• y una tercera posición con el eje deescáner también en posición hori-zontal y transversal respecto a la na-ve de la iglesia (Fig. 2).

En cada posición del escáner se rea-lizó una primera toma de datos con unpU:Jode malla de O.04m, una se5undatoma con una resolución del doble dela anterior, y una tercera roma de de-talle correspondientes a los retabloscon un paso de malla O.Olm.

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Aplicación de la técnicade levantamiento conescáner láser en la iglesia deSant Sever de Barcelona.(Estructuración de datos)

La unión de las nubes de puntos ob-tenidas se puede realizar de diversas ma-neras. La más habitual, es utilizandodianas de control. Sin embargo, la exis-tencia del pan de oro recubriendo losretablos produce valores de reflectan-cia similares al de los cilindros de con-trol, por lo que no fue posible la apli-cación de esta metodología. Por estarazón, para realizar la unión de los pun-tos de las diferentes capturas, se utilizóla técnica de orientación tres planos co-munes. Esta técnica consiste en tomaruna primera nube como referencia res-pecto a todas las demás, y determinarsobre ella tres planos que luego sean co-munes para todas las demás (RG Poly-works, 2008). De esta manera, la re-ferencia común para todas las nubes depuntos se convierte en una caja espa-cial, que determina, la orientación delas demás mediante los tres planos quela definen. La precisión de todo el con-junto dependerá del número de puntoscon el cual se determina cada uno deestros tres planos para cada caso.

Este procedimiento permitió gene-rar las transformaciones precisas deposición y orientación para cada unade las 12 nubes realizadas con un errortotal s de 9mm para todo el conjunto.De esto modo, se consiguió el modeloespacial completo de Sant Sever con

57215404 de pumas en un mismo sis-tema coordenada.

La eliminación de puntos redun-dantes, es decir aquellos que debido ala unión de nubes son coincidentes en

3. Modelado virtual de la bóveda. Comparación en-tre la nube de puntos y las superficies geométricasque determinan la bóveda. Análisis de los resultadosde las desviaciones entre el modelo virtual y la cap-tura de puntos del escáner en un tramo de la bóveda.4. Modelo del conjunto de capturas de puntos en vi-sión axonométrica tridimensional.

el espacio, es un procedimiento quepermite una mayor agilidad en la ges-tión de los datos. Por otro lado, la se-lección y clasificación de los datos una

vez obtenida la nube final va a permi-tir establecer la capacidad de repre-sentación del modelo tridimensionalfinal y con ello la posibilidad de gene-rar imágenes de todo tipo.

Extracción, utilización yaplicación de la informacióntridimensional obtenida dela iglesia de Sant Severde Barcelona

Las aplicaciones que puede tener eluso de la información tridimensionalobtenida en la iglesia de Sant Severmediante un escáner láser pueden sermuy diversas.

Dos son los niveles de definición delmodelo tridimensional que se puedendesarrollar a partir de los datos de quese dispone. El primero, es trabajar di-rectamente con un modelo de puntos3D a partir del ensamblaje de las di-versas nubes de puntos obtenidas porlos diferentes barridos de escáner (Fig.3). El segundo, y más optimo, consis-te en materializar cada ¡una de las su-perficies definida por laisdistintas po-siciones tridimensiona es de puntos,hasta conseguir un modelo generadovirtualmente ya no por puntos sino porsuperficies (Fig. 2). Sin embargo, estesegundo procedimiento requiere de untiempo de elaboración mucho más lar-go. Por otro lado, debido a las carac-terísticas del instrumento con la que sehan realizado los barridos de escáneren Sant Sever, este segundo procedi-miento no se puede aplicar a los pe-queños detalles de las esculturas y delos retablos, pero es perfectamente via-ble para toda la arquitectura y cual-quier objeto de escala mediana.

En nuestro caso, a modo de ejemplo,se ha optado por modelar la cubierta,(bóveda) de: la igk~ia. Pra llevar a ca-bo esta labor se selecci09aron los datosde las nubes de puntos entre la cota 9.15y 14.50. Esto permitió t~abajar con labóveda en un solo archivo y aplicar los

5. Visualización de datos en proyección ortogonal. Vis-ta desde arriba de una sección que muestra la plan-ta de la iglesia.6. Visualización de datos en proyección ortogonal. Vis-ta desde abajo de una sección que muestra la bóve-da interior de la iglesia.7. Visualización de datos en proyección ortogonal. Vis-ta desde la derecha de una sección que muestra elalzado lateral izquierdo de la iglesia con dos de los re-tablos menores.

análisis geométricos necesarios de ma-nera unitaria con el fin de obtener losdatos de las formas que lo componen.

A partir de las secciones transversa-les y longitudinales de la bóveda, obte-nidas con programas informático s degestión de nubes de puntos, se realizó elanálisis de las curvas obtenidas para de-finir las superficies de los arcos forme-ros y de los lunetas transversales.

Cada uno de los tramos de bóveda seresolvió a partir de la generación de ci-lindros en el caso de las superficies lon-gitudinales. Para la definición de los lu-netas se aplicaron extrusiones sobre losarcos apuntados. La intersección de es-tas superficies permitió realizar un pri-mer análisis, con programas de CAD.Estas superficies posteriormente se ajus-taron métrica y formalmente. De estemodo, se pudo conseguir un modelo vir-tual que permitió establecer el estado dela bóveda del edificio al compararlo conel modelo real (Fig. 3).

Este trabajo, aún en vías de investi-gación y desarrollo, pretende mostrarcomo se puede completar Iainforma-ción que es necesaria, para obtener unacatalogación del edificio que sobre to-do cuente con la localización y las me-didas exactas de todos los elementosque lo componen.

Bien sea a través de la nube de pun-tos O superficie se obtiene un modelovirtual tridimensional de la iglesia deSant Sever Que contiene una informa-ción realmente abundante sobre su for-ma y el espacio que define. Las dos

5

propiedades más importantes con lasque cuenta este modelo tridimensionalson: por un lado, la precisión métricacon la que está desarrollado, aproxi-madamente 3cm. Por otro lado, la re-producción de las formas del edificioy de todo su contenido en el modelovirtual, realmente se desarrolla con ungran detalle, gracias a su carácter tri-dimensional y a la reproducción fide-digna de la apariencia de sus materia-les a partir del color que tiene asociadocada una de los puntos que lo definen(Ullrich et al., 2001) (Fig. 4).

Al disponer de las coordenadas pa-ra cada punto del modelo, podemos ob-tener cualquier tipo de información en2D que permite extraer las medidas deledificio. Por ejemplo, podemos obteneruna planta (Fig. 5), una planta de cu-biertas (Fig. 6), una sección longitudi-nal o transversal (Fig. 7) ya que es unproceso inmediata. Esta aplicación, queen la escala de arquitectura, permite con-tar con una cuantificación métrica deledificio muy detallada, se puede utilizarpara estudiar el estado de conservaciónde la obra y de su estructura.

También se puede aplicar a los dis-tintos retablos de la iglesia (Fig. 8),siendo de especial relevancia el reta-blo principal. Esta pieza tan singularde la iglesia de Sant Sever, puede serperfectamente reproducida en una vis-ta ortogonal de tipo frontal, que noes otra cosa Que su alzado (Fig. 9). Loque permite tener una descripción mé-trica completa de todo su contenido,

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tG1este tipo de representación es seme-jante a la ortofotografía.

Por otro lado el modelo 3D tambiénpuede ser utilizado para elaborar vis-tas tridimensionales del conjunto o decualquiera de sus partes, con cualquierpunto de vista y con cualquier tipo deproyección. Es decir, en perspectiva có-nica (Fig. 10) o en axonometrÍa (Fig.4) y desde posiciones reales o ficticias.Además, la ventaja de este tipo de vis-tas es que pueden ser estáticas o des-arrollarse con movimiento reprodu-ciendo cualquier tipo de secuencia.

Un levantamiento tridimensional me-diante un sistema láser, con las caracte-rísticas que se han descrito, como en elcaso de la iglesia de Sant Sever o en cual-quier otro, demuestran la eficacia, la ra-pidez, y la precisión de la informaciónque se puede obtener de un edificio com-plejo. La calidad y la cantidad de la in-formación que se puede extraer con es-te sistema, definitivamente permiterealizar valoraciones cuantitativas y cua-litativas exhaustivas del objeto tratado.

En este sentido, la posibilidad de versimultáneamente, a escala, con los co-lores de los materiales, y en tres dimen-siones, la arquitectura y los retablos quecontiene, nos permite percibir la rela-ción tan intima que existe entre estosdos elementos tan característicos de laarquitectura del sigo XVIll. Una relación,que por la escala yel tamaño con el quese desarrollan en Sant Sever,permite des-cubrir, como la arquitectura se convier-te definitivamente en aquel el espacio enel que se desarrolla el retablo como elverdadero protagonista de la escena. Es

más, se entiende cómo el retablo sin laarquitectura del edificio que lo contie-ne no tiene sentido, y al mismo tiempo,cómo el espacio de la arquitectura sinretablos queda inerte.

8. Visualización de datos en proyección ortogonal. Lá-mina de vistas ortogonales con especial incidenciagráfica en los retablos de la capilla. Esta lámina es unade las ocho que se mostraron en la exposición de re-tablas 'TArt del retaule a Catalunya" en el Museo deArte de Girona durante el último semestre del 2006.

EL. ESPACIO DEL RETABL.O EN LA ARt;;lUITECTURA. LA IGLESIA DE SANT SEVER EN BARCELONAMtTOOO~ y PFlQCE~O!JPARA r:L L.I[VANTA""II!:~ITODI!: RItCO'¡OTRUc:c,6u TRIDIMEN!l'DH .••.L GRÁ",CA DII!: t.:Lt.:MItNTO~ DEL PATRIMONiO CUL.TUR ••••...

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ANORÉS DE MESA GISBERT

9. Vista del retablo en alzado frontal. Trazado grá-fico y determinación métrica a partir de los datosobtenidos por el escáner.10. Posibilidades de visualización tridimensionalen perspectiva. Imagen creada mediante nubesde puntos que conforman el espacio arquitectó-nico de los retablos de la iglesia de Sant Sever.

AgradecimientosLa utilización del escáner láser

Riegl LMS-Z420i para realizar estetrabajo ha sido posible gracias a la ce-sión del aparato por parte del Centrede Polítiques del Sol i Valoracions quedirige el catedrático Josep Roca Cla-dera y a su Laboratori de ModelatVirtual de la Ciutat.

Agradecemos los consejos prácticosy el asesoramiento técnico brindadopor el Sr. Alejandro Marambio para lasuma de las diferentes nubes de pun-tos de este trabajo. Y a Ernest Redon-do por su aportación al gráfico del re-tablo con los dibujos de las imágenes.

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