Desarrollos para la explotación de datos integrados mediante fotogrametría y láser escáner en proyectos de patrimonio arquitectónico

La presente tesis doctoral describe los desarrollos realizados, y finalmente materializados en patentes con registro de la propiedad intelectual, para la integración de las nuevas tecnologías de documentación fotogramétrica y las bases de datos de los barredores láser terrestres, en los procesos de elaboración, redacción y ejecución de proyectos de restauración y rehabilitación arquitectónicos. Los avances tecnológicos aparecidos en control métrico, junto con las técnicas de imagen digital y los desarrollos fotogramétricos, pueden aportar mejoras significativas en el proceso proyectual y permiten aplicar nuevos procedimientos de extracción de datos para generar de forma sencilla, bajo el control directo y supervisión de los responsables del proyecto, la información métrica y documental más adecuada. Se establecen como principios, y por tanto como base para el diseño de dicha herramienta, que los desarrollos aparecidos sí han producido el uso extendido del sistema CAD (como instrumento de dibujo) así como el uso de la imagen digital como herramienta de documentación. La herramienta a diseñar se fundamenta por tanto en la imagen digital (imágenes digitales, imágenes rectificadas, ortofotografías, estéreo- modelos, estereo- ortofotografías) así como su integración en autocad para un tratamiento interactivo. En la aplicación de la fotogrametría a la disciplina arquitectónica, se considera de interés estructurar aplicaciones con carácter integrador que, con mayores capacidades de interactuación y a partir de información veraz y rigurosa, permitan completar o elaborar documentos de interés proyectual, ABSTRACT This doctoral thesis explains the developments carried out, and finally patented with intellectual property rights, for the integration of the new photogrammetric technology documentation and terrestrial scanner databases in the preparation, documentation and implementation processes of restoration projects and architectural renovation. The technological advances in metric control, as well as the digital image techniques and photogrammetric developments, can together bring a significant improvement to the projecting process, and, under the direct control and supervision of those in charge of the project, can allow new data extraction processes to be applied in order to easily generate the most appropriate metric information and documentation. The principles and, therefore, the basis for the design of this tool are that the developments have indeed produced the widespread use of the CAD system (as a drawing instrument) and the use of digital images as a documentation tool. The tool to be designed is therefore based on digital images (rectify images, orthophotos, stereomodels, stereo-orthophotos) as well as its integration in Autocad for interactive processing. In the application of photogrammetry to the architectural discipline, what interests us is to structure applications of an integrative nature which, with a greater capacity for interaction and from accurate and thorough information, enable the completion or elaboration of documents that are of interest to the project.

Análisis biomecánico del segmento de la carrera a pie de la competición en triatlón

El principal objetivo de la presente investigación fue el conocer el perfil de rendimiento técnico de los triatletas, desde un punto de vista biomecánica, en el segmento carrera a pie durante la competición en triatlón. Asimismo, como el genero y el nivel deportivo del triatleta podrían influir en su respuesta motriz durante la competicion. Para ello, se necesitaba desarrollar y validar una técnica experimental que fuera lo suficientemente precisa (validez interna), con una alta fiabilidad y con una gran validez externa (ecologica) debido al entorno de la competicion. La muestra la formaron un total de 64 deportistas: 32 triatletas participantes en la Copa del Mundo de Triatlon de Madrid-2008 (16 hombres y 16 mujeres) y 32 triatletas participantes en el Clasificatorio del Campeonato de Espana Elite (16 hombres y 16 mujeres). El análisis de la técnica de carrera de los deportistas se realizo mediante un sistema fotogramétrico en 2d que permitió calcular las coordenadas (x,y) de los centros articulares con un error de 1.66% en el eje x y de un 2.10% en el eje y. Las imágenes fueron obtenidas por una cámara que filmaba el movimiento en un plano antero-posterior del triatleta. Algoritmos basados en la DLT (Abdel-Aziz & Karara, 1971) permitieron conocer las coordenadas reales a partir de las coordenadas digitalizadas en el plano y posteriormente las distintas variables analizadas. El análisis biomecánica de la carrera se realizo en 4 ocasiones diferentes durante la competición, correspondiendo con cada una de las vueltas de 2,5 km, que el triatleta tenía que realizar. La velocidad de carrera resulto estar íntimamente ligada al nivel deportivo del triatleta. Del mismo modo, 3 de los 4 grupos analizados presentaron valores inferiores a 3 minutos 30 segundos por kilometro recorrido, poniendo de manifiesto el altísimo nivel de los sujetos analizados. Del mismo modo parece que las chicos consiguen una mayor velocidad gracias a una mayor longitud de ciclo en relación a las chicas, ya que estas muestran valores mayores en cuanto a frecuencia de zancada. La frecuencia de zancada presento los valores más altos en la primera vuelta en todos los deportistas analizados. Asimismo, los triatletas de nivel internacional y las chicas fueron los que mostraron los mayores valores. La longitud de zancada presento distintas tendencias en función del nivel y el género del deportista. Así pues, en los deportistas internacionales y en los chicos los mayores valores se encontraron en la primera vuelta mientras que la tendencia fue al descenso, siendo probablemente la fatiga acumulada la causante de dicha tendencia. En cambio, aquellos deportistas de nivel nacional y las chicas mostraron valores mayores en la segunda vuelta que en la primera, evidenciando que además de la fatiga, el ciclismo previo tiene una incidencia directa sobre su rendimiento. Los tiempos de vuelo permanecieron constantes durante toda la carrera, encontrando cierta evolución en los tiempos de apoyo, la cual provoca una modificación en los porcentajes relativos en los tiempos de vuelo. Los tiempos de apoyo más bajos se encontraron en la primera vuelta. Del mismo modo, los deportistas de nivel internacional y los chicos mostraron valores inferiores. También, estos grupos fueron más constantes en sus valores a lo largo de las vueltas. Por el contrario, se encontraron tendencias al aumento en los triatletas de nivel nacional y en las chicas, los cuales no fueron capaces de mantener el mismo rendimiento debido seguramente a su menor nivel deportivo. La oscilación vertical de la cadera se mostro constante en los triatletas de mayor nivel, encontrándose tendencias al aumento en los de menor nivel. Del mismo modo, los valores más altos correspondieron a las chicas y a los deportistas de nivel nacional. La distancia de la cadera al apoyo permaneció constante a lo largo de las vueltas en todos los grupos, obteniéndose valores mayores en los triatletas de nivel internacional y en los chicos. El ángulo de la rodilla apoyada en el momento del despegue no mostro una tendencia clara. Los deportistas de nivel internacional y los chicos presentaron los valores más bajos. El ángulo de la rodilla libre en el momento del despegue mostro una correlación muy alta con la velocidad de carrera. Del mismo modo, los ángulos más pequeños se encontraron en los triatletas internacionales y en los chicos, debido seguramente a los mayores valores de velocidad registrados por ambos grupos. Los ángulos de los tobillos no mostraron ninguna tendencia clara durante la competición analizada. Los cuatro grupos de población presentaron valores similares, por lo que parece que no representan una variable que pueda incidir sobre el rendimiento biomecánica del triatleta. Los resultados obtenidos en el presente estudio de investigación avalan la utilización de la fotogrametría-video en 2d para el análisis de la técnica de carrera durante la competición en triatlón. Su aplicación en una competición de máximo nivel internacional ha posibilitado conocer el perfil técnico que presentan los triatletas a lo largo del segmento de carrera a pie. Del mismo modo, se ha podido demostrar como los estudios realizados en laboratorio no reflejan la realidad competitiva de un triatlón de máximo nivel. The aim of this research was to determine the running technique profile during a triathlon competition from a biomechanical perspective. Also, to analyze the triathlete gender’s and level of performance’s influence on this profile in competition. An accurate (internal validity) and reliable methodology with a high external validity (ecological) had to be developed to get those aims in competition. Sixty-four triathletes were analyzed. 32 (16 males, 16 females) took part in the Madrid 2008 Triathlon World Cup and 32 (16 males and 16 females) took part in the Spanish Triathlon National Championships. The biomechanical analyses were carried out by a photogrammetric system that allow to calculate the landmarks coordinates (x,y) with a 1.66% error in x axis, and a 2.10% error in y axis. The frames were obtained with a camera situated perpendicular to the triathletes’ trajectory, filming the saggittal plane. DLT based algorithms (Abdel-Aziz & Karara, 1971) were used to calculate the real coordinates from the digitalized ones and the final variables afterwards. The biomechanical analisys itself was performed in four different moments during the competition, according to each 2.5 km lap the triathletes had to do. Running speed was highly related to performance level. Also, 3 of the 4 analyzed groups showed speed values under the 3 minutes and 30 seconds per kilometer. It demonstrated the very high performance level of the analized triathletes. Furthermore, it seems that men get higher speeds because their longer stride length, while women shows higher stride frequency values. The highest stride frequency values were found in the first lap. Women and the international level triathletes showed the highest values. Stride length showed different tendencies according to the gender and level of performance. Men and international level triathletes showed the highest level in the first lap and a decreasing tendency after that. The accumulated fatigue was probably the reason of this tendency. On the other hand, higher values than in first lap were found in the second one in women and national level triathletes. It demonstrated the previous cycling can affect to those groups in terms of biomechanics. Flight times remained constant during the running part, while the contact times showed an increasing tendency that caused a variation in flight times percents. The lowest contact times were found in the first lap and in men and international triathletes’ values. Also, these two groups were more consistent during the whole running. On the other hand, increasing tendencies were found in women and national level triathletes, who were not able to maintain the same values probably due to their lower level of performance. Higher level triathletes showed more consistent hip vertical oscillation values than lower level triathletes, who presented increasing tendencies. The highest values were found in women and national level triathletes. The horizontal distance hip-toe cap remained constant among the laps in all the groups. Men and international level triathletes showed the highest values. The support knee angle at toe-off did not show a clear tendency. The lowest values were found in men and international level triathletes. A high correlation was found between the non-support knee angle and the running speed. Furthermore, men and international level triathletes showed the smallest values, due to the higher velocities reached by these two groups. Ankles angles did not show any tendency during the running part. Similar values were found in the four analyzed groups, so this variable does not seem to represent an important one within the triathlete’s performance. The results obtained in the present research support the use of the bidimensional photogrammetric video-system to analyze the running technique during a triathlon competition. Its application in international triathlon meetings has allowed determining the triathletes’ technique profile during the running part. Also, it has been demonstrated the laboratory-based studies does not reproduce a top-level competition.

Objects-based Image Analysis for Mapping Natura 2000 Habitats to Improve Forest Management.

Clasificación de una imagen de alta resolución "Quickbird" con la técnica de análisis de imágenes en base a objetos

Integration of Correlation Processes in Design Systems.

The integration of correlation processes in design systems has as a target measurements in 3D directly and according to the users criteria in order to generate the required database for the development of the project. In the phase of photogrammetric works, internal and external orientation parameters are calculated and stereo models are created from standard images. The aforementioned are integrated in the system where the measurement of the selected items is done by applying developed correlation algorithms. The processing period has the tools to carry out the calculations in an easy and automatic way, as well as image measurement techniques to acquire the most correct information. The proposed software development is done on Visual Studio platforms for PC, applying the most apt codes and symbols according to the terms of reference required for the design. The results of generating the data base in an interactive way with the geometric study of the structures, facilitates and improves the quality of the works in the projects.

Metodología para ejecución y control de calidad para ortofotos, mediante combinación de sensor digital con LIDAR en zonas rurales

La utilización de una cámara fotogramétrica digital redunda en el aumento demostrable de calidad radiométrica debido a la mejor relación señal/ruido y a los 12 bits de resolución radiométrica por cada pixel de la imagen. Simultáneamente se consigue un notable ahorro de tiempo y coste gracias a la eliminación de las fases de revelado y escaneado de la película y al aumento de las horas de vuelo por día. De otra parte, el sistema láser aerotransportado (LIDAR - Light Detection and Ranging) es un sistema con un elevado rendimiento y rentabilidad para la captura de datos de elevaciones para generar un modelo digital del terreno (MDT) y también de los objetos sobre el terreno, permitiendo así alcanzar alta precisión y densidad de información. Tanto el sistema LIDAR como el sistema de cámara fotogramétrica digital se combinan con otras técnicas bien conocidas: el sistema de posicionamiento global (GPS - Global Positioning System) y la orientación de la unidad de medida inercial (IMU - Inertial Measure Units), que permiten reducir o eliminar el apoyo de campo y realizar la orientación directa de los sensores utilizando datos de efemérides precisas de los satélites. Combinando estas tecnologías, se va a proponer y poner en práctica una metodología para generación automática de ortofotos en países de América del Sur. Analizando la precisión de dichas ortofotos comparándolas con fuente de mayor exactitud y con las especificaciones técnicas del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) se determinará la viabilidad de que dicha metodología se pueda aplicar a zonas rurales. ABSTRACT Using a digital photogrammetric camera results in a demonstrable increase of the radiometric quality due to a better improved signal/noise ratio and the radiometric resolution of 12 bits per pixel of the image. Simultaneously a significant saving of time and money is achieved thanks to the elimination of the developing and film scanning stages, as well as to the increase of flying hours per day. On the other hand, airborne laser system Light Detection and Ranging (LIDAR) is a system with high performance and yield for the acquisition of elevation data in order to generate a digital terrain model (DTM), as well as objects on the ground which allows to achieve high accuracy and data density. Both the LIDAR and the digital photogrammetric camera system are combined with other well known techniques: global positioning system (GPS) and inertial measurement unit (IMU) orientation, which are currently in a mature evolutionary stage, which allow to reduce and/or remove field support and perform a direct guidance of sensors using specific historic data from the satellites. By combining these technologies, a methodology for automatic generation of orthophotos in South American countries will be proposed and implemented. Analyzing the accuracy of these orthophotos comparing them with more accurate sources and technical specifications of the National Aerial Orthophoto (PNOA), the viability of whether this methodology should be applied to rural areas, will be determined.

Análisis biomecánico zancada a zancada de la prueba "60 metros vallas" durante los campeonatos del mundo y de España de pista cubierta Valencia 2008

El principal objetivo del presente trabajo de investigación fue determinar las diferencias en distintas variables relacionadas con el rendimiento físico entre atletas de distinto nivel durante la prueba de los 60 metros vallas. Un total de 59 vallistas masculinos (los 31 participantes en el Campeonato del Mundo Absoluto de Pista Cubierta y los 28 participantes en el Campeonato de España Absoluto de Pista Cubierta, ambos celebrados en Valencia en el año 2008) formaron la muestra del estudio. El análisis biomecánico se realizó mediante un sistema fotogramétrico en dos dimensiones que permitió calcular, aplicando algoritmos basados en el procedimiento de la DLT (Abdel-Aziz y Karara, 1971), las coordenadas (x, y) de los sucesivos apoyos de los pies de los atletas sobre toda la superficie de competición. La filmación de las pruebas se llevó a cabo con seis cámaras de vídeo, ubicadas sobre la gradas, con una frecuencia de muestreo para el tratamiento de los datos de 50 Hz. En la fase de salida, los atletas de nivel superior mostraron una menor longitud (p<0,05) y tiempo de zancada (p<0,001), debido a un menor tiempo de vuelo (p<0,05). En la fase de vallas, los atletas de nivel más elevado presentaron mayores distancia de ataque a la valla (p<0,001), así como menores distancias de caída de la valla (p<0,001), tiempos de zancada (p<0,01-0,001) y de apoyo (p<0,01-0,001 ) en los cuatro pasos que conforman cada ciclo de vallas, así como un menor tiempo de vuelo en el paso de valla (p<0,001) y en el paso de transición (p<0,001). De manera adicional, se encontraron importantes diferencias en el reparto de los pasos entre vallas entre la primera y tercera valla y el resto de obstáculos. En la fase final, se observó una mayor longitud de zancada en los atletas de nivel superior (p<0,001), así como un menor tiempo de zancada (p<0,01) y de apoyo (p<0,01). Los resultados obtenidos en el presente estudio de investigación avalan la utilización de la fotogrametría en dos dimensiones para el análisis biomecánico de la prueba de 60 metros vallas en competición. Su aplicación en competiciones del máximo nivel internacional ha posibilitado conocer las características de los vallistas a lo largo de toda la prueba y determinar posibles implicaciones de cara al proceso de entrenamiento. ABSTRACT The aim of this research was to determine the differences in different variables related to physical performance among athletes of different levels during the race of 60 meter hurdles. A total of 59 male hurdlers (the 31 participants in the World Indoor Championship and the 28 participants in the Spanish Indoor Championship, both held in Valencia in 2008) formed the sample of the study. The biomechanical analysis of athletes was performed using a two-dimensional photogrammetric system which enabled calculation, applying algorithms based on the DLT method (Abdel -Aziz y Karara , 1971), the coordinates (x , y) of the successive supports of the feet on the entire competition surface. Filming test was conducted with six video cameras, located on the bleachers, with a sampling frequency for data processing of 50 Hz. In the approach run phase, the top-level athletes showed a smaller length step (p<0.05), and shorter step time (p<0.001), due to a shorter step flight time (p<0.05). In the hurdle unit phase, the higher level athletes had greater take-off distances (p<0.001), shorter landing distances (p<0.001), smaller step times (p<0.01-0.001), and support times (p<0.01- 0.001) in the four steps that comprised each hurdle unit, and smaller flight times in the hurdle step (p < 0.001), and the recovery step (p<0.001). Additionally, differences in the distribution of hurdle unit steps between the first and third hurdle, and other hurdles were found. In the run-in phase, a greater step length in top-level athletes (p<0.001), and a shorter step time (p<0.01) and contact time (p<0.01) was observed. The results obtained in this study support the use of photogrammetry in two dimensions for biomechanical analysis in 60 meter hurdles competition events. Its application at the highest international level competitions has allowed to know the characteristics of the hurdlers over the entire race and identify possible implications for the training process.