Discontinuity spacing analysis in rock masses using 3D point clouds

The complete characterization of rock masses implies the acquisition of information of both, the materials which compose the rock mass and the discontinuities which divide the outcrop. Recent advances in the use of remote sensing techniques – such as Light Detection and Ranging (LiDAR) – allow the accurate and dense acquisition of 3D information that can be used for the characterization of discontinuities. This work presents a novel methodology which allows the calculation of the normal spacing of persistent and non-persistent discontinuity sets using 3D point cloud datasets considering the three dimensional relationships between clusters. This approach requires that the 3D dataset has been previously classified. This implies that discontinuity sets are previously extracted, every single point is labeled with its corresponding discontinuity set and every exposed planar surface is analytically calculated. Then, for each discontinuity set the method calculates the normal spacing between an exposed plane and its nearest one considering 3D space relationship. This link between planes is obtained calculating for every point its nearest point member of the same discontinuity set, which provides its nearest plane. This allows calculating the normal spacing for every plane. Finally, the normal spacing is calculated as the mean value of all the normal spacings for each discontinuity set. The methodology is validated through three cases of study using synthetic data and 3D laser scanning datasets. The first case illustrates the fundamentals and the performance of the proposed methodology. The second and the third cases of study correspond to two rock slopes for which datasets were acquired using a 3D laser scanner. The second case study has shown that results obtained from the traditional and the proposed approaches are reasonably similar. Nevertheless, a discrepancy between both approaches has been found when the exposed planes members of a discontinuity set were hard to identify and when the planes pairing was difficult to establish during the fieldwork campaign. The third case study also has evidenced that when the number of identified exposed planes is high, the calculated normal spacing using the proposed approach is minor than those using the traditional approach.

Discontinuity Set Extractor

Disponible en Github: https://github.com/adririquelme/DSE

Datasets and results of the research [Discontinuity spacing analysis in rock masses using 3D point clouds]

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Procedimiento gráfico para la obtención de los parámetros de corrección del SMR a través de la proyección estereográfica

El Slope Mass Rating (SMR, Romana, 1985) constituye una clasificación geomecánica de uso muy extendido para la caracterización de taludes en roca. Se obtiene por adición al índice RMR básico, calculado a partir de valores característicos del macizo rocoso, de una serie de factores de corrección dependientes del paralelismo discontinuidad-talud, del buzamiento de las discontinuidades, del buzamiento relativo entre las discontinuidades y el talud, así como del método de excavación empleado. En este trabajo se propone un método gráfico que permite obtener los parámetros de corrección del SMR (F1, F2 y F3) representando en proyección estereográfica los planos de discontinuidad y del talud a estudiar.

Detección automática con snakes y representación 3D sobre imágenes cerebrales

Comunicación presentada en la VI Conferencia de la Asociación Española para la Inteligencia Artificial (CAEPIA'95), Alicante, 15-17 noviembre 1995.

Snakes based tracking and texture analysis of microscopic images

Comunicación presentada en el VII Symposium Nacional de Reconocimiento de Formas y Análisis de Imágenes, SNRFAI, Barcelona, abril 1997.

La futura vida cotidiana en España: la sociedad de consumo

Las dinámicas que durante décadas han dado forma a la sociedad de consumo en España han entrado en crisis. Las consecuencias sociales e ideológicas van mucho más allá de lo económico. El consumo como fuente de identidad social y de legitimación política de las desigualdades inicia una nueva etapa matizada por la irrupción de las nuevas tecnologías. El futuro muestra una clara discontinuidad respecto al pasado. Las clases medias deberán reinventarse mediante formas alternativas de consumo, empleando estrategias que protejan su imagen de “status”. Este cambio afecta directamente a la legitimación del sistema y anticipa un periodo de tensión social, ya plasmado en la Spanish Revolution.

A new approach for semi-automatic rock mass joints recognition from 3D point clouds

Rock mass characterization requires a deep geometric understanding of the discontinuity sets affecting rock exposures. Recent advances in Light Detection and Ranging (LiDAR) instrumentation currently allow quick and accurate 3D data acquisition, yielding on the development of new methodologies for the automatic characterization of rock mass discontinuities. This paper presents a methodology for the identification and analysis of flat surfaces outcropping in a rocky slope using the 3D data obtained with LiDAR. This method identifies and defines the algebraic equations of the different planes of the rock slope surface by applying an analysis based on a neighbouring points coplanarity test, finding principal orientations by Kernel Density Estimation and identifying clusters by the Density-Based Scan Algorithm with Noise. Different sources of information —synthetic and 3D scanned data— were employed, performing a complete sensitivity analysis of the parameters in order to identify the optimal value of the variables of the proposed method. In addition, raw source files and obtained results are freely provided in order to allow to a more straightforward method comparison aiming to a more reproducible research.

The Pliocene Mediterranean infilling of the Messinian Erosional Surface: New biostratigraphic data based on calcareous nannofossils (Bajo Segura Basin, SE Spain)

The Bajo Segura Basin (eastern Betic Cordillera) is a Mediterranean marginal basin where the Messinian Erosional Surface (MES), formed during the Messinian Salinity Crisis sea-level fall, is well developed. Overlying this major discontinuity the lower Pliocene transgressive sediments record the reflooding of the Mediterranean and the return to an open marine environment, the continental shelf being rebuilt after the Messinian erosion. The stratigraphic and biostratigraphic study of six sections allows two transgressive-regressive sequences filling the MES to be distinguished, correlated with the previously distinguished Mediterranean offshore seismic units. Ten calcareous nannofossil bioevents have been identified. The lower sequence can be dated according to nannofossil biozones NN12 to NN14 and the upper sequence by NN15 to NN16. The boundary between both lower Pliocene sedimentary sequences occur after the first common occurrence (FCO) of Discoaster asymmetricus found in the uppermost sediments of the lower sequence and before the first occurrence (FO) of Discoaster tamalis in the lowermost part of the upper sequence. Thus this sequence boundary can be estimated at between 4.1 and 4.0Ma ago.

Uso de nubes de puntos 3D para identificación y caracterización de familias de discontinuidades planas en afloramientos rocosos y evaluación de la calidad geomecánica

En este trabajo se estudia el uso de las nubes de puntos en 3D, es decir, un conjunto de puntos en un sistema de referencia cartesiano en R3, para la identificación y caracterización de las discontinuidades que afloran en un macizo rocoso y su aplicación al campo de la Mecánica de Rocas. Las nubes de puntos utilizadas se han adquirido mediante tres técnicas: sintéticas, 3D laser scanner y la técnica de fotogrametría digital Structure From Motion (SfM). El enfoque está orientado a la extracción y caracterización de familias de discontinuidades y su aplicación a la evaluación de la calidad de un talud rocoso mediante la clasificación geomecánica Slope Mass Rating (SMR). El contenido de la misma está dividido en tres bloques, como son: (1) metodología de extracción de discontinuidades y clasificación de la nube de puntos 3D; (2) análisis de espaciados normales en nubes de puntos 3D; y (3) análisis de la evaluación de la calidad geomecánica de taludes rocoso mediante la clasificación geomecánica SMR a partir de nubes de puntos 3D. La primera línea de investigación consiste en el estudio de las nubes de puntos 3D con la finalidad de extraer y caracterizar las discontinuidades planas presentes en la superficie de un macizo rocoso. En primer lugar, se ha recopilado información de las metodologías existentes y la disponibilidad de programas para su estudio. Esto motivó la decisión de investigar y diseñar un proceso de clasificación novedoso, que muestre todos los pasos para su programación e incluso ofreciendo el código programado a la comunidad científica bajo licencia GNU GPL. De esta forma, se ha diseñado una novedosa metodología y se ha programado un software que analiza nubes de puntos 3D de forma semi-automática, permitiendo al usuario interactuar con el proceso de clasificación. Dicho software se llama Discontinuity Set Extractor (DSE). El método se ha validado empleando nubes de puntos sintéticas y adquiridas con 3D laser scanner. En primer lugar, este código analiza la nube de puntos efectuando un test de coplanaridad para cada punto y sus vecinos próximos para, a continuación, calcular el vector normal de la superficie en el punto estudiado. En segundo lugar, se representan los polos de los vectores normales calculados en el paso previo en una falsilla estereográfica. A continuación se calcula la densidad de los polos y los polos con mayor densidad o polos principales. Estos indican las orientaciones de la superficie más representadas, y por tanto las familias de discontinuidades. En tercer lugar, se asigna a cada punto una familia en dependencia del ángulo formado por el vector normal del punto y el de la familia. En este punto el usuario puede visualizar la nube de puntos clasificada con las familias de discontinuidades que ha determinado para validar el resultado intermedio. En cuarto lugar, se realiza un análisis cluster en el que se determina la agrupación de puntos según planos para cada familia (clusters). A continuación, se filtran aquellos que no tengan un número de puntos suficiente y se determina la ecuación de cada plano. Finalmente, se exportan los resultados de la clasificación a un archivo de texto para su análisis y representación en otros programas. La segunda línea de investigación consiste en el estudio del espaciado entre discontinuidades planas que afloran en macizos rocosos a partir de nubes de puntos 3D. Se desarrolló una metodología de cálculo de espaciados a partir de nubes de puntos 3D previamente clasificadas con el fin de determinar las relaciones espaciales entre planos de cada familia y calcular el espaciado normal. El fundamento novedoso del método propuesto es determinar el espaciado normal de familia basándonos en los mismos principios que en campo, pero sin la restricción de las limitaciones espaciales, condiciones de inseguridad y dificultades inherentes al proceso. Se consideraron dos aspectos de las discontinuidades: su persistencia finita o infinita, siendo la primera el aspecto más novedoso de esta publicación. El desarrollo y aplicación del método a varios casos de estudio permitió determinar su ámbito de aplicación. La validación se llevó a cabo con nubes de puntos sintéticas y adquiridas con 3D laser scanner. La tercera línea de investigación consiste en el análisis de la aplicación de la información obtenida con nubes de puntos 3D a la evaluación de la calidad de un talud rocoso mediante la clasificación geomecánica SMR. El análisis se centró en la influencia del uso de orientaciones determinadas con distintas fuentes de información (datos de campo y técnicas de adquisición remota) en la determinación de los factores de ajuste y al valor del índice SMR. Los resultados de este análisis muestran que el uso de fuentes de información y técnicas ampliamente aceptadas pueden ocasionar cambios en la evaluación de la calidad del talud rocoso de hasta una clase geomecánica (es decir, 20 unidades). Asimismo, los análisis realizados han permitido constatar la validez del índice SMR para cartografiar zonas inestables de un talud. Los métodos y programas informáticos desarrollados suponen un importante avance científico para el uso de nubes de puntos 3D para: (1) el estudio y caracterización de las discontinuidades de los macizos rocosos y (2) su aplicación a la evaluación de la calidad de taludes en roca mediante las clasificaciones geomecánicas. Asimismo, las conclusiones obtenidas y los medios y métodos empleados en esta tesis doctoral podrán ser contrastadas y utilizados por otros investigadores, al estar disponibles en la web del autor bajo licencia GNU GPL.

Characterization of rock slopes through slope mass rating using 3D point clouds

Rock mass classification systems are widely used tools for assessing the stability of rock slopes. Their calculation requires the prior quantification of several parameters during conventional fieldwork campaigns, such as the orientation of the discontinuity sets, the main properties of the existing discontinuities and the geo-mechanical characterization of the intact rock mass, which can be time-consuming and an often risky task. Conversely, the use of relatively new remote sensing data for modelling the rock mass surface by means of 3D point clouds is changing the current investigation strategies in different rock slope engineering applications. In this paper, the main practical issues affecting the application of Slope Mass Rating (SMR) for the characterization of rock slopes from 3D point clouds are reviewed, using three case studies from an end-user point of view. To this end, the SMR adjustment factors, which were calculated from different sources of information and processes, using the different softwares, are compared with those calculated using conventional fieldwork data. In the presented analysis, special attention is paid to the differences between the SMR indexes derived from the 3D point cloud and conventional field work approaches, the main factors that determine the quality of the data and some recognized practical issues. Finally, the reliability of Slope Mass Rating for the characterization of rocky slopes is highlighted.

Implementation Feasibility of a Digital Nervous System for the Construction Industry: For Efficient and Effective Information Management across the Project Lifecycle

The construction industry has long been considered as highly fragmented and non-collaborative industry. This fragmentation sprouted from complex and unstructured traditional coordination processes and information exchanges amongst all parties involved in a construction project. This nature coupled with risk and uncertainty has pushed clients and their supply chain to search for new ways of improving their business process to deliver better quality and high performing product. This research will closely investigate the need to implement a Digital Nervous System (DNS), analogous to a biological nervous system, on the flow and management of digital information across the project lifecycle. This will be through direct examination of the key processes and information produced in a construction project and how a DNS can provide a well-integrated flow of digital information throughout the project lifecycle. This research will also investigate how a DNS can create a tight digital feedback loop that enables the organisation to sense, react and adapt to changing project conditions. A Digital Nervous System is a digital infrastructure that provides a well-integrated flow of digital information to the right part of the organisation at the right time. It provides the organisation with the relevant and up-to-date information it needs, for critical project issues, to aid in near real-time decision-making. Previous literature review and survey questionnaires were used in this research to collect and analyse data about information management problems of the industry – e.g. disruption and discontinuity of digital information flow due to interoperability issues, disintegration/fragmentation of the adopted digital solutions and paper-based transactions. Results analysis revealed efficient and effective information management requires the creation and implementation of a DNS.