DOCUMENTACION PATRIMONIAL MEDIANTE SOLUCIONES FOTOGRAMÉTRICAS Y DE ESCANEADO LASER Y SU ORIENTACION A LA GENERACION DE ENTORNOS VIRTUALES

Resumen: 

En este artículo se aborda la documentación patrimonial utilizando nuevas metodologías geomáticas no destructivas. En concreto, se revisa la fotogrametría digital automatizada, el escaneado láser terrestre, el tratamiento multiespectral y la creación de entornos virtuales. Las metodologías que se presentan pueden utilizarse no solo para documentar sino también para medir, monitorizar, reconstruir, analizar, imprimir y divulgar en 3D/4D, de manera fiel y precisa, diferentes objetos patrimoniales, bien sean monumentos arquitectónicos, edificaciones, sitios arqueológicos u artefactos de diferentes escalas, todo ello, a partir de nubes de puntos 3D densas. 

Se repasan múltiples soluciones fotogramétricas, bien sea solo con cámaras digitales convencionales a color o con sensores multiespectrales, y las particularidades del proceso fotogramétrico a partir de múltiples imágenes, sin olvidar el escaneado láser. Se muestran varios casos prácticos en los que las soluciones fotogramétricas facilitan el camino a las etapas de divulgación y de generación de aplicaciones móviles en entornos virtuales.

Introducción 

La documentación del patrimonio cultural constituye una herramienta esencial para proteger, gestionar e interpretar los bienes patrimoniales. Todos los trabajos de restauración, preservación o excavación del patrimonio cultural deben contar con una documentación precisa (The Venice Charter, 1964:1). 

Una parte necesaria de casi todos los proyectos relacionados con la conservación del patrimonio cultural consiste en registrar la posición, el tamaño y la forma del objeto o del sitio arqueológico. Se persigue que el proceso de documentación y análisis sea lo más fiel posible (Böhler, 2011: 3). Una forma de realizar una documentación rigurosa del patrimonio es mediante técnicas topográficas y fotogramétricas. Los procesos fotogramétricos permiten realizar reconstrucciones 2D y 3D de cualquier objeto fotografiado. 

En la última década se han realizado multitud de trabajos a partir de imágenes fotográficas y más recientemente mediante escaneado láser. Normalmente estas técnicas se combinan con procesos de medición directa, por ejemplo, utilizando cinta métrica, estación total o sistemas de posicionamiento global por satélite (GNSS). De esta manera, el objeto documentado queda escalado y georreferenciado en el espacio (Lerma, 2010: 109). 

La documentación 3D del patrimonio cultural mediante soluciones fotogramétricas y de escaneado láser puede ser de gran interés en aplicaciones tan variadas como: 

• Cálculo de las deformaciones geométricas de monumentos e incidencia que puede tener en la estabilidad estructural de estos (Lerma et al., 2008:186-240). 
• Levantamientos planimétricos y altimétricos (planos de secciones, alzados y perfiles) de monumentos históricos, sitios arqueológicos u objetos para su registro o posterior renovación. Véase por ejemplo la Planta de la iglesia San Miguel de Vitoria-Gasteiz generada a partir de una nube de puntos (García-Gómez, 2011:35)
• Cartografiado detallado de una construcción o emplazamiento que se pueda perder o cambiar para siempre, como una excavación arqueológica o un sitio en riesgo. 
• Monitorización de elementos que puedan cambiar con el tiempo (4D) debido a contaminación, derrumbe o daños ocasionados por fenómenos naturales o humanos. Encontramos un ejemplo en la monitorización 4D del abrigo Solana de las Covachas VI, donde se identifica un crecimiento de la vegetación y pérdida de un fragmento de soporte (Ruiz et al., 2013: 150-152).
• Generación de modelos geométricos digitales de cualquier objeto o monumento arquitectónico para poder producir reconstrucciones 3D o réplicas. Ejemplo de ello es la réplica del busto del emperador Calígula generado a partir de los datos recogidos por un escáner láser (Böhler, 2011: 5). 
• Difusión del patrimonio cultural mediante la generación de modelos tridimensionales, animaciones, visitas virtuales o aplicaciones para teléfonos inteligentes a través de internet o en centros y museos (Carrión y Blanco, 2014: 103-172). 
• Apoyo en la interpretación de elementos arqueológicos y de su relación con el paisaje. 
• Análisis de pinturas ocultas al ojo humano a través de tratamientos digitales de muy diversa índole. El empleo de imágenes multiespectrales se ha utilizado para el descifrado de manuscritos (Chabries et al., 2003: 359-372). 

La documentación patrimonial a partir de imágenes fotográficas se remonta a los orígenes de la fotografía. El proceso fotográfico actual empezó en 1839 con Louis Daguerre quien anunció el revelado fotográfico. Posteriormente, en el año 1849 bajo la dirección de Laussedat se realizó el primer experimento para la obtención de mapas topográficos a partir de técnicas fotogramétricas y se construye el primer fototeodolito (Von Brevern, 2011: 57).

La era digital comienza a principios de los años 90 con el desarrollo de los ordenadores y la introducción de la cámara digital. La fotogrametría digital trabaja con imágenes digitales y automatiza al máximo el proceso fotogramétrico (Lerma, 2002: 36-37). A partir de este momento comienza a utilizarse la fotogrametría digital en la documentación patrimonial. 

Actualmente ha mejorado mucho la automatización en los procesos de producción fotogramétrica gracias a los avances tecnológicos. La aparición del escáner láser 3D (combinado o no con procesos fotogramétricos digitales) permite la modelización tridimensional de objetos y superficies. English Heritage (2011) presenta una revisión exhaustiva de usos y aplicaciones del escáner láser en labores de documentación patrimonial. 

Asimismo, utilizando la variable temporal, es posible realizar modelos 4D que, además de medir, reconstruir y analizar el objeto patrimonial de forma precisa, permiten realizar una monitorización temporal, todo ello a partir de nubes de puntos 3D densas. En las últimas décadas se comercializan cámaras digitales multiespectrales las cuales permiten obtener imágenes multiespectrales, generalmente incluyendo la componente infrarroja. Hoy en día estas nuevas técnicas se utilizan en estudios del estado y conservación de pinturas murales y cuadros. Cotte (2008: 2146-2154) utiliza trece longitudes de onda que abarcan desde la luz ultravioleta hasta la infrarroja. En el cuadro de la Mona Lisa, las imágenes resultantes permiten observar detalles imposibles de apreciar con el ojo humano.

El proceso fotogramétrico

La Fotogrametría, según la sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección (ASPRS) se define como «el arte, ciencia y tecnología de obtener información fiel acerca de objetos físicos y su entorno a través de procesos de grabación, medición e interpretación de imágenes fotográficas y patrones de energía electromagnética radiante y otros fenómenos».

La Fotogrametría es la ciencia que permite realizar mediciones precisas y reconstrucciones 2D y 3D de todo tipo de objetos y situarlos en el espacio, a partir de imágenes fotográficas. Si se trabaja con una sola imagen se obtendrá información geométrica del objeto a nivel bidimensional, a no ser que se incluyan constreñimientos adicionales. Si se trabaja con dos imágenes estereoscópicas (par estereoscópico) o más imágenes con recubrimiento, siempre se puede determinar (en principio) información tridimensional.

Una parte importante del proceso fotogramétrico es la toma de fotografías. Los resultados finales del modelo y la calidad de este dependerá en gran medida de la correcta toma fotográfica. Las recomendaciones a tener en cuenta para la correcta toma de fotografías son: 

• Cámara fotográfica: es recomendable usar cámara réflex con sensor de gran formato y una buena óptica. También es recomendable el uso de trípode para evitar movimientos en el momento de la toma. 
• Parámetros de la cámara: los parámetros de orientación interna como la distancia principal y el punto principal deben ser conocidos y preferiblemente invariantes en toda la toma de fotos (a ser posible), es decir, es recomendable no variar los parámetros de la cámara durante la sesión fotográfica. 
• Cobertura de las fotografías: en fotogrametría estereoscópica de objeto cercano se recomienda que entre foto y foto haya un solape mínimo horizontal del 60 %. Y en vertical se recomienda un solape mínimo del 20 %. Cuanto mayor sea el recubrimiento y el número de imágenes, mejor, de esta forma se asegura el funcionamiento de la técnica SfM. 
• Tomas fotográficas convergentes con ángulos próximos a 90º: es importante evitar las fotografías de puntos comunes con ángulos parecidos ya que esto puede dar lugar a una posición incorrecta del punto 3D. 
• Cada punto debe aparecer como mínimo en dos fotografías para que pueda ser reconstruido en tres dimensiones. Hay que tener más de dos fotografías del mismo punto, de esta forma se obtienen redundancias y se asegura el correcto funcionamiento de los algoritmos automáticos. 
• Distancia de la cámara al objeto: cuanto más cerca se sitúe la cámara más grado de detalle se obtiene, aunque serán necesarias más fotografías.

En función de los requerimientos y de los productos que se quieran obtener en el proceso de documentación, pueden utilizarse diferentes soluciones fotogramétricas (Lerma et al., 2010: 109-110):

• Rectificación fotográfica 2D. 
• Fotogrametría a partir de pares de imágenes.
• Fotogrametría a partir de múltiples imágenes. 
• Escáner láser terrestre. – Integración de modelo 3D e imágenes. 
• Tratamiento multiespectral.

La rectificación fotográfica 2D es un proceso rápido y económico pero no siempre adecuado. Para emplear este proceso los objetos a documentar deben presentar superficies planas. Por tanto, no es adecuado para la documentación de superficies con fuerte orografía, discontinuidades y diversos niveles de profundidad. En dichos casos, se recomiendan las siguientes alternativas: soluciones fotogramétricas a partir de pares de imágenes, a partir de múltiples imágenes, láser escáner o integración de imagen y láser (Lerma et al., 2010: 110-112).

Fotogrametría a partir de múltiples imágenes 

El ajuste en bloque de múltiples imágenes es la solución fotogramétrica más precisa, potente y robusta. Este método tiene múltiples ventajas, como por ejemplo, no es necesario ningún tipo especial de instrumental, se puede emplear cualquier tipo de cámara (métrica, semimétrica y convencional). No hay restricciones en cuanto a la geometría del objeto a documentar y por último, no es necesario emplear una cámara calibrada previamente, es posible calibrar la cámara simultáneamente al proceso de orientación de imágenes. 

La fotogrametría está fundamentada en el establecimiento de puntos homólogos entre imágenes tomadas de forma controlada y con cámaras calibradas, con el fin esencial de medir. En la actualidad es posible obtener modelos 3D más o menos eficaces de forma rápida y cómoda utilizando la técnica Structure from Motion (SfM)(Koenderink y Van Doorn, 1991: 377-385). Dicha técnica permite generar nubes de puntos densas a partir de imágenes tomadas en campo mediante soluciones basadas en visión por computador.

Los pasos a seguir para la obtención de las nubes de puntos son: 

1. Fotografiar el objeto desde al menos tres puntos de vista o posiciones diferentes. De forma artificial, la fotogrametría reconstruye un modelo a partir de las fotografías que presentan la zona de recubrimiento común. 
2. Proceso de orientación espacial y obtención de nubes de puntos. Actualmente el proceso de orientación de las imágenes se realiza automáticamente, los pasos que sigue la técnica SfM para la generación de la nube de puntos son: 

•  Algoritmo de detección de puntos homólogos entre las múltiples imágenes, por ejemplo SIFT (Scale-invariant feature transform).
•  Ajuste de haces: Reconstrucción espacial y se crea una nube de puntos dispersa a partir de los puntos clave detectados en el paso anterior. Se puede utilizar el programa Blunder. 
• Generar la nube de puntos densa a partir de todos los datos anteriores (figura 1). Se puede utilizar por ejemplo CMVS (Clustering View for Multi-view Stereo) y PMVS2 (Patch-based Multi-view Stereo)

Una vez obtenida la nube de puntos densa es preciso realizar un filtrado y limpieza de esta nube (Westoby, 2012: 302-303), eliminando además las zonas que no interesen (figura 1). También es posible generar un modelo tridimensional que se adapte a la nube de puntos (figura 2) y dotar a este modelo de textura fotorrealística (figura 3). De esta manera se obtienen en principio modelos fotorrealísticos 3D de alta calidad.

El empleo de múltiples imágenes ofrece una serie de ventajas frente al uso de pares de imágenes: 

• Mayores redundancias y mayor fiabilidad de la solución final. – Se detectan errores groseros. 
• Se automatizan los procesos. – Se obtiene una textura homogénea en el modelo. 
• Se evitan zonas de sombra y oclusiones. 

A partir del modelo 3D y de las imágenes orientadas en el espacio, pueden generarse ortoimágenes, o mejor, mosaicos de ortoimágenes, en proyección ortogonal, definiendo un plano de comparación. Los mosaicos obtenidos presentan carácter métrico (figura 4), es decir, se puede delinear o restituir en formato vectorial sobre la propia imagen 2D. De esta manera, se pueden obtener planimetrías de precisión.

Escaner láser terrestre 

En la actualidad existen multitud de escáneres láser o sistemas de digitalización 3D utilizados tanto en aplicaciones de objeto cercano, terrestres como aéreas. Un láser escáner está compuesto por un sistema que genera un haz láser y un sistema de barrido, horizontal y vertical. Efectuando un barrido sobre la superficie a documentar se obtiene una nube de puntos tridimensional sin contacto directo con el objeto de estudio (figura 5). El láser puede capturar nubes densas de millones de puntos y de gran detalle. 

El empleo del instrumental láser terrestre está justificado en objetos o escenarios de geometría compleja. Uno de los factores a tener en cuenta al emplear láser escáner es el material sobre el que se realiza la reflexión de la señal, ya que la calidad de los resultados depende en gran medida del tipo de reflectividad que presenta el objeto a documentar. El postprocesado de la nube de puntos es similar al seguido con múltiples imágenes, será necesario eliminar el ruido, homogeneizar la nube, generar la superficie, rellenar agujeros y texturizar si se dispone de imágenes para ello.

Integración de modelo 3D e imágenes

Los modelos 3D pueden enriquecerse mucho si se aplica una textura de forma minuciosa. Para ello habrá que analizar cuál es la mejor proyección de la textura sobre la superficie del modelo, eliminando cualquier sombra, creando un color homogéneo en el modelo e iluminando correctamente la escena. En las figuras 6 y 7 se puede ver un modelo con textura fotorrealística y sin ella, se observa cómo el modelo con textura tiene una apariencia mucho más real. Sin duda, actualmente es recomendable la combinación de estas dos metodologías.

Tratamiento multiespectral 

El estudio de imágenes multiespectrales se ha venido realizando desde hace mucho tiempo en el campo de la teledetección a través de la adquisición de imágenes satélite multiespectrales e hiperespectrales. Normalmente se han utilizado para estudios de la vegetación o estudios geológicos. En la actualidad, existe la posibilidad de modificar una cámara para que pueda capturar diferentes longitudes de onda. Normalmente las cámaras llevan un filtro de bloqueo IR/UV colocado delante del sensor, siendo posible eliminar este filtro (Verhoeven, 2008: 3090-3096) o comprar una cámara sin filtro de bloqueo, y utilizando posteriormente filtros que dejen pasar una determinada longitud de onda. 

Las diferentes longitudes de onda registradas posibilitan la realización de estudios multiespectrales de cualquier objeto como puede ser, un monumento arquitectónico, restos arqueológicos, cuadros o pinturas rupestres. En este artículo se presenta el análisis multiespectral de pinturas rupestres localizadas en el abrigo del Carche (figura 8). Las pinturas encontradas en este abrigo eran muy difíciles de catalogar puesto que se encontraban superpuestas unas con otras (figura 9, a). El tratamiento posterior de estas imágenes permitió obtener el calco final (figura 9, b) de los motivos analizados con una fiabilidad de más del 90 %

La ventaja de utilizar imágenes infrarrojas en este tipo de estudios es que la radiación infrarroja penetra en la superficie. Por ello, en el análisis de pinturas es posible determinar pinturas que están por debajo de otras o pinturas que están desgastadas por el paso del tiempo como en el caso de pinturas rupestres. 

Difusión y divulgación 

La documentación tridimensional puede utilizarse para obtener otros productos interesantes como son escenas virtuales (figura 10) en las que, utilizando el modelo generado, se puede crear una realidad virtual alrededor y realizar una visita virtual dotando de movimiento al objeto 3D y a su entorno. Estos productos pueden servir para la difusión de los monumentos documentados en internet, en museos y en exposiciones. 

Cualquier monumento arquitectónico, edificación, sitios arqueológicos u artefactos de interés documentados tridimensionalmente, se pueden difundir a través de una aplicación móvil, donde el usuario puede interactuar y le permite observar detalladamente el modelo documentado, siendo esta la herramienta de difusión más demandada en la actualidad. A continuación se presenta una aplicación en Android que muestra los resultados del estudio realizado en el abrigo del Carche, que incluye los calcos obtenidos finales, una breve descripción histórica de las pinturas y un modelo 3D interactivo (figura 11).

Conclusiones 

La documentación gráfica 2D/3D del patrimonio se lleva realizando desde hace muchas décadas ya que son muchas las ventajas y aplicaciones que ofrece. La documentación 3D nos permite proteger, gestionar, interpretar y estudiar en profundidad los bienes patrimoniales. Hoy en día existen muchas formas de llegar a completar un modelo 3D mediante una colección de fotografías o utilizando escáner láser 3D. La elección de uno u otro método dependerá de los requerimientos del producto/s final/es, del procedimiento automatizado seguido, del tiempo, de la inversión monetaria y la experiencia del operador. 

Por otro lado, los avances en los tratamientos multiespectrales proporcionan una nueva herramienta de estudio en la documentación patrimonial, bien sea del arte prehistórico rupestre, de artefactos arqueológicos, pinturas o cuadros, proporcionando una visión más profunda e integral del bien con recursos económicos asumibles. 

Tampoco hay que obviar la componente de difusión y divulgación del patrimonio a la sociedad. Los entornos virtuales y las aplicaciones utilizables en múltiples dispositivos móviles facilita el que los usuarios se sensibilicen y demanden más acciones orientadas a preservar nuestro legado patrimonial.

Bibliografía 

• Bethel, D. J. (1990): «Digital Image Processing in Photogrammetry», The Photogrammetric Record, 13 (76), pp. 493-504. 
• English Heritage (2011): 3D laser scanning for heritage advice and guidance to users on laser scanning in archaeology and architecture. 2nd edition. English Heritage. 
• Carrión, B.; Blanco, S. (2014): Análisis multiespectral, documentación 3D e interacción en dispositivos Android de pinturas rupestres. Trabajo Final de Carrera, ETSIGCT. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia. Chabries, 
• D. M.; Booras, S. W., y Bearman, G. H. (2003): «Imaging the past: recent applications of multispectral imaging technology to deciphering manuscripts», en Antiquity, n.º 77, pp. 359-372. 
• García-Gómez, I.; Fernández, M., y Mesanza, A. (2011): «Láser escáner y nubes de puntos. Un horizonte aplicado al análisis arqueológico de edificios», en Arqueología de la Arquitectura, n.º 8, pp. 25-34.
•  Koenderink, Jan J.; y Van Doorn, Andrea J. (1991): Affine structure from motion. Journal of the Optical Society of America, n.º 8 (2), pp. 377-385. 
• Brevern, Jan Von (2011): «Fototopografia: The «Futures Past» of Surveying». Intermédialités: histoire et théorie des arts, des lettres et des techniques / Intermediality: History and Theory of the Arts, Literature and Technologies, 17, pp. 53-67. 
• Ruíz, Juan F.; Sebastián, María; Quesada, Elia; Pereira, José; Fernández, Silvia; Martínez, Irantzu; Maguregui, Maite; Giakoumaki, Anastasia; Madariaga, Juan M.; Pitarch, África; Lorente, Juan Carlos, y Dólera, Antonio (2013): Proyecto 4D. Arte rupestre. Ministerio de Educación Cultura y Deporte, pp. 115-280. Lerma. J. L.; 
• Van Genechten, B.; Heine, E.; Santana, M.; (2008): Teoría y práctica del Escaneado Láser Terrestre. Material de aprendizaje basado en aplicaciones prácticas. Proyecto Herramientas de aprendizaje para el levantamiento tridimensional avanzado en la conciencia de riesgos (3DRiskMapping). Leonardo Da Vinci. Universidad Politécnica de Valencia, Valencia. 
• Lerma, J. L. (2002): Fotogrametría moderna: analítica y digital. Universidad Politécnica de Valencia. Valencia, pp. 29-46. 
• Lerma, J. L.; Cabrelles, M.; Navarro, S., y Seguí, A. (2010): La documentación patrimonial mediante sensores de imagen o de barrido láser. Documentación gráfica del patrimonio. Ministerio de Cultura, pp. 108-117.

Silvia Blanco, 

Berta Carrión,

 José Luis Lerma 

Departamento de Ingeniería Cartográfica, 

Geodesia y Fotogrametría. 

Universitat Politècnica de València.