CAPITULO 13. MODELIZACIÓN 3D DEL TERRITORIO. APLICACIONES EN ARQUEOLOGÍA Y PATRIMONIO. SIG 3D.

Prof. Dr. D. Francisco R. Feito Higueruela

Prof. Dra. Dña. Lidia Ortega Alvarado

Grupos de Investigación en Informática Gráfica y Geomática.

Departamento de Informática. Universidad de Jaén. Jaén. España.

“…Los datos y la información se transmiten constantemente por medios electrónicos, pero el conocimiento parece viajar más a gusto a través de la red humana.”

Davenport, Long y Beer (1988)

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA MATERIA Y CONTENIDOS

En este capítulo se estudian algunas de las técnicas utilizadas para el modelado de elementos arqueológicos, tanto arquitectónicos como para las piezas encontradas en los yacimientos y como no, de la orografía del terreno en el que se localizan estos emplazamientos.

El tema abre con una serie de apartados en los que se definen conceptos como las representaciones digitales, la abstracción de la realidad que implican los procesos de modelado, las características de la información espacial y las que han de presentarse en su procedimiento de modelado, la definición de los modelos ráster y vectoriales, y la topología, todo ello presentado como una breve introducción a los SIG.

A continuación se centra en los SIG, en los tipos de modelización del terreno y de los elementos sobre el terreno, y en la definición de las diversas herramientas y técnicas de modelado existentes.

Además del modelado, existe la necesidad de almacenar, catalogar y analizar el conjunto de datos arqueológicos en las denominadas bases de datos espaciales, tratadas en cuarto tema del capítulo. En él se nos muestra que el carácter espacial que es inherente a la información arqueológica, hace de los Sistemas de Información Geográficos (SIG) una herramienta muy útil (SIG3D). Los modelos tridimensionales que modelan la representación virtual deben ser integrados de forma natural en estos SIG, concepto que se ha denominado SIG 3D.

En el tema quinto del capítulo se nos muestran los mecanismos para el acceso remoto a este tipo de información, para compartir la misma y los métodos de análisis sin la necesidad de estar presente en el lugar, es decir, la interacción con los entornos web.

Finalmente se exponen las herramientas con capacidades asociadas al SIG 3D y que pueden considerarse al servicio de la Arqueología Virtual.

OBJETIVOS ALCANZADOS

Aptitudes alcanzadas:

• Conocer el concepto de modelización y aplicarlo en temas de Arqueología y Patrimonio.
• Conocer las características principales de las bases de datos espaciales y espacio-temporales y sus aplicaciones en Arqueología y Patrimonio.
• Saber describir los elementos fundamentales de un Sistema de Información especialmente en el caso de los Sistemas 3D y Sistemas WEB.
• Dominar u usar adecuadamente los conceptos relacionados con los SIG (Sistemas de Información Geográfica) y los SIG 3D.
• Introducción en alguna de las herramientas SIG 3D presentadas.

DATOS DE INTERÉS ASIMILADOS.

Modelo ráster. En él todo elemento espacial es modelado mediante una matriz rectangular de celdas de tamaño uniforme, localizada espacialmente. Cada celda contiene o bien un color o bien el valor de un atributo determinado. El modelo ráster modelará una foto de la zona indicada o el valor del atributo para esa zona del espacio.

Modelo vectorial. En él se usan entidades geométricas básicas: puntos, segmento, polilíneas, polígonos.

Topología. Parte de las Matemáticas que estudia las relaciones de proximidad entre elementos.

SIG. Sistemas de Información Geográficos. “Sistema de hardware, software y procedimientos elaborado para facilitar la obtención, gestión, manipulación, análisis, modelado y representación de datos espacialmente referenciados y para la resolución de problemas complejos que impliquen la manipulación y gestión de dichos datos”. NCGIA, National Center for Geographic Information and Análisis- USA. Almacenan información espacial representando características específicas del territorio y considerando las localizaciones exactas en dicho territorio. El modo en que esta representación se realiza determina modo de visualización, de almacenamiento o incluso el tipo de análisis que se realiza sobre la información del terreno.

MDT. Modelos Digitales del Terreno.

MDE. Modelo Digital de Elevaciones. Una de las capas más importantes en los MDT que representa la topografía de la tierra mediante un campo de variación continua de la forma z=(x,y), y que representa para cada coordenada terrestre (x,y) su altitud dada con el valor z.

LIDAR. Laser Imaging Detection and Ranging. Datos procedentes de barridos láser.

TIN. Triangulated Irregular Networks. Estructura de datos que divide la superficie del terreno en triángulos contiguos y no solapados. Los vértices de cada triángulo son puntos cuya coordenadas (x,y,z) son conocidas. Estos vértices se triangulan mediante el método de Delaunay que consigue una partición del plano en triángulos lo más equiláteros posibles.

Bases de Datos Espaciales. Bases de datos que almacenan datos procedentes de una abstracción de entidades terrestres, es decir, almacenan objetos con información sobre su ubicación en el espacio. La construcción de una base de datos geográfica implica un proceso de abstracción para pasar de la complejidad del mundo real a una representación simplificada que pueda ser procesada por el lenguaje de programación.

SSQL. Spatial SQL. Lenguaje de consulta espacial que introduce, mediante extensiones, los distintos conceptos del álgebra ROSE dentro del lenguaje SQL estándar; es decir, utiliza las cláusulas SELECT-FROM-WHERE para las tres operaciones en el álgebra relacional (proyección algebraica, producto cartesiano y selección) (Brent Hall, 2010).

PSQL. Pictoral SQL. Lenguaje de consulta espacial para los datos obtenidos mediante rasterización, donde cada objeto espacial se extiende mediante un atributo loc (localización) el cual es referenciado en la cláusula SELECT para una salida gráfica y una cláusula específica para tratar relaciones espaciales.

MySQL. Sistema de gestión de bases de datos. Implementa un subconjunto de SQL con tipos de datos geométricos y funciones sobre dichos datos para permitir el análisis de dicha información espacial.

Bases de Datos Espacio-Temporales. Permiten explícitamente el modelado y manipulación de datos con características espaciotemporales. El modelado debe describir los objetos en el espacio pero también su ciclo de vida y período de validez para objetos que se desplazan o varían en el tiempo.

VRML. Virtual Reality Modeling Language. Se trata de un lenguaje declarativo que permite la visualización y la interacción en entornos tridimensionales. La visualización requiere estar en disposición de un navegador que tenga instalado el plugin correspondiente (Cortona o BSConctact), entonces los archivos con código VRML será visibles en el ordenador cliente.

X3D. eXtensible 3D. Lenguaje de descripción basado en XML y que hereda su funcionalidad de VRML. Mejora a éste permitiendo una mejor integración con el resto de tecnologías del Word Wide Web y facilitando la lectura del código por parte de personas y máquinas.

O3D. Se trata de una API Web de software libre que desarrolló Google para crear aplicaciones 3D interactivas que puedan ser visualizadas desde el navegador. Esta librería de código abierto está escrita en JavaScript y provee de un grafo de escena parecido al que proporcionan C3DL o Java3D. Para poder ejecutar aplicaciones desarrolladas en O3D basta con tener un navegador Web e instalar un sencillo plugin de visualización sobre él.

WebGL. Es una especificación estándar manejado por el consorcio de tecnología KhronosGroup, que permite representar gráficos 3D acelerados por hardware en páginas web. También se trata de una librería escrita en JavaScript, aunque en esta ocasión el lenguaje de scripting solo sirve como enlace para utilizar la implementación nativa de OpenGL ES 2.0. Para la representación de gráficos en 3D WebGL utiliza el elemento canvas de HTML 5. Una de las ventajas de esta tecnología es que no necesita la de ningún plugin en el navegador, sino que basta con que este tenga soporte para el nuevo HTML5. Para evitar la implementación de código con OpenGL, lenguaje que necesita un alto nivel de especialización, han ido surgiendo nuevas librerías para el desarrollo de aplicaciones WebGL como GLGE, C3DL, SpiderGL, SceneJS, etc. Como desventaja encontramos el hecho de que Internet Explorer de Microsoft no tiene la intención de dar soporte a esta tecnología.

XML-3D. Se trata de la última tecnología de visualización 3D para Web. Ha sido propuesta por la Universidad de Saarland en Hanover. XML3D está diseñado para integrarse en tecnologías estándares de W3C como HTML, DOM y CSS, entre otros. Pretende permitir la programación de complejas escenas a base de utilizar bloques simples. El problema fundamental actualmente es que actualmente se encuentra en una fase temprana de desarrollo y aún falta dar solución a problemas como la iluminación.

Tetraedro SIG. Figura que presenta el paradigma de los SIG, en el que se intenta remarcar los diversos elementos que configuran un sistema de este tipo a la vez que nos facilita entender mejor sus posibilidades.

REFLEXIONES

Para un uso adecuado de las nuevas tecnologías de la Información y la Comunicación es imprescindible un adecuado conocimiento tanto de la Información a tratar como del proceso que implica este tratamiento. Por ello es necesario saber aplicar el proceso adecuado de modelización a la información del territorio para el uso posterior de dichos modelos con las herramientas adecuadas.

Este ha sido el objetivo general del capítulo, el cual me ha resultado el más denso y complicado de todos los desarrollados hasta el momento en el curso, bien por mi falta de experiencia en este campo, como por la complejidad y problemática que he tenido con algunas de las herramientas SIG3D tratadas.

Pese a ello, con los trabajos efectuados tanto con las actividades como con la prueba objetiva, creo haber alcanzado los objetivos básicos propuestos, pero sinceramente, es un tema en el que continuaré trabajando a lo largo de las semanas venideras ya que es un tema esencial dentro del campo de la Arqueología Virtual.

Los SIG3D son un mecanismo esencial para la integración de los modelos tridimensionales, con la posibilidad de almacenar, catalogar y analizar el conjunto de datos arqueológicos en una base de datos espacio-temporal y que posteriormente puede llegar a permitir acceder, compartir y analizar toda esta documentación a través de la interacción con los entornos web.

PROYECTO: DOMUS DEL MITREO.

Debido a que el presente capítulo ha requerido de mi total dedicación, y aun así me faltaron horas al día para llegar a profundizar en la temática, los avances en el proyecto han sido bastante escasos.

Destacar que fueron finalizados los trabajos de toma de datos bidimensionales de la totalidad de la planta de la domus, y tratadas en gabinete. Por lo que el resultado final es el siguiente:

Fig. Nube de puntos generada tras la toma de datos con Estación Total. Sistema de coordenadas locales.

Fig. Planta general de la domus generada a partir de los puntos tomados.

A su vez tomé los datos pertinentes de cada uno de los mosaicos existentes, con la finalidad de dibujarlos mediante restitución fotogramétrica. En gabinete las imágenes están siendo ortorrectificadas con Asrix e insertadas en el dibujo de CAD para poder ser modeladas.

Fig. Fotografías de uno de los fragmentos de mosaicos del deambulatorio del segundo peristilo –original y ortorrectificada-.

Fig. Ejemplo de inserción de fotografías de otro de los fragmentos de mosaicos del deambulatorio del segundo peristilo, y resultado del dibujo en CAD.

Por otro lado, comencé con las pruebas de toma de datos tridimensionales mediante procedimientos fotogramétricos.

Fig. Ejemplo de nube de puntos, sin postproceso, obtenida por métodos fotogramétricos de la estancia “de las Pinturas”, de la domus (tomas de prueba).

Fig. Detalle de la nube de puntos en uno de los paramentos de la estancia anterior (no se encuentra creada superficie en el modelo, tan solo es la nube de puntos generada tras el procesado de las tomas).

La idea de todo esto, aunque parezca que debería decantarme por el uso de un solo método de toma de datos y modelado, es experimentar con cada uno de los procedimientos y evaluar los pros y contras que presentan su uso, individual y/o combinado.

Para mí, el modo más sencillo sería realizar el modelado a partir de un modelo vectorial de CAD. Sin embargo, al ser evidente la posibilidad de utilizar otras metodologías que presentan tan alto potencial –Escáner láser y Fotogrametría-, me es inviable no ponerlas en uso en un tipo de proyecto como éste.

Soy consciente de que la modelización tridimensional tan sólo a partir de los datos procedentes del escaneado limitan la manipulación e interpretación de los componentes del espacio, por lo que es necesario transformarlos a datos de imagen, que posean información tanto espacial o geométrica como radiométrica. Desde mi punto de vista, pienso que el método óptimo para llevar a cabo la modelización tridimensional, tanto de superficies como de edificios, es la simbiosis entre la escanometría y la fotogrametría, un método mixto.

En este proyecto intentaré combinar ambos métodos. La idea es llevar a cabo tomas generales a baja resolución de la domus con escáner láser, con la finalidad de generar un modelo general tridimensional a partir de la nube de puntos en el cual insertar, a posteriori, los modelos exhaustivos de cada una de las estancias del mismo generados por métodos fotogramétricos.

Pese a que los resultados obtenidos hasta el momento –pruebas- mediante métodos fotogramétricos son óptimos –precisión geométrica, calidad óptima en las texturas, etc-, es necesario hacer uso de la escanometría ya que es primordial poseer los datos espaciales o geométricos exactos del modelo, georreferenciados, y esto es imposible de conseguir tan sólo mediante técnicas fotogramétricas.