Integración de observaciones geodésicas: Optimización de redes geodésicas en túneles 


El desarrollo de proyectos subterráneos plantea un gran desafío para los profesionales de la Geomensura, desde complejas geometrías para el desarrollo de redes hasta trabajos de monitoreo para detectar desplazamientos de una estructura que está en constante movimiento, tornan este tipo de proyectos una prueba de fuego, en la cual la capacidad técnica y la incorporación e integración de tecnologías y accesorios es fundamental. En otras palabras, las redes geodésicas en entornos geométricamente complejos, como los túneles, exigen un tratamiento especializado donde la integración tecnológica es clave. Esto permite asegurar la precisión en la combinación de diversas técnicas geoespaciales, garantizando siempre la integridad de las personas y los equipos

Si tenemos que situar un punto de partida, un proyecto subterráneo generalmente está vinculado a un conjunto de coordenadas de control, la cual puede ser materializada mediante GNSS abarcando en su totalidad la extensión del proyecto (Figura 1). En esta etapa es definido el “Datum” de la red, o la vinculación a un marco geodésico específico. Aspectos relativos al diseño de la red o también criterios de procesamiento y ajuste por mínimos cuadrados deben ser considerados. En este caso la red principal del proyecto está asociada a una serie de estaciones de referencia continua que están ligadas a diversas épocas de SIRGAS-Chile, asegurando la conexión a la Red Geodésica Nacional. Además, el gran beneficio del uso de estaciones de referencia continua GNSS es la capacidad de recálculo para obtener una nueva época de realización.

Imagen 1. Vinculación GNSS


En cuanto a la red subterránea, esta es abordada mediante observaciones terrestres, aquí el desafío de la compleja geometría (Figura 2)  plantea la necesidad de una buena planificación (pre-análisis) además del uso de tecnología avanzada durante todo el ciclo del proyecto, en este punto, estaciones servoasistidas para la observación reiteradas de ángulos y distancias, que integren también sistemas de puntería automática, más un software de campo que automatice el proceso de observación se torna clave. En este caso, Matías Sau, Jefe de Topografía de Diexa, tiene plena confianza en la tecnología de Trimble: “Usamos Trimble S3 desde hace mucho tiempo. La estación total permite realizar rondas de observación automatizada hacia prismas gracias al uso de Autolock. Esto nos permite avanzar rápidamente en la densificación de coordenadas con el objetivo de apoyar el levantamiento que desarrollaremos con un SLAM”.

Imagen 2. Geometría interna de una red de geodésica subterránea


Respecto a los accesorios (Figura 3), su uso aporta confiabilidad y productividad en cada etapa del proyecto. A través de la propuesta de Rothbucher Systeme pudimos avanzar a través de una serie de estaciones libres en el entendido de ir densificando en pares: los dos primeros pares sirven para la orientación y los dos segundos para la densificación, asegura Sau. Finalmente, esta metodología permite tener una simplificación de la instalación de la estación total teniendo prismas que se instalan directamente en la caja del túnel teniendo como principal beneficio la ganancia en tiempo debido a que sólo se necesita un trípode en el grupo de trabajo. Por otro lado, la ganancia en seguridad es tremenda considerando que el equipo de trabajo se desplaza mucho más rápido por el túnel.

 

Imagen 3. Accesorios Rothbucher 

 

Para a la integración de observaciones terrestres y satelitales, es necesario contar un software que permita la combinación de observaciones de forma eficiente y automatizada, permitiendo desarrollar proyectos subterráneos en un sistema global de forma sencilla. Para esto, Trimble Business Center juega un rol fundamental en el cálculo a través de la combinación de datos de GNSS y estación total: un caso exitoso de utilización de la metodología de Topografía Integrada.

 

Caso de estudio: túnel minero

Este reporte analiza el establecimiento de una estructura de control geodésico para un proyecto subterráneo con una extensión de aproximadamente 3.5 km. Como es común en este tipo de ambientes, la geometría es compleja, tornando clave la planificación y tecnología a emplear en este proyecto. En una primera etapa se consideran aspectos relacionados a la planificación de observaciones, procesamiento y ajuste, tanto para la vinculación GNSS, como para la red terrestre subterránea.

En el caso de la vinculación GNSS se cuenta con estaciones activas en el marco geodésico nacional SIRGAS Chile 2021.0 (ZAPA, CTPC, ROB1). A partir de estas estaciones son calculadas las estaciones ALCP y TEBO, situadas en los extremos norte y sur del túnel. El procesamiento GNSS consideró productos IGS como efemérides precisas y archivos de reloj, sumado al modelo de procesamiento Wide Lane, usado comúnmente para líneas bases largas. Los resultados promedio para la precisión de las líneas bases que componen la vinculación son del orden milimétrico. 

 

Imagen 4. Vinculación geodésica SIRGAS-Chile 2021.0


En cuanto al ajuste de la vinculación esta fue realizada mediante mínimos cuadrados estableciendo como control las estaciones activas, asegurando consistencia de época y marco geodésico entre estas. Los resultados muestran un factor de referencia 0.5, elipses de error con direcciones de máxima varianza que definen semiejes mayores de 7 mm en promedio (Figura 5) y un test de outliers sin observaciones rechazadas (Figura 6).

 

Imagen 5. Elipses de error para los puntos ALCAPARRA, TEBO 

Imagen 6. Tau-test para outliers - vinculación proyecto túnel minero 

 

Para la planificación de la red interna del túnel, se realizó un preanálisis, considerando observaciones secuenciales redundantes como lo muestra la Figura 6.

Imagen 7. Geometría simulada en el túnel 


El diseño redundante apunta a obtener mejores precisiones en la estimación final de las coordenadas, el desarrollo del proyecto bajo esta metodología es clave para el control de la pérdida de orientación, común en proyectos longitudinales. Para el proceso de observación, se empleó una estación total Trimble S3, ejecutando 4 reiteraciones por punto (directa y tránsito). Los accesorios para la materialización de puntos de control corresponden a prismas Rothbucher, los cuales fueron fijados a la caja del túnel 

 

Procesamiento e integración de observaciones geodésicas 

Inicialmente se realizó un ajuste de la red terrestre sin el control externo definido por la vinculación GNSS, esto busca validar el diseño propuesto en la etapa de preanálisis. En esta etapa el uso adecuado de los flujos de trabajo de Trimble Access, son claves para la automatización de este análisis, en particular el uso del archivo de datos brutos en extensión JOB.

Los resultados obtenidos muestran un post ajuste con factor de referencia aproximado a 4, lo que tornó necesario un análisis de observaciones mediante un Tau-test (Figura 7). Posterior la eliminación de outliers, fueron definidos los pesos idóneos. En una siguiente etapa mediante el cálculo de la matriz varianza covarianza de los parámetros ajustados se determinó las precisiones promedio , las cuales alcanzaron nivel centimétrico en las componentes horizontales y verticales. Las elipses de error verifican mayor incerteza en el sentido transversal de avance del túnel, situación común en este tipo de proyecto (Figura 8)

Imagen 8. Tau- test aplicado sobre la red terrestre sin vinculación a GNSS. identificación de 1 outlier, cuadro rojo 

Imagen 9. Sentido de avance (línea roja) y orientación de elipses de error (Transversales en semiejemayor) 


Realizado el análisis de calidad sobre la red terrestre, la integración de técnicas fue aplicada. Así a partir de las estaciones situadas en los extremos del túnel, son densificados 3 puntos en cada ingreso (sur y norte), los cuales tienen como objetivo proporcionar el control para el acceso mediante observaciones terrestres (Figura 9). 

Imagen 10. Puntos POS63, POS64, CHI1 y CHI2, acceso sur al túnel

 

Considerando la condición de la red terrestre, la cual está definida en un sistema astronómico local (SAL) y el sistema geocéntrico definido por la vinculación GNSS, se torna necesaria la transformación hacia este último. Aquí aspectos asociados a la naturaleza de cada sistema fueron ponderados en su magnitud e influencia en los resultados finales. Así, realizada la compatibilización, fue aplicado un ajuste completo empleando como puntos fiduciales las coordenadas vinculadas desde el marco geodésico nacional (ALCP y TEBO). La Figura 10 presenta el resultado de la red terrestre vinculada a las estaciones GNSS.

 

Imagen 11. Red integrada 

 

Los resultados de la integración, en particular para la red terrestre, mantienen los niveles de precisión calculados en las etapas anteriores (centimétrico), lo que implica consistencia en el marco materializado mediante la vinculación GNSS desde las estaciones activas (SIRGAS CHILE 2021.0), la cual no modifica los indicadores de calidad de la red terrestre. De esta forma el proyecto queda vinculado al marco definido por GNSS, manteniendo su consistencia interna.

Respecto a la adopción de un sistema de coordenadas de proyecto, asociado a definiciones como PSAD56. El procesamiento asegura la consistencia mediante herramienta de transformación en la etapa de vinculación GNSS. Para esto el cálculo de parámetros de transformación o la incorporación a Trimble Business Center es completamente automatizada. En el caso de este proyecto fueron calculadas también soluciones asociadas a PSAD56, bajo el enfoque descrito.

 

CONCLUSIÓNES

Respecto a las principales características de este proyecto, se consideran puntos importantes

  • La vinculación de estaciones GNSS próximas a un proyecto subterráneo a un marco geodésico oficial, asegura la consistencia de las redes que sean observadas a partir de esta estaciones, en este caso una red terrestre en túnel.
  • El diseño de una red terrestre para túnel se ve beneficiada mediante un diseño que considere múltiples observaciones automatizadas mediante estaciones robóticas y accesorios adecuados que aseguren la consistencia en la materialización de puntos de control.
  • Tanto la red o vinculación GNSS, como la red terrestre deben ser evaluadas estadísticamente por separado y en conjunto para asegurar precisiones, consistencia y fiabilidad. Para esto las herramienta de procesamiento y ajuste de Trimble Business Center automatizan el proceso.
  • La integración final es realizada en Trimble Business Center, entregando resultados, precisiones y validaciones en un flujo automatizado.
  • La adopción de sistema de coordenada de proyecto es posible mediante transformaciones geodésicas o incorporación de parámetros en la etapa de vinculación GNSS

Para Matías Sau, "La implementación de la red topográfica subterránea desarrollada por DIEXA cumple un rol fundamental dentro del flujo del proyecto, ya que constituye la base geométrica sobre la cual se sustenta el levantamiento tridimensional mediante tecnología LiDAR SLAM.

La correcta materialización de puntos de control, junto con su ajuste y validación, permitió establecer un sistema de referencia confiable y consistente, asegurando la adecuada georreferenciación de la nube de puntos.

Este aspecto resulta crítico, ya que la calidad del levantamiento tridimensional no depende únicamente del escáner, sino del nivel de control geométrico de la red que lo soporta, permitiendo así su utilización en aplicaciones operacionales como cubicaciones, modelo de bloques geológicos, control de avance y planificación minera."

 

Agradecemos a la empresa Diexa y a su Jefe de Topografía, Matías Sau, por facilitar los datos técnicos y la experiencia en terreno fundamentales para la elaboración de este documento.