Análise de nuvens de pontos tridimensionais no âmbito da Engenharia Geotécnica

Abstract

O desenvolvimento de técnicas de aquisição de dados à distância proporcionou uma alternativa eficaz e segura aos levantamentos manuais no terreno. Tecnologias como o LiDAR e a fotogrametria revolucionaram vários campos das geociências, como a Geologia e a Geotecnia, ao possibilitarem a criação rápida e precisa de representações 3D de faces rochosas e superfície de terreno, conhecidas como nuvens de pontos 3D. Com o advento das nuvens de pontos, surgiu a necessidade de desenvolver métodos capazes de extrair características e resultados relevantes delas. Esta investigação tem como objetivo estabelecer metodologias de análise de nuvens de pontos 3D para melhorar as rotinas de análise geotécnica. Essas análises incluem o acompanhamento da evolução das deformações de taludes rochosos e/ou terrosos, o controlo dos movimentos de terra em obras de aterro ou escavação e o estudo da estabilidade de maciços rochosos. A dissertação está divida em três capítulo: Estado do Conhecimento (primeiro capítulo), Materiais e Métodos (segundo capítulo) e Aplicações Práticas (terceiro capítulo). O primeiro capítulo revisa o conhecimento estabelecido por outros autores em relação à aplicação de nuvens de pontos em casos de estudo reais, como taludes, falésias e rios. O segundo capítulo apresenta os materiais e métodos utilizados na presente dissertação, incluindo o cálculo de volumes, a remoção de vegetação numa nuvem de pontos e a extração de famílias de diaclases de um talude rochoso. O terceiro capítulo foca na aplicação prática dessas metodologias em nuvens de pontos preparadas pela Infraestruturas de Portugal (IP), em locais com patologias identificadas. Em cada caso de estudo apresentado, diferentes métodos foram aplicados e análises específicas foram realizadas. No primeiro caso, um talude terroso, que cedeu devido a chuvas intensas e/ou ineficácia do sistema de drenagem, foi reconstruído a partir da nuvem de pontos 3D, permitindo o cálculo do volume de material movimentado (que por sua vez é o volume de aterro necessário à restituição do talude) e a elaboração de uma carta topográfica para uma intervenção futura. No segundo caso, um talude rochoso com as famílias de diaclases evidentes foi analisado a fim de se estudar a estabilidade do mesmo. Foram identificadas e extraídas as famílias de diaclases e, posteriormente, realizada uma análise cinemática. O terceiro caso é relativo a um talude cujo material é a transição entre solo e rocha. Para este caso de estudo, realizaram-se dois levantamentos em instantes de tempo distintos. Com isto, pretende-se monitorar a evolução da deformação do talude, ou seja, avaliar os deslocamentos ocorridos nesse intervalo de tempo.

The development of remote data acquisition techniques has provided an effective and safe alternative to manual ground surveys. Technologies such as LiDAR and photogrammetry have revolutionized various fields of geoscience, such as geology and geotechnics, by making it possible to quickly and accurately create 3D representations of rock faces and terrain surfaces, known as 3D point clouds. With the advent of point clouds, the need arose to develop methods capable of extracting relevant characteristics and results from them. This research aims to establish methodologies for analyzing 3D point clouds in order to improve geotechnical analysis routines. These analyses include monitoring the evolution of rock and/or earth slope deformations, controlling earth movements in embankment or excavation works and studying the stability of rock masses. The dissertation is divided into three chapters: State of Knowledge (first chapter), Materials and Methods (second chapter) and Practical Applications (third chapter). The first chapter reviews the knowledge established by other authors regarding the application of point clouds in real case studies, such as slopes, cliffs and rivers. The second chapter presents the materials and methods used in this dissertation, including the calculation of volumes, the removal of vegetation in a point cloud and the extraction of joints sets from a rock slope. The third chapter focuses on the practical application of these methodologies in point clouds prepared by Infraestruturas de Portugal (IP) at sites with identified pathologies. In each case study presented, different methods were applied and specific analyses were carried out. In the first case, an earthen slope, which had caved in due to heavy rainfall and/or inefficiency of the drainage system, was reconstructed from the 3D point cloud, allowing the volume of material moved to be calculated (which in turn is the volume of embankment needed to restore the slope) and a topographical map to be drawn up for future intervention. In the second case, a rock slope with obvious joints sets was analyzed in order to study its stability. The joints sets were identified and extracted, followed by a kinematic analysis. The third case concerns a slope whose material is the transition between soil and rock. For this case study, two surveys were carried out at different points in time. The aim is to monitor the evolution of the slope's deformation, i.e., to assess the displacements that occurred during this time interval.