Félix Pinto

Using 3D Printer Technology to Represent Survey Information

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The Art of Bathymetry

Great advancements have been made in three dimensional printing over the last few years and have made an impressionable impact across a variety of industries. 3D printing's versatility can be incorporated into any industry that has some form of three dimensional design. An exciting application is to model point clouds from survey techniques to create three dimensional scaled models for visualisation and communication. This article explores a new medium using 3D printed technology.

(By Andrew Ternes, Port of Melbourne and Dr Daniel Ierodiaconou, Deakin University, Australia)

Over the last few years great advancements have been made to all forms of surveying in three dimensional data capture, whether it be multibeam echo sounders in hydrography, laser scanning in terrestrial and bathymetric surveying or photogrammetry through aerial surveying. Three dimensional data capture techniques produce vast amounts of information in the form of a point cloud from which useful information can be extracted. The information is usually translated to a two dimensional format in the form of a computer aided drawing (CAD), a Chart, a two and half dimensional digital format for visualisation or analysis to derive secondary products such as terrain metrics.

To convey three dimensional form cartographer’s employ varying techniques including colour gradients, contours, relief or sun shading to show variations in depth and the use of oblique angles instead of the typical orthogonal view. These techniques are not usually misinterpreted by spatial professionals but can be difficult for non-spatial individuals to comprehend. Colour gradients have varied elevations being represented by different colours, which can be difficult to interpret, particularly if a legend has not been provided. Shaded relief or shadowing can provide extra information to the viewer but has been known to cause optical illusions where depressions can appear as rises and vice versa. The use of oblique angles from a set perspective can show form, but may hide points of interest depending on the complexity of the information. The oblique angles are usually static images or displayed as a digital model that can be navigated on a computer, with a screen that is still two dimensional.

Utilising multiple open source software that was designed for GIS, point cloud manipulation and 3D modelling & animation; datasets captured by the Port of Melbourne Corporation and Deakin University were designed into 3D models and then sent to a 3D printing service provider.
An initial learning phase was required to learn the various software programs required to manipulate the point cloud data into a 3D model suitable for print. The point cloud is either turned into a surface as a Digital Terrain Model (DTM) or a Triangular Irregular Network (TIN). A surface cannot be printed alone, as it is too thin to be considered printable by a 3D printer, so a 3D polygon or a cube is used to enclose the surface. The surface is then used as an intersecting plane using Boolean logic, anything above the surface is deleted while everything below is kept, resulting in an impression of the surface on the top of the 3D polygon, while leaving a flat base for ease of display. Orthometric photos or images of the modelled area can be used to apply textures to the model by wrapping around it and providing contextual information (Figure 1).

Important points to consider in creating a dataset to be 3D printed

Choose the right 3D printer for your intended purpose and associated material, which can vary from plastics to colour coded layered sand with epoxy. The models you see in this article have all been printed using the Shapeways 3D print service utilising ‘Full colour sandstone’. The material was chosen for its durability and its ability to display multiple colours. When creating a model to be 3D printed, the printer’s capabilities needs to be taken into consideration. For instance, the maximum printer dimensions for the models shown here were 250 by 380 by 200 millimetres with a resolution of 0.4 of a millimetre, but can vary by printer type and material used. This influences the scaling of the model to the printer dimensions and the level of detail you will be able to see in the final print. Resampling the dataset to a coarser resolution may be necessary if trying to model a large area. The model of Eliza Ramsden was at a resolution of 0.25m with an area of 5,577m2 (Figure 2) whilst the Port Phillip heads were modelled at 20m with an area of 93km2 (Figure 3). In our case, models had to conform to printer provider accepted file formats and restricted to file sizes of 64MB or 1 Million polygons. The 1 million polygon restriction can be problematic when trying to balance terrain size and detail. For coloured prints we found the best formats to use to be VRML and X3D, whilst for non-colour prints STL, OBJ and Collada were appropriate but likely to vary according to format requirements by print services.

Another apparent problem had to do with applying the colour. The colour was captured using an orthogonal geotiff of the survey areas with some of the models having the land terrain masked with aerial photography instead of a bathymetric colour scale. Using an open source 3D animation program the geotiffs were draped over the elevation models using a process called UV wrapping. There was not a single program that can handle all the processes to create a 3D print and was therefore a combination of several programs, all with different intended purposes. Hopefully in the future survey software can adopt some of the formats and functionality to future versions of their software for standard 3D print formats.

The methodology has been applied to multibeam bathymetry, UAV captured Photogrammetry and DSM models, terrestrial and bathymetric Lidar data and satellite derived elevation data either as a single dataset or combination of multiple datasets to form a comprehensive model. The final models are not limited to being 3D printed and have been used in other 3D virtual viewing mediums and show promise as communication tools for the rapidly developing field of augmented reality. The Augment website and mobile phone application allow the models to be uploaded and shared. A tracker can be a customised information sheet that can include the company logo or a simple Quick Response (QR) code. When the application is run on your device it reads the QR code or the unique layout and overlays the 3D model over the camera view, allowing the user to explore the model (Figure 4).

Dr Ierodiaconou from Deakin University, School of Life and Environmental Sciences, Warrnambool, Victoria has been exploring the value of 3D printed models as communication tools (Figures 5 and 6). He found an immediate benefit with 3D printable products for communication of environmental values. This includes the application of low cost unmanned aerial vehicles for defining endangered hooded plover habitats on nesting beaches funded by Birds Australia. The first model (Figure 5) shows storm cut of the beach face whilst providing quantitative spectral and elevation data tied to a datum using RTK GPS (Real Time Kinematic GPS). Time series analysis allows the investigation of management interventions such as the spraying of the invasive Marram grass that has been linked to stabilisation of mobile sand dunes and steepening of the beach face. The second model (Figure 6) shows the integration of terrestrial imagery and elevation combined with high-resolution seafloor mapping data (10cm resolution) of Refuge Cove, a popular anchorage on the east coast of the most southern tip of mainland Australia. The project was funded by Parks Victoria and multibeam sonar data was captured using a Kongsberg 2040C fitted to Deakin’s 9.2m research vessel Yolla. “We find it an amazing way to communicate the value of marine ecosystems, showing a direct link to the terrestrial realm with continuation of headlands and drowned coast and river features from lower sea level stands”.

The Port of Melbourne Corporation use the models at sponsored events and festivals, and the response from the public is invariably positive. “It’s always more effective to show, rather than tell, especially when discussing something that cannot ordinarily be seen, and the 3D models are very effective engagement tools in this regard. These 3D models can provide an immediate sense of spatial relief with minimal interpretation or miscommunication through cartographic techniques especially when communicating with non-spatial professionals” Ierodiaconou said. Whilst three dimensional fly throughs will always have a place in science communication (see an example from Wilsons Promontory Marine National Park) new communication mediums provide exciting opportunities whether in hard print where you can feel the texture of the spatial domain or augmented reality for immersive experiences with unlimited field of views.

Fuente: https://www.gim-international.com/content/article/using-3d-printer-technology-to-represent-survey-information
Miércoles 18 de enero del 2017

Topografía - El crecimiento de nuestra profesión ...

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Los profesionales de topografía en Colombia necesitamos unirnos con el fin de ser una comunidad solidaria que busque el bien del otro, nuestro propósito es crear entornos de colaboración mutua porque sabemos que trabajando en conjunto logramos grandes cosas. El país necesita equipos fortalecidos para solucionar los problemas concernientes al área de tierras y topografía.

Apúntate a la Cámara Colombiana de la Topografía

El desarrollo de los ordenadores cuánticos pasa por... predecir el futuro

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Investigadores de la Universidad australiana de Sidney han logrado demostrar que son capaces de "ver" el futuro de los sistemas cuánticos, y han utilizado ese conocimiento para evitar su destrucción, uno de los principales problemas para la construcción de tecnologías cuánticas fiables. Se trata de una importante hazaña científica que podría ayudar a acercar el extraño e impredecible mundo de la tecnología cuántica a la realidad. El estudio se acaba de publicar en Nature Communications.

La infinidad de posibles aplicaciones de tecnologías con capacidades cuánticas resulta tentadora, ya que éstas multiplican las prestaciones de cualquier tecnología actual, e incluso empiezan ya a tener impactos significativos en campos como la detección o la metrología, la rama de la Física que se ocupa de la medición y normalización de las magnitudes que utilizamos en nuestras vidas diarias. Por otra parte, la posibilidad de construir computadoras cuanticas, millones de veces más poderosas que las actuales, se ha convertido ya en una auténtica "carrera" en la que compiten, con enormes inversiones, las mayores compañías del mundo, como Google, Microsoft o IBM, entre otras.

Sin embargo, existe un gran obstáculo para la construcción de tecnologías cuánticas fiables. Se llama decoherencia, y provoca que un sistema cuántico deje de comportarse como tal y pase a tener un comportamiento físico clásico, haciéndolo inútil. Los físicos se enfrentan cada día a ese problema y tratan de conseguir, por ahora sin demasiado éxito, evitar la decoherencia y lograr que un sistema cuántico siga obedeciendo las leyes de la Mecánica Cuántica, y no las de la Física convecional. Algo realmente difícil, ya que el cambio de un estado a otro se produce, además, al azar.

Gracias al Big Data

Ahora, y aplicando técnicas basadas en el Big Data (análisis masivo de datos), los científicos australianos han conseguido predecir cómo cambiará en el futuro un sistema cuántico, lo que les ha ayudado a evitar que se produzca la tan temida decoherencia.

"La forma en que pueden fallar los componentes individuales de nuestros teléfonos móviles se parece mucho a cómo lo hacen los sistemas cuánticos -afirma Michael J. Biercuk, autor principal del artículo de Nature Communications-. Solo que en las tecnologías cuánticas la vida útil generalmente se mide en fracciones de segundo, y no en años".

Biercuk cree que su grupo ha logrado demostrar que es posible suprimir la decoherencia de forma preventiva. La clave, por supuesto, está en desarrollar una técnica capaz de predecir cómo y cuándo un sistema cuántico se va a desintegrar. "Los humanos -continúa el investigador- usan técnicas predictivas de forma rutinaria en su vida diaria. Por ejemplo, cuando jugamos al tenis, predecimos dónde terminará la pelota basándonos en observaciones hechas mientras está en el aire. Y esto funciona porque las reglas que gobiernan el movimiento de la pelota en movimiento, como la gravedad, son constantes y conocidas. ¿Pero qué pasaría si esas reglas cambiaran al azar mientras la pelota está aún acercándose a nosotros? En ese caso sería imposible predecir su comportamiento".

"Pues bien -prosigue Biercuk- esa es exactamente la situación a la que debemos enfrentarnos, porque la desintegración de los sistemas cuánticos se produce al azar. Y lo que es más, el mero hecho de observar el reino cuantico borra sus características, por lo que nuestro equipo necesitaba ser capaz de adivinar cómo y cuándo el sistema se rompería al azar. En otras palabras, sería como enfrentarnos a los movimientos aleatorios de la pelota de tenis con los ojos vendados".

Sin embargo, lo que nosotros observamos como una conducta errática y al azar contiene, en realidad, suficiente información para que un ordenador debidamente programado pueda predecir cómo ese sistema va a cambiar en el futuro. Y al hacerlo, se eliminaría la necesidad de una observación directa (que como hemos visto, altera la realidad cuántica), y se mantendrían, por lo tanto, todas las características útiles del sistema.

Cabe destacar qas las predicciones hechas por el equipo australiano sobre divesros sistemas cuánticos fueron notablemente precisas, lo que permitió a los investigadores usarlas de forma preventiva para compensar los cambios antes de que éstos se produjeran. Hacer esto en tiempo real permitió a los científicos evitar la decoherencia y mantener durante más tiempo las características cuánticas, extendiendo la vida útil de los qbits (bits cuánticos), y por tanto su efectividad.

"Sabemos que construir tecnologías cuánticas reales requerirá mayores avances en nuestra habilidad para controlar y estabilizar los qbits -afirma Biercuk- de forma que éstos resulten útiles para aplicaciones concretas. Nuestra técnica se puede aplicar a cualquier qbit utilizado actualmente en cualquier tecnología cuántica. Estamos realmente contentos de poder desarrollar nuevas capacidades que contribuyan a convertir los sistemas cuánticos en tecnologías realmente útiles".

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Lunes 16 de enero de 2017

¿Serán así de fantásticos los rascacielos del futuro?

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Arconic es una compañía innovadora con sede en Nueva York que emplea nuevos materiales y técnicas avanzadas para fabricar productos de ingeniería y construcción. «Hacemos real lo imposible», prometen en su página web. Y quizás no imposible, pero sí fantástica es su propuesta para la creación de los rascacielos del futuro. Según la empresa, dentro de 45 años, estos grandes edificios dejarán de ser una especie de gigantescas estacas clavadas en el suelo para convertirse en algo mucho más versátil, sugerente y, ojalá sea cierto, ecológico.

El rascacielos de 5 km que «se come» la contaminación- Arconic

Los ingenieros plantean la construcción de un impresionante rascacielos de 3 millas de altura con materiales todavía en desarrollo o que acaban de llegar al mercado. Lo ambicioso no se queda en la altura. La idea es que el inmueble tenga una fachada de aspecto orgánico -«que realmente parezca construida por el ser humano», dicen-, realizada a partir de materiales fabricados con una impresora 3D.

Emplearán una tecnología llamada EcoClean capaz de «devorar» el esmog, la indeseable contaminación característica de las ciudades, y purificar el aire a su alrededor. El sistema funciona con la ayuda de la luz y el vapor de agua, que se mezclan con unos químicos en el recubrimiento del edificio, de dióxido de titanio, para producir radicales libres. Estos átomos atraen los contaminantes del aire y los hacen desaparecer junto a la suciedad y la mugre, según publica Business Insider. El resultado es un edificio más limpio rodeado de aire más puro.

Además, el rascacielos dispondrá de unas ventanas retráctiles que podrán convertirse en un balcón de cristal de 3 metros cuadrados en menos de un minuto. De esta forma, el edificio «reaccionará» a las necesidades de sus habitantes en vez de ser al revés.

El sistema de ventanas inteligentes- Arconic

Aunque el planteamiento de un edificio construido en 3D pueda parecer algo demasiado atrevido, no es la primera vez que se propone. Dubai, por ejemplo, también estudia la creación de unas oficinas levantadas con esta técnica.

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Lunes 16 de enero de 2017

Así será la explosión que podría cambiar el cielo en 2022

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Aunque el cielo nocturno parezca quieto y tranquilo, ahí fuera las galaxias «chocan», las estrellas nacen y mueren, y hay estallidos de energía capaces de viajar miles de millones de años luz. A pesar de todo, las distancias son tan enormes y la escala de vida del Universo es tan inconmensurable, que parece que el cielo es eterno.

Recientemente, Larry Molnar, un astrofísico del Calvin College (Michigan, Estados Unidos), anunció que en 2022, veremos un importante cambio en el cielo con nuestros propios ojos. Según la predicción hecha por el científico (y que será publicada en un artículo científico), dos estrellas se fundirán en una y crearán una potente explosión, conocida como nova, que se convertirá en un nuevo punto de luz en la bóveda celeste. Será tan visible como la estrella Polar, y solo menos rutilante que Vega y Sirio, de forma que podremos verlo con el ojo desnudo si miramos hacia la constelación del Cisne. Pero habrá que apresurarse, porque este nuevo punto luminoso del cielo nocturno apenas durará un suspiro en la escala de vida del Universo: unos seis meses. Pero, ¿cuál es en realidad la importancia de este fenómeno?

«Es la primera predicción hecha nunca sobre una nova roja», ha explicado a ABC Larry Molnar. «Si estamos en lo cierto, por primera vez podremos observar un sistema de dos estrellas antes y después de la fusión. Esta información será clave».

Si la predicción finalmente se cumple, los astrónomos de todo el mundo podrán observar «en directo» el proceso de fusión de un sistema binario (formado por dos estrellas) y comprobar si los modelos sobre cómo funciona este mecanismo realmente están en lo cierto. Y averiguar si es cierto lo que se sabe sobre las novas rojas.

Entorno de las constelaciones donde podría aparecer un nuevo punto entre 2021 y 2023- Larry Molnar, Calvin College

En concreto, se podrá entender entonces la unión de una estrella binaria de contacto, un tipo de estrella que se caracteriza porque dos esferas de plasma y energía se tocan y comparten una «atmósfera» común, como dos cacahuetes que están dentro de una misma cáscara. Se sabe que en estas estrellas, el «idilio» se mantiene hasta que se produce una nova, una violenta explosión termonuclear acompañada de la expulsión de una parte de la envuelta exterior de gas de ambas.

«No se conoce realmente qué mecanismo marca el fin de la etapa de contacto de la estrella, al final del cual la capa externa se expulsa y que nosotros vemos como una nova roja», ha aclarado Molnar. Por eso el astrofísico confía en que esta observación llene los huecos y se pueda entender mejor el funcionamiento de las estrellas.

Máxima expectación

¿Es algo excepcional predecir una explosión así? «Hasta ahora ni las novas ni las supernovas se han podido predecir», ha explicado a ABC Gabriel Gómez, científico del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), y que trabaja en el Gran Telescopio Canarias. El motivo es la falta de una serie de datos obtenidos de forma continua a lo largo del suficiente tiempo. Por eso, en opinión de Gómez, cuando llegue la fecha de la predicción, «todo el mundo, sobre todo Molnar, estará expectante para ver si no se ha equivocado en sus cálculos, y para ver si la naturaleza se comporta con una matemática rigurosa».

La historia de esta predicción comenzó en 2008. Por entonces el astrónomo Romuald Tylenda observaba la estrella, V1309 Scorpii. El objeto se comportó de forma extraña y estalló de repente, en forma de nova roja, un tipo de explosión que había sido introducido solo un poco antes. Los datos de Tylenda mostraron que, antes de estallar, la órbita de la estrella se fue cerrando cada vez más rápido.

Ya en 2013, este patrón fue como una «piedra de Rosetta» para que Larry Molnar interpretara el comportamiento de una estrella que había llamado la atención de los astrónomos: se trataba de KIC 9832227, una estrella situada a 1.800 años luz de la Tierra.

Sistema estelar KIC 9832227. La estrella más grande es un 40% mayor que el Sol- Larry Molnar, Calvin College

Después de estudiarla meticulosamente, Molnar propuso que aquella estrella estaba pasando por el mismo proceso que V1309 Scorpii. De modo que, en el 229 encuentro de la Sociedad Astronómica Americana, anunció que KIC 9832227 sufrirá un proceso de fusión y de explosión de nova roja. La fecha estará entre 2021 y 2023, si sus cálculos no fallan. (Lo más correcto sería decir que la nova ocurrió hace casi dos milenios y que será en ese año cuando llegue la luz procedente de allí).

La gran explosión

Gabriel Gómez ha explicado qué ocurrirá entonces, al menos en teoría: «Esta nova, se produce en un sistema binario cerrado, en el que un componente es una enana blanca y el otro una gigante roja. En este sistema la enana blanca (que es más densa que la otra) acreta (acumula) material de la gigante roja, de forma que esta va perdiendo las capas más externas de su atmósfera. Por eso, la enana blanca se va haciendo cada vez más grande, y va compactando el nuevo material en la superficie debido a la fuerza gravitatoria. Pero llega un punto en que se alcanza una temperatura crítica que provoca la ignición termonuclear, la gran explosión».

Cuando eso ocurre, se desencadenan reacciones de fusión nuclear en la superficie de la enana blanca. Se caracterizan en que ocurren de manera explosiva, en que arrastran cierta cantidad de material y en que, además, provocan un incremento muy notable del brillo de la estrella. En algunos casos, estas explosiones pueden ser recurrentes, y ocurrir, por ejemplo una vez cada década.

¿Nova o supernova?

Es importante no confundir las novas con las supernovas. Las primeras son más débiles: pueden hacer que la luminosidad de una estrella aumente hasta 100.000 veces, pero las supernovas pueden aumentar esta cifra hasta 100 millones de veces. Por último, las supernovas superluminosas pueden aumentar el brillo de las estrellas 100 veces más que las supernovas convencionales.

Pero aparte de eso, novas y supernovas son procesos totalmente distintos. Al final de las novas las estrellas sobreviven, pero no ocurre así con los distintos tipos de supernovas que hay. A veces porque se agota el combustible estelar, y otras veces porque en estrellas binarias el robo de gas de una compañera a la otra supera una masa crítica, al final de las supernovas la estrella original colapsa y desaparece: puede convertirse en un agujero negro o en una estrella de neutrones.

¿Y si la predicción falla?

Tal como ha explicado Larry Molnar, dado que no se conoce con precisión el mecanismo que activa la nova, la fecha del estallido solo se puede estimar con un año de margen (arriba o abajo).

«Sin embargo, el proceso es largo y gradual, requiere meses para alcanzar el pico de brillo. Por eso, tan pronto como comience el proceso, podremos decir en qué meses podremos ver la nova con nuestros propios ojos. El público general tendrá la noticia con suficiente antelación para saber dónde y cuándo mirar».

Según este astrofísico, si su predicción falla, tampoco será malo del todo. El motivo es que entonces tendrían la prueba de que deberían buscar los motivos del comportamiento de KIC 9832227 en otra parte. «Descubrir por qué sufre ciertos cambios en su periodo de luminosidad, también sería un importante descubrimiento, aunque no tan bonito como ver un punto nuevo en el cielo», ha bromeado Molnar.

Además, en opinión de este científico, los mismos criterios que han usado para identificar a KIC 9832227 pueden ser usados para buscar nuevas candidatas a estallar en nova roja durante las próximas décadas.

«Estamos dando pasos para buscar a fondo en los sondeos astronómicos actuales y futuros para encontrar a una próxima nova roja antes de que explote, ya sea nuestro blanco actual u otro», ha explicado el astrofísico.

De momento, Molnar y su equipo observarán la estrella usando varios telescopios, como el VLT («Very Large Array»), la nave XMM-Newton y el «Infrared Telescope Facility».

«No sabemos si estamos en lo cierto o no, pero es la primera vez que hemos podido hacer una predicción (...) Y la gente no necesitará un telescopio para decirme si estaba en lo cierto o no en 2022», dijo Molnar para Astronomy.com.