Estudio de Inundaciones: Cuenca del Río Pas.

El estudio de inundabilidad en la cuenca de los Ríos Pas y Pisueña, es parte integrante del Plan de Gestión Integral de la Cuenca del Pas-Pisueña, dunas de Liencres y zona litoral asociada. Este estudio fue el resultado de las investigaciones realizadas por el Grupo de Emisarios Submarinos e Hidráulica Ambiental (G.E.S.H.A) de la Universidad de Cantabria. Como parte de la campaña de divulgación de los resultados obtenidos, se encargó al Grupo Investigador de Expresión Gráfica-CAD (EGICAD) la realización de un modelo de Realidad Virtual. La realización de dicho modelo, a partir de los resultados obtenidos en la investigación del Grupo de Emisarios fue dirigido por el autor. 

Figura 1. Visor Internet para el Modelo de la Cuenca del Pas.

Realización de los modelos.

Para la realización de los modelos digitales del terreno se utilizó el software AutoCAD Civil 3D, versión 2007. Se partió de la topografía a escala 1:5000 para la zona objeto de estudio suministrada por el Gobierno de Cantabria. Se contó además con los datos del levantamiento topográfico realizado expresamente para este estudio. Éste consta de 234 perfiles transversales del cauce y las riberas de inundación, a los que hay que añadir las secciones detalladas de las estructuras singulares que existen en los cauces. Del total de perfiles medidos 98 pertenecen al río Pas, con una longitud media de perfil de 318.5 m, y 119 perfiles al río Pisueña, con una sección media de 250 m. El resto de perfiles se repartieron entre los arroyos Carrimont y el Magdalena. 

Figura 2. Zona inundable en la población de Vioño.
Se crearon modelos de superficies a partir de los dos conjuntos de datos para estudiar las posibles discrepancias. Una vez compatibilizada la información se creó una superficie compuesta a partir de ambos.
Puesto que las áreas de inundación habían sido derivadas a partir de un procedimiento de modelado numérico, la geometría de nuestro modelo debía corresponder a esos resultados, que se materializan en los contornos de  las líneas de inundación, que delimitan el alcance de las aguas del río, para las avenidas de diferentes periodos de retorno (10, 50, 100 y 500 años). Para esto, el cauce del río se trató por tramos siguiendo los procedimientos que suministra AutoCAD Civil 3D para el diseño de infraestructuras lineales (corredores).

Figura 3. Modelo mostrando las áreas de inundación frecuente (arriba), ocasional (centro) y excepcional (abajo).

Una vez construido el modelo digital del terreno definitivo, se pasó al resolver el problema de crear un modelo texturizado apto para incorporarlo a una aplicación de despliegue interactivo en tiempo real.

Para la ilusión del movimiento en pantalla el sistema debe recalcular y repintar la escena de manera ininterrumpida en torno a veinte veces por segundo, cada vez desde un punto de vista y probablemente con una dirección de la visual nuevos. Si se aspira a obtener prestaciones óptimas será necesario en primer término tener en cuenta una serie de requisitos indispensables para la óptima explotación de los recursos gráficos del hardware empleado. Los aspectos primordiales están relacionados con la geometría del modelo y con las propiedades de las imágenes empleadas como texturas.

Visualización Interactiva.

Visualización Interactiva significa que el usuario puede interactuar con el modelo según el nivel de complejidad de la escena. En el caso más simple, el usuario puede “andar” por el modelo, o puede explorarlo desplazándolo  o girándolo. Una interacción más compleja implica la capacidad de provocar eventos que resulten en acciones de algún tipo sobre el modelo. Se han descrito tres niveles de interacción, estando cada nivel fundamentado en el precedente al que incorpora nuevas características que aumentan la complejidad.

Niveles de Realidad
Nivel Pasivo Nivel Activo Nivel Interactivo
No hay control externo.
Los movimientos sobre el modelo están predefinidos.
Movimiento controlado por el usuario sin limitaciones para inspeccionar el modelo. El usuario puede no sólo examinar el modelo, sino que puede interactuar modificándolo (e.g. moviendo objetos, creando o eliminándolos)
Ejemplos
Vídeos digitales. Google Earth, VRML Videojuegos.

Modelos del Terreno

Los modelos digitales del terreno describen la información de elevaciones según dos modelos fundamentales, la Red Irregular de Triángulos (Triangular Irregular Network -TIN) o como una rejilla (GRID) de elevaciones con un tamaño de celda fijo, donde cada celda define un valor de elevación único. La representación del terreno a partir de una red de triángulos del tipo TIN resulta más precisa pero para grandes extensiones el elevado número de polígonos puede hacer impracticable su gestión en tiempo real. Hay que tener en cuenta que será usualmente necesario presentar entre 12 y 25 imágenes (usualmente conocidas por el término inglés frames) por segundo (fps). La capacidad de procesamiento de la tarjeta gráfica puede ir desde 45 millones a 133 millones de triángulos por segundo. Toda vez que estos valores son calculados en condiciones óptimas, en la práctica será prudente aplicar un factor de seguridad por lo menos de 0.25. Así un procesador como el que utilizamos para realizar este trabajo (Quadro FX 3000) que posee una capacidad teórica de 100 millones de triángulos por segundo en la práctica puede considerarse capaz de procesar 25 millones. Para 25 fps eso significaría un límite de 1 millón de triángulos en la escena. Para la simulación detallada de un entorno grande, esta cifra puede ser insuficiente. Aunque esta cifra parece alta, debemos recordar que estamos refiriéndonos a un procesador de gama relativamente alta y que para el menos potente de esta serie la cifra se reduce en más de la mitad, a 450.000 triángulos. 

El modelo detallado para toda la Cuenca del Pas supera con creces estos límites. En las experiencias iniciales y utilizando un modelo de superficie del tipo TIN (Triangular Irregular Network) se obtuvo un conteo de polígonos de 4.513.792. El compilar este modelo para una presentación virtual superaba los recursos de memoria disponibles al momento en la estación de trabajo en que se procesaba. Instalando el máximo de memoria RAM que admite este equipo (4 Gb) aún nos encontramos con limitaciones propias de las aplicaciones que de esta memoria son capaces de direccionar un máximo de 3Gb.

En estos casos se impone el procesamiento del modelo con la finalidad de reducir el número de polígonos manteniendo en lo posible la apariencia original. Como parte de este trabajo se ha debido investigar en torno a los algoritmos que permiten reducir el número de triángulos en la malla que representa el terreno sin afectar la precisión de la superficie representada. Los algoritmos más frecuentes suelen optimizar el modelo eliminando triángulos en función del tamaño de sus aristas, de su área, de la existencia de aristas paralelas, o en caso de que triángulos vecinos sean coplanares. Existen numerosos estudios sobre este problema que ha venido a ocupar un lugar de interés especialmente en relación con los sistemas de presentación 3D en tiempo real.

  Figura 1. Reducción del número de polígonos en un modelo TIN según el procedimiento de Garland. La imagen de la derecha posee sólo el 10% del número inicial de polígonos. 
A pesar de esta reducción tan drástica los rasgos característicos del relieve son claramente reconocibles.

Una variante gira en torno a la estructura de datos denominada por Evans Right-Triangulated Irregular Network (RTIN). La utilización de esta estructura está limitada a superficies representadas por una matriz de valores del tipo GRID que representan elevaciones del terreno. Esta estructura de datos crea una malla de triángulos rectángulos que representa la superficie pero donde no se pierde el detalle puesto que la malla se densifica en aquéllos lugares donde el relieve es más irregular.

  Figura 2. Modelos logrados a partir de variantes del procedimiento RTIN (Right-Triangulated Irregular Networks).

Optimización de las Imágenes.

El tamaño de las imágenes es otro factor a tener en cuenta. La cantidad de memoria gráfica utilizada depende del tamaño en píxels de la imagen y en su profundidad de color. Establecimos como norma que las imágenes fueran siempre cuadradas y que sus dimensiones no sobrepasaran los 1024 x 1024 píxels. Para lograr este objetivo se recortaron las ortofotos empleando para ello el AutoCAD Raster Design. Una vez situadas las ortofotos georeferenciadas sobre el modelo optimizado en cuanto al número de polígonos, se creó una retícula cuadrada que se utilizó para recortar tanto las ortofotos como el modelo de superficie, de manera que se generaron bloques cuadrados texturizados con recortes de la ortofoto, cada uno de ellos correspondiendo a 1024 x 1024 píxels.

Generación del Modelo Interactivo.

El modelo que se deseaba generar debía permitir una interacción como la descrita más arriba para el Nivel Activo, es decir, debía permitir el recorrido libre e inspección de modelo por el usuario. Para su generación se utilizó Rapid Design Visualization, una aplicación que se instala como plug-in dentro del mismo AutoCAD CIVIL 3D suministrada por la empresa israelí  RDV Systems y que utiliza el motor gráfico desarrollado por la firma danesa Turntool ApS. Uno de los factores decisivos en esta elección, aparte de la facilidad de trabajar todo dentro del mismo Civil 3D, es la facilidad de publicar directamente los resultados en la red como una de sus opciones de salida. El trabajo terminado incluyó un sitio web así como una aplicación para distribuir los contenidos en un CD que se muestra en el siguiente vídeo.

Acceso al Modelo en Internet.

Para inspeccionar este modelo en la red se debe instalar previamente la aplicación RDV Viewer. Este visor sólo funciona usando el Internet Explorer de Microsoft

Una vez instalado este visor puede acceder al modelo aquí

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RDVviewSetup.zip
(2652k)
Reinaldo Togores Fernández,
29 mar. 2011 13:55