Aportaciones de técnicas geomáticas al análisis de los desprendimientos rocosos

Abstract

(English) The term rockfall applies to blocks or masses of rock that, after separating from a steep wall, experience free fall and then impact against the ground, with the consequent rebound and possible rolling and sliding of rock fragments. This phenomenon has great destructive potential due to the high velocities, and thus high kinetic energy, that blocks may reach during their propagation and may threaten buildings, civil infrastructure and transportation networks. The phenomenon becomes more complex if fragmentation during rockfall propagation is considered. The present thesis aims to contribute to knowledge of the rockfall process by using geomatic techniques and developing specific models that may contribute to the monitoring of rock cliffs. Monitoring plays an important role in managing risk due to rockfalls in a wide spectrum of applications. Terrestrial or aerial laser scanning (TLS or ALS) and photogrammetry are geomatic techniques that are frequently used to estimate the detachment volume over time. These observations allow the expected magnitude frequency of the cliff to be estimated, which is required to quantitatively evaluate risk. In this thesis, an automated and low-cost continuous time-lapse fixed position camera system was developed and implemented to monitor a basaltic cliff. The aim was to test its ability to detect precursory rockfall movements and quantify volume changes if the rock mass detachment occurs. A methodology was developed to handle a set of images at different times to detect possible precursory movements. The procedure consists in matching the images with a reference master image after filtering the vegetation and correcting illumination differences and small camera movements. The fitted images are used for a forward-backward correlation process that is carried out to detect deformation. If displacement is detected, a 3D model is built to quantify it. The image process system can detect small precursor movements of around a centimeter. Several real-scale tests were performed in a quarry to analyze the trajectories of falling rock blocks and their fragmentation, which were recorded by three high-speed video cameras. In this thesis, a code was specifically developed to track the 3D trajectory of blocks and fragments and to measure velocities before and after the impact. Two different programs were implemented, one for the blocks that break and one for those that do not. The captured parameters allow the velocity distribution of fragments, the restitution coefficients, and the energy balance of the impact to be obtained. The results of these tests were incorporated into the rockfall propagation model RockGIS. A final issue that is addressed is the characterization of roughness, which is a fundamental parameter of the propagation of blocks on slopes made up of accumulations of fragments (e.g. talus deposits). One of the limitations of considering a lumped mass approach when simulating block propagation is that its relative position at impact with the slope is unknown, as the geometry is not explicitly taken into account. In this thesis, different algorithms are developed to quantify volumes of rock fragments and to define the spatially distributed roughness of the terrain using high resolution 3D point clouds collected with TLS or photogrammetry.

(Català) S'entén per despreniments rocosos les masses de roca que, per algun motiu, se separen d'una paret i es propaguen pel pendent en caiguda lliure, rebotant, rodant i fragmentant-se. Aquest fenomen t é un gran potencial destructiu a causa de la gran energia cinètica que poden assolir els blocs durant la propagaci ó. Els edificis, les infraestructures civils i les xarxes de transport es veuen sovint amenaçats per despreniments de roques. Aquest fenomen es fa més complex si es pren en consideració la fragmentació dels blocs durant la caiguda. Aquesta tesi pretén contribuir al coneixement del procés de despreniments rocosos mitjançant l'ús de tècniques geomàtiques i el desenvolupament de models específics que contribueixin a monitorar els penya-segats rocosos. El monitoratge té un paper rellevant en la gesti ó dels riscos deguts als despreniments rocosos en un ampli espectre d'aplicacions. L'escaneig làser terrestre o aeri i la fotogrametria s ón tècniques que se solen fer servir per a quantificar les masses rocoses despreses al llarg del temps. Aquestes observacions permeten estimar la magnitud-freq üència esperada del massís, que és necessària, finalment, per avaluar quantitativament el risc. En aquesta tesi s'ha desenvolupat i implementat un sistema automatitzat de baix cost amb càmeres fixes per a monitorar un penya-segat bas àltic. L'objectiu era provar la capacitat de detecció de moviments precursors de possibles despreniments i quantificar el volum de la massa de roca mobilitzada en cas que es produeixi el despreniment. S'ha desenvolupat una metodologia per fer servir les imatges capturades en diferents dates i detectar els possibles moviments precursors a partir de trobar difer ències entre elles. Aquest procediment requereix que, prèviament, s'eliminin els efectes que resten sensibilitat al sistema, com ara la pres ència de vegetació, els canvis d'il·luminació i els petits desplaçaments que es donen a la càmera. Posteriorment es comparen mitjançant un procés de correlació creuada. Si es detecta un desplaçament, es construeix un model 3D per quantificar-lo. El sistema basat en el processament d'imatges pot detectar moviments precursors al voltant d'un cent ímetre. Per a l'estudi de la propagació dels despreniments rocosos, es van fer quatre assajos a escala real. Les traject òries de blocs i fragments van ser enregistrades per tres càmeres de vídeo d'alta velocitat. En aquesta tesi s'ha implementat un codi específic per seguir aquestes trajectòries a l'espai i permet mesurar les velocitats abans i despr és de l'impacte. S'han implementat dos programes diferents, un per als blocs que es trenquen i un altre per als que no. Els par àmetres capturats permeten obtenir la distribució de velocitats dels fragments, els coeficients de restituci ó i el balanç energètic dels impactes. Els res ultats d’aques tes proves s ’han incorporat al s imulador de propagaci ó de despreniments de roques RockGIS. Una darrera qüestió que s'ha abordat és la caracterització de la rugositat, que és un paràmetre fonamental de la propagació de blocs en dipòsits formats per acumulacions de fragments. Una de les limitacions de considerar un enfocament de lumped mass a l'hora de simular la propagaci ó de blocs és que se'n desconeix la posició relativa en el moment de l'impacte amb el terreny, ja que no es té en compte explícitament la geometria. En aquesta tesi s'han desenvolupat diferents algorismes per quantificar volums de fragments de roca i definir la rugositat espacialment distribu ïda del terreny fent servir núvols de punts 3D d'alta resolució recollits amb TLS o fotogrametria.

(Español) Se entiende por desprendimientos rocosos las masas de roca que, por alg ún motivo, se separan de una pared y se propagan por la pendiente en caída libre, rebotando, rodando y fragmentándose. Este fenómeno tiene un gran potencial destructivo debido a la gran energía cinética que pueden alcanzar los bloques durante su propagaci ón. Los edificios, las infraestructuras civiles y las redes de transporte se ven a menudo amenazados por desprendimientos de rocas. Este fenómeno se hace más complejo si se toma es consideración la fragmentación de los bloques durante la caída. Esta tesis pretende contribuir al conocimiento del proceso de desprendimientos rocosos mediante el uso de t écnicas geomáticas y el desarrollo de modelos específicos que contribuyan a monitorizar los acantilados rocosos. La monitorización desempeña un papel importante en la gesti ón de los riesgos debidos a los desprendimientos rocosos en un amplio espectro de aplicaciones. El escaneo l áser terrestre o aéreo y la fotogrametría son técnicas que se suelen usar para cuantificar las masas rocosas desprendidas a lo largo del tiempo. Estas observaciones permiten estimar la magnitudfrecuencia esperada del macizo, que es necesaria, finalmente, para evaluar cuantitativamente el riesgo. En esta tesis se ha desarrollado e implementado un sistema automatizado de bajo coste con c ámaras fijas para monitorizar un acantilado basáltico. El objetivo era probar la capacidad de detecci ón de movimientos precursores de posibles desprendimientos y cuantificar los volúmenes de la masa de roca movilizada en el caso que se produzca el desprendimiento. Se ha desarrollado una metodología para usar las imágenes capturadas en distintas fechas y detectar los posibles movimientos precursores a partir de encontrar diferencias entre ellas. Este procedimiento requiere que, previamente, se eliminen los efectos que restan sensibilidad al sistema como la presencia de vegetaci ón, los cambios de iluminación y los pequeños desplazamientos que se dan en la cámara. Posteriormente se comparan mediante un proceso de correlaci ón cruzada. Si se detecta un desplazamiento, se construye un modelo 3D para cuantificarlo. El sistema basado en el procesado de im ágenes puede detectar movimientos precursores de alrededor de un centímetro. Para el estudio de la propagación de los desprendimientos rocosos, se realizaron cuatro ensayos a escala real. Las trayectorias de bloques y fragmentos fueron registradas por tres cámaras de vídeo de alta velocidad. En esta tesis se ha implementado un código específico para seguir esas trayectorias en el espacio permite y medir las velocidades antes y después del impacto. Se han implementado dos programas diferentes, uno para los bloques que se rompen y otro para los que no. Los parámetros capturados permiten obtener la distribuci ón de velocidades de los fragmentos, los coeficientes de restitución y el balance energético de los impactos. Los resultados de estas pruebas se han incorporado al simulador de propagación de desprendimientos de rocas RockGIS. Una última cuestión que se ha abordado es la caracterizaci ón de la rugosidad, que es un parámetro fundamental de la propagación de bloques en depósitos formados por acumulaciones de fragmentos. Una de las limitaciones de considerar un enfoque de lumped mass a la hora de simular la propagaci ón de bloques es que se desconoce su posici ón relativa en el momento del impacto con el terreno, ya que no se tiene en cuenta expl ícitamente la geometría. En esta tesis se han desarrollado diferentes algoritmos para cuantificar vol úmenes de fragmentos de roca y definir la rugosidad espacialmente distribuida del terreno utilizando nubes de puntos 3D de alta resoluci ón recogidas con TLS o fotogrametría.