colecciÓn de firmas espectrales de los deterioros...
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COLECCIÓN DE FIRMAS ESPECTRALES DE LOS DETERIOROS SUPERFICIALES EN ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO RÍGIDO EN LA
CIUDAD DE BOGOTÁ
DIEGO ARMANDO MORALES CEPEDA YEISON TOBIAS OROZCO ARCILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
INGENIERÍA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ
2015
COLECCIÓN DE FIRMAS ESPECTRALES DE LOS DETERIOROS SUPERFICIALES EN ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO RÍGIDO EN LA
CIUDAD DE BOGOTÁ
DIEGO ARMANDO MORALES CEPEDA YEISON TOBIAS OROZCO ARCILA
MONOGRAFÍA
Hugo Alexander Rondón Quintana Ingeniero Civil, M. Sc., Ph. D.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES INGENIERÍA TOPOGRÁFICA
BOGOTÁ 2015
2015
DIRECTOR
___________________
JURADO
___________________
Bogotá 28 de Octubre del 2015
CONTENIDO
Págs.
1. RESUMEN ............................................................................................................... 10
2. ABSTRACT .............................................................................................................. 11
3. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 12
4. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 14
5. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN .......................................................................... 15
6. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................. 16
7. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................... 16
8. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 17
8.1 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO. ............................................................. 17
8.2 TELEDETECCIÓN ........................................................................................... 17
8.3 PAVIMENTOS DE CONCRETO ....................................................................... 18
8.4 ESPECTRORADIÓMETRO .............................................................................. 19
8.5 ANTECEDENTES ............................................................................................ 20
9. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 24
9.1 DIAGRAMA METODOLOGICO ........................................................................ 24
9.2 DELIMITACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO Y EQUIPOS ............................... 25
9.3 ADQUISICIÓN DE FIRMAS ESPECTRALES DE LOS DAÑOS
SUPERFICIALES DE PAVIMENTO RÍGIDO ........................................................ 26
9.4 PROCESAMIENTO DE FIRMAS ESPECTRALES. .......................................... 27
10. RESULTADOS ..................................................................................................... 30
10.1 FIRMAS TOMADAS EN CAMPO ..................................................................... 30
10.2 UBICACIÓN DE DAÑOS .................................................................................. 40
10.3 LIBRERÍA ESPECTRAL ................................................................................... 42
10.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS....................................................................... 61
10.5 TRABAJO FUTURO ......................................................................................... 62
11. CONCLUSIONES ................................................................................................ 63
12. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 65
LISTA DE TABLAS
Págs.
Tabla 1. Daños tomados en campo a partir de la cantidad de firmas y altura de muestra. 28
Tabla 2. Coeficiente de variación por daño ...................................................................... 31
Tabla 3. Georreferenciación daños clasificados. .............................................................. 40
LISTA DE GRÁFICAS
Págs.
Gráfica 1. Diagrama de Flujo. .......................................................................................... 24
Gráfica 2. Firma espectral daño bache a una altura de 1.28 m en niveles digitales. ........ 32
Gráfica 3. Firma espectral daño bache a una altura de 1.60 m en niveles digitales. ........ 32
Gráfica 4. Firma espectral descascaramiento a una altura de 1.28 m en niveles digitales.
........................................................................................................................................ 33
Gráfica 5. Firma espectral descascaramiento a una altura de 1.60 m en niveles digitales.
........................................................................................................................................ 33
Gráfica 6. Firma espectral desintegración una altura de 1.28 m en niveles digitales. ....... 34
Gráfica 7. Firma espectral desportillamiento una altura de 1.28 m en niveles digitales. ... 34
Gráfica 8. Firma espectral desportillamiento una altura de 1.60 m en niveles digitales. ... 35
Gráfica 9. Firma espectral deterioro del sello en la junta una altura de 1.28 m. ............... 35
Gráfica 10. Firma espectral deterioro del sello en la junta una altura de 1.60 m. ............. 36
Gráfica 11. Firma espectral grieta longitudinal a una altura de 1.28 m. ........................... 36
Gráfica 12. Firma espectral junta óptima a una altura de 1.28 m en niveles digitales...... 37
Gráfica 13. Firma espectral junta óptima a una altura de 1.60 m en niveles digitales...... 37
Gráfica 14. Firma espectral parche a una altura de 1.28 m en niveles digitales. ............. 38
Gráfica 15. Firma espectral parche a una altura de 1.60 m en niveles digitales. ............. 38
Gráfica 16. Firma espectral losa de concreto en óptimas condiciones. ............................ 39
Gráfica 17. Firma espectral losa de concreto en óptimas condiciones. ............................ 39
Gráfica 18. Firma espectral correspondiente a bache (A) a una alturade 1.28 m. ........... 42
Gráfica 19. Firmas espectrales correspondientes a bache (A) a una altura de toma
de 1.28 m y bache (B) a una altura de toma de 1.60 m. ................................................... 44
Gráfica 20. Firma espectral correspondiente a desportillamiento (F) a una altura
de toma de 1.28 m. .......................................................................................................... 45
Gráfica 21. Firma espectral correspondiente a grieta longitudinal (J) a una altura
de toma de 1.28 m. .......................................................................................................... 47
Gráfica 22. Firma espectral correspondiente a deterioro del sello en la junta (H) a una
altura de toma de 1.28 m. ................................................................................................ 48
Gráfica 23. Firma espectral correspondiente a junta optima (K) a una altura de toma
de 1.28 m. ........................................................................................................................ 50
Gráfica 24. Firmas espectrales correspondientes a junta optima (K) a una altura
de toma de 1.28 m y junta optima (L) a una altura de toma de 1.60 m. ............................ 52
Gráfica 25. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas
condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m ............................................................. 53
Gráfica 26. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas
condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y losa de concreto en óptimas
condiciones (P) a una altura de toma de 1.60 m. ............................................................ 55
Gráfica 27. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas
condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y bache (A) a una altura de toma de
1.28 m. ............................................................................................................................ 56
Gráfica 28. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas
condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y desportillamiento (F) a una altura de
toma de 1.28 m. ............................................................................................................... 57
Gráfica 29. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas
condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y grieta longitudinal (J) a una altura de
toma de 1.28 m. ............................................................................................................... 58
Gráfica 30. Firmas espectrales correspondientes a junta óptima (K) a una altura de
toma de 1.28 m y deterioro del sello en la junta (H) a una altura de toma de 1.28 m. ...... 60
LISTA DE ILUSTRACIONES
Págs.
Ilustración 1. Plano zona de estudio (Calle 26 entre Carreras 57 y 60) calzada. .............. 41
Ilustración 2. Fotografía deterioro superficial correspondiente a bache. ........................... 43
Ilustración 3. Fotografía deterioro superficial correspondiente a desportillamiento. .......... 46
Ilustración 4. Fotografía deterioro superficial correspondiente a grieta longitudinal. ......... 47
Ilustración 5. Fotografía deterioro superficial correspondiente a deterioro del sello
en la junta. ....................................................................................................................... 49
Ilustración 6. Fotografía correspondiente a junta en estado óptimo. ................................ 50
Ilustración 7. Fotografía correspondiente a losa de concreto en óptimas condiciones. .... 53
10
1. RESUMEN
El deterioro de los pavimentos es un problema que afecta la movilidad y conocer la
forma como se deterioran los pavimentos es un reto de la ingeniería vial (UMV,
2013). Se presenta una librería de firmas espectrales de los deterioros superficiales
recurrentes en un pavimento de cemento Portland ubicado en la ciudad de Bogotá.
Se evaluaron nueve estados del pavimento rígido, siete correspondientes a daños
y dos al pavimento en buen estado y se tomaron seis firmas espectrales por cada
característica con un espectroradiómetro, que tiene una longitud de onda entre los
325 y 1075 nanómetros. Después del procesamiento se obtuvo las firmas
representativas de cada daño y se creó una librería de firmas espectrales de
pavimento rígido. Los resultados muestran que las firmas halladas son una
representación significativa de los daños en un pavimento rígido y pueden ser
utilizadas en la clasificación de imágenes híper espectrales. Como conclusión se
confirma que la espectroradiometría es una buena herramienta para evaluar daños
de pavimento, dado que reduce el tiempo de captura de datos comparado con la
inspección visual que los ingenieros de vías están acostumbrados a realizar.
Palabras Clave: Daños superficiales, Firma Espectral, Espectroradiómetro, Librería
Espectral, Pavimento de Cemento Portland.
11
2. ABSTRACT
Pavement deterioration is an issue that affect mobility and figure it out how
pavements damage is an engineering challenge. We present a spectral signature
library of Portland Cement Concrete pavements distresses in Bogotá city. Nine
different stages of pavement with a without distresses have been analyzed and six
spectrum of each were measured. A spectroradiometer used is able to obtain
spectra between 325 and 1075 nanometers. After spectra analysis of an individual
distresses a spectral signature library of rigid pavement was made. Results showed
that signatures highly represent pavement distresses and it can be used to classify
hyperspectral images. Spectroradiometry is a good tool to evaluate pavement
distresses because reduces time consumption compare with visual inspection that
pavement engineers got used to doing.
Key Words: Surface Damages, Spectral Signature, Spectroradiometer, Spectral
Library, Portland cement concrete.
12
3. INTRODUCCIÓN
En la ciudad de Bogotá, el gran parque automotriz, los cambios en el clima y otros
factores, con el tiempo han demandado una mejor malla vial, esto ha generado la
necesidad de implementar alternativas de inspección para un rápido diagnóstico de
los daños superficiales que se puedan dar sobre las estructuras viales (UMV, 2013).
Una de las alternativas para recopilar información de las superficies de pavimentos
es a través de la inspección visual en campo, pero esto demanda mucho tiempo,
dinero y además se vuelve un concepto subjetivo e incomparable debido al criterio
del especialista y las diferencias en la percepción de cada experto (INVIAS, 2006);
por lo que una alternativa efectiva son los sensores remotos (Suanpaga &
Yoshikazu, 2010), utilizados para tomar información de una zona del pavimento por
medio de la espectroradiometría, ya que basándose en la física de la luz y el
espectro electromagnético se captura el comportamiento de los materiales de
cualquier elemento a través de un registro único llamado firma espectral,
posteriormente se realiza la interpretación por medio de la identificación de los
comportamientos característicos de dicho material (Chuvieco, 1995). Por lo
anteriormente dicho, se establece como posible solución, la creación de una librería
de firmas espectrales que contenga información de los daños encontrados en una
estructura de pavimento rígido por medio de espectroradiometría.
A través de varios estudios hechos en el mundo, se ha comprobado que la
implementación de herramientas geomáticas tales como la percepción remota o
teledetección, han sido una gran alternativa para observar los comportamientos
superficiales en las estructuras de pavimento, como la combinación de
levantamientos de firmas espectrales a través de espectroradiómetro e inspección
visual (Herold, Roberts, Noronha & Samdi, 2008), o a través de levantamiento de
firmas con espectroradiómetro y la utilización de imágenes híper espectrales
(Roberts, & Herold , 2005), también aplicando estimaciones numéricas para el
análisis de las firmas a través de relaciones de reflectancia (Kavzoglu, Sen & Cetin,
2009). En todos los casos, estas técnicas se han aplicado en las estructuras de
13
pavimento flexible, por lo cual se hace relevante la ejecución de estas tecnologías
en pavimentos de estructura rígida.
En el siguiente trabajo, se busca hacer una librería de firmas espectrales
características de los daños superficiales encontrados en la estructura de pavimento
rígido ubicada en la troncal de la calle 26 entre las carreras 57 y 60 en la ciudad de
Bogotá, por medio de la colección de firmas espectrales a través de
espectroradiometría, con el fin de diferenciar los daños superficiales en las
estructura gracias a la clasificación de las firmas espectrales tomadas en campo y
por medio de filtros estadísticos, obtener la firma característica de cada daño
encontrado.
14
4. JUSTIFICACIÓN
A través de la inspección visual de los daños superficiales que se encuentran en las
estructuras de pavimento rígido, se determina las intervenciones que se deben
realizar sobre la losa de concreto en un periodo determinado de tiempo, con el fin
de restablecer sus capacidades oportunamente para así minimizar los impactos que
pueda ocasionar su desgaste sobre los usuarios después de su entrada en
funcionamiento (INVIAS, 2006). Debido a esto se hace necesario hacer este
proceso de análisis e inspección de los daños superficiales de manera rápida y
sencilla, agilizando el proceso de diagnóstico y renovación de la estructura, evitando
que a largo plazo el mantenimiento de la losa de concreto se convierta en un gasto
de mayor cuantía y mayor impacto a los usuarios. Sin embargo, la inspección de
daños superficiales de cualquier vía ya sea de pavimento rígido o flexible,
actualmente requiere una inversión significativa en el ámbito laboral, económico y
temporal; puesto que es necesario hacer el registro visual de los daños en el
pavimento a través de lecturas en campo hechas por comisiones, lo cual conlleva a
errores de apreciación e interpretación por conceptos propios de los expertos.
Debido a lo anterior se busca como alternativa la aplicación de herramientas que
agilicen este proceso y que permitan mayor precisión en la toma de la información
en campo. Una de estas herramientas es la espectroradiometría la cual permite
tomar información de un deterioro superficial sobre el pavimento por medio de un
haz de luz, el cual se comporta de manera única en un rango del espectro
electromagnético, realizando una firma espectral de la observación estudiada. Cada
firma tiene un comportamiento que varía dependiendo del desgaste de los
materiales que componen la estructura de pavimento. Además de lo anterior cabe
resaltar que los estudios realizados para evaluar el estado de las vías a través de
espectroradiometría se han desarrollado en mayor medida en estructuras de
pavimento flexible, por tal razón se ve la necesidad de aplicar esta tecnología a las
estructuras de pavimento rígido, lo que permite afirmar que este estudio es pionero
en el análisis de daños en pavimento rígido a través de espectroradiometría.
15
5. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿Es posible obtener la colección de firmas espectrales de los daños superficiales
en una estructura de pavimento rígido a través de espectroradiometría, con el fin de
crear firmas características de cada daño y posteriormente hacer una librería de
firmas espectrales de dichos daños?
16
6. OBJETIVO GENERAL
Obtener una colección de firmas espectrales características de los daños
encontrados en una estructura de pavimento rígido a través de espectroradiometría
en la troncal de la calle 26 entre las carreras 57 y 60 en la ciudad de Bogotá.
7. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar una colección de firmas espectrales tomadas en campo a través de un
levantamiento espectroradiométrico de cada uno de los daños superficiales que se
encuentren en la zona de estudio de la estructura de pavimento rígido.
Hacer una georreferenciación por medio de equipos GPS de los daños superficiales
sobre la estructura de pavimento rígido y de la zona aledaña en la cual se hizo el
levantamiento de las firmas espectrales.
Determinar a través del coeficiente de variación las firmas espectrales de los daños
superficiales encontrados; que cumplan con el criterio estadístico de evaluación
indicado en dicho coeficiente para hacer parte de la librería espectral.
Generar a partir de las firmas espectrales que han pasado el filtro, las firmas
características de cada daño superficial encontrado en la estructura.
17
8. MARCO TEÓRICO
8.1 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.
Según la teoría ondulatoria, la energía electromagnética se propaga de una parte a
otra siguiendo un Modelo Armónico Simple (MAS) a la velocidad de la luz. Estas
ondas electromagnéticas funcionan a partir de excitaciones electrónicas que
ocurren al interior del átomo y resultan de la interacción en el espacio entre un
campo eléctrico y un campo magnético ortogonalmente relacionados. El espectro
electromagnético es el rango de longitud de onda y frecuencia el cual posee un haz
de luz en movimiento a través del espacio, es decir dependiendo de la longitud de
onda y la frecuencia entre las crestas que tenga el haz de luz a estudiar, se obtendrá
una determinada posición en el espectro, dentro de los rangos de clasificación ya
establecidos (Chuvieco, 1995).
8.2 TELEDETECCIÓN
La teledetección es un sistema de adquisición de datos por medio de información
de la superficie terrestre a través de sensores remotos los cuales pueden ser
aéreos, espaciales o terrestres. A través de la interacción energética que se
presenta entre el sensor y el objeto estudiado se da el fenómeno de la reflexión, ya
sea debido a la energía solar o de un haz energético artificial por emisión propia.
Esta información es almacenada dentro del sensor con el fin de ser analizada e
interpretada para su uso final (Salinero, 2008).
El funcionamiento de la teledetección tiene varios elementos que lo componen,
como un sistema de interpretación remoto y su fuente de energía. La fuente de
energía, la cual puede ser externa al sensor, en cuyo caso se habla de teledetección
pasiva, o a través de un sensor que emite varios haz de energía, en este caso se le
llama teledetección activa. Para la teledetección pasiva la fuente de alimentación
más importante es el sol, pero también utiliza energía emitida de fuentes externas
como los objetos estudiados y demás fuentes artificiales. La superficie terrestre
18
como objeto de estudio interactúa con la señal de energía procedente de la fuente
sensor y esta se comporta de acuerdo a sus características físicas. El sensor tiene
como objetivo la adquisición de la información proveniente de los objetos, su
codificación y almacenamiento. El sistema de recepción donde se recoge la
información se transforma a un formato adecuado para el entendimiento de los
usuarios (Salinero, 2008).
La radiometría es la medida de la transferencia de energía que se proyecta en una
superficie cualquiera en un determinado tiempo desde una fuente, que es
comprobada a través del modelo geométrico de trayectorias. La radiometría tiene
como objetivo medir el flujo radiante de un sistema emitido desde una fuente, cuya
área se mide en metros (Gonzáles, 2006).
8.3 PAVIMENTOS DE CONCRETO
La estructura de pavimento rígido está compuesta por una losa de concreto la cual
tiene como función principal absorber las cargas impuestas por el tránsito de una
manera eficiente a través de la estructura, para que así cuando estas fuerzas
lleguen a la subrasante, esta no se vea afectada de gran manera a corto plazo. El
concreto utilizado para pavimentos rígidos está compuesto de cemento hidráulico,
agua, agregados pétreos y aditivos; estos materiales le proporcionan resistencia y
ductilidad a la losa de concreto. En el diseño de la losa de concreto se tiene en
cuenta la utilización de pasadores o dovelas y barras de anclaje. Los pasadores o
dovelas tienen como función resistir las cargas impuestas sobre la losa en las zonas
más débiles de esta, además las barras de anclaje dan estabilidad a la losa
impidiendo movimientos indeseados. Dentro de la estructura se construyen juntas
transversales y longitudinales llamadas así con respecto al sentido de circulación
de los vehículos. La función de las juntas es controlar los agrietamientos producidos
por fenómenos térmicos, como la contracción, dilatación y el alabeo. Las
contracciones y dilataciones son controladas con las juntas transversales mientras
el alabeo con las juntas longitudinales. (Rondón, 2014).
19
Los minerales que hacen parte del cemento hidráulico como el Óxido de Calcio
(CaO), Oxido de silicio (SiO2), Oxido de aluminio (Al2O3) y Óxido de hierro (FeO)
entre otros, le proporcionan las propiedades físicas a la estructura como resistencia,
durabilidad, estabilidad etc. Pero vale la pena resaltar que en el cemento Portland
el óxido de calcio representan entre el 58 y 67 % de los compuestos que lo
conforman (Duda, 2003).
8.4 ESPECTRORADIÓMETRO
El espectroradiómetro de rango completo permite adquirir información de amplia
utilidad, debido a que proporciona una alta calidad en las firmas espectrales
capturadas. Las características de longitud de onda del espectroradiómetro de
rango completo están dentro del rango de 350 a 2400 nanómetros (Nm). El
espectroradiómetro usa tres detectores los cuales se comportan dentro del espectro
electromagnético en el rango visible y el infrarrojo cercano. Hay características tanto
externas como internas del espectroradiómetro que deben ser tenidas en cuenta
como la transición dentro del espectro electromagnético del rango visible al infrarrojo
cercano, esta transición ocurre en la longitud de onda entre los 1000 a 1150
nanómetros (Nm), además los vapores de agua que se perciben entre la longitud
de onda de 1340 a 1480 y 1770 a 1970 nanómetros (Nm). Toda esta información
debe ser excluida de todo análisis ya que debido a las características externas que
se presentan en los resultados de las firmas espectrales, no aportan a los análisis y
se deben interpretar como interferencia. Aunque vale la pena hacer referencia a que
estos datos nulos obtenidos del estudio con instrumentación espectroradiométrica,
representan menos del 1% del total de información que se adquiere (Roberts, &
Herold , 2005).
20
8.5 ANTECEDENTES
La utilización de sensores remotos en el paneo del estado de cualquier estructura
de pavimento, se realiza con el fin de evaluar a través de la herramienta de trabajo
la cual en este caso es la generación de características espectrales, los deterioros
de la estructura de pavimento analizada. Además, se debe tener en cuenta la
condición de la zona de estudio y que materiales de construcción están presentes
en el pavimento analizado, debido a que las longitudes de onda utilizadas en los
análisis espectroradiométricos actúan dependiendo de la absorción y reflexión de
estos materiales (Roberts, & Herold , 2005).
La medición del espectro correspondiente a los rayos ultra violeta tipo A (UVA) y
ultra violeta tipo B (UVB) es constantemente una incógnita por despejar, debido a
que los comportamientos del haz de luz sobre la capa de ozono y la atmósfera
terrestre, pueden afectar los estudios espectroradiométricos resultantes.
Normalmente se utilizan espectroradiómetros de alta gama los cuales poseen una
longitud de onda bastante amplia para medir estas firmas espectrales, pero el
acceso a estos instrumentos es bastante escaso y se requiere contar con una
cantidad de recursos significativos para acceder a ellos. Por lo anteriormente dicho,
si se cuenta con un espectroradiómetro de ancho de banda corto (entre 1 y 10 Nm
nanómetros) y además que no cuente con una longitud de onda muy grande (entre
350 y 800 Nm nanómetros) se puede calcular las interferencias de radiancia solar,
por tal razón se requiere de una calibración constante del equipo, a la hora de tomar
las firmas en campo (Salvador, 2007).
Los materiales que se utilizan en la construcción de la estructura de pavimento y el
tiempo transcurrido desde su entrada en funcionamiento, son los factores
determinantes en las firmas espectrales finales. Debido a esto, las características
espectroradiométricas de un pavimento nuevo con respecto a uno el cual lleva un
tiempo determinado de funcionamiento, se distinguen dependiendo de la
reflectancia que posee. Una estructura de pavimento con un tiempo de uso corto,
21
tendrá un comportamiento en el espectro de poca reflectancia dependiendo de la
longitud de onda en comparación con los pavimentos viejos; por ejemplo, los
materiales de una estructura de pavimento reciente presentan una elevada
absorción de la luz, por tal motivo su reflectancia es baja aunque esta aumenta
progresivamente hasta llegar a una longitud de onda de 1700 nanómetros (Nm)
dentro del espectro; a partir de allí, la reflectancia tiene un comportamiento
fluctuante debido a las características del espectroradiómetro a medida que
aumenta la longitud de onda, también debido a las condiciones anteriormente
nombradas sobre los vapores de agua y los problemas que se presentan en un
rango del infrarrojo cercano. En una superficie asfáltica vieja o con bastante uso,
donde es notoria la pérdida de componentes que representaban gran absorción de
la luz en condiciones óptimas de la estructura y además por el entorno ambiental de
la zona, se observa un cambio en el proceso de oxidación y la estructura molecular
de los componentes de la capa superficial. Esto es causante de la pérdida de
absorción de la luz y por ende la reflectancia aumenta a través de todo el espectro
electromagnético. Con los dos puntos de referencia en pavimentos nuevos y
estructuras viejas es posible analizar el comportamiento de la firma espectral en una
estructura de pavimento con mediana edad, entre 1 y 3 años, donde la absorción
de la luz es media, debido a que la pérdida de las características de los materiales
no es muy notoria y por ende la reflectancia está en el medio de las firmas
correspondientes a los pavimentos nuevos y viejos. El comportamiento de la firma
espectral en daños específicos sobre la estructura de pavimento es particular,
debido a que fluctúan en parámetros cercanos a la firma del pavimento viejo, pero
con comportamientos muy propios (Harold et al, 2008).
El comportamiento especifico de cada firma espectral en el rango del infrarrojo
cercano depende de las interacciones con el entorno al momento de tomar la firma
espectral, como la cantidad de oxígeno en la atmósfera (Kavzoglu et al., 2009), pero
también dependen mayoritariamente del tipo de deterioro que se esté analizando
cómo se mencionó anteriormente. Esto se debe a que en el rango espectral del
22
infrarrojo cercano, la reflectancia se hace más sensible a los deterioros, como
resultado se obtiene la firma característica de cada uno de ellos. Esto a
consecuencia de la disminución en la capacidad de absorber el haz de luz por parte
de los materiales y elementos que componen la losa de concreto. (Kavzoglu et al.,
2009).
Como se mencionó anteriormente, el óxido de calcio representa entre el 58 % y el
67 % de los minerales que componen el cemento hidráulico, pero debido a la
exposición de otros elementos externos a la construcción y además la
contaminación ambiental, el desgaste sobre la losa de concreto también involucra
el análisis del compuesto carbonato de calcio (CaCo3) (Arita, Sasaki, Endo &
Yasuoka, 2001), el cual posee un comportamiento cóncavo dentro del espectro
visible en el rango de longitud de onda comprendido entre los 400 nanómetros (Nm)
y 700 nanómetros (Nm), con una reflectancia cercana al 90% (Arita et al., 2001). A
pesar de la alta reflectancia generada por el carbonato de calcio (CaCo3) sobre la
losa de concreto, el concreto hidráulico para pavimentos rígidos en buen estado,
genera una firma espectral en el rango visible del espectro, con una reflectancia
entre 40% y 30% en la ciudad de Tokio Japón (Arita et al., 2001).
Teniendo una firma espectral para la losa de concreto en buen estado, se puede
afirmar que la pérdida de los minerales en el cemento hidráulico generan un
aumento de la reflectancia debido a la disminución de la capacidad de absorción de
la luz por parte de los componente del pavimento desgastado, por tal motivo, a
mayor reflectancia en las firmas espectrales tomadas, mayor será la severidad del
daño (Herold et al., 2008).
Las firmas espectrales varían según el ángulo de incidencia sobre el objeto a
analizar, esto se debe a que entre mayor sea la altura a la hora de tomar los datos
mayor será el ángulo de incidencia sobre el objeto (Salvaggio, Smith, & Antoine,
2005). Además del factor angular, también hay otros factores que inciden en la
reflectancia al aumentar la altura de toma de datos, como mayor porcentaje de
23
oxígeno en la atmósfera, contaminación ambiental y la cantidad de luz
(Schaepman-Strub, Schaepman, Painter, Dangel, & Martonchik, 2006).
La reflexión especular es aquella que cuando el haz de luz incide sobre un cuerpo,
este la refleja sin haber grandes cambios angulares en el rayo incidente. Este
fenómeno sucede en superficies planas ( Kane, Sternheim, 2007) como lo que
ocurre en una junta recién fabricada al ser estudiada por la espectroradiometría.
Una junta cuando está en buen estado, recién construida o no ha sido expuesta a
esfuerzos físicos provenientes del tránsito vehicular, tiende a reflejar el haz de luz
proveniente del espectroradiómetro con un ángulo de incidencia especifico, lo que
genera mayor reflectancia debido a la superficie sin grandes deformaciones o
cambios sobre ella, en contraste cuando la junta se encuentra desgastada y su
superficie debido a los esfuerzos físicos externos ha cambiado de forma, el haz de
luz al proyectarse sobre dicha superficie, cambia su dirección angular y por tal razón
la reflectancia disminuye (Salvaggio et al., 2005).
24
9. METODOLOGÍA
9.1 DIAGRAMA METODOLOGICO
Gráfica 1. Diagrama de Flujo.
INICIO
BUSCAR UN SITIO ADECUADO PARA LA TOMA DE LAS FIRMAS ESPECTRALES.
RECOPILAR LA INFORMACIÓN DE COORDENADAS, FIRMAS ESPECTRALES Y FOTOGRAFÍAS DE LOS DAÑOS SUPERFICIALES ENCONTRADOS EN LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RÍGIDO ESCOGIDA
¿CUMPLEN EL
COEFICIENTE
LAS FIRMAS
SELECCIONADAS
?
¿NO CUMPLEN EL
COEFICIENTE LAS
FIRMAS
SELECCIONADAS?
REALIZAR DE LAS FIRMAS CARACTERÍSTICAS DE LOS
DAÑOS SUPERFICIALES ENCONTRADOS EN LA
ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RÍGIDO.
CREAR DE LA LIBRERÍA DE FIRMAS ESPECTRALES DE LOS DETERIOROS SUPERFICIALES
HALLADOS EN LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RÍGIDO.
REALIZAR EL PROCESO
DE FILTRACIÓN DE LAS
FIRMAS ESPECTRALES
A TRAVÉS DEL
CONCEPTO DE
COEFICIENTE DE
VARIACIÓN.
TOMAR POR LO MENOS 6 FIRMAS ESPECTRALES POR CADA DAÑO, 3 A UNA ALTURA ESPECÍFICA Y LAS OTRAS 3 CON UNA ALTURA DIFERENTE, CON RESPECTO AL DAÑO EVALUADO.
REALIZAR LA CLASIFICACIÓN DE LAS FIRMAS ESPECTRALES CON SUS RESPECTIVOS DATOS DE GEORREFERENCIACIÓN, TIPO DE DAÑO, CANTIDAD DE FIRMAS TOMADAS POR TIPO DE DAÑO, ALTURA A LA QUE FUERON TOMADAS LAS FIRMAS Y REGISTRO FOTOGRÁFICO; POR MEDIO DEL SOFTWARE LIBRE SPECTRAL ANALYSIS AND MANAGEMENT SYSTEM (SAMS).
ELIMINAR LAS FIRMAS ESPECTRALES QUE VISUALMENTE NO POSEAN SIMILITUDES DE NIVEL DIGITAL ENTRE SÍ CON RESPECTO AL VALOR DE LA LONGITUD DE ONDA DEL DAÑO ANALIZADO.
25
Fuente: Autor
El diagrama anterior muestra los pasos seguidos para la colección de las firmas
espectrales de cada daño superficial sobre la estructura de pavimento rígido.
9.2 DELIMITACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO Y EQUIPOS
Para la realización de este proyecto, se delimito la zona más adecuada de la ciudad
de Bogotá para llevar a cabo el levantamiento de las firmas espectrales. Esto se
realizó seleccionando una zona donde la estructura de pavimento rígido tuviera
varios tipos de daños y además fácil acceso para la toma de las firmas espectrales.
Por tal razón se escogió la troncal de la calle 26 entre carreras 57 y 60. Para la
captura de la información en campo se utilizó, un espectroradiómetro para las firmas
espectrales y para el posicionamiento receptores GPS.
El espectroradiómetro de marca FieldSpec modelo HandHeld 2; captura información
en un rango de longitud de onda entre los 325 y 1075 nanómetros (Nm), su
precisión en la captura de longitud de onda es de ±1 nanómetro (Nm), cuenta con
un campo de visión de aproximadamente 25° y además posee accesorios como el
panel de referencia, trípode y cables de conexión. La calibración del
espectroradiómetro se realizó tomando registros del panel de referencia en varios
lugares, donde la luz cambiaba de muy fuerte a muy tenue, para así corroborar el
comportamiento de la firma espectral dependiendo de la cantidad de luz natural a la
cual el equipo esté expuesto.
El equipo de georreferenciación marca Topcon modelo Hyper Lite +, el cual permite
realizar levantamientos cinemáticos, posee características técnicas como
frecuencia de 902-928 megahercios (MHz), ancho de banda de ocupamiento de 100
kilohercios (KHz), técnica de modulación de frecuencia de 64 kilobits (Kbps), Radio
antena externa con 2.5 de decibelios isotrópicos (dBi), antena interna de captación
GPS/ GLONASS y precisión en levantamientos cinemáticos de 10 milímetros (mm)
horizontales y 15 milímetros (mm) verticales. El equipo GPS se configuró para
realizar un levantamiento en modo RTK (Real Time Kinematic). Todos los equipos
26
anteriormente descritos son propiedad de la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas.
9.3 ADQUISICIÓN DE FIRMAS ESPECTRALES DE LOS DAÑOS SUPERFICIALES DE PAVIMENTO RÍGIDO
Para la adquisición de las firmas espectrales se requiere de varios pasos. En primer
lugar se realizó el registro de los daños, donde se tomaron características como el
largo, ancho, profundidad, registros fotográficos y severidad, que para este estudio
fue de severidad baja. Luego con el fin de georeferenciar la zona de estudio, se
posicionó el punto geodésico CD-54 con el GPS Híper Lite + como base. El tiempo
de recepción para comprobar la disponibilidad de satélites fue de 15 minutos, en
ese periodo se capturaron siete satélites GNSS y uno GLONASS, con los que se
dio inicio a la captura de coordenadas. Posteriormente, se inicializó el Rover; este
posicionamiento se realizó a una altura instrumental de 2 metros (m) y con una
duración de captura de datos por punto de aproximadamente 1 minuto. A
continuación, se realizó la calibración del espectroradiómetro con el espectralón o
panel de referencia, con el fin de adaptar el equipo a las condiciones climáticas que
se encontraban al momento de la toma de los datos. Vale la pena mencionar que
fue necesario hacer esta calibración constantemente durante el registro, puesto que
cualquier cambio en la cantidad de luz en la atmósfera (como alta o baja nubosidad,
poca o mucha opacidad, entre otros factores), puede alterar la firma espectral, por
lo que al volver al blanco de referencia se tiene la plena seguridad de que la firma
tomada corresponde al daño escogido (Slater, Biggar, Holm, Jackson, Mao, Moran,
Palmer, & Yuan, 1987). Finalmente se inició la toma de datos de los daños
previamente seleccionados. En total se tomaron seis firmas espectrales por cada
daño, tres a una altura de 1.28 metros y tres a 1.60 metros. La recolección de datos
por parte de la base finalizó con una totalidad de ocho GNSS.
En total se registraron 30 deterioros superficiales con severidad baja
correspondientes a 180 firmas espectrales, las cuales se clasificaron en siete grupos
27
de daños, a partir de las observaciones hechas en los formatos de campo con
respecto a sus características. También se realizó el registro de condiciones
superficiales de control o estructura de pavimento rígido sin daño y el de la firma
espectral sobre el espectralón, la cual es necesaria para calcular la reflectancia.
9.4 PROCESAMIENTO DE FIRMAS ESPECTRALES.
Los datos se extrajeron del espectroradiómetro a través del software HH2 Sync.
Todos los programas descritos a continuación, vienen incluidos en el software del
equipo. El programa ViewSpecPro permite visualizar los datos en unidades de Nivel
digital (ND) con respecto a la longitud de onda en nanómetros (Nm). Los archivos
deben ser transformados a extensión ASCII, con el fin de ser procesados por
cualquier software de lectura de datos y de firmas espectrales. Esto se realiza a
través del programa ViewSpecPro.
El software libre spectral analysis and management system SAMS, desarrollado por
la Universidad de California Davis, se escogió para el procesamiento de las firmas
espectrales. Este software permite crear una librería espectral donde cada firma es
caracterizada, clasificada y georreferenciada (CSTARS, 2005). A partir de las
fotografías tomadas a los deterioros en la superficie de pavimento rígido, se realizó
la clasificación de las firmas para su correspondiente daño. La clasificación de los
daños se corroboró a partir del documento (INVIAS, 2006). También dentro de la
clasificación, se realizó una categorización con respecto a la altura a la que fue
tomada la firma espectral.
La tabla 1 muestra la clasificación de los daños realizada en oficina, con la cantidad
de firmas tomas por daño y la altura del equipo al hacer el registro.
28
Tabla 1. Daños tomados en campo a partir de la cantidad de firmas y altura de
muestra.
No. Daño Superficial Cantidad Firmas
Altura de Toma
1 Pavimento Estado Óptimo 3 1.28 m
2 Pavimento Estado Óptimo 3 1.60 m
3 Junta en Estado Óptimo 3 1.28 m
4 Junta en Estado Óptimo 3 1.60 m
5 Descascaramiento 12 1.28 m
6 Descascaramiento 12 1.60 m
7 Desportillamiento 12 1.28 m
8 Desportillamiento 12 1.60 m
9 Deterioro del Sello en la Junta 27 1.28 m
10 Deterioro del Sello en la Junta 27 1.60m
11 Bache 9 1.28 m
12 Bache 9 1.60 m
13 Desintegración 12 1.28 m
14 Desintegración 12 1.60 m
15 Grieta Longitudinal 6 1.28 m
16 Grieta Longitudinal 6 1.60 m
17 Parche 6 1.28 m
18 Parche 6 1.60 m
Fuente: Autor
En los metadatos en el software SAMS, se cargaron los atributos correspondientes
a las coordenadas planas y geográficas, la altura de registro y el tipo de daño al cual
pertenece cada firma espectral. Luego se llevó a cabo la selección visual de las
firmas espectrales correspondientes a los registros que no poseían nivel digital
similar entre sí, con respecto al valor de longitud de onda. Por tal motivo se
eliminaron 75 firmas espectrales.
A cada clasificación por daño se le aplicó la desviación estándar y el promedio, para
así dar con el coeficiente de variación el cual es un criterio estadístico que permite
calcular la precisión de los datos a partir de un valor porcentual. Este criterio es
calculado dividiendo los valores de cada unidad de nivel digital de la firma espectral
29
de cada daño en la desviación estándar con respecto a estos mismos valores en el
promedio. El coeficiente de variación aceptado utilizado en este estudio fue del 10
% para cada longitud de onda. De la totalidad de la firma el 90 % de las unidades
espectrales no deben poseer más del 10 % de coeficiente de variación. La
clasificación por el coeficiente de variación permite descartar las firmas por debajo
del umbral escogido.
La reflectancia es la unidad de procesamiento requerida para analizar las firmas
espectrales de cada uno de los daños estudiados, observando como varía dicha
unidad con respecto al tipo de deterioro en la estructura superficial de pavimento
rígido. Debido a esto, es necesario realizar la conversión de nivel digital a
reflectancia. Este procedimiento se realiza a partir de los datos de la referencia en
blanco, tomadas del equipo al registrar la firma del espectralón, computándola con
cada una de las firmas de los daños registradas en campo. En este proceso, se
divide el valor de nivel digital de las firmas espectrales de los daños con respecto al
valor de referencia del blanco, calculándolo para cada uno de los valores de longitud
de onda dentro del rango del equipo, avanzando una unidad a la vez. Con los datos
ya estandarizados se procede a realizar la comparación entre firmas y
posteriormente la librería espectral, donde se identifica cada daño estudiado con su
firma resultante.
30
10. RESULTADOS
10.1 FIRMAS TOMADAS EN CAMPO
Para cada una de las firmas espectrales capturadas, se aplicó el coeficiente de
variación. Por tal razón de los siete daños iniciales solo cuatro estuvieron dentro de
este estándar.
En la tabla 2 se pueden observar los daños registrados y clasificados a la altura a
la cual fueron tomados. En cada uno de ellos se cuenta la cantidad de valores de
longitud de onda dentro del rango de 325 nanómetros (Nm) a 1075 nanómetros
(Nm), tomando aquellos que poseen un valor de coeficiente de variación menor al
10 % y también los que poseen un valor mayor al 10 %. En la siguiente columna se
observa el total de coeficientes de variación de la firma espectral y si estos cumplen
dicho criterio en el intervalo de lectura del espectroradiómetro. Las firmas
espectrales correspondientes a bache a 1.28 y 1.60 metros de altura, grieta
longitudinal a 1.28 metros de altura, deterioro del sello en la junta a 1.28 metros de
altura, desportillamiento a 1.28 metros de altura, muestra sin daño a 1.28 y 1.60
metros de altura y junta en estado óptimo a 1.28 y 1.60 metros de altura, obtuvieron
una alta calidad en los datos tomados en campo ya que su coeficiente de variación
es menor al 10 %; mientras que las firmas de desportillamiento a 1.60 metros de
altura, desintegración a 1.28 metros de altura, descascaramiento a 1.28 y 1.60
metros de altura y parche a 1.28 y 1.60 metros de altura, se descartaron para
realizar la librería espectral de daños superficiales sobre pavimento rígido, debido a
la baja calidad de los datos obtenidos en campo ya que su coeficiente de variación
resultante es mayor al 10 %.
En las gráficas de la 2 hasta la 17 se observa las firmas espectrales computadas
visualmente para cada deterioro sin realizar ninguna clase de clasificación o filtro
estadístico que permita saber si los datos adquiridos en campo tienen alguna
validez. Además, son extraídos del espectroradiómetro en unidades de nivel digital
31
donde no es posible apreciar claramente la diferenciación entre los daños.
Solamente es posible diferenciar el tipo de unidades que maneja el
espectroradiómetro y como se transformaran a la reflectancia después de aplicar
los cálculos correspondientes.
Tabla 2. Coeficiente de variación por daño
Firma espectral por Daño Longitudes de onda
menor al 10 %
Longitudes de onda
mayor al 10 %
Coeficiente de
Variación
Resultado Firma
Criterio de Evaluación
Bache 1.28m 732 19 2.53% OK
Bache 1.60m 736 15 2.00% OK
Grieta Longitudinal 1.28m 702 49 6.53% OK
Deterioro en la Junta 1.28m 717 34 4.53% OK
Deterioro en la Junta 1.60m 623 128 17.04% NO
Desportillamiento 1.28m 712 39 5.19% OK
Desportillamiento 1.60m 646 105 13.98% NO
Desintegración 1.28m 0 751 100% NO
Descascaramiento 1.28m 246 505 67.24% NO
Descascaramiento 1.60m 595 156 20.77% NO
Losa en estado Optimo 1.28m 738 13 1.73% OK
Losa en estado Optimo1.60m 734 17 2.26% OK
Parche 1.28m 18 733 97.60% NO
Parche 1.60m 154 597 79.49% NO
Junta en Estado Optimo 1.28m 736 15 2.00% OK
Junta en Estado Optimo 1.60m 737 14 1.86% OK
Fuente: Autor.
32
Gráfica 2. Firma espectral daño bache a una altura de 1.28 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 3. Firma espectral daño bache a una altura de 1.60 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
33
Gráfica 4. Firma espectral descascaramiento a una altura de 1.28 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 5. Firma espectral descascaramiento a una altura de 1.60 m en niveles
digitales.
Fuente: Autor.
34
Gráfica 6. Firma espectral desintegración una altura de 1.28 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 7. Firma espectral desportillamiento una altura de 1.28 m en niveles
digitales.
Fuente: Autor.
35
Gráfica 8. Firma espectral desportillamiento una altura de 1.60 m en niveles
digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 9. Firma espectral deterioro del sello en la junta una altura de 1.28 m en
niveles digitales.
Fuente: Autor.
36
Gráfica 10. Firma espectral deterioro del sello en la junta una altura de 1.60 m en
niveles digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 11. Firma espectral grieta longitudinal a una altura de 1.28 m en niveles
digitales.
Fuente: Autor.
37
Gráfica 12. Firma espectral junta óptima a una altura de 1.28 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 13. Firma espectral junta óptima a una altura de 1.60 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
38
Gráfica 14. Firma espectral parche a una altura de 1.28 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 15. Firma espectral parche a una altura de 1.60 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
39
Gráfica 16. Firma espectral losa de concreto en óptimas condiciones a una altura
de 1.28 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
Gráfica 17. Firma espectral losa de concreto en óptimas condiciones a una altura
de 1.60 m en niveles digitales.
Fuente: Autor.
40
10.2 UBICACIÓN DE DAÑOS
Los daños analizados para realizar la librería espectral, se tomaron a partir de la
georreferenciación hecha sobre la calle 26 entre carreras 57 y 60. Los datos se
registraron a través de GPS en coordenadas geográficas las cuales se convertieron
a coordenadas planas para realizar el plano correspondiente de la zona y ubicar los
daños.
La tabla 3 muestra las coordenadas planas y geográficas de los daños clasificados
y estandarizados, los cuales estan dentro de las firmas espectrales resultantes del
estudio realizado.
Tabla 3. Georreferenciación daños clasificados.
Numero Daño Coordenadas Planas Coordenadas Geográficas
Norte-Sur Este-Oeste Latitud(N) Longitud(W)
1 Bache 105390.759 97718.539 4°38'41.84" 74°5'53.12"
2 Desportillamiento 105429.92 97688.788 4°38'43.12" 74°5'54.09"
3 Desportillamiento 105391.456 97722.896 4°38'41.86" 74°5'52.98"
4 Desportillamiento 105431.811 97694.739 4°38'43.18" 74°5'53.89"
5 Deterioro de la Junta 105430.707 97690.256 4°38'43.14" 74°5'54.04"
6 Deterioro de la Junta 105397.74 97714.76 4°38'42.07" 74°5'53.24"
7 Deterioro de la Junta 105406.669 97704.355 4°38'42.36" 74°5'53.58"
8 Deterioro de la Junta 105459.545 97718.705 4°38'44.08" 74°5'53.12"
9 Deterioro de la Junta 105478.902 97709.946 4°38'44.71" 74°5'53.40"
10 Deterioro de la Junta 105370.71 97723.912 4°38'41.19" 74°5'52.95"
11 Deterioro de la Junta 105397.905 97714.163 4°38'42.07" 74°5'53.26"
12 Grieta Longitudinal 105440.945 97733.528 4°38'43.48" 74°5'52.63"
13 Grieta Longitudinal 105529.586 97602.489 4°38'46.36” 74°5'56.88"
14 Junta Optima 105467.908 97667.598 4°38'44.35" 74°5'54.77"
15 Losa sin Daño 105475.29 97665.806 4°38'44.59" 74°5'54.83"
Fuente: Autor.
41
En la ilustración 1 se observa el plano elaborado a partir del levantamiento
topográfico de la zona a estudio, donde se realizó la toma de los daños a través del
espectroradiómetro. Allí se puede observar el tamaño de la zona de estudio, el cual
es de 230 metros de largo y 16 metros de ancho por calzada analizada
aproximadamente. También el tamaño de las losas de concreto el cual es de 3.5
metros de ancho por 3.7 metros de largo aproximadamente.
Ilustración 1. Plano zona de estudio (Calle 26 entre Carreras 57 y 60) calzada.
Fuente: Autor.
42
10.3 LIBRERÍA ESPECTRAL
Las firmas espectrales en nivel digital se transformaron a reflectancia a partir de la
referencia en blanco y con esto se realizó la librería espectral de los daños
superficiales en pavimento rígido en la zona especificada en la ciudad de Bogotá.
En la gráfica 18, la firma espectral correspondiente al deterioro superficial bache
18(A), posee una forma cóncava en el rango visible del espectro. Esta concavidad
posee una reflectancia entre 11 y 13 %. En el infrarrojo cercano dentro del rango
comprendido entre 800 nanómetros (Nm) a 1075 nanómetros (Nm) para este
estudio, los valores de la reflectancia de la firma espectral actúan de manera
cóncava desde los 850 nanómetros (Nm) hasta los 950 nanómetros (Nm)
aproximadamente, con una reflectancia entre 13 y 8.8 %, dando así una diferencia
porcentual del 4.2%. Desde este valor de longitud de onda hasta llegar al límite del
rango del espectroradiómetro la reflectancia aumenta, exceptuando unos pocos
puntos de distorsión al final del rango de lectura del espectroradiómetro.
Gráfica 18. Firma espectral correspondiente a bache (A) a una altura de toma de
1.28 m.
Fuente: Autor.
43
Ilustración 2. Fotografía deterioro superficial correspondiente a bache.
Fuente: Autor.
En la gráfica 19, se puede observar como la altura a la que es ubicado el
espectroradiómetro para la toma de los daños correspondientes a bache 19 (A) y
bache 19 (B) con respecto a la superficie, tiene implicaciones directas en la
reflectancia que este genere en la firma espectral, aunque las firmas espectrales
siguen teniendo características definidas para cada daño. En el espectro visible,
ambas firmas poseen concavidad con gradientes variables; pero en el infrarrojo
cercano correspondiente a la lectura espectral dentro del rango de 850 nanómetros
(Nm) a 1075 nanómetros (Nm), su comportamiento actúa de la misma manera en
cada longitud de onda, pero a mayor altura de toma mayor será la reflectancia. De
los 850 nanómetros (Nm) a los 890 nanómetros (Nm), las firmas poseen una
concavidad similar con gradiente bajo. Antes de llegar a los 900 nanómetros (Nm)
se producen dos picos en la reflectancia teniendo variaciones de aproximadamente
0.4 %, desde la más baja a la más alta hasta llegar a los 906 nanómetros (Nm),
desde allí la reflectancia disminuye nuevamente hasta los 910 nanómetros (Nm),
luego vuelve a un pico a los 920 nanómetros (Nm) llegando a una variación de
44
reflectancia de casi 0.6 %, luego desciende hasta aproximadamente los 950
nanómetros (Nm). Posteriormente la reflectancia asciende hasta los 955
nanómetros (Nm) luego comienza una fluctuación de gran magnitud hasta los 1075
nanómetros (Nm) la cual no permite analizar los datos obtenidos.
Gráfica 19. Firmas espectrales correspondientes a bache (A) a una altura de toma
de 1.28 m y bache (B) a una altura de toma de 1.60 m.
Fuente: Autor.
En la gráfica 20, la firma espectral correspondiente al deterioro superficial
desportillamiento 20(F), posee una forma cóncava en el rango visible del espectro.
Esta concavidad posee una reflectancia entre 14.3 y 16.3 % aproximadamente. En
el infrarrojo cercano dentro del rango comprendido entre 800 nanómetros (Nm) a
1075 nanómetros (Nm) para este estudio, los valores de la reflectancia de la firma
espectral actúan de manera cóncava desde los 850 nanómetros (Nm) hasta los 950
nanómetros (Nm) aproximadamente, con una reflectancia entre 16.3 y 13 %, dando
45
así una diferencia porcentual del 3.3%. Desde este valor de longitud de onda hasta
llegar al límite del rango del espectroradiómetro la reflectancia aumenta,
exceptuando unos pocos puntos de distorsión al final del rango de lectura del
espectroradiómetro.
Gráfica 20. Firma espectral correspondiente a desportillamiento (F) a una altura de
toma de 1.28 m.
Fuente: Autor.
46
Ilustración 3. Fotografía deterioro superficial correspondiente a desportillamiento.
Fuente: Autor.
En la gráfica 21, la firma espectral correspondiente al deterioro superficial grieta
longitudinal 21(J), posee una forma cóncava en el rango visible del espectro. Esta
concavidad posee una reflectancia entre 14.3 y 14.7% aproximadamente. En el
infrarrojo cercano dentro del rango comprendido entre 800 nanómetros (Nm) a 1075
nanómetros (Nm) para este estudio, los valores de la reflectancia de la firma
espectral actúan de manera cóncava desde los 850 nanómetros (Nm) hasta los 950
nanómetros (Nm) aproximadamente, con una reflectancia entre 14.8 y 9.3 %, dando
así una diferencia porcentual del 5.5%. Desde este valor de longitud de onda hasta
llegar al límite del rango del espectroradiómetro la reflectancia aumenta,
exceptuando unos pocos puntos de distorsión al final del rango de lectura del
espectroradiómetro.
47
Gráfica 21. Firma espectral correspondiente a grieta longitudinal (J) a una altura de
toma de 1.28 m.
Fuente: Autor.
Ilustración 4. Fotografía deterioro superficial correspondiente a grieta longitudinal.
Fuente: Autor.
48
En la gráfica 22, la firma espectral correspondiente al deterioro del sello en la junta
22(H), posee una forma cóncava en el rango visible del espectro. Esta concavidad
posee una reflectancia entre 14.7 y 16.7% aproximadamente. En el infrarrojo
cercano dentro del rango comprendido entre 800 nanómetros (Nm) a 1075
nanómetros (Nm) para este estudio, los valores de la reflectancia de la firma
espectral actúan de manera cóncava desde los 850 nanómetros (Nm) hasta los 950
nanómetros (Nm) aproximadamente, con una reflectancia entre 16.7 y 12.2 %,
dando así una diferencia porcentual del 4.5%. Desde este valor de longitud hasta
llegar al límite del rango del espectroradiómetro la reflectancia aumenta,
exceptuando unos pocos puntos de distorsión al final del rango de lectura del
espectroradiómetro.
Gráfica 22. Firma espectral correspondiente a deterioro del sello en la junta (H) a
una altura de toma de 1.28 m.
Fuente: Autor.
49
Ilustración 5. Fotografía deterioro superficial correspondiente a deterioro del sello
en la junta.
Fuente: Autor.
En la gráfica 23, en la firma espectral correspondiente a junta en óptimas
condiciones 23(K), se observa un comportamiento cóncavo dentro del rango del
espectro visible con una reflectancia alta, esto debido a los materiales como el
poliuretano o el silicón a partir de los cuales están hechas las juntas de la estructura
de pavimento rígido (IDU, 2011). También se puede observar en el infrarrojo
cercano dentro del rango comprendido entre 800 nanómetros (Nm) a 1075
nanómetros (Nm), un comportamiento debido a factores externos sobre los
materiales que componen la junta en su construcción, como por ejemplo los
esfuerzos físicos a los que se ve expuesto y la cantidad de oxígeno en la atmósfera
(Carrère & Conel, 2009). La firma posee una reflectancia entre los 850 y 950
nanómetros (Nm) de 18 y 12 %, con u porcentaje de variación del 6%.
50
Gráfica 23. Firma espectral correspondiente a junta optima (K) a una altura de toma
de 1.28 m.
Fuente: Autor.
Ilustración 6. Fotografía correspondiente a junta en estado óptimo.
Fuente: Autor.
51
En la gráfica 24, se puede observar como la altura a la que es ubicado el
espectroradiómetro para la toma de las firmas correspondientes a junta en estado
óptimo 24 (K) y junta en estado óptimo 24 (L) con respecto a la superficie, tiene
implicaciones directas en la reflectancia que este genere en la firma espectral,
aunque las firmas espectrales siguen teniendo características definidas para cada
daño. Antes del espectro visible, desde los 380 nanómetros (Nm), se observa un
aumento en la reflectancia en ambas firmas con un porcentaje de casi 0.5 %. En el
espectro visible ambas firmas poseen concavidad con gradientes variables pero en
el infrarrojo cercano correspondiente a la lectura espectral dentro del rango de 850
nanómetros (Nm) a 1075 nanómetros (Nm), su comportamiento posee
características similares pero a mayor altura de toma mayor será la reflectancia. De
los 850 nanómetros (Nm) a los 890 nanómetros (Nm), las firmas poseen variaciones
muy pequeñas es decir se observa casi como una línea recta. Antes de llegar a los
900 nanómetros (Nm) se producen un pico en la reflectancia teniendo variaciones
de aproximadamente 0.3 %, desde la más baja a la más alta hasta llegar a los 905
nanómetros (Nm), desde allí la reflectancia disminuye nuevamente hasta los 915
nanómetros (Nm), luego vuelve a un pico a los 920 nanómetros (Nm) llegando a
una variación de reflectancia de casi 0.8 %, luego desciende hasta
aproximadamente los 940 nanómetros (Nm). Posteriormente asciende hasta los
1075 nanómetros pero en este rango se observan fluctuaciones de gran magnitud
lo cual no permite analizar los datos obtenidos.
52
Gráfica 24. Firmas espectrales correspondientes a junta optima (K) a una altura de
toma de 1.28 m y junta optima (L) a una altura de toma de 1.60 m.
Fuente: Autor.
Como se puede observar en la gráfica 25, donde la firma espectral correspondiente
a la losa de concreto en óptimas condiciones 25(O), posee una reflectancia baja en
el rango visible del espectro. Esta concavidad posee una reflectancia entre 9.9 % y
12.4 % aproximadamente. En el infrarrojo cercano dentro del rango comprendido
entre 800 nanómetros (Nm) a 1075 nanómetros (Nm) para este estudio, los valores
de la reflectancia de la firma espectral actúan de manera cóncava desde los 850
nanómetros (Nm) hasta los 950 nanómetros (Nm) aproximadamente, con una
reflectancia entre 12.5 y 8 %, dando así una diferencia porcentual del 4.5%. Desde
este valor de longitud de onda hasta llegar al límite del rango del espectroradiómetro
la reflectancia aumenta, exceptuando unos pocos puntos de distorsión al final del
rango de lectura del espectroradiómetro. Debido al poco tiempo de construcción de
la losa de concreto y su poco desgaste, los elementos y materiales poseen todavía
gran capacidad de absorción del haz de luz por tal motivo su reflectancia es baja.
53
Gráfica 25. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas
condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m
Fuente: Autor.
Ilustración 7. Fotografía correspondiente a losa de concreto en óptimas condiciones.
Fuente: Autor.
54
En la gráfica 26, se puede observar como la altura a la que es ubicado el
espectroradiómetro para la toma de las firmas correspondientes a losa de concreto
en óptimas condiciones 26(O) y losa de concreto en óptimas condiciones 26(P)
con respecto a la superficie, tiene implicaciones directas en la reflectancia que este
genere en la firma espectral, aunque las firmas espectrales siguen teniendo
características definidas para cada daño. En el espectro visible las firmas no poseen
trazos similares debido a alguna interacción externa sobre el pavimento a la hora
de tomar los datos, pero en el infrarrojo cercano correspondiente a la lectura
espectral dentro del rango de 850 nanómetros (Nm) a 1075 nanómetros (Nm), su
comportamiento posee características similares pero a mayor altura de toma mayor
será la reflectancia. De los 850 nanómetros (Nm) a los 880 nanómetros (Nm), las
firmas poseen una concavidad leve, desde los 885 nanómetros (Nm) hasta los 900
nanómetros (Nm), se genera una disminución en la reflectancia de
aproximadamente 1 %, después de los 900 nanómetros (Nm) los 920 nanómetros
(Nm), se observa varios picos los cuales descienden y asciende a el mismo valor
porcentual a través de este rango, luego la reflectancia desciende hasta los 940
nanómetros (Nm) llegando a una variación de reflectancia de casi 4 %, luego
asciende hasta los 1075 nanómetros pero en este rango se observan fluctuaciones
de gran magnitud lo cual no permite analizar los datos obtenidos.
55
Gráfica 26. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y losa de concreto en óptimas condiciones (P) a una altura de toma de 1.60 m.
Fuente: Autor.
En la gráfica 27, correspondiente a losa de concreto en óptimas condiciones 27(O)
y bache 27(A), se observa como la pérdida de algunos materiales o el desgaste,
han aumentado la reflectancia en la firma espectral correspondiente al deterioro
bache, por tal razón en el espectro visible el comportamiento de la firma es muy
similar a la firma espectral de la losa en óptimas condiciones pero el bache posee
mayor reflectancia. En el infrarrojo cercano las variaciones son mayores, como se
observa entre los 885 nanómetros (Nm) y los 925 nanómetros (Nm) los cuales
muestran picos variados pero en diferentes longitudes de onda y entre los 925
nanómetros (Nm) y los 950 nanómetros (Nm); el descenso y posterior ascenso de
la reflectancia, marca picos que se comportan de esta manera fluctuante debido a
la pérdida de elemento por el bache sobre la losa de concreto.
56
Gráfica 27. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y bache (A) a una altura de toma de 1.28 m.
Fuente: Autor.
En la gráfica 28, correspondiente a losa de concreto en óptimas condiciones 28 (O)
y desportillamiento 28 (F), se observa como la pérdida de algunos materiales o el
desgaste, han aumentado la reflectancia en la firma espectral correspondiente al
deterioro desportillamiento, por tal razón en el espectro visible el comportamiento
de la firma es muy similar a la correspondiente a la losa en óptimas condiciones
pero el desportillamiento posee una reflectancia mucho mayor, además los
elementos expuestos en el desportillamiento cambian la reflectancia de la firma. En
el infrarrojo cercano las variaciones son mayores, como se observa entre los 890
nanómetros (Nm) y los 925 nanómetros (Nm) los cuales muestran en la firma del
deterioro, una reflectancia con un gradiente bajo, mientras la firma de la losa en
óptimas condiciones muestra varios picos que luego entre los 925 nanómetros (Nm)
57
y los 940 nanómetros (Nm) descienden en diferentes proporciones la cual no
permite un análisis correcto.
Gráfica 28. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y desportillamiento (F) a una altura de toma de 1.28 m.
Fuente: Autor.
En la gráfica 29, correspondiente a losa de concreto en óptimas condiciones 29(O)
y grieta longitudinal 29(F), se observa como la pérdida de algunos materiales o el
desgaste, han aumentado la reflectancia en la firma espectral correspondiente al
deterioro grieta longitudinal, por tal razón en el espectro visible el comportamiento
de la firma es muy similar a la de la losa en óptimas condiciones pero la firma
correspondiente a la grieta longitudinal posee una reflectancia mucho mayor. En el
infrarrojo cercano las variaciones son mayores, como se observa entre los 890
nanómetros (Nm) y los 925 nanómetros (Nm) los cuales muestran en la firma del
deterioro una reflectancia con menos picos en comparación a la firma de la losa en
óptimas condiciones, luego entre los 925 nanómetros (Nm) y los 940 nanómetros
58
(Nm) la firma de la grieta longitudinal desciende con una pendiente estable mientras
la firma de la losa de concreto realiza varios picos en este rango.
Gráfica 29. Firmas espectrales correspondientes a losa de concreto en óptimas condiciones (O) a una altura de toma de 1.28 m y grieta longitudinal (J) a una altura de toma de 1.28 m.
Fuente: Autor.
A partir de la gráfica 30, donde se consideran las firmas espectrales finales de los
daños deterioro del sello en la junta 30 (H) y junta en óptimas condiciones 30 (K),
se observa dentro del espectro visible el comportamiento del haz de luz que incide
sobre la junta en óptimas condiciones 30 (K), el cual posee una reflectancia mayor
en comparación con la firma del deterioro del sello en la junta 30 (H). Esto debido a
que la junta cuando está en buen estado, recién construida o no ha sido expuesta
a esfuerzos físicos provenientes del tránsito vehicular, tiende a reflejar el haz de luz
proveniente del espectroradiómetro con un ángulo de incidencia especifico, lo que
59
genera mayor reflectancia debido a la superficie sin grandes deformaciones o
cambios sobre ella, en contraste cuando la junta se encuentra desgastada y su
superficie debido a los esfuerzos físicos externos ha cambiado de forma, el haz de
luz al proyectarse sobre dicha superficie, cambia su dirección angular y por tal razón
la reflectancia disminuye (Salvaggio et al., 2005). En el infrarrojo cercano
correspondiente a la lectura espectral dentro del rango de 800 nanómetros (Nm) a
1075 nanómetros (Nm) para este estudio, la firmas espectrales poseen un
comportamiento similar, debido a que dentro de este rango espectral la incidencia
de la forma física superficial de la junta no influye directamente en la reflectancia
sino los agentes externos (Kavzoglu et al., 2009). Vale la pena resaltar que debido
a las características químicas del poliuretano o silicón, el desgaste sobre la junta
se debe a esfuerzos físicos y no a la exposición de la junta al agua u otros
componentes (Cloutis, 1989). Aunque los valores que se muestran en este rango
son representativos para determinar los daños sobre la losa de concreto, en este
firma espectral de la junta en óptimas condiciones, el comportamiento similar a su
deterioro permite inferir que los elementos a partir de los cuales está compuesto el
poliuretano como Carbono (C), Hidrogeno (H) y Oxigeno (O) (Guerra, 2002), en el
rango del infrarrojo cercano, reflejan el haz de luz de una misma manera,
independientemente del estado de la junta.
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Gráfica 30. Firmas espectrales correspondientes a junta óptima (K) a una altura de
toma de 1.28 m y deterioro del sello en la junta (H) a una altura de toma de 1.28 m.
Fuente: Autor.
61
10.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En las firmas espectrales finales de los daños tomados, no es contemplado su
comportamiento después de los 1075 Nanómetros (Nm) y antes de los 325
Nanómetros (Nm), lo que condiciona la información que se pueda obtener; esto se
debe a que el equipo utilizado captura un rango limitado de información, pero cabe
resaltar que este estudio muestra el comportamiento claro de las firmas espectrales
correspondientes a los daños en el espectro visible y parte del infrarrojo cercano, lo
que permite analizar el comportamiento de los daños dentro de este rango espectral.
Por lo anteriormente dicho las firmas finales de desportillamiento, grieta longitudinal,
bache, junta óptima, deterioro del sello en la junta y losa de concreto en óptimas
condiciones, permiten la identificación de dichos daños a partir de las firmas
tomadas en estructuras de pavimento rígido en la ciudad de Bogotá teniendo en
cuenta las limitaciones ya expuestas. Finalmente, es conveniente hacer referencia
a las grandes ventajas que posee realizar librerías de firmas espectrales o estudios
de daños a través de firmas espectrales con técnicas de espectroradiometría (Arita
et al., 2001), puesto que su utilización es sencilla y no implica un gran costo
económico, pero requiere de bastante tiempo para la toma de datos en campo por
lo que puede llegar a ser un proceso largo y engorroso, además de los factores
externos como el clima o los elementos de la atmósfera los cuales pueden afectar
el registro de la firma espectral (Justice, Vermote, Townshend, Defries, & Roy,
1998).
62
10.5 TRABAJO FUTURO
En un futuro para continuar con este estudio a profundidad, se requiere hacer una
librería de firmas espectrales, pero con espectroradiométros de mayor rango
espectral, que logre abarcar entre los 1500 nanómetros (Nm) y los 2000 nanómetros
(Nm), esto debido a que los materiales que componen el pavimento rígido se
comportan de manera diferente en dicho rango (Herold, 2004), lo que permitiría
obtener mayor información de los daños estudiados. Luego, mediante imágenes
híper espectrales que tengan una resolución espacial la cual permita analizar
deterioros superficiales dentro de las vías, es posible hacer una clasificación acorde
con la información recopilada de las firmas espectrales con respecto a las de las
imágenes, con el fin de relacionar el comportamiento espectral dentro de la imagen
con respecto a lo presente en la firma (Herold, Gardner , & Roberts., 2003), y de
esta manera lograr un reconocimiento automático a través de capturas de imágenes
híper espectrales en diferentes fechas, con lo cual a largo plazo, llegar a predecir
de una forma lógica y aceptable el desgaste que puedan generar dichos daños en
la superficie de la estructura de pavimento rígido.
63
11. CONCLUSIONES
La utilización de aplicaciones geomáticas como la espectroradiometría en el estudio
de los deterioros superficiales en estructuras de pavimento rígido, es una gran
herramienta puesto que, la toma de los datos de la superficie posibilita generar
librerías de firmas espectrales confiables y de fácil manejo por la precisión de las
muestras y la versatilidad de los datos, lo que permite hacer estudios de bajo
impacto y con una buena calidad en los resultados hallados.
El manejo de técnicas de georreferenciación en cualquier tipo de estudio
investigativo es de carácter obligatorio para conseguir información exacta y precisa
de la zona de estudio que se pretende evaluar o analizar, ya que permite demostrar
que los datos tomados en campo son reales y están ubicados donde se argumenta
y a partir de esto dar validez a la investigación, como se muestra en este caso desde
la información tomada de los daños superficiales en la estructura de pavimento
rígido inspeccionada.
La aplicación del coeficiente de variación para determinar que firmas tomadas de
los daños superficiales con el espectroradiómetro pueden hacer parte de la librería
espectral, permitió establecer con mayor precisión la firma resultante de cada daño
estudiado sobre la estructura de pavimento rígido, minimizando la influencia de
algunas variables como las condiciones climáticas, la altura a la cual se tomó la
firma espectral sobre la superficie y factores humanos. A partir de esto se realizó
una librería espectral confiable que posibilita su utilización en zonas donde se haya
construido pavimento rígido y se pretenda realizar evaluaciones sobre las
condiciones superficiales de esta estructura en la ciudad de Bogotá.
La aplicación de técnicas espectrales en el estudio de los deterioros sobre
estructuras de pavimentos, es una herramienta que considera criterios objetivos
como las firmas espectrales, a la hora de evaluar los daños superficiales en las
estructuras, ya que elimina todo criterio subjetivo por parte de los evaluadores
superficiales. Además, en un estudio más profundo, es posible trabajar
64
conjuntamente con imágenes híper espectrales las cuales permitirían mayores
zonas de análisis en menor tiempo. Debido a esto, con el desarrollo pionero de este
estudio, se da un paso inicial para alcanzar mayores avances en el análisis espectral
de estructuras de pavimento rígido.
La información tomada a través del espectroradiómetro, por lo general puede verse
afectada por diferentes variables externas al equipo, como lo son la posición del
observador, las condiciones climáticas, la cantidad de luz natural y artificial que se
encuentra en el medio entre otros factores, por tales motivos se hace necesaria la
calibración constante de la reflectancia en el equipo a través del espectralón y de la
utilización correcta del equipo.
La creación de la librería de firmas espectrales de los daños hallados en las
estructuras de pavimento rígido permite facilitar estudios de mantenimiento vial y de
inspección visual de daños que actualmente se hacen en la ciudad, debido a que
estos datos están expresados en información computarizada, lo que permitirá en un
futuro automatizar este procedimiento, ahorrando tiempo y dinero para las
empresas expertas en este tipo de actividades.
Finalmente, cabe resaltar que es imprescindible la investigación en Colombia en
este tipo de temas, ya que no se ha profundizado lo suficiente en la evaluación de
las estructuras viales en este caso de pavimento rígido, a través de herramientas
distintas a la inspección visual de expertos o la utilización de topografía básica,
desaprovechando opciones, con las cuales se puede inspeccionar estas
estructuras; como por ejemplo la fotogrametría, la cartografía digital y para este caso
la espectroradiometría.
65
12. BIBLIOGRAFÍA
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