Nueva metodología para la obtención de distancias de visibilidad disponibles en carreteras existentes basada en datos LiDAR terrestre

Abstract

[EN] The existence of a visibility that is appropriate to the actual operating conditions is a sine qua non to achieve a safe geometric design. The sight distances required in driving tasks, such as decision-making, stopping, overtaking or crossing, represent an essential parameter in the geometric design of new roads; and they play a key role in all international design guidelines. Nevertheless, once the road has been built and operating, many other surrounding circumstances do determine the actual sight distance available over time. Moreover, since geometric design guidelines encompass visibility measurements based on the observer and the obstacle located on the roadway, systematic and periodic measurements prove difficult and tedious as well as risky and traffic-disruptive. In engineering practice, it is common to use elevation digital models and geometric design specific programs to establish the visibility conditions on roads; however, the development of new remote sensing technologies expand the possibilities to better estimate the visibility actually available. LiDAR technology has been enjoying a boost internationally in recent years. It is an important source of information that consists of millions of georeferenced points belonging to all kinds of objects, which represent not only the geometry of the road itself, but also its more immediate surroundings. It is precisely this ability to include all sorts of potential obstacles to vision in the analysis that raised our interest. This PhD thesis presents a newly developed and tested methodology for the systematic assessment of visibility available on roads that deploys visuals directly drawn against the LiDAR point cloud. To this purpose the concepts of Visual Prism (VP) and Rectangular Prismatic Unit (RPU) have been defined as key elements in this new way of thinking about vision. They represent an alternative to the traditional straight line drawn between the observer and the object. During the research, the impact on the results of the point cloud density has been analyzed; and this methodology has been compared to the visibility results yielded by known techniques based upon digital terrain models, digital surface models and project profiles in two existing road sections. In general, conventional methods overestimate sight distance compared to the new methodology based on LiDAR data, and in many cases the overestimation is significant.. The development, that displays both visuals and three dimensional point cloud results, also enables to spot the reason for the obstruction of vision. This improvement is practice-ready and could be used while assessing the road and improving the conditions of sight distance and road safety.

[ES] La existencia de una visibilidad adecuada a las condiciones reales de operación, es condición indispensable para alcanzar un diseño geométrico seguro. Las distancias de visibilidad requeridas para tareas inherentes a la conducción, tales como la decisión, la parada, el adelantamiento o el cruce, constituyen un parámetro esencial en el diseño geométrico de nuevas carreteras, formando parte importante de todas las guías de diseño a nivel internacional. Sin embargo, una vez construida la carretera y durante el tiempo en que esta se encuentra en servicio, muchas otras circunstancias de su entorno condicionan la visibilidad realmente disponible a lo largo del tiempo. Por otro lado, dado que las guías de diseño geométrico contemplan las mediciones de visibilidad disponible con el observador y el obstáculo situados sobre la calzada, su medición sistemática y periódica es una complicada y tediosa labor no exenta de riesgos y de perturbaciones al tráfico. En la práctica ingenieril, es habitual el empleo de modelos digitales de elevaciones y de programas específicos de diseño geométrico para establecer las condiciones de visibilidad en carreteras; no obstante, el desarrollo de nuevas tecnologías de teledetección amplían las posibilidades a una mejor estimación de la visibilidad realmente disponible. La tecnología LiDAR está gozando de un importante impulso a nivel internacional en los últimos años y constituye una importante fuente de información consistente en millones de puntos georreferenciados pertenecientes a todo tipo de objetos que representan no solo la geometría de la propia carretera, sino también su entorno más inmediato. Precisamente por su capacidad de incluir en el análisis todo tipo de obstáculos potenciales a la visión, en la presente Tesis Doctoral se ha desarrollado y analizado una nueva metodología de evaluación sistemática de visibilidades disponibles en carreteras a partir de visuales trazadas directamente contra la nube de puntos LiDAR. Para ello se han definido por primera vez los conceptos de Prisma Visual (PV) y de Unidad Prismática Rectangular (UPR) como elementos básicos constitutivos de esta nueva forma de concebir la visión, alternativos a la tradicional línea recta visual trazada entre el observador y el objetivo. Durante la investigación se ha analizado el efecto de la densidad de la nube de puntos en los resultados y se ha sometido esta metodología a comparación con los resultados de visibilidad obtenidos por técnicas conocidas a partir de modelos digitales del terreno, modelos digitales de superficies y perfiles de proyecto en dos tramos de carretera existentes. En general, se obtiene una sobreestimación generalizada y en muchos casos significativa de las visibilidades realmente disponibles si se emplean metodologías convencionales en comparación con las obtenidas a partir de la nueva metodología basada en datos LiDAR. El desarrollo, preparado para la visualización conjunta de resultados de visuales y nube de puntos en tres dimensiones, permite asimismo interpretar el motivo de la obstrucción a la visión, lo que constituye un avance puesto al servicio de los ingenieros en la evaluación de la carretera y en la mejora de sus condiciones de visibilidad y de seguridad vial.

[CA] L'existència d'una visibilitat adequada a les condicions reials d'operació, es condició indispensable per a aconseguir un disseny geomètric segur. Les distàncies de visibilitat requerides per a tasques inherents a la conducció, tals com la decisió, la parada, l'avançament, o l'encreuament, constitueixen un paràmetre essencial en el disseny geomètric de noves carreteres, formant part important de totes les guies de disseny a nivell internacional. No obstant, una volta construïda la carretera i durant el temps en què es troba en servici, moltes altres circumstancies del seu entorn condicionen la visibilitat realment disponible. D'altra banda, donat que les guies de disseny geomètric contemplen les mesures de visibilitat disponible en l'observador i el obstacle situats sobre la calçada, la seua medició es una complicada i tediosa llavor no exempta de riscs i de molèsties al trànsit. En la practica, es habitual l'ús de models digitals d'elevacions i de programes específics de disseny geomètric per a establir les condicions de visibilitat en carreteres; no obstant, el desenvolupament de noves tecnologies de tele-detecció amplien les possibilitats a una millor estima de la visibilitat realment disponible. La tecnologia LIDAR està gojant d'un important impuls a nivell internacional en els ultims anys i constitueix una important font d'informació consistent en milions de punts geo-referenciats de tot tipus d'objectes que representen no nomes la geometria de la pròpia carretera, sinó també el seu entorn mes immediat. Precisament per la seua capacitat d'incloure en l'analisis tot tipus d'obstacles potencials a la visió, en el present tesis doctoral s'ha analitzat una nova metodologia d'avaluació sistemàtica de visibilitats disponibles en carreteres a partir de visuals traçades directament contra el núvol de punts LIDAR. Per tal motiu s'han definit per primera vegada els conceptes de Prisma Visual (PV) i d'Unitat Prismàtica Rectangular (UPR) com a elements bàsics constitutius d'aquesta nova forma de concebre la visió, alternatius a la tradicional línia recta visual traçada entre l'observador i el objectiu. Durant la investigació s'ha analitzat l'efecte de la densitat del núvol de punts en els resultats i s'ha sotmès aquesta metodologia a comparació amb els resultats de visibilitat obtinguts per tècniques conegudes a partir de models digitals del terreny, models digitals de superfícies i perfils de projecte en dos trams de carretera existents. En general, s'obté una sobreestimació generalitzada i en molts casos significativa de les visibilitats realment disponibles si s'empren metodologies convencionals en comparació amb les obtingudes a partir de la nova metodologia basada en dades LiDAR. El desenvolupament, preparat per a la visualització conjunta de resultats de visuals i núvol de punts en tres dimensions, permet així mateix interpretar el motiu de l'obstrucció a la visió, el que constitueix un avanç posat al servei dels enginyers en l'avaluació de la carretera i en la millora de les seves condicions de visibilitat i de seguretat viària.