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04 marzo 2009

Escáneres, huellas y dinosaurios

En este artículo se da a conocer el hallazgo y análisis de una serie de huellas humanas de 1.5 millones de años de antigüedad:
Matthew R. Bennett et al., 2009, Early Hominin Foot Morphology Based on 1.5-Million-Year-Old Footprints from Ileret, Kenya. Science, 323(5918): 1197-1201.
En este otro se estima el volumen corporal y masa de unos dinosaurios:
Karl T. Bates et al., 2009, Estimating Mass Properties of Dinosaurs Using Laser Imaging and 3D Computer Modelling. PLoS ONE 4(2): e4532.
¿Qué tiene en común estos dos artículos? La respuesta es que ambos han usado una herramienta de medida relativamente nueva: el escáner láser. En el primer caso usaron un Konica Minolta VI900, montado horizontalmente sobre un armazón a unos 60 cm sobre las huellas. Cada huella fue representada mediante unos 300000 puntos superpuestos a fotografías digitales (Nikon D200) que fueron corregidas geométricamente.

Modelos digitales de las huellas localizadas en Kenia, a orillas del lago Turkana (figura disponible como Supporting online material del artículo)

En el otro artículo se usó un escáner láser Riegl LMS-Z420i para tomar medidas de los esqueletos de cinco grandes dinosaurios (entre ellos un par de tiranosaurios), con la diferencia de que, en este caso, la forma compleja obligó a usar tomas desde diversos puntos de vista y unirlas para forma un modelo tridimensional único.


Reconstrucción de un tiranosaurio a partir de un esqueleto modelado con un escáner láser (figura del trabajo original).

¿Cómo funcionan estos aparatos? Como todas las buenas ideas, el principio es muy simple: se lanza un rayo láser contra el objeto y se recibe el "eco" o reflejo. Según la distancia al objeto y la forma de operar hay dos tipos básicos de escáneres láser. El primero se usa para objetos cercanos (menos de un par de metros) y funciona por triangulación: el emisor de luz, el punto de "impacto" sobre la superficie del objeto y el sensor receptor forman un triángulo en el cual el primer y último componente están perfectamente localizados. Un poco de cálculo trigonométrico y se estima la distancia al objeto con una incertidumbre de una décima de mm más o menos. Lógicamente, o el objeto o el rayo de luz o ambos se mueven para cubrir toda la superficie desde diversos ángulos.
Cuando el objeto es lejano se usan escáneres que miden el tiempo entre la emisión y la recepción de la luz. La incertidumbre es mayor pero las distancias pueden llegar al centenar de m. Una incertidumbre típica es de ±2 mm a 25 m. Algunos modelos más sofisticados aprovechan que el láser es luz coherente y usan la fase para aumentar precisión y exactitud. Como en el caso anterior, los pulsos láser barren el objeto para cubrir toda la superficie. Salvo que se trate de objetos más o menos planos (fachadas, por ejemplo) es habitual realizar varias tomas moviendo el escáner de lugar. El procesado final consiste en unir las nubes de puntos en una sola, eliminar los errores groseros por métodos estadísticos y restaurar la forma aproximada del objeto en tres dimensiones superponiendo fotografías digitales para asignarle textura. Un escáner de este tipo puede tomar de 2 a 3 millones de puntos.en 30 segundos cubriendo un campo de vista casi esférico.
¿Por qué les cuento esto? Bueno, aparte de que creo que son instrumentos interesantes y de que los artículos son bastante llamativos, es que hemos comprado uno recientemente (tan recientemente que está empaquetado aún). Mi intención es convencer a los grupos de investigación de mi universidad de que lo usen aunque no sea para fines tan exóticos como los de los artículos mencionados arriba. Fachadas de edificios históricos, conducciones romanas (acaba de escanearse parte de la Gran Muralla china), excavaciones arqueológicas, procesos geomorfológicos... a ver para qué nos da la imaginación ¿alguna idea o propuesta interesante?

Modelo de la Gran Muralla realizado mediante escáner láser aerotransportado y vista en colores reales de la zona

Actualización: en Mundo Neandertal, Martín Cagliani nos cuenta algo más sobre las huellas de Kenia: 1 y 2.

19 febrero 2009

Los sólidos polos de la Luna

Un altímetro láser emite un pulso de luz y mide el tiempo que tarda en recibir el reflejo. Con eso es posible medir la distancia entre el altímetro y el suelo. Este es el sencillo principio en el que se basan los radares, sonares y sistemas dedicados a medir distancias: pulso ... eco. Cuando se hace repetidamente desde un avión o un satélite acabamos obteniendo un conjunto de datos en tres dimensiones que forman un modelo de la superficie. Esa superficie puede estar en la Tierra o en cualquier otro sitio.
Lo que les comento hoy es que se ha publicado muy recientemente una nueva topografía de la Luna construida mediante un instrumento llamado LALT (Laser Altimeter, no han sido muy creativos) transportado por un satélite de la Japan Aerospace Exploration Agency. En 20 kg de peso se integra un sistema de medida basado en un láser infrarrojo (1064 nm) que permite obtener las elevaciones de la superficie con una exactitud de unos 5 m. Todo esto se realiza desde unos 150 km de altitud y de forma relativamente lenta: una medida por segundo.
Acudiendo a la página web original podemos descargar los datos de elevaciones como ficheros de texto (tres columnas con las coordenadas) y procesarlos con las herramientas adecuadas. Abajo les incluyo dos figuras que ilustran bien esta cuestión: el Polo Norte y el Polo Sur lunares, generados a partir de los datos de puntos de la página japonesa y un poco de trabajo con un sistemas de información geográfica. Cada uno de ellos tiene como origen unos 647000 puntos.

El Polo Norte lunar está en el centro de la imagen, que muestra las zonas con latitudes superiores a los 85º N (proyección polar estereográfica).

El Polo Sur lunar está en el centro de la imagen, que muestra las zonas con latitudes superiores a los 85º S (proyección polar estereográfica).

Enlazando con uno de nuestros temas favoritos, estos datos revelan un resultado inesperado que no hará cambiar la ciencia: la Luna no tiene agujeros en los Polos. Mal que les pese a algunos. Aunque siempre queda la socorrida huída hacia adelante: los japoneses han falsificado la información, lo mismo que hace la NASA. Esta actitud tiene su lado bueno y su lado malo. El bueno es que se puede seguir impermeable a la información sin más esfuerzo que negarse a aceptar que dos más dos son cuatro (hay gente a la que le cuesta poco este ejercicio de voluntad). El malo que hay que añadir otra agencia y varios cientos de personas más a la conspiración mundial.
El artículo en el que se han publicado los resultados es el siguiente:
H. Araki et al., Lunar Global Shape and Polar Topography Derived from Kaguya-LALT Laser Altimetry, Science, 323(5916): 897-900, 2009.
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