Galerias Romanas de Lisboa - Albatroz Engenharia

Um pouco de história ...

As galerias encontradas debaixo da Rua da Prata, no centro de Lisboa, são estimadas de ter sido construídas no século 1 AC, durante o auge do Império Romano. Os romanos tinham ocupado a costa occidental da Península Ibérica desde o século 2 AC, conquistando Olissipo (Lisboa) durante as campanhas da Primeira Guerra Púnica. Antes da conquista dos romanos, o porto no estuário do Tejo era já um importante porto comercial onde os Cartagineses realizavam trocas comerciais com a população local de origens célticas, comercializando metais e produtos agrícolas para os produtos manufaturados. Os romanos começaram a fortificação do oppidum em Olissipo no final do século 2 AC. Entre 40 e 30 AC Olissipo foi concedido o estatuto de Municipium civium Romanorum que conferiu a cidadania romana a todos os homens livres nascidos. Um tempo de paz e prosperidade significativa durou até o século 3 DC. Durante o início do Império Romano, os municípios afirmaram-se, erigindo estruturas para funções públicas (fóruns, teatros, mercados e templos): em Olissipo, vestígios destes edifícios ainda podem ser encontrados hoje. Um exemplo são as ruínas do Teatro Romano localizados na mesma colina como o castelo que tem vista para a Lisboa de hoje. Naqueles dias, a maioria da vida pública ocorria junto ao rio. De acordo com especialistas, as galerias debaixo da Rua da Prata foram construídas para estabilizar estruturalmente o solo perto das margens do rio, que normalmente é muito húmido, devido ao fluxo de água subterrânea para rio das colinas circundantes.

A construção subterrânea do criptopórtico foi necessário para fornecer uma base sólida para a construção de edifícios importantes neste local. Os recursos consideráveis necessários para construir este criptopórtico subterrâneo sugerem que os edifícios que suporta, são de grande importância, tais como o fórum de Lisboa ou edifícios dedicados a atividades comerciais e portuárias. As galerias consistem em corredores paralelos 3 m de altura por 2 a 3 m de largura. Os corredores têm paredes verticais e tetos circulares. Os principais corredores são interseptados perpendicularmente por corredores estreitos. Algumas galerias têm uma altura máxima entre 1,2 e 1,5 m. Algumas galerias proporcionam o acesso a pequenas e estreitas câmaras, que poderiam ter sido usados como áreas de armazenamento. A designação "cryptoporticus" refere-se à natureza escondida desta construção que foi utilizada como base para as construções de terra.

Ao longo dos séculos, as estruturas romanas na superfície desmoronaram ou foram substituídos por novos edifícios. No entanto, os edifícios mais recentes foram continuamente construídos sobre as fundações romanas pré-existentes. Os habitantes locais aproveitaram-se das águas subterrâneas coletadas nas galerias, fazendo furos acima das galerias (veja chaminé no lado direito da imagem acima). Um desses poços veio a ser conhecido como o "Poço das Águas Santas", localizado na esquina da Rua da Prata e Rua de São Julião. A área que abrange as galerias (hoje baixa de Lisboa) foi completamente destruída no terremoto de 1755. Marquês de Pombal (primeiro-ministro) e Manual da Maia (arquiteto) foram responsáveis pela reconstrução de toda a cidade, criando na baixa de Lisboa, o bairro tipo grelha, conhecido hoje como a "Baixa Pombalina". As galerias romanas foram redescobertas durante a reconstrução da área da baixa da cidade. Embora a maioria dos edifícios na "Baixa Pombalina" (baixa) são suportadas por estacas de pinho submersos no solo macio e molhado para dar estabilidade estrutural, os edifícios construídos em cima das galerias são suportados pelo criptopórtico romano pré-existente, que sobreviveu ao terramoto incólume. Uma pedra inscrita foi encontrado durante o início das investigações arqueológicas das galerias dedicadas a Esculápio, o deus romano da cura. A pedra de inscrita e as águas cristalinas encontrados no local, levou à hipótese de que as galerias podem ter sido usadas como um spa água quente. Hoje, essa hipótese parece completamente infundada. Em meados do século 19, um projeto de caleira e esgoto foi iniciado para recolher toda a água que atravessa a "Baixa Pombalina". Em 1859, um levantamento topográfico das galerias romanas foi concluída como parte deste projeto. Infelizmente, as caleiras intersectam as galerias ao longo das estradas Rua da Prata e Rua da Conceição, fazendo com que grande parte das galerias inacessíveis, visto que a localização dos acessos de entrada de a superfície ter sido perdida, com a exceção de dois ponto de entrada.

As galerias de hoje...

As galerias continuam a acumular águas subterrâneas devido a uma longa racha ao longo do chão da galeria designado como "A Galeria das Nascentes". Como resultado, o cryptoporticus é sempre parcialmente submersa. Vários anos atrás, o Museu da Cidade, museu responsável pelo monumento sob a direção da Câmara Municipal de Lisboa, decidiu permitir visitas ao monumento, mas apenas por alguns dias no ano. O acesso do público só é possível após bombear toda a água acumulada ao longo de todo o ano e a instalação das luzes. Bombas de água continuam o trabalho até que o monumento esteja novamente fechado ao público devido à significativa taxa de infiltração de água. O acesso do público é concedido por apenas 2 a 3 dias por ano, atraindo grandes multidões que esperam pacientemente na fila por mais de uma hora para visitar as galerias. O acesso às galerias encontra-se em uma localização muito precária, no meio da estrada (Rua da Conceição) ao lado dos carris do elétrico como é mostrado na imagem ao lado. Visto que os carris do elétrico não pode alterar o seu trajeto, os visitantes devem entrar e sair das galerias com extrema cautela.

A proposta para a reconstrução 3D

Albatroz Engenharia propôs reconstruir um modelo 3D das Galerias Romanas para "Museu da Cidade". Desta forma, não só os arqueólogos possuem um modelo exato das galerias, mas as pessoas seriam capazes de explorar as galerias, que são difíceis de visitar in situ, em um ambiente virtual.

A reconstrução envolveu o uso de um scanner a laser que mede as distâncias para os objectos na períferia do laser.

A aquisição de dados necessitou a instalação de uma estrutura de apoio para que o laser pudesse atravessar toda a extensão das galerias. Uma vez que o equipamento utilizado foi projetado para operar em ambientes hostis e é seguro para a vista, o transporte de equipamentos, a instalação e aquisição de dados foram concluídas, enquanto as galerias estavam sendo preparados para o acesso do público.

A área acessível para as galerias romanas é composta por seis galerias de diferentes comprimentos entre 12 m e 24 m e várias câmaras menores.

O que é um scanner laser?

Um scanner a laser é um sensor de varredura composto por três partes:

Emissor: Uma fonte de luz visível ou invisível. O emissor cria um raio de luz concentrado.
Receptor: Componente que detecta parte do raio de luz que é reflectida depois de entrar em contato com um alvo. A quantidade de luz reflectida é dependente da cor e da natureza do alvo.
Varrer (scan): O sistema mecânico que gira o raio de luz ao longo de um arco de um círculo com um sofisticado sistema de espelhos.

A reconstrução virtual proposta pela Albatroz Engenharia baseia-se num modelo tridimensional criado a partir de nuvens de coordenadas individuais (xi, yi, zi). Estes tipos de modelos podem ser observados, rodados, navegados e manipulados em três dimensões.

Superfícies polígonais podem ser usados para unir as coordenadas tridimensionais gerando assim pisos sólidos, paredes e tetos.

À direita há uma foto, tirada in situ, de uma seção da entrada da galeria, a nuvem de pontos correspondente a essa seção da entrada da galeria e, finalmente, uma imagem das superfícies geradas a partir da nuvem de pontos. De interesse é a área cheia de água no chão e as duas lajes apoiadas na parede galeria à direita.

O número de pontos necessários para construir o modelo de superfície pode ser significativamente reduzido, especialmente nos casos em que as superfícies são muito regular e quase planas. Assim, a representação das galerias pode ser simplificada utilizando superfícies maiores que aliviam a carga computacional gráfica sem sacrificar a geometria geral do modelo. Como exemplo, comparar o modelo da entrada de galeria utilizando 155.662 pontos com o modelo de superfície utilizando apenas 8474 pontos (ou, aproximadamente, 5%).

Fundamentos da geração de modelos 3D

A construção do modelo 3D é baseado em subsequentes varrimentos de laser 2D ao longo de cada uma das galerias. A animação na figura à direita ilustra o processo. Do lado esquerdo, mostra o laser quando ele atravessa as galerias e à direita, os dados brutos de laser.

Para criar o modelo 3D, ou o laser é movido dentro de um ambiente específico (tal como uma galeria), ou o cenário é movido enquanto o laser é mantida numa posição fixa.¹ Visto que, os locais arqueológicos têm dimensões de várias ordens de magnitude maior do que o laser, é muito mais fácil mover o laser através do local. Uma das maneiras mais fáceis e de baixo custo para atravessar o sensor laser através do local é usar uma plataforma móvel autónoma ou semi-autónoma. A chave para um modelo bem sucedido é registar e sincronizar a posição do sensor ao longo do tempo na estrutura de referência do plano de varrimento. A imagem à direita ilustra como um sensor de laser recolhe os dados como ele se move ao longo da mesma seção da galeria. O laser executa um varrimento de 360º, representado a vermelho, a quando da passagem pela galeria ao longo do seu eixo maior. Com cada varrimento, nas medidas de laser entre 500 e 1500, cada ponto é representado pela distância do laser para o obstáculo mais próximo, em todas as direcção. O laser foi localizado aproximadamente no centro da galeria, cerca de 0,7 m acima do solo. Para efeito de comparação, a principal galeria (entrada na galeria) é de cerca de 2,3 m de altura, enquanto a galeria perpendicular à esquerda é de aproximadamente 1,4 m de altura. O laser mede o espaço volumétrico livre circundante enquanto o usuário "vê" as superfícies que limita este espaço livre. A análise da animação revela que o espaço livre na galeria aumenta à medida que o sensor se aproxima de uma galeria de intersecção ou uma "chaminé" que é realmente um velho poço bem dentro de um edifício na Rua da Conceição. Além disso, luminárias foram detectadas no lado direito da galeria pela mudança abrupta na curvatura suave do teto. Um dos inconvenientes de recolha de dados desta maneira é a oclusão de todas as superfícies que estão por trás de outros objectos presentes no local. Este fenómeno pode ser observado nas sombras presentes na figura à direita.

A estrutura experimental utilizado para a aquisição de dados está ilustrada na figura à direita. Um pequeno carrinho que transporta sensores, baterias, e um computador, desliza ao longo de um monocarril rectangular de alumínio. O computador regista e fornece feedback de aquisição de dados e imagem em tempo real.

Os dados são adquiridos, gravados e visualizados em tempo real. A GUI permite a visualização de uma reconstrução parcial 3D de várias galerias diferentes, conforme ilustrado na figura do lado direito.

¹ Existem aplicações de reconstrução de laser, onde o laser permanece fixo e é o alvo que se move. Por exemplo, girando uma pequena estátua no campo de visão do laser.

Como é que um scanner a laser funciona?

O scanner a laser mede as distâncias com base em um princípio chamado "tempo de voo":

O emissor envia um pulso de luz.
O alvo reflecte uma fracção da luz incidente, dependendo da cor, textura, e do ângulo de incidência. O resto da luz é absorvida ou dispersa em torno do ponto de incidência.
O receptor detecta a luz reflectida e calcula a distância ao objecto, dividindo o tempo de voo pela velocidade da luz.
O sistema de varrimento vai girando, a fim de apontar o raio para um local diferente muito perto do ponto anterior de incidência, reiniciando todo o processo.

Modelos Parciais 3D

Uma vez que os varrimentos 2D de todo o local tenham sido adquiridos, tal como ilustrado nas figuras anteriores, os dados devem ser organizados de modo a que o modelo 3D possa ser gerado. A organização dos dados requer medições da mudança de posição do sensor laser à medida que atravessa o local. Esses dados são adquiridos por meio de sensores auxiliares. Para minimizar os erros de medição, o laser deve ser movimentado ao longo de caminhos retilíneos. Se necessário, como no caso de galerias romanas, a reconstrução requereu sobrepor vários caminhos perpendiculares rectilíneos. Outros caminhos podem ser mais adequadas para o site que está sendo reconstruída. No entanto, os erros de posição associados, terá uma tendência para aumentar.

O modelo 3D de uma secção da entrada da galeria é mostrada na figura à direita.

Nota:

A resolução longitudinal, ou a distância entre passagens sucessivas, pode variar de acordo com os objectivos de reconstrução e natureza do local. A distância entre as passagens sucessivas é dependente da velocidade de movimento da plataforma. Neste caso, a distância entre os exames sucessivos era cerca de 5 cm e é visível na figura anterior.
A resolução dos varrimentos, ou distância entre pontos adjacentes na mesma passagem, é uma característica intrínseca do sensor utilizado. Ou seja, a resolução de varrimento varia com os tipos e marcas de sensores de laser. Em cada passagem, o raio de luz traça um plano circular em que os pulsos de luz são igualmente espaçados. A distância entre cada ponto adjacente varia linearmente com as dimensões do local. No caso das galerias, essa distância é de cerca de 1 cm. Nessa resolução, os pontos parecem quase tocar-se.
Os pontos de distribuição no espaço 3D é heterogéneo e a densidade de pontos é dependente do eixo do movimento.
Apenas quando as distâncias para a superfície aumentam e a superfície não é perpendicular ao feixe de laser, os varrimentos são descontínuos. Isto pode ser visto com o "chaminé" na figura.
A falta sistemática de pontos no centro da galeria corresponde ao monocarril.
Os relevos em pedra são visíveis no interior da galeria.
As áreas do solo não cobertas pela pedra, mas pela água não são detectados. Tendo em conta a profundidade da água sobre o solo, a luz quase inteiramente absorvida, reflete um sinal muito fraco para o laser poder fazer uma medição nessas instruções específicas.

Este modelo 3D pode ser representado e explorado em 3D usando ferramentas de software apropriadas. Uma forma de visualizar o espaço é através de VRML - Virtual Reality Modeling Language. Um exemplo é apresentado em baixo.

O modelo que se segue foi construído a partir dos dados recolhidos após o número de pontos ter sido reduzido e as superficies geradas que ligaram os vértices adjacentes.

Este modelo de superfície, ilustra claramente as diferenças entre a realidade projectada e a realidade reconstruída. Enquanto os modelos projetados são formadas por superfícies regulares com bordas retangulares e superfícies planas, o modelo reconstruído incorpora todas as pequenas irregularidades da superfície da galeria (também devido, em uma parte muito pequena, a erros de medição), fornecendo um modelo mais preciso do local.

Os dados apresentados no VRML pode ser importado para o software de design de computador (CAD) para a manipulação, análise e otimização por arquitetos, engenheiros civis e arqueólogos. Com software especializado, modelos arquitetônicos precisos podem ser criados combinando edifícios já existentes com virtual, para-serem-construídos, elementos ou mesmo estruturas que existiam no passado e há muito tinham desaparecido.

Caraterização de um scanner a laser

Um sensor laser de varrimento é caraterizado por seis parâmetros principais que determinam as aplicações para as quais é adequado.
Os três primeiros parâmetros dizem respeito ao desempenho interno enquanto os últimos três parâmetros caracterizam o ambiente no qual o sensor funciona.

"Range" (Alcance)

Range é a distância máxima a partir do laser que um objecto pode ser detectado. A maioria dos lasers também têm uma distância minima de medição.

"Field of View" (FOV)

O (FOV) determina a extensão angular do feixe de luz. A Albatroz Engenharia possui um laser com um FOV de 360º e um com um FOV de 60º mas de significativamente maior resolução para tarefas que exigem uma maior precisão.

"Acquisition Rate" (A taxa de aquisição)

A taxa de aquisição refere-se ao número de medições realizadas em um intervalo de tempo específico. Essa característica é fundamental na determinação de qual o laser mais adequado para cada aplicação. Por exemplo, um modelo 3D de uma estátua pode ser feita com um laser com uma baixa taxa de aquisição. No entanto, detectar veículos em uma portagem, requer um laser com uma elevada taxa de aquisição.

"Class" (Classe)

A classe determina o risco inerente de exposição ao feixe de laser. Todos os lasers utilizados pela Albatroz Engenharia são de classe 1 sendo seguros para a vista daqueles que se encontram na sua periferia. Lasers classe 1 são usados em CD / DVD. Em adição à força do feixe limitado, os lasers utilizados têm espelhos ou cabeças rotativos internos que mudam a direcção do feixe de laser muito rapidamente, reduzindo a radiação acumulada em cada ponto iluminado.

"IP (Ingress Protection) Index"

O Índice de IP fornece uma medida de proteção contra condições ambientais adversas. Meios de protecção externos nunca devem ser usados por cima dos espelhos do sensor pois estes podem impeder a eficácia da medição.

Dimensões, Massa e Energia

Dimensões físicas, massa e requisitos de energia definem a adequação do laser para diferentes aplicações. Um scanner de laser é um dispositivo relativamente pesado com uma massa que varia entre de 5 kg a 50 kg, enquanto uma câmara de vídeo tem uma massa de cerca de 0,5 kg. Os requisitos de energia são também importantes. Um scanner a laser típico requer uma potência entre 25 W e 250 W. Para efeito de comparação, uma câmera de vídeo requer menos de 5 W.

Modelo 3D integrado

A fim de integrar todas as partes (galeria) do modelo, todos os dados em em coordenadas locais (xi, yi, zi) devem ser convertidos para um quadro geral comum de referência da galeria. Nas galerias romanas, nove conjuntos de dados foram recollhidos das seis galerias.

A integração de dados requer uma análise cuidadosa de sobreposição de dados correspondentes às mesmas seções das galerias adquiridos durante diferentes procedimentos de aquisição de dados. A figura à direita, mostra a sequência de aquisição de dados começando com a galeria de entrada. No modelo final (planta), as galerias 5 e 6 não foram incluídos devido à humidade relativa do ar muito próxima da saturação e da presença de equipamentos de bombeamento de água. Estes dois factores não permitiu um modelo destas galerias de qualidade suficiente para ser incluído no modelo geral.

Um método alternativo de visualização é criar nuvens de pontos animados, observados a partir de diferentes pontos de vista, como ilustrado nos videos em baixo.

Estes modelos podem ser mais enriquecidos "colorindo" cada ponto da nuvem de pontos de acordo com as diferentes propriedades de seus objetos associados em redor do sensor. Por exemplo: o nível de refletividade (quantidade de energia refletida após feixe de luz encontrar um objeto.), Temperatura de irradiação de superfícies no local ou mesmo apenas com cores visíveis ao olho humano. É também possível para criar efeitos de luz, que tornam o modelo mais realista.
Finalmente, uma animação é fornecida de um modelo de integração de quatro das seis galerias. Como mencionado anteriormente, galerias 5 e 6 não foram incluídas no modelo devido a condições adversas encontradas nessas câmaras durante a aquisição. Além das galerias 5 e 6, o modelo integrado também carece:

Uma câmara no lado sul da galeria 1 (galeria de entrada)
Uma pequena câmara no lado norte da galeria 3 (paralela à galeria 1 - "Galeria das Nascentes")
Tanque localizado entre as galerias 5 e 6

Outras aplicações

A nuvem de pontos pode ser usada para mais do que simplesmente a visualização de dados, já que cada ponto é referenciado no espaço 3D. Assim, a nuvem de pontos, pode ser utilizada para calcular comprimentos, áreas e volumes.
Um scanner de laser pode ser usado em pedreiras, estacas mineiras, aterros e outras estruturas de grande escala e áreas, para determiner os volumes ou volumes que foram removidos.
Um scanner a laser também pode medir distâncias de segurança e áreas em projetos de construção para controle de qualidade.

No início de escavações, um scanner a laser pode ser utilizada para gerar rapidamente um modelo 3D no local (solo, vegetação e estruturas adjacentes), de modo que os arqueólogos podem estimar os caminhos dos locais e as instalações de apoio. Durante a escavação, um modelo rápido é útil para avaliar o progresso e geometria geral da escavação. Depois de concluído, modelos 3D de artefatos e ruínas, combinadas com imagens e vídeo podem criar um deslumbrante conteúdo multimédia que ajudam a divulgar o local.

Na arquitetura de reconstrução, as estruturas existentes podem ser modeladas e agem como o ponto de partida para o projeto. Os elementos arquitetônicos podem ser sobrepostos ou removidos facilmente, se for requerido.

Albatroz Engenharia – Old

As Galerias Romanas de Lisboa

Reconstrução tridimensional de um criptopórtico do primeiro século

Rua da Prata, Lisboa, Portugal

27 de setembro de 2007

Em colaboração com: