An optical laser device for mapping 3D geometry of underwater karst structures: first tests in the Ox Bel’Ha system, Yucatan, Mexico

In the course of extended hydrological studies in the coastal Karst plain of Yucatan, near the town of Tulum amongst others, a novel laser scanning device was developed and applied for the acquisition of the 3d-geometry of ground water conduits. The method is derived from similar industrial systems and for the first time adapted to the specific measurement conditions in underwater cave systems. The device projects a laser line over the whole perimeter at a certain position. This line represents the intersection of a plane with the cave walls. The line is imaged with a wide angle camera system. Through proper design and calibration of the device it is possible to derive the true scale geometry of the perimeter via special image processing techniques. By acquiring regularly spaced images it is possible to reconstruct the true scale and 3 d-shape of a tunnel through the incorporation of location and attitude data. In a first test in the Ox Bel Ha under-water cave system, about 800 metres of tunnels have been scanned down to water depths of 20 metres. The raw data is further interpolated using the ODSIM-algorithm in order to delineate the 3D geometry of the cave system. The method provides easy, operable acquisition of the 3-D geometry of caves in clear water with superior resolution and speed and significantly facilitates the measurement in underwater tunnels as well as in dry tunnels. The data gathered represents crucial input to the study of the state, dynamics and genesis of the complex karst water regime., Durante el transcurso de intensivos estudios hidrológicos realizados en la llanura costera kárstica de Yucatán, cerca de la ciudad de Tulum entre otras, se desarrolló un novedoso dispositivo de escaneo láser, que se aplicó a la adquisición de la geometría 3D de conductos de agua subterránea. El método se deriva de sistemas industriales similares y que ha sido adaptado por primera vez a las condiciones de medición específicas de los sistemas de cuevas submarinas. El dispositivo proyecta una línea láser sobre todo el perímetro en una localización dada. Esta línea representa la intersección de un plano con las paredes de las cuevas. La línea es fotografiada con un sistema de cámara de gran angular. A través de un apropiado diseño y calibración del dispositivo es posible obtener la geometría verdadera del perímetro a través de técnicas especiales de procesamiento de imágenes. De este modo, adquiriendo regularmente imágenes a intervalos espaciados es posible reconstruir la escala verdadera y la forma 3D de un túnel con la incorporación de los datos de posición e inclinación. En una primera prueba en el sistema de la cueva submarina Ox Bel Ha, se escanearon alrededor de 800 metros de túneles hasta profundidades, bajo el agua, de 20 metros. Los datos en bruto son interpolados utilizando el algoritmo de ODSIM para delinear la geometría 3D del sistema de cuevas. El método proporciona una adquisición sencilla y operativa de la geometría tridimensional de cuevas submarinas con aguas claras, con muy buenas resolución y velocidad lo que facilita la medición en conductos submarinos así como en túneles subaéreos. Los datos recogidos representan una información fundamental para el estudio del estado, dinámica y génesis del complejo régimen del agua kárstica.