Monitorización del movimiento horizontal de la cúspide de una aguja de la Catedral de Burgos mediante un sistema láser combinado con visión artificial

Abstract

La monitorización de estructuras esbeltas singulares puede simplificarse si se controla un parámetro global: el desplazamiento horizontal de la cúspide. Este trabajo presenta y valida un sensor de visión artificial, llamado transductor de desplazamiento mediante láser y vídeo (LVBDT), que combina un emisor láser fijo con una cámara y un panel translúcido en el punto móvil, permitiendo una adquisición continua, robusta y de bajo coste. El sistema se instaló en la aguja sur de la Catedral de Santa María de Burgos para registrar, durante aproximadamente un año, los movimientos horizontales de su cúspide y contrastarlos con sensores convencionales. La configuración consiste en un láser en la base de la aguja y, en la coronación, una cámara orientada a un panel con dos LED de referencia separados una cierta distancia. El procesamiento incluye la binarización de las imágenes, la localización centroides y la aplicación de un factor de escala. La campaña incluyó medidas intermitentes en 2020-2021 y dos episodios meteorológicos representativos. Los resultados muestran que la aguja experimenta oscilaciones diarias predominantemente noroeste- sureste inducidas por temperatura, con amplitudes horizontales de hasta 4 mm. El LVBDT registró con alta sensibilidad los movimientos lentos de baja frecuencia y variaciones nocturnas que el inclinómetro apenas detectó. En cambio, las vibraciones de alta frecuencia y pequeña amplitud asociadas al viento no quedaron representadas en los desplazamientos medidos. Estos resultados confirman el potencial del LVBDT como alternativa eficaz y económica para la monitorización estructural en edificios históricos, especialmente en construcciones donde el acceso, la instalación de equipos pesados o el impacto visual deben minimizarse. Se concluye que el LVBDT es especialmente adecuado para el seguimiento continuo, remoto y preciso de movimientos horizontales cuasiestáticos en torres de valor patrimonial y otras estructuras esbeltas.

Monitoring slender, singular structures can be simplified by tracking a single global parameter: the horizontal displacement of the tip. This paper presents and validates a computer vision sensor, the laser-and-video displacement transducer (LVBDT), which combines a fixed laser emitter with a camera and a translucent panel at the moving point, enabling continuous, robust, and low-cost data acquisition. The system was installed on the south spire of the Cathedral of Santa María de Burgos to record, over approximately one year, the horizontal movements of its tip and compare them with conventional sensors. The setup consists of a laser at the base of the spire and, at the top, a camera aimed at a panel with two reference LEDs separated by a known distance. Processing includes image binarization, centroid localization, and application of a scale factor. The campaign comprised intermittent measurements in 2020-2021 and two representative weather episodes. Results show that the spire undergoes daily oscillations predominantly along a northwest-southeast direction induced by temperature, with horizontal amplitudes up to 4 mm. The LVBDT captured low-frequency, slow movements with high sensitivity and nighttime variations that the inclinometer barely detected. In contrast, high-frequency, small-amplitude vibrations associated with wind were not reflected in the measured displacements. These results confirm the potential of the LVBDT as an effective and cost-efficient alternative for structural monitoring in historic buildings, particularly in structures where access, the installation of heavy equipment, or visual impact must be minimized. We conclude that the LVBDT is particularly well-suited for continuous, remote, and precise monitoring of quasi-static horizontal movements in heritage towers and other slender structures.