Fotogrametría: Ventajas, Desventajas y Ciclos de Desarrollo

Fotogrametría

La fotogrametría es una disciplina basada en la reconstrucción 3D de la realidad a partir de imágenes bidimensionales; es por ello que sus ventajas y desventajas están estrechamente ligadas a las formas de registro (generalmente fotografías aéreas), y a los métodos y equipos de restitución.

Ventajas

• Reducción de costos
• Velocidad de compilación.
• Facilita datos muy valiosos en poco tiempo especialmente en los casos de cambios súbitos, como por ejemplo: durante o después de catástrofes naturales.
• Registro multitemporal
• Flexibilidad

Desventajas

• Visión de la superficie del terreno cuando existe densa cobertura vegetal.
• Ubicación de curvas de nivel sobre superficies planas.
• El lugar debe ser inspeccionado para determinar aquellos elementos que no son visibles en forma satisfactoria
• Siempre es necesario realizar un control de campo.
• La aplicación de la fotogrametría requiere una inversión considerable de equipo y de personal especializado.

Ciclos de desarrollo

• 1850- 1890 Fotogrametría plana
• 1900-1960 fotogrametría analógica
• 1960-2000 fotogrametría analítica
• 1990 fotogrametría digital

División de la fotogrametría

• Fotogrametría analítica: Son los modelos matemáticos utilizados. Evidentemente, fue la primera parte de la fotogrametría en desarrollarse.
• Fotogrametría analógica: Se encarga de aplicar los modelos matemáticos a objetos físicos. Fue la segunda parte en desarrollarse.
• Fotogrametría digital: Con la aparición de los ordenadores, se sustituye la imagen analógica por la imagen digital, del mismo modo que se empiezan a utilizar programas informáticos. En la actualidad la fotogrametría digital convive con la analítica.
• Fotogrametría plana: Ampliación de la idea tradicional de levantamiento Cálculo del centro de proyección por intersección. sobre el tablero. Con las fotos orientadas sobre el tablero se trasfieren las direcciones de los objetos a la hoja del mapa

Accesibilidad: es necesario investigar

El Servicio Aerofotogramétrico (SAF)

es un organismo dependiente de la Fuerza Aérea de Chile, que tiene como misión Satisfacer las necesidades de la percepción remota, aerofotogrametría y técnicas afines. Normar y elaborar la cartografía aeronáutica oficial del Estado y los planos que la complementen. Satisfacer las necesidades nacionales en el área de su competencia, ejecutando trabajos propios de su especialidad, a petición de particulares y de todas aquellas entidades comprendidas en la Ley 18.575, Orgánica Constitucional de Bases Generales de la Administración del Estado. Mantener un archivo de fotografías aéreas, que se encuentren a disposición de todos los usuarios.

Información marginal de la fotografía aérea

• Atímetro
• Fecha de toma del fotograma
• Distancia focal del lente de la cámara
• Hora de toma del fotograma
• Número del fotograma
• Escala del fotograma
• Número de serie del lente de la cámara Nivel

Fundamento de la fotogrametría

El principio en el que se basa la fotogrametría consiste en proyectar en forma ortogonal sobre un plano de referencia, la imagen registrada en una fotografía, la cual ha sido proyectada sobre el negativo mediante la proyección central, que es la usada por las lentes.

• No existe desviación de los rayos de luz que atraviesan los lentes de la cámara.
• La imagen se proyecta sobre una superficie perfectamente plana.
• La relación matemática que relaciona el objeto y su imagen se conoce con el nombre de principio de colinealidad.

GEOMETRÍA DE LA FOTOGRAFÍA AÉREA

• PROYECCIÓN CENTRAL O CÓNICA: característica principal estriba en que todos los rayos pasan por un punto denominado centro de proyección. En la proyección cónica, la condición que se impone a las rectas del haz es que han de pasar por un punto determinado O, llamado centro o polo de la proyección, por lo que el haz constituye una radiación cónica. Cuando en el centro O de la proyección se supone situado el ojo del observador, al punto O se le denomina punto de vista.
• Caracteristicas:

• Todas las líneas provenientes del plano proyectado pasan por un solo punto, denominado centro de proyección.
• Líneas paralelas entre sí en el terreno, son proyectadas como líneas paralelas en el plano de proyección, cuando el eje óptico es perpendicular a las mismas.
• Todos los elementos del terreno que se eleven por encima del plano medio de referencia, aparecen desplazados radialmente y hacia afuera a partir del punto nadiral.

• PROYECCIÓN ORTOGONAL

En esta proyección los diferentes puntos del terreno son proyectados sobre un plano por rayos verticales. Las líneas rectas son proyectadas como tales y conservan su dirección, así como su orientación. Sin embargo, las distancias pueden reducirse en su componente horizontal. Así se forma un plano del objeto. La proyección ortogonal es fundamental para los trabajos fotogramétricos, dado que la imagen se encuentra corregida, generando una ortofoto, donde se podrá obtener información angular y distancias sin deformaciones.

• PROYECCIÓN PARALELA

En esta proyección, se desea trasponer un objeto tridimensional a un dibujo bidimensional en un plano, llamado plano de proyección. Consiste en proyectar puntos del espacio contra el plano de proyección mediante haces de rectas siempre paralelas entre sí.

• Diferencias entre proyección central y ortogonal

Proyección Central: Muestra objetos en 2D con perspectiva y profundidad, como lo vemos en la vida real.

Proyección Ortogonal: Representa objetos en 2D sin perspectiva ni profundidad, con líneas paralelas, como en planos técnicos.

• Diferencias entre cartas y fotografías aéreas

Cartas: Son mapas con información geográfica.

Fotografías Aéreas: Son imágenes reales desde el aire. 

• Problemas fundamentales de la fotogrametría

Dado un haz de rayos perspectivos T y un conjunto de semirrectas SA, SB, SC; desde un punto de vista S, la reconstrucción de los puntos A, B, C…del objeto E solo se puede llevar a cabo geométricamente, conociendo las distancias a estos puntos. Lógicamente, no es el caso de la fotogrametría, ya que no se pueden medir esas distancias, solo se dispone de imágenes. En este caso solo se puede realizar mediante la intersección de rayos homólogos desde otro punto de vista (en este caso, dos fotogramas).

Características de la fotografía aérea

• Construcción      rígida    para       mantener            una        orientación         interna constante.
• Objetivo compuesto por sistemas de lentes de alta calidad, capaces de producir imágenes de precisión óptica.
• Funcionamiento automático y a prueba de fallas para cualquier altura y temperatura.
• De tamaño y peso apropiado, de tal forma que resulte fácil removerla del avión.
• La montadura de la cámara debe asegurarse un funcionamiento libre de vibraciones debe tener una buena estabilidad.

Componentes de las cámaras fotogramétricas aéreas.

• Almacén o magazín:El almacén de la cámara, el cual puede ser cambiado durante el vuelo, alberga los rieles que contienen la película expuesta y sin exponer. La capacidad del almacén es de 120 metros de película, lo que representa una capacidad cercana a las 480 fotografías.
• Cuerpo de la cámara: El cuerpo de la cámara es una carcasa de una sola pieza que usualmente alberga el mecanismo de operación. Este mecanismo provee la fuerza para operar la cámara a través de todo su ciclo, consistiendo el mismo en:

•  Avance de la película.
• Aplanamiento de la película. 3.- Armado del obturador.
• Disparo del obturador

• Ensamble del lente: El ensamble del lente contiene varias partes y realiza varias funciones. Contenidos en el ensamble del lente están los lentes, el filtro, el obturador y el diafragma. En la mayoría de las cámaras el ensamble del lente también contiene un cono interior.

Este cono interior soporta el emsamble del lente y el plano focal en una posición relativa entre ellos fija. Este cono también fija los llamados elementos de orientación interior.

Calibración de cámaras métricas analógicas

• Distancia focal equivalente (DFE) y calibrada(DFC) del objetivo de la cámara.
• Parámetros de distorsión radial y distorsión por descentramiento.
• Coordenadas (x,y) del punto principal y el punto principal de simetría.
• Coordenadas de marcas fiduciales o distancia entre marcas fiduciales opuestas.
• Ángulo de intersección entre las líneas fiduciales.
• Aplanamiento del plano focal.
• Resolución del objetivo
• Punto Nadir (n): Es el punto definido en el negativo por la intersección de la perpendicular al terreno, que pasa por el centro de proyecciones.
• Punto Principal (p): Es el punto que se define en el negativo por la intersección de la perpendicular al plano del negativo que pasa por el centro de proyecciones. Se lo considera también como la proyección ortogonal del centro de proyecciones sobre el plano del negativo.
• Punto Isocentro (i): Es el punto en que la bisectriz del ángulo formado por la perpendicular al plano del negativo y la perpendicular al terreno pasa por el centro de proyecciones e intersecta al plano del negativo.
• Eje Óptico de la Cámara (Pp): Línea imaginaria perpendicular al plano del negativo que pasa por el centro de proyecciones.
• Eje Nadir (Nn): Línea imaginaria perpendicular al plano del terreno que pasa por el centro de proyecciones.
• Inclinación de la Fotografía (t): Ängulo formado por el eje óptico de la cámara y el eje nadir (pon).
• Altura de Vuelo (z): Elevación del centro de proyecciones sobre el terreno o plano de referencia en el momento de la exposición fotográfica.
• Distancia Principal (c): Distancia del centro de proyecciones al plano negativo.
• Plano de Referencia (P.R.): Plano imaginario en el terreno, utilizado para calcular valores absolutos en la fotografía aérea.
• Plano del Negativo (P.N.): Plano real en la cámara fotográfica donde se forma el foco de la imagen. Su recíproco es el plano del positivo, el cual se forma teóricamente opuesto al P.N. a la misma distancia c del centro de proyecciones.
• Centro de Proyecciones (o): Lente de la cámara fotográfica. Se forma en el punto central nodal de la lente o sistema de lentes.
• Punto Principal: El punto principal en una fotografía aérea vertical es aquel en donde se conjugan los puntos nadir, isocentro y el mismo punto principal, el cual, por sus características, resulta ser el único punto ortogonal dentro de la fotografía; ya que corresponde a la definición de la proyección Geométrica ortogonal (punto formado por la proyección de un eje perpendicular al plano).

Tipos de fotografías aéreas

• Fotografías oblicuas: en ellas el eje de la cámara apunta con un cierto ángulo al suelo (mayor a 3°). Se     subdividen      en:      fotografías      aéreas      sin horizonte o fotografías oblicuas bajas cuando la inclinación del eje óptico se sitúa entre 3° y 45° y no se aprecia el horizonte en la imagen; y fotografías aéreas con horizonte o fotografías oblicuas altas, o simplemente panorámicas cuando el ángulo se sitúa en los 45° y los 90° y se puede ver el horizonte y el cielo en la imagen.
• Fotografías verticales: en las cuales las lentes (o el eje) de la cámara apuntan verticalmente hacia la superficie produciendo una visión que se asemeja a un plano del suelo. La fotografía aérea vertical presenta un aspecto similar a los mapas, aunque con muchos más detalles. Normalmente cuando se habla de fotos aéreas se refiere a las fotografías aéreas verticales.

• De acuerdo al valor del campo angular en que se toman las fotografías, estas pueden ser clasificadas en:

• De Angulo pequeño: el ángulo de exposición es menor a 50°. Es utilizado para fines militares.
• De Angulo normal: oscila entre 50° y 75°. Se utiliza en la elaboración de mapas de ciudades en donde se requiere gran precisión planimétrica debido a la relación entre la base aérea y la altura de vuelo.
• Fotografía gran angular: se utiliza en todos los campos de la fotogrametría y la fotointerpretación. La mayoría de los instrumentos fotogramétricos se diseñaron sobre la base de la fotografía, ya que por mucho tiempo no logro superarse un ángulo de exposición mayor a 100° que no produjera distorsiona en la fotografía.
• Fotografía súper gran angular: tiene un campo angular de 120°, su utilización permite cubrir el doble de área de terreno que una fotografía gran angular con una precisión equivalente.

 SEGÚN LA LONGITUD FOCAL ( f )

• CÁMARA DE LONGITUD FOCAL CORTA: Aquella cuya distancia focal ( f ) es de hasta 150 m.m.
• CÁMARA DE LONGITUD FOCAL NORMAL: Aquella cuya distancia focal esta entre 150 m. m. y 300 m. m. Es el tipo de distancia focal utilizada para las cámaras de trabajo en fotogrametría.
• CÁMARA DE LONGITUD FOCAL LARGA: Aquella cuya distancia focal es mayor de 300 m. m. Es el tipo de distancia focal utilizado en trabajos de reconocimiento.
• Según el tipo de película se clasifican en:

• Fotografías en blanco y negro: son aquellas en las que la imagen aparece en blanco, negro, y en distintas tonalidades de grises. Son las más baratas y por lo tanto, las más utilizadas (o al menos han sido las más usadas durante mucho tiempo). Se realizan con películas de grano fino y gran sensibilidad por lo que suelen poseer una alta resolución y en ellas, la identificación de los elementos se realiza en función de su forma, tamaño y color (determinado por los niveles de grises).
• Fotografías en color: permiten ver todos los elementos con colores similares (pero no iguales) a los de la visión humana.

En las imágenes en color, los rojos y los verdes se distinguen fácilmente, mientras que en las fotografías en blanco y negro estos colores tienen el mismo tono de gris.

• Fotografías de infrarrojos: son imágenes que captan las radiaciones de infrarrojo que reflejan algunos objetos. Existen imágenes de infrarrojo en blanco y negro, en donde los objetos con elevada reflectancia al infrarrojo aparecen en tonos claros y los objetos que absorben gran cantidad de longitud de onda infrarroja aparecen en tonos claros; y también imágenes de infrarrojo en color (o en falso color) mucho más comunes, y en donde los objetos rojos aparecen en verde, los verdes (salvo la vegetación) en azul, y la radiación infrarroja (principalmente producida por la vegetación) en rojo.

Usos de los diferentes tipos de fotogrametría

• Espectro electromagnético y visible

La organización de estas bandas de longitudes de onda o frecuencia se denomina espectro electromagnético.Se extiende desde las longitudes de onda más cortas (rayos gamma, rayos X), hasta las kilométricas (telecomunicaciones).Las unidades de medida más comunes se relacionan con la longitud de onda. Para las más cortas se utilizan micrómetros, mientras las más largas se miden en centímetros o metros. Normalmente a estas últimas, denominadas microondas, se las reconoce también por sus valores de frecuencia en Gigahertzios (GHz = 109 Hz).

• Según   la             técnica  empleada            las          fotografías          aéreas   se clasifican en:
• Imágenes estereoscópicas o pares estereoscópicos: son pares de fotografías aéreas que muestran un territorio común, y que a partir de estereoscopios, aparatos que a través de un juego de lentes y espejos muestran el relieve tridimensionalmente.
• Ortofotografías: son imágenes en las cuales se ha transformado la proyección cónica (propia de las fotografías aéreas verticales) y se ha pasado a una proyección ortogonal, mucho más eficaz para el cálculo de distancia y el análisis de grandes superficies, ya que se consigue eliminar todas las distorsiones planimétricas que son causadas por la inclinación de la cámara aérea
• Ortofotomapas: son fotografías aéreas (generalmente ortofotografías) en las cuales se marcan o se resaltan algunos detalles de la imagen como las carreteras, los ferrocarriles, los límites administrativos.
• Visión estereoscópica natural: se basa en la capacidad que tenemos los seres humanos en apreciar el relieve de las cosas. Para ello, cada ojo captura una imagen del mismo objeto y en el cerebro, se unen por un proceso mental produciéndose una única imagen en relieve
• Visión estereoscópica artificial: consiste en una imitación de la natural, en la que el observador no se encuentra frente al objeto y en su lugar, se observan dos imágenes tomadas desde puntos de vista diferentes provocando la visión del relieve

Características de la visión estereoscópica

Se conoce como “estereoscopia” al fenómeno que tiene lugar cuando una persona simultáneamente mira dos imágenes que han sido tomadas de una misma escena desde dos puntos distintos, viendo cada imagen con un ojo, el resultado es la percepción de la tercera dimensión o sea la profundidad.

Cuando se trabaja con visión estereoscopia en fotogrametría, es necesario formar un “par estereoscópico” que conociste en dos fotografías tomadas una después de la otra, las que deben tener un área en común (traslape). Gracias a esta zona en común, es que se podrá generar la visión estereoscópica. Para lograr esta vista en 3D, es necesario contar con un “Estereoscopio” que mediante una serie de espejos, se podrá contar con una visión de profundidad.

Geometría del sistema estereoscópico

Un sistema convencional está caracterizado por un par de cámaras con sus ejes ópticos (ZI y ZD) mutuamente paralelos y separados por una distancia horizontal que se denomina línea base.

Factores que influyen en el modelo

Existen factores que hacen más difícil la obtención de una visión estereoscópica; esos factores pueden originarse durante el vuelo o pueden aparecer si se cometen errores mientras se orienta el modelo.

Los factores originados durante el vuelo son:

• Fotografías con escalas diferentes: se produce cuando la altura de vuelo, considerada sobre el terreno, no se mantiene constante
• Fotografías de zonas muy inclinadas: provocan que los ejes ópticos de la cámara no se mantengan en el mismo plano.
• Fotografías con una deriva excesiva entre ellas.
• Base aérea (B): cuanto mayor sea la distancia entre disparos, mayor será la sensación de profundidad en el modelo estereoscópico.
• Distancia focal del estereoscopio (d): cuanto mayor sea la distancia focal, mayor será la exageración de la escala vertical.
• Altura de vuelo (H): el efecto estereoscópico será menor, cuanto mayor sea la altura de vuelo.
• Base del modelo (b) o distancia interpupilar del observador: aunque pueda parecer extraño, las personas con los ojos más juntos obtienen una mejor visión estereoscópica que aquellos con los ojos más separados.

Paralelaje

La paralaje es el desplazamiento de la posición de un objeto en dos fotografías consecutivas, causado por un cambio en la posición de la cámara al realizar los disparos.

Se puede dividir en dos componentes:

• Paralaje vertical (PY): se anula al orientar correctamente el par estereoscópico.
• Paralaje horizontal (PX): directamente relacionada con la elevación de los objetos.

Las variaciones de paralaje debidas a la elevación, permiten determinar la altura de los objetos mediante las fórmulas de la paralaje.

Causas de error en la paralaje y su corrección

En todos los procesos descritos en este capítulo, se pueden producir, inevitablemente, errores. Es importante ser consciente de ellos y reducir al máximo su magnitud.

Algunas de las fuentes de error son (López Cuervo, 1980):

• Localización y marcado de las líneas de vuelo en las fotografías.
• Incorrecta orientación del modelo: existe una paralaje en Y.
• Medida de la paralaje.
• Medidas de las coordenadas en la fotografía.
• Reducción o exageración de las fotografías.
• Distintas              alturas  de           vuelo     en           las           fotografías          del          par estereoscópico.
• Inclinación de las fotografías.
• Otros errores de menor importancia: distorsiones en las lentes o en el papel fotográfico.

Los errores en altura que aparecen debido a deformaciones en el modelo, pueden subsanarse con el siguiente proceso:

• Se mide, sobre la fotografía, de la paralaje correspondiente a los puntos de cota conocida.
• Se calculan estas paralajes por medio de ecuaciones.
• Se establecen las diferencias de paralaje δP = P calculado – P medido.
• Se construye, en papel transparente, un mapa con las diferencias de paralaje (δP) de los puntos de apoyo y se interpolan unas curvas de igual corrección de paralaje.
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