Tecnología de Sensores y Cámaras en Fotogrametría Moderna

Sensores y Cámaras en Fotogrametría

El objetivo principal de la fotogrametría es reconstruir a partir de las imágenes. Esa restitución es el proceso inverso al de la formación de la imagen. Si en el momento de la toma la información “fluía” del objeto a la imagen, en la restitución la información está en la imagen y nos dará como resultado la representación del objeto.

Por tanto, la información que se debe tener del momento de la toma es importantísima:

• 1. Información acerca de las características geométricas de la cámara.
• 2. Información sobre la posición y orientación de la misma en el espacio.

Las cámaras incorporarán dispositivos que permitirán conocer directa o indirectamente esta información.

Antecedentes y Conceptos Fundamentales

Haz Perspectivo

Conjunto de semirrectas que van desde un punto denominado punto de vista, a cada uno de los puntos de la superficie (objeto tridimensional). Cada semirrecta se denomina rayo perspectivo.

Fotografía

Registro de un haz perspectivo. La información sobre las características geométricas de la cámara va encaminada a la reconstrucción de la forma del haz perspectivo.

Elementos de la Toma Fotográfica

• Toma: Mediante una cámara fotográfica se registra el objeto.
• Objetivo fotográfico: Está definido por un conjunto de lentes que forman un sistema óptico centrado.
• Plano focal: Plano donde se materializa la imagen.
• Eje óptico: Perpendicular al plano focal por el punto de vista.
• Punto principal: Intersección del eje óptico con el plano focal.
• Distancia focal: Distancia del punto de vista al punto principal.
• Función de distorsión: Los rayos entran por la pupila de entrada (PE) y salen por la pupila de salida (PS), generándose un haz de entrada y un haz de salida, que son diferentes debido a las aberraciones de distorsión del objetivo de la cámara. La función de distorsión es la ecuación que relaciona los ángulos de entrada y los ángulos de salida.
• Datos internos: Posición del punto principal, distancia focal calibrada y función de distorsión.

Clasificación de las Cámaras

Según la Fuente de Energía Registrada

• Pasivos: Son aquellos que recogen la luz solar reflejada por los objetos. Son las cámaras fotográficas y algunos sistemas espaciales.
• Activos: Generan energía que emiten hacia el objeto, y este la refleja a los sensores de dicho sistema. Son el radar, LiDAR, etc.

Según la Geometría de la Imagen

• Métricas: Se conocen con precisión los datos internos. Se utilizan en fotogrametría; para ello se cuenta con el certificado de calibración.
• Semimétricas: Se añaden una serie de señales (malla “reseau”) que permiten llegar a su conocimiento. Utilizadas en fotogrametría.
• No métricas: No se conocen los datos internos. Utilizadas en fotointerpretación.

Cámaras Aéreas

• De banda continua: Se obtiene una fotografía continua sobre el eje de vuelo. La película avanza continuamente (sin obturador) a la velocidad aparente (velocidad del avión a escala). No se conocen los datos internos para poder reconstruir el haz perspectivo.
• Panorámica: El objetivo gira para obtener un barrido perpendicular a la dirección del vuelo. El ángulo de campo total de la cámara es de unos 140º. La escala en el centro y los lados tienen una relación 1‐3. Posee un plano focal curvo.
• Multibanda: Se compone de varias cámaras provistas con diferentes películas y filtros en un mismo cuerpo. Cada una de ellas registra una porción diferente del espectro. Cuentan además con apertura sincrónica.
• De serie: Mantiene la película plana e impresiona toda la imagen simultáneamente. Es la más ampliamente utilizada en fotogrametría.
• Sensores digitales: La principal característica es que la imagen se registra digitalmente. La cámara aérea digital ha sustituido ya definitivamente a la anterior analógica.

Cámaras Terrestres y Componentes

Cámara Métrica de Serie Analógica

• Cono interior: 1. Objetivo, 2. Diafragma (cantidad de luz), 3. Obturador (tiempo en el que entra luz), 4. Filtros.
• Plano focal: Marcas fiduciales, punto principal, distancia focal.
• Cuerpo: Unión entre los elementos anteriores.
• Almacén: Mecanismo compensador del movimiento de imagen y sistema de planeidad.
• Accesorios: Montura y unidad de control.

Escáner Fotogramétrico

Fundamento: Digitalización de fotografías obtenidas convencionalmente. Es un dispositivo que convierte en digital un documento analógico.

Clasificación

• Escáner de artes gráficas: Poca precisión y resolución geométrica.
• Escáner fotogramétrico: Gran precisión y resolución geométrica. Puede ser plano (portaplacas, sensor lineal o matricial) o de tambor (rodillo giratorio, sensor puntual).

Componentes

• Sistema de iluminación: Lámpara halógena o fluorescente estable. Incluye los filtros para el escaneo de película a color.
• Portaplacas: Plano donde se fija el fotograma. Precisión de 2‐3 µm. Escaneo por bandas del tamaño del sensor lineal.
• Sensor: Mide la densidad de la película. Suele ser CCD.
• Electrónica del escáner: Consta de un conversor A/D, control del sensor, control del portaplacas, memoria e interfaz de salida.
• Ordenador: Incluye la interfaz gráfica de comunicación con el usuario y el driver del escáner.

Características del Escáner

• Resolución geométrica: Es el tamaño del píxel. Se consideran varios tipos:
  • Píxel del sensor: Cada uno de los elementos del sensor.
  • Píxel del escáner: Área proyectada sobre la emulsión del píxel del sensor.
  • Píxel refinado: Resultado de un postproceso mediante software.
  • Píxel fotográfico: Se refiere a la resolución de la película (líneas par por mm).
• Precisión geométrica: Referente al posicionamiento de cada uno de los píxeles dentro de la imagen. Pueden existir problemas de falta de alineación de sensores o diferencias de escala.
• Resolución radiométrica: Número de bits utilizados en el almacenamiento del valor de cada píxel. Suele utilizarse de 10 a 12 bits de entrada y 8 de salida.

Cámara Digital Aerotransportada

Presentación: Año 2000, Congreso ISPRS en Ámsterdam, con la ADS40 de Leica Geosystems y la DMC de Intergraph.

Justificación: Precio razonable alcanzado y disponibilidad inmediata de la imagen en formato digital.

Enfoque y Ventajas

• Elimina los procesos de revelado de la película y escaneado de la fotografía debido a la sustitución de la película analógica por sensores digitales. Esto desemboca en ahorros significativos en inversión y personal.
• Multicapa: Capaz de ofrecer información estéreo, datos RGB y datos IR simultáneamente en un vuelo.
• Fotointerpretación: Se mejora significativamente la interpretación temática de la imagen.
• Teledetección: La fotogrametría y la teledetección tienden a unirse gracias a estos sistemas.

Tecnología de Sensores

Sensor CCD (Charge Coupled Device)

Es el más conocido de los semiconductores de estado sólido (dispositivo de carga acoplada). Es un conjunto de fotosensores que tienen asociado un registro de salida. Los fotones de luz se transforman en electrones y esta carga se transfiere a un sistema digital.

La carga creada depende del tiempo de exposición y de la intensidad de luz. La sustancia semiconductora utilizada es el silicio. Los CCD se agrupan en “chips”, caracterizados por el número de píxeles y el tamaño de cada píxel. Un chip con muchos píxeles proporciona una mejor resolución o cubre un mayor campo visual. El píxel posee habitualmente una forma cuadrada.

Imagen RGB

Para formar una imagen RGB se utiliza el llamado patrón Bayer, que distribuye en una única matriz los píxeles sensibles al rojo, verde y azul. Existe también el sensor Foveon, con tres capas diferentes de sensores que detectan independientemente los tres colores primarios.

Sensor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

En un sensor CMOS, cada píxel tiene su propia conversión de “carga a voltaje”, por lo que no hay transferencia de carga entre sensores adyacentes. El chip a menudo incluye amplificadores, corrección de ruido y circuitos de digitalización para producir bits digitales.

Transición Analógica-Digital

Sensitometría: Parte de la fotografía que estudia la respuesta de un material fotográfico a un estímulo luminoso. Mientras que la película analógica depende de factores de procesado (revelado, fijación), el sensor CCD permite medir valores absolutos de fotones con una función de transferencia lineal.

Rango dinámico: Los modernos conversores electro-ópticos permiten rangos dinámicos de 1:4000 (capacidad de 12 bits) o mejores. Es posible abarcar rangos de iluminación desde alta a muy baja reflectancia. Si se realiza un “zoom radiométrico”, se reconocen detalles específicos.

Sensibilidad espectral: Los filtros de interferencia permiten un control preciso de las longitudes de onda y anchos de banda, superando la respuesta superpuesta de la película a color tradicional.

Conceptos Lineal y Matricial

• Lineal: Genera tiras largas y continuas de imagen. Filosofía del sensor satélite de empuje (pushbroom).
• Matricial: Imágenes cuadradas o rectangulares. Filosofía de perspectiva de imagen analógica.

El Concepto Lineal en Detalle

Basado en el concepto de 3 líneas con ángulos entre ellas de 14.2°, 28.4° y 42.6°. Las dos extremas se utilizan para visión estereoscópica.

• Perspectiva: Un caso especial de perspectiva central llamada perspectiva lineal. El componente del desplazamiento en la dirección de vuelo es constante.
• Orientación: Necesita dispositivos para la orientación directa del sensor: GPS (posición) e INS (actitud). La orientación exterior cambia con cada línea registrada.

ADS80 de Leica Geosystems

Sensor digital aerotransportado basado en el concepto de 3 líneas. Posee diversas variantes de configuración en el plano focal.

Características:

• 3 sensores pancromáticos (12,000 píxeles) (nadiral y 2 estereoscópicos).
• Ángulo fijo para las estereoscópicas de 42.6º.
• Tamaño de píxel de 6.5 micras (3 cm GSD).
• Varios sensores multiespectrales (hasta 15 sensores) (6846 x 6096 píxeles).
• Sistema de almacenamiento (500 GB).
• Integración con GPS, INS, etc.