LEVANTAMIENTO AEROFOTOGRAMÉTRICO

1. Introducción

Actualmente, cualquier cartografía, así como los levantamientos topográficos de una cierta magnitud, son realizados con técnicas de fotogrametría, a partir de fotografías aéreas. Si bien el concepto está implícitamente ligado a la producción de cartografía, comprende un ámbito de aplicación más amplio y se puede dividir en numerosas ramas que abarcan desde la Fotointerpretación hasta la Teledetección. Según Bonneval (1), la fotogrametría se define como “la técnica cuyo objeto es estudiar y definir con precisión la forma, dimensiones y posición en el espacio de un objeto cualquiera, utilizando esencialmente medidas hechas sobre una o varias fotografías de ese objeto”. Una definición más actualizada que nos da la Sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección (ASPRS) es “el arte, ciencia y tecnología para la obtención de medidas fiables de objetos físicos y su entorno, a través de grabación, medida e interpretación de imágenes y patrones de energía electromagnética radiante y otros fenómenos”. Esta última definición es más amplia, abarcando técnicas modernas, y eliminando casi las diferencias existentes entre la Fotogrametría y la Teledetección. En cualquier caso podemos decir que la Fotogrametría es la ciencia que nos permite, a partir de fotografías ya sea aéreas o terrestres, obtener las medidas del objeto fotografiado. La etapa actual en la que nos encontramos es una toma fotográfica convencional sobre película y un tratamiento posterior sobre imagen digital procedente del escaneado de la convencional (fotogrametría digital, pero no en el proceso de toma). En un corto plazo el SAF, contará con el uso de cámaras digitales aerotransportadas, multiespectrales y combinación de sensores de teledetección con técnicas de fotogrametría digital para cartografía. El futuro cartográfico de la fotogrametría es el uso de cámaras digitales aerotransportadas y la fotografía desde satélite (actualmente existen satélites que comercializan imágenes con resoluciones de hasta 0,6 m por píxel).

1. BONNEVAL, Henri (1972): Photogrametrie Generale. Eyrolles. Paris.

2. Productos asociados

La Fotogrametría como la ciencia, arte y técnica de obtener información fiable de los objetos y su entorno mediante el registro, medida e interpretación de imágenes fotográfica y datos obtenidos a partir de energía electromagnética radiante y otros fenómenos, definición del Manual de la Sociedad Americana de Fotogrametría, ha usado casi desde sus inicios a las fotografías como fuente primaria de información. La fotografía no es más que el registro del haz perspectivo de rayos generados por el objeto por medio de una cámara métrica. El uso de la fotografía como fuente de información, aporta ventajas que no proporcionan los métodos de topografía clásica:

• • • •

El registro es total, continuo y objetivo. Tiene un alto rendimiento. No interacciona con el objeto a medir. Es de fácil manejo y conservación.

Pero todas las ventajas que se derivan de las posibilidades de este tipo de registro no tendrían sentido si no existiera un método que nos permitiera pasar de la información bidimensional, proporcionadas por las fotografías a la información tridimensional que necesitamos para determinar la forma, dimensiones y posición en el espacio del objeto de nuestro estudio. Entre los productos que se generan por está técnica están: •

Planos digitales vectoriales de escala que van desde 1: 500 a 1: 20.000

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Levantamiento de información del terreno (clasificación de campo)

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Generación de Ortofotos digitales

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Generación de MDT (Modelo digital del terreno)

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Aerotriangulación digital

Es importante Señalar que los productos generados por esta técnica son materia prima de entrada de una gran cantidad de proyectos basados en tecnología SIG.

3. Descripción del producto: Los productos fotogrametricos que comercializa el SAF están elaborados de acuerdo a altos estándares de calidad, tanto en precisión como en aspectos cuantitativos y cualitativos. Lo anterior con la finalidad de ser un aporte real a satisfacer la necesidad de organismo e instituciones que realizan proyectos con información geoespacial. El plano digital es un modelo a escala de la realidad, el que es representado por medio de un archivo digital del tipo vectorial, considerando todos aquellos elementos que compone el paisaje natural y/o artificial dentro del área del proyecto. 3.1. Sus principales características son: •

Un producto de uso universal por ser un archivo digital del tipo vectorial.

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Representación de elementos espaciales con un peso informático bajo.

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Es un producto escalable en cuanto a su actualización.

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Es utilizable tanto en 2D como en 3D.

3.2. Su uso está orientados a proyectos tan variados como: •

Proyectos de ingeniería

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Planificación territorial

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Geocodificación

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Monitoreo de flota

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Geomarketing

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Medio ambiente

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Logística

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Seguridad

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Etc.

La fotogrametría se encuentra hoy en día totalmente ligada a otras disciplinas y entornos. Principalmente se destacan las siguientes materias:

FOTOGRAMETRIA TERRESTRE

TELEDETECCION

TRATAMIENTO DIGITAL DE IMAGENES

FOTOGRAMETRÍA

GPS

SIG

Fuente : SAF

4. Proceso de generación:

4.1. Flujograma del proceso

X,Y,Z, T

1. Realidad 2. Sensor

3. Escáner Fotogramétrico

4. EFD

5. Modelo Sistema de Fotogrametría Digital (SFD)

Fuente : SAF

4.2 . Descripción de las etapas Los Sistemas de fotogrametría digital (SFD), tiene por finalidad ser una herramienta física – lógica, que nos permite representar la realidad por medio de un modelo a escala. Este modelo debe conservar las propiedades métricas y cualitativas de los objetos cartografiados. Para crear el producto base es necesario contar con dos fotografías tomadas desde dos puntos de vistas diferentes y a partir de la reconstrucción de la forma de cada uno de los haces y de sus situación en el espacio con respecto a un cierto sistema de referencia, usando el principio de la visión estereoscópica que permite identificar los rayos homólogos de cada haz, es capaz de proporcionarnos las coordenadas de cada uno de los puntos objetos.

4.2.1 Las etapas que comprende esta metodología de trabajo son:

En primer lugar se debe entender que la realidad es una unidad compleja que posee una localización geográfica y una variable temporal, que es necesario extraer y modelar, la forma de lograr esta condición es por medio de la captura de los datos a través de sensores que se encuentran tanto en plataformas aéreas (aviones) o incorporados al segmento espacial como son los satélites que orbitan nuestro planeta.

Cuando la información es obtenida por medio de un formato analógico como es la fotografía convencional, se hace necesario contar con la ayuda de un escaner fotogramétrico, el que nos permitirán transformar los datos base a un formato digital, representados por una grilla de tamaño regular con propiedades radiométricas visualizados como distintos niveles digitales de píxel. En las estaciones fotogrametricas digitales (EFD), se hará la elaboración de los productos fotogramétricos. El que consiste en procesar datos digitales, corregir deformaciones de las imágenes, referenciar a un sistema de coordenadas y finalmente extraer la información semántica de interés de las distintas entidades geográficas del área del proyecto. Para el proceso de correcciones y orientaciones de las imágenes obtenidas por el sensor, se utiliza un software específico que para el caso del SAF es; SSK Pro Z/I Imaging de la compañía Intergraph.

4.2.2. Las tareas que se ejecutan con las EFD, están organizadas de la siguiente manera: Planificación del trabajo por medio de la elaboración de un croquis de ubicación y control de los distintos modelos o bloques de restitución. En forma paralela se debe coordinar el método de control geodésico que se utilizará, el que puede ser modelo a modelo o por bloques. Para la orientación de un modelo estereoscópico, es necesario conocer la posición planimétrica y altimétrica de algunos puntos de control distribuidos dentro de la zona a levantar. El control terrestre se ocupa de la identificación de estos puntos en el terreno así como de su medición y cálculo.

4.3 Aerotriangulación: El objetivo de la aerotriangulación es obtener la posición del mayor número posible de estos puntos de apoyos mediante operaciones fotogramétricas de gabinete, reduciendo por tanto los trabajos a realizar en campo.

En un futuro cercano la metodología de aerotriangulación estará facilitada por la innovación que reside en el uso del GPS cinemático en el avión para proveer de coordenadas a la cámara en el momento de cada exposición. En teoría este método de control de GPS puede disminuir aun más los costos y tiempo de un control terrestre convencional modelo a modelo.

4.4. Eliminación de errores en las imágenes: Antes de iniciar el trabajo de restitución se debe introducir ciertos parámetros para eliminar todos los errores que contiene un par de imágenes o modelo fotogrametrico. Esta fase se denomina en fotogrametría como orientaciones, la que se describe a continuación:

ORIENTACIONES FOTOGRAMETRICAS

ORIENTACION INTERIOR

ORIENTACION EXTERIOR

ORIENTACION INTERNA

ORIENTACION RELATIVA

ORIENTACION ABSOLUTA

Fuente : SAF

4.4.1. La orientación interna Consiste en averiguar la focal (es un parámetro constante de la cámara si se ha hecho la calibración correspondiente) y la posición del punto principal en cada fotograma, w. esto se puede resolver midiendo las coordenadas en un determinado sistema (que denominaremos sistema fotografía) de las marcas fiduciales.

Fuente : SAF

La Orientación interna en procesos digitales cambia con respecto a las análogas, la fotografía digital es procesada en el computador como un valor numérico por lo tanto la orientación interna se traduce en una imposición de valores desde la posición que tomen las marcas fiduciales y la posición del centro de perspectiva por su distancia focal. Los valores de esta condición geométrica deben extraerse del certificado de calibración de la cámara.

Toda fundamentación de la fotogrametría en su proceso de restitución se mantiene en los sistemas digitales que en la realidad emulan matemáticamente este proceso de ajuste, por lo que si conocemos la sustentación del proceso bastara con conocer el modo de comandos de los sistemas digitales.

4.4.2. Orientación Relativa: Consiste en orientar los dos fotogramas en el espacio en la misma posición que en el instante de toma, es la orientación espacial del haz de rayos perspectivos. Si orientando una foto con respecto a otra conseguimos eliminar la paralaje vertical, el problema estará resuelto, el rayo a1 O1 se cortará con el rayo a2 O2, precisamente en el punto A.

Fuente : SAF

La orientación relativa consistiría en el posicionamiento de un sólido en el espacio, es decir, un problema de 6 incógnitas: - 3 translaciones y 3 giros alrededor de los tres ejes principales. En realidad, 5 incógnitas, ya que la modificación de la base en sentido del eje de vuelo (bx) sólo modificará la escala del modelo, modificando asimismo la paralaje horizontal px y no la paralaje vertical, que es la finalidad de la orientación relativa (eliminarla). Si se ha conseguido esto, fijándonos en la figura anterior, podemos imaginar que tenemos materializado el modelo del terreno (a escala), pero el conjunto rígido de fotogramas con centros de proyección, haces perspectivos y modelo no están fijados aún en una posición en el espacio con respecto al sistema de referencia terrestre de coordenadas.

4.4.3. Orientación Absoluta: Sería el posicionamiento y nivelación del modelo con respecto al sistema de referencia terrestre, así como averiguar la escala del modelo. Por ello habría 7 incógnitas en este problema. Se resuelve con la ayuda de los puntos de control o puntos de apoyo medidos en el terreno e identificables en los fotogramas. Con las coordenadas terreno de tres puntos (X, Y, Z) podriamos llevar el modelo a su posición absoluta en el espacio (3 translaciones) y “nivelarlo”, fijar la orientación del modelo respecto al sistema de coordenadas ( 3 giros). Realizadas estas tres orientaciones, el modelo estaría orientado y se podría empezar a determinar coordenadas absolutas de los puntos que midamos. La fase final consiste en obtener por medio de una fotointerpretación del operador la información que nos brinda las imágenes aérea del lugar del proyecto, está representación se realiza gracias a un software de dibujo asistido por el computador (CAD). Las entidades se visualizarán como figuras geométricas del tipo vectorial (puntos, líneas y polígonos)

4.5. Compilación de datos

Una vez que la información planimetrica ha finalizado la siguiente fase es incorporar al plano todos aquellos datos que se encuentran en el terreno y que se deben obtener por medio de la técnica de clasificación de campo, para lo cual, el SAF capacita y luego comisiona a su personal para cumplir con esta tarea. Los datos del terreno son sometidos a una validación y estandarización de acuerdo a los criterios y procedimientos que utiliza el SAF para este tipo de trabajos.

Finalmente los datos pasan a conformar las tablas de atributos de los distintos elementos vectoriales que conforman un plano digital, además en esta fase se crean las topologías respectivas a las distintas capas de información geográfica, la que la convierte en materia prima de alto nivel para su utilización en diversos proyectos SIG.

Resumen

Levantamiento Aerofotogramétrico

Control Geodésico

Restitución

Clasificación de campo

Compilación BDG

Productos Fotogramétricos Fuente : SAF

BDG : Base de datos Geográfica

5. TOUR VIRTUAL

Especialista realizando planificación del trabajo fotogramétrico

Especialista preparando material para realizar la Aerotriangulación

Especialista realizando orientación interior

Especialista realizando orientación Absoluta

Elaboración de producto fotogramétrico

Especialista y Supervisor realizando Control de calidad al producto fotogramétrico.

Especialista y Supervisor realizando Control de calidad al producto fotogramétrico.

Especialista realizando edición gráfica al plano digital

Supervisor realizando validación de los datos en terreno (Clasificación de campo).

Supervisor revisando trabajo de compilación de datos geográficos

Supervisor revisando trabajo de compilación de datos geográficos

6. Glosario Técnico:

Actualización cartográfica: Proceso de revisión y modificación de la información geométrica y temática, con el fin de que la cartografía recoja los cambios habidos en el tiempo en el territorio que representa.

Aerotriangulación: es una técnica de interpolación que tiene por propósito extender fotogramétricamente el control horizontal y vertical (apoyo terrestre) proporcionado por un número reducido de puntos de control, a todos los modelos estereoscópicos. En efecto, la aerotriangulación consiste en la triangulación e intersección espacial simultánea de los haces de rayos registrados en las imágenes. Los haces de rayos conjugados, proyectados a partir de dos o más imágenes que se traslapan, se intersectan en los puntos de control fotográfico comunes para definir coordenadas tridimensionales de cada punto. La totalidad de los haces de rayos se ajusta matemáticamente a los puntos de control fotográfico conocidos. Lo anterior permite conocer las coordenadas del terreno de puntos desconocidos a partir de la intersección de los haces de rayos ajustados. Los puntos así obtenidos se conocen como puntos de paso y permiten realizar la orientación exterior de los modelos estereoscópicos. Apoyo terrestre: Son puntos de control horizontal y vertical a través de los cuales es posible referir las imágenes al territorio. El apoyo terrestre para control fotogramétrico se compone de puntos de control básico y puntos de control fotográfico. Los puntos de control básico constituyen la referencia a partir de la cual se propagan las coordenadas a los puntos de control fotográfico (vértices geodésicos y bancos de nivel). El control fotográfico son puntos identificables en la fotografía que sirven de control para las operaciones de fotogrametría.

Bloque: Es el conjunto formado por dos o más líneas de vuelo.

CAD: Dibujo Asistido por Computadora. Cámara fotográfica: Aparato que sirve para hacer fotografías y que consta de un medio óptico (objetivo) y de un medio mecánico (obturador). Cámara métrica: Cámara fotográfica que tiene un bastidor (cuerpo) indeformable, dispone de objetivos con aberraciones ópticas mínimas, cuenta con marcas fiduciales claramente visibles y con base en éstas, se puede establecer con certeza el centro óptico de cada fotograma. Certificado de calibración: Documento expedido por un organismo considerado autoridad, en el cual se declaran los resultados obtenidos en pruebas muy rigurosas a equipos fotogramétricos respecto a la precisión de sus parámetros declarados. Se pide principalmente para la cámara métrica y los aparatos de restitución análogos.

Coordenadas: Un conjunto de “n” números que designan la posición de un punto en un espacio n-dimensional. Coordenadas geodésicas: Coordenadas definidas con respecto a un elipsoide de referencia. Se emplean como coordenadas la longitud (a), latitud (l) y altura elipsoidal (h).

Croquis: Representación gráfica de cualquier objeto sin considerar escala. (Boceto) Cuadrícula: Sistema de coordenadas cartesianas rectangulares que se sobreponen con precisión y de manera consistente en los mapas, cartas y otras representaciones semejantes de la superficie de la tierra que permite la identificación de la posición del terreno con respecto a otros sitios y el cálculo de la dirección y distancia a otros puntos.

Digitalización o escaneo de fotografías aéreas: Transformación de fotografías aéreas a imágenes digitales en formato ráster sin perjudicar la exactitud métrica.

Edición gráfica: Preparación de un documento gráfico mapa, plano u otro, disponiendo sus elementos visuales de manera armónica, agradable, práctica y fácilmente legible.

Escala: Es la relación numérica que existe entre la dimensión de un objeto en la realidad y la dimensión del mismo en una representación analógica (mapa, foto, etc.). Escáner fotogramétrico: Escáner especialmente concebido para la digitalización de negativos de fotografía aérea de 23 x 23 cm. Para asegurar la calidad de la digitalización, está dotado de alta resolución espacial y una gran estabilidad y precisión geométrica y radiométrica. A su vez esta equipado para manipular rollos de película mediante un mecanismo de rebobinado. Estereoscopía: Técnica que permite la visión en 3D, aprovechando la visión binocular. Fotografía aérea: Instantánea de la superficie terrestre tomada verticalmente o con un ángulo determinado, desde una aeronave, globo, etc.

Fotogrametría: Arte, ciencia y tecnología para obtener información acerca de los objetos físicos y el medioambiente a través de procesos de registro, medición e interpretación de imágenes fotográficas y patrones de energía electromagnética radiante y otros fenómenos (de acuerdo a la ASPRS ).

Fotogrametría analítica: Se diferencia de la Fotogrametría analógica en que el modelo espacial se reconstruye mediante programas informáticos que simulan dicha geometría. Fotogrametría analógica: Determinación precisa de un objeto en el espacio, a partir de la utilización de fotografías aéreas formando modelos estereoscópicos, reconstruyendo el modelo espacial con sistemas ópticos y mecánicos. Fotogrametría digital: Que aprovecha como datos de entrada fotografías aéreas previamente transformadas a formato digital o directamente captadas en digital, reconstruyendo el modelo espacial de forma numérica y digital. Fotointerpretación: Procedimiento que consiste en identificar los rasgos que aparecen en la fotografía e interpretar su significado, con apoyo en la visión estereoscópica (3D). GPS (Global Positioning System): Sistema de Posicionamiento Global. Es un sistema pasivo diseñado por el Departamento de la Defensa de los Estados Unidos con el propósito de obtener la posición tridimensional y la velocidad en tiempo real a través de señales emitidas por satélites. GPS aerotransportado: Se refiere al uso de la técnica de posicionamiento satelital para proporcionar las coordenadas del centro de cada fotograma. Esta técnica permite reducir la cantidad de puntos de control convencionales. Imagen Digital: Es una interpretación pictorial compatible con un equipo de computación en la cual la imagen está dividida en una grilla muy fina o píxeles, estructurado en filas y columnas a los que se les asigna un valor, lo anterior corresponde a una estructura ráster. Información Geográfica: Conjunto de datos, símbolos y representaciones organizados para conocer las condiciones ambientales y físicas del territorio, la integración de este en infraestructura, los recursos naturales y la zona económica exclusiva.

Marcas fiduciales: Señales claramente visibles grabadas en la cámara métrica, las cuales pasan directamente al negativo original de vuelo y de ahí por contacto directo durante la exposición, a las fotos de contacto y a las diapositivas o bien a las imágenes mediante el escaneo. La intersección de estas marcas permite encontrar el centro fiducial a partir del cual es posible encontrar el Punto Principal de Autocolimación y el Punto Principal de Simetría. La distancia del centro fiducial al Punto Principal de Autocolimación y la distancia de las marcas fiduciales al Punto Principal de Autocolimación se determinan durante la calibración.

Modelo Digital de Elevación (MDE): Es un arreglo de valores numéricos que corresponden con los valores estimados de elevación de puntos en el terreno. Estos puntos están espaciados y distribuidos de forma regular, de acuerdo con un patrón que corresponde a una retícula cuadriculada en la que sus lados son equidistantes. La representación geométrica a partir del arreglo de valores numéricos, es un modelo simplificado de la forma del terreno. MDT: Modelo digital del terreno, ver MDE Metadatos: Datos sobre los datos. Información acerca de los datos que describe detalladamente sus características en términos de contenido, calidad, proyección, sistema de coordenadas y forma de distribución. Elaborados bajo la norma que para tal fin defina, establezca y difunda la autoridad competente. Micra: Millonésima parte de un metro (también conocido como micrón). Modelo estereoscópico: Modelo en 3 dimensiones que puede utilizarse para generar Cartografía digital ortogonal. El modelo se genera en la zona de traslape de dos fotografías aéreas consecutivas y mediante una estación de restitución se posibilita la visión binocular. A través de los parámetros de orientación es posible pasar de imágenes con una proyección perspectiva central a el modelo tridimensional.

Ortofoto Digital: Es una imagen de una fotografía aérea, en la cual han sido removidos los desplazamientos causados por la inclinación de la cámara o sensor y el relieve del terreno. Está referida a una proyección cartográfica, por lo que posee las características geométricas de un mapa, además de la calidad pictórica de la fotografía.

Paralaje: Es el cambio aparente en la posición de los objetos ocasionado por un cambio en la posición del observador. Píxel (Picture element): Unidad mínima espacial que almacena información en una imagen de teledetección. En el caso de un sensor de teledetección se registra la radiación incidente del área del campo de visión instantánea (IFOV). Plano: Representación gráfica a escala de una pequeña parte de la superficie terrestre de objetos existentes o abstractos, y que puede ser tan detallado como sea necesario. Planimetría: Proyección de los rasgos del terreno sobre un plano horizontal. Precisión: Medida de la uniformidad o reproducibilidad de una medición u observación (dispersión de los resultados). Únicamente toma en cuenta la componente aleatoria de los errores dejando de lado los sistemáticos y groseros (no toma en cuenta el valor real). Producto Fotogremétrico: materia prima (levantamiento aerofotogramétrico) con valor agregado.

Puntos de apoyo/control fotogramétrico: Puntos visibles en las fotografías que sirven de base para realizar la orientación absoluta durante la restitución fotogramétrica. Resolución Geométrica o Espacial: Para datos con estructura raster se refiere al tamaño físico de la unidad mínima de información o pixel. Revisar: Someter una cosa a nuevo examen para corregirla, enmendarla o repararla. SIG: Sigla del concepto de sistema de información geográfica, conjunto de elementos físicos y lógicos que permiten realizar análisis de información geoespacial. Supervisar: Ejercer la inspección superior en trabajos realizados por otros. TIN: Red de triángulos irregulares. Vuelo fotogramétrico: Vuelo efectuado para la toma de fotografía aérea con el fin de producir cartografía por medio de la fotogrametría, o para la interpretación de la imagen de una parte del territorio.

Referencia Bibliográfica •

Norma técnica NTG001_2005 Sistema Geodésico Nacional, INEGI, Mexico.

•

Manual de fotogrametría, 2006, Instituto Agustín Codazzi, Colombia.

•

Manual of Photogrammetry” , ASPRS, Sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección.

•

Pérez, J. A., Apuntes de Fotogrametría, Universidad de extremadura, España, 2006.

•

Sanchez, J. A., Apuntes de Fotogrametría III, Universidad de extremadura, España, 2007.