Cámaras fotogramétricas aéreas digitales: ventajas e ...

ResumenLas cámaras fotográficas digitales han

entrado con fuerza en los últimos años en todaslas áreas donde fuera necesario el registro deimágenes (desde los hogares a la astronomíapasando por la fotogrametría). En este artículose describen las características fundamentalesde los sensores digitales comparándolos con losanalógicos, destacando sus ventajas. Asímismo,se abordan los dos tipos de cámaras, de línea ymatriciales detallando sus componentes princi-pales y realizando un estudio comparativo, paraterminar haciendo un repaso a las aplicacionesde los sensores digitales y describiendo su posi-ble utilización en el catastro urbano.

Sin duda alguna vivimos en la sociedadde la información, contar con cuanta másinformación se disponga asegura buenosresultados en la gestión de cualquierempresa, ya sea comercial, industrial, etc… y por tanto se cumple la máxima de queinformación es poder.

En múltiples campos es necesario saberdónde se producen determinados fenóme-

nos, se necesita ubicarlos geográficamente,por tanto es fundamental contar con infor-mación geográfica georreferenciada. Esta seutiliza abundantemente en la ordenación delterritorio para planificación territorial yurbanística, ingeniería civil, agronómica,forestal. También en servicios para la gestiónde recursos (telefonía, electricidad, gas).

La fotografía aérea digital es de directaaplicación sobre todo en la cartografía topo-gráfica y ortofotos, pero también, a veces deforma indirecta en la cartografía de consu-mo, como puede ser en internet map serversque suministran mapas en Internet, calleje-ros, rutas, parques naturales, así como en laelaboración de mapas para navegadores,atlas multimedia, telecomunicaciones ymodelos de ciudades en 3d.

Las cámaras aéreas digitales, ofrecen lasmismas ventajas que las digitales domésticasque todos tenemos. Quizá el hecho diferen-ciador es la no necesidad de tener que mane-jar un siempre incómodo rollo de película ypor tanto no tener que pasar por el labora-torio con la consiguiente espera para poderver las fotos. Por el contrario hay que contar

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Cámaras fotogramétricas aéreasdigitales: ventajas e inconvenientes.Influencias en la ejecuciónde cartografía catastral

Luis Julián Santos PérezIngeniero Tecnico en Topografía

Ingeniero en Geodesia y CartografíaDirección General del Catastro

Julio 2006

con un ordenador o con una impresora ade-cuada para ver los resultados en papel lo quehace que no sean muy útiles para el público“no tecnológico”.

En el ámbito cartográfico, del mismomodo, elimina el paso necesario hasta ahoraque era la transformación del formato analó-gico al digital (escaneo de negativos) parapoder utilizar los modernos aparatos digita-les de restitución. Este proceso ralentizaba elsistema de trabajo y era una fuente de pérdi-da de precisión. Por tanto ahora el procesofotogramétrico es mucho más ágil, ya que los

soportes con toda la información salen delavión y entran sin paso intermedio en los sis-temas de obtención de cartografía, cuandono se envían por medios telemáticos desde laaeronave a las oficinas técnicas para obtenerrápidamente el producto cartográfico.

Podemos hablar no ya de cámaras exclu-sivamente sino de sensores en general, yaque dentro de ese gran grupo de instrumen-tos entran tanto las cámaras digitales, comolos sensores lídar, rádar, magnetómetros ycualquier otro que capte datos de la tierradesde un medio aéreo o espacial.

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LUIS JULIÁN SANTOS PÉREZ

Figura 1Resumen del estado actual de los nuevos sensores

Segm

ento

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ión

Sens

ores

de

imag

en T

erre

stre

s Sensores en satélites

Ing. Forestal

Recursos Terrestres Transporte

Urbanismo

Cartografía Topográfica

Defensa

Agricultura

Medioambiente

Sensor de Líneasin FMC

Sensor matricialcon FMC

100 m. 10 m. 1 m. 0.1 m. 0.01 m.

Película de 9´´ sin FMC RMK

DMC

Nota: (FMC.- (Forward Motion Correction) Sistema incorporado en las cámaras para eliminar el desplazamiento de laimagen producido por el movimiento longitudinal del avión). (DMC.- Digital Metrical Camera- Cámara Métrica Digital).

En la figura 1 se muestra un resumendel actual estado de estos sensores. En eleje de las x aparece la resolución enmetros que permiten alcanzar cada unode los sensores o la necesaria para losdiferentes segmentos de aplicación de laparte superior. Por ejemplo para aplica-ciones de cartografía topográfica, comopuede ser la catastral, los actuales siste-mas nos ofrecen resoluciones que vandesde los 2 m. (vuelo alto) a los 5 cm.(sensor lídar). Para estudiar recursosterrestres (teledetección) los sensoressatelitarios ofrecen resoluciones que semueven entre los 50 m. y los 10 m.

Si estudiamos la segunda fila de la figu-ra, podemos obtener las precisiones de losactuales sensores, de forma que los ubica-dos en satélites normalmente utilizadospara teledetección van desde los 100 m.(meteorológicos (meteosat) o para usos desuelo (landsat)). Los sensores de línea ómatriciales (cámaras digitales aéreas) vandesde 1 m. a los 5 cm. De forma muy pare-cida a las antiguas cámaras analógicasaéreas de 9“.

Definiciones y estado el arteDefinición de cámara digital.- Cámara

fotográfica o de vídeo de estado sólido quesuministran señales de salida digital. Esuna cámara óptico-electrónica que convier-te en su interior la señal analógica a digital.(J.L.Lerma 2000)

Las cámaras analógicas y digitales sonmuy diferentes entre si, pero tienen cuatro

componentes básicos que las caracterizan yson la óptica, el sensor, el procesador y elsoporte de salida. Las diferencias funda-mentales están en el sensor y el procesadorcomo vemos en el cuadro 1.

Las cámaras aéreas digitales, han reem-plazado ya a las cámaras aéreas de películatradicional debido fundamentalmente a lasmejoras en calidad geométrica y radiomé-trica así como por la posibilidad de apreciardetalles (resolver) en zonas de sombrasoscuras, para registrar simultáneamentepancromático, verdadero color y falso colorinfrarrojo o para incrementar el recubri-miento sin costes extras de película perosobre todo por el ahorro del proceso deescaneo. Los hechos presentes hacen que lacomunidad técnica esté convencida de quecon tales cámaras se puede considerar unanueva estrategia como fuente de adquisi-ción de imágenes.

A modo de curiosidad, para apreciarla rapidez con la que se ha impuestoesta nueva tecnología, se incluye a con-tinuación un texto extraído de otro tra-bajo del autor de hace sólo 5 años:“…hay que destacar que hoy en día lascámaras digitales no posen el refinamien-to y la robustez necesarias para podertener un rendimiento similar al de lascámara métricas analógicas montadas enuna aeronave. Los principales obstáculosson la velocidad de desplazamiento (lavelocidad de “impresión” de la imagen noes aún lo suficientemente rápida para lavelocidad de un avión) y las vibracionesque son de gran magnitud…”(L.J. Santos2000).

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CÁMARAS FOTOGRAMÉTRICAS AÉREAS DIGITALES: VENTAJAS E INCONVENIENTES. INFLUENCIAS EN LA EJECUCIÓN DE CARTOGRAFÍA CATASTRAL

Cuadro 1Componentes Cámaras analógicas Cámaras digitales

Óptica Lentes y/o espejos Lentes y/o espejosSensor Emulsión fotográfica Detectores de estado sólido (CCD, CMOS)Procesador Químico (revelado, fijado, lavado secado) Ordenador (Cálculo matemático)Soporte Película Disco óptico y/o magnético

La fotogrametría aérea ha usado desdesiempre el 60% de recubrimiento longitu-dinal y el 20% de transversal (parte comúnentre dos pasadas o dos fotos consecutivascon el fin de obtener relieve) para la resti-tución (obtención de cartografía), produc-ción de Modelos Digitales del Terreno y deortofotos. Las cámaras digitales se puedenusar para superar esas convenciones están-dar de forma que el grano de la películanunca más sea un problema, debido a laalta resolución radiométrica situada en 12bits y nunca volverá a ser un problema queel número de imágenes sea el principalparámetro de un proyecto. Por tanto, elaumentar la redundancia y los recubri-mientos aumenta el nivel de precisión.

Estos conceptos se pueden aclarar en lafigura 2, muestra que los dos flujos de tra-bajo esquemáticamente, el sistema analógi-co arriba y el nuevo sistema digital abajo.

En el sistema analógico el avión sobrevuelala zona de Trabajo y toma imágenes, nor-malmente en B/N ó color, pero si necesitadiferentes productos, sólo podía realizardiferentes pasadas o diferentes cámaras encada pasada (Blanco y Negro, Color ó Infra-rrojo). Una vez impresionada la/s película/sera necesario procesarlas en laboratorio(revelado) y posteriormente utilizar un res-tituidor analógico ó analítico si no se nece-sitaba pasar a restituidor digital. Si fuera así,era necesario escanear las imágenes (proce-so complejo, laborioso y caro).

En el sistema digital, sólo es necesariovolar una vez sobre la zona, ya que las imá-genes se registran en los sensores de formasimultánea (Blanco y Negro, Color ó Infra-rrojo). Se almacenan en forma digital enenormes Discos Duros y tras un breve post-proceso se puede trabajar con ellas en unaDPW (Digital Photogrammetric Worksta-

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Figura 2Sistema analógico y sistema digital

Diagrama de flujo –ANALÓGICO–MDEOrtofotos

Cartografía

Actualización

Visualización

AnálisisImagen

SIG

Post-proceso

Película

Escáner

Impresora

DPW

SistemaArchivos

B/N

B/N Color IR

B/N Color MS

Color

IR

RestituidorAnalógico/analítico

Películasseparadas

Almacenamiento masivo

Canales espectrales simultáneos

Procesadofotográfico

Diagrama de flujo –ANALÍTICO–

tion) de forma directa e imprimirlas sifuera necesario.

En este punto, las imágenes se puedenemplear para alimentar un SIG, realizarortofotos (tradicionales ó true-ortho si con-tamos con datos LIDAR), realizar clasifica-ciones, etc…

En cuanto a la orientación exterior–que es el sistema de georreferenciacióndel vuelo–, en el caso de las cámaras digi-tales es continua, ya sea de barrido delínea o matricial, ya que los sistemasGPS/INS suministran coordenadas muyabundantes de la trayectoria (figura 3). Elsistema GPS aporta coordenadas de cier-tos puntos y el sistema IMU ofrece lascoordenadas de los puntos interpoladasentre dos ofrecidas por el sistema GPS.Por el contrario en la figura 4 se apreciaque la cantidad de coordenadas es muchomenor y se refieren sólo a los puntos detoma de cada fotograma.

Análisis de ventajas einconvenientes de la cámaradigital frente a la analógica

Ventajas de las cámaras digitales

Calidad

1. Al tener mayor rango dinámico ofrece unaelevada resolución radiométrica. Estoquiere decir que tiene una gran facilidadpara captar los diferentes matices de colorde la realidad, mayor cantidad de nivelesde gris o de colores diferentes. Una de lasconsecuencias de este ítem es la gran can-tidad de información que se puede dife-renciar en las zonas de sombras.

2. El sensor tiene una gran precisión geo-métrica y permite el control de calidadde las imágenes en vuelo.

3. Mejora la relación señal/ruido.4. La geometría de la imagen digital es muy

estable, no se deforma por ningún factorexterno, por tanto tiene una gran preci-sión espacial.

5. Al no existir procesos químicos de reve-lado, reproduce muy fielmente el color,no se degrada la calidad por el escaneo alno introducir esos ruidos por no existirese proceso.

6. Registran información espectral dentro yfuera del rango visible, por tanto captu-ran información multiespectral.

7. Se puede considerar una desventaja frentea la película la resolución geométrica, yaque ésta es un medio de almacenamientomasivo que da resoluciones > 100 líne-as/mm. Lo que equivale a 5 – 7 micras (esdecir distingue en imagen objetos de esetamaño, a escala 1:5.000 de vuelo resolve-ría objetos de 25 mm. sobre el terreno).

Precisión

1. Tamaños de píxel terreno pequeños (desde5 cm), con precisión menores que 0.1 píxel.

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Figura 3Cámara digital aérea

Figura 4Cámara aérea analógica

2. Compensación FMC electrónica sin limi-taciones mecánicas. Como vimos estedispositivo permite eliminar movimientoen las tomas, antes era mecánico, ahoraelectrónico.

3. Mejor aptitud para procesos de corre-lación automática: 2.5 veces mejorque fotograma escaneado. La correla-ción es el sistema que permite identi-ficar puntos homólogos y por tantocuando esté perfeccionado restituirciertos elementos sin intervenciónhumana.

4. Mejor visión en tres dimensiones en sis-temas estereoscópicos.

5. Conexión directa al receptor GPSmediante sistema de navegación “Trac-kair” junto con sistema inercial “Apla-nix” que suministran X,Y,Z del punto dedisparo así como los 3 giros para laorientación (kapa, fi y omega).

Versatilidad

1. Posibilidad de obtener múltiples pro-ductos en un mismo vuelo:– Pancromático.– Color natural (RGB).– Color Infrarrojo (CIR).– Cuatro bandas multiespectrales.

2. En todas las bandas se ofrecen 12-bit deradiometría. Mientras que las cámarasanalógicas ofrecen 6 bits en B/N.

3. Todas las bandas cuentan con alta reso-lución espacial

Ahorro de tiempo

1. Al no necesitar procesos de revelado,fijado, secado y copiado, el tiempo deproceso es muy pequeño y el flujo detrabajo puede ser continuo.

2. Rápida adquisición de imágenes de granformato y visionado “on-line”.

3. Control de calidad en tiempo casi-realen vuelo.

4. Agiliza los procesos de correlación auto-máticos.

5. Las imágenes están disponibles enminutos

6. No hay que digitalizar (escanear) lasfotografías. Ahorro enorme de tiempo yeliminación de fuentes de errores.

Costes

1. Desaparecen los costes del material foto-gráfico (película+revelado)

2. Eliminación de gastos por escaneo (pasode formato analógico a digital, ahoratodo es digital)

3. Por el contrario los costes del sistema deadquisición de datos (cámara+softwa-re+periféricos) son mucho más altos, yaque aumenta el número de horas/día devuelo.

Ventajas de las cámaras analógicas

1. Su precio hoy por hoy es inferior al delas cámaras digitales.

2. Son bastante más robustas, tienen pocoscomponentes y son menos sensibles.

3. Poseen una elevada resolución geomé-trica (40-60 líneas/mm.). Hoy en día aúnno la han igualado las cámaras digitales.Tienen una geometría estándar y perfec-tamente conocida.

4. Tienen un alto rango de escalas y cubrenmás superficie para la misma escala yaque tienen un FOV (Field Of View) alto,es decir gran ancho de banda.

5. Sus chasis (receptáculo para la película)son intercambiables y por tanto se pue-den llevar en el avión films de diferentessensibilidades.

6. Los costes de almacenamiento de losmateriales sensibles son muy bajos y elsistema de almacenamiento más durade-ro que el digital.

7. Las películas tienen una larga durabili-dad.

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8. Es posible volar mucho más bajo quecon una cámara digital debido a que conestas últimas se necesita un tiempo paracada exposición que no lo permite por lavelocidad a la que “pasa” el terreno.

Características de las cámarasdigitales aéreas

Las cámaras digitales se diferencian delas analógicas en que las primeras no nece-sitan revelado fotográfico para hacer visiblela imagen latente, sino que ésta se forma alincidir la luz reflejada por el objeto en sen-sores fotoeléctricos formando así la imagenimpresionada (1)

El diodo es un dispositivo que dejapasar corriente eléctrica en una dirección yno en la contraria, de forma que si se ilu-mina dejará pasar corriente en ese sentido.Son, por tanto, rectificadores de corriente,pasan de corriente alterna a continua. Sellamará fotodiodo si es sensible al paso deuna señal luminosa. El circuito llevará unamplificador de señal y un convertidor parapasarla de analógica a digital.

Por tanto el sensor o fotodiodo de unacámara digital será del tipo CCD (Char-ged Coupled Device) de doble carga, portanto, que será el responsable de formarla imagen. Los fotodetectores del tipoCCD (lo llevan las cámaras de video y defotografía caseras) se sitúan formado“arrays” (matrices) en un número queindicará el tamaño final de la imagen.Estos dispositivos se pueden colocar enforma lineal (y por tanto barren la zonasensible para formar la imagen) o enforma superficial (matricial o en dosdimensiones, fijos).

Estas diferencias técnicas dan lugar alos dos tipos de cámaras (sensores) aéreasdigitales que hoy existen en el mercado,lineales y matriciales.

En un principio se apostó por temaseconómicos por el sistema matricial y pos-teriormente lineal, pero en la actualidadconviven ambos. El sistema lineal es demás fácil construcción y por eso se tiende aresolver el problema del otro mecanismocon sensores matriciales pequeños, deforma que para obtener una imagen delmismo tamaño que la lineal se unen 2 ó 4sensores matriciales que toman las imáge-nes simultáneamente y las unen para for-mar una mayor, incorporando un sistemaque compense el desplazamiento del avióndurante la toma.

Figura 5Esquema electrónico de una cámara digital

FUENTE

DIODOV

INTENSIDAD DECORRIENTE

Amplificador

Nivel digitalen BITS

Convertidor

(1) Serafín López-Cuervo: “Fotogrametría digital”.Escuela de Ingenieros en Geodesia y Catografía U.P.M.

Según se aprecia en la figura 6, la cáma-ra digital se compone de:

– Sistema de lentes (igual que en laanalógica) cuya calidad influye en elresultado final de la imagen.

– Filtros. Se suelen situar entre la ópti-ca y el sensor o delante de la lente ytienen diferentes utilidades:

1. Filtro de paso largo. Transmitenpor encima del umbral de corte

2. Filtro de paso corto. Son contrariosa los de paso largo, transmite pordebajo del umbral de corte.

3. Filtro de interferencia. Transmi-ten de forma homogénea en unrango limitado de longitudes deonda.

4. Filtros de color y dicroicos.Aumentan el contraste o aislanregiones espectrales y colores.

5. Filtros de densidad neutra. Previe-nen el exceso de carga en los sen-sores ya que reducen la transmi-sión de energía.

Tipos de cámarasaéreas digitales

Presentación

Las actuales cámaras aéreas digitalesofrecen dos diferentes soluciones, la matri-cial y la lineal, posteriormente se describendetalladamente ambas.

Las cámaras de línea barren el terrenode forma simultánea al avance del avióncon 3 líneas pancromáticas. Tienen unaúnica lente y un plano focal. Exponente deestas cámaras es la ADS-40 de Leica.

Las cámaras matriciales toman imáge-nes al modo de las cámaras convenciona-

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Figura 6Estructura interna de una cámara digital

Sistemade lentes Difusor

Sensor Sustratode

Cerámica

Filtro

Cubiertaacristalada

Alfileres deconexión

Cuerpoelectrónico

de lacámara

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les, tienen varios objetivos que disparansimultáneamente, unos en pancromático(rojo, verde y azul) y otros en infrarrojo.Cuentan con varios planos focales y fundenlas imágenes en una única.

Estas cámaras pueden constar en laactualidad de nK x nK elementos sensoria-les (píxeles), siendo K 1024 elementos y npuede oscilar de 1 a 9. Los más utilizadosson los n = 3 ó 4. (por lo tanto 3.000 x3.000 píxeles que son 9x106 píxeles, esdecir 9 Megapíxels). Están disponibles enpancromático, color ó falso color.

Son cámaras muy estables, de geometríaconocida y que corrigen el movimientohacia delante del avión (FMC). Trabajancon una definida perspectiva central. Elprincipal inconveniente es la transferenciade los datos a suficiente velocidad y consuficiente precisión desde el sensor de esta-do sólido (CCD) hasta el medio de almace-namiento.

Se suelen utilizar de forma modularpara solucionar los problemas de las matri-ciales sencillas (éstas se combinan de 2 en

2 ó de 4 en 4). Así se incrementa la dimen-sión sensorial de la toma, el ángulo decampo y la resolución espacial. Se acoplana las monturas de las cámaras aéreas analó-gicas y tienen un tiempo de exposiciónentre 1 y 3.3 ms. con 12 bits.

Suele llevar también una cámara devideo centrada en la montura. La imagenpancromática compuesta a partir de las 4lentes convergentes se consigue pasandoun proceso de muestreo y rectificación.Ejemplo de este sistema es la cámara DMC(Digital Modular Camera) DE Zeiss/Inter-graph Imaging.

Principios de las cámaras digitalesde línea

Características geométricas

El producto que se puede considerarrepresentante de este tipo de cámaras es elsensor aerotransportado de LEICA llamadoADS 40 (figura 9)

Figura 7 Figura 8

CCD LINEAL

Estéreo-PancromáticoDe 3 líneas

MultiespectralDesde 3 a n líneas

1 sola lente + 1 plano focal De 8 a 12 lentes + varios planos focales

Toma múltiple en color +matrices de infrarrojospara incrementar FOV

CCD MATRICIAL BIDIMENSIONALES

Entre sus características se encuentrancontar con 8 sensores lineas CCD, todossituados en el plano focal, diseñados pararequerimientos fotogramétricos y para tele-detección a baja altura:

– 3 CCD pancromático.– 3 CCD (R+G+B)(Rojo+Verde+Azul).– 1 CCD en el infrarrojo medio.– 1 CCD en el infrarrojo térmico.

Cada uno de los CCD (figura 12) tiene12.000 píxeles (X2), el tamaño de cadapíxel es de 6,5 micras. Tiene una focal de62,5 mm. y un ángulo de campo de vista(FOV) de 52°. La estructura electrónica delsensor está formada por dos arrays escalo-nados desfasados medio píxel. Estos senso-res (figura 10) están sustentados en elplano focal con la disposición que se apre-cia en la figura 11.

Disposición geométrica de las dos filas defotodetectores en cada uno de los sensorespancromático (figura 12).

La toma de la imagen se realiza porbarrido simultáneo en tres posiciones de lalínea de toma, una hacia atrás otra haciaabajo (nadiral) y la tercera hacia delante.

Posteriormente (en posproceso) secompondrán para formar una sola imagen(figura 13).

Descripción del principio de la imagenestereoscópica mediante LAS TRES LÍNEAS(Figura 14).

El principio en el que se basa el sistemade imagen estéreo con tres líneas consisteen que la cámara en el avión que sigue unatrayectoria recta va tomando tres imágenes,una hacia delante, otra nadiral (verticalhacia abajo) y la última hacia atrás, portanto para una única posición del sensorexisten tres imágenes. Esas imágenes secombinan en posproceso para dar una ima-gen continua. También se puede apreciarque la misma zona aparece en tres diferen-tes localizaciones del sensor.

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Figura 9 Figura 11

Figura 10

Figura 12

2 x 12.000 píxeles trasladadosuna cantidad de 0,5 píxeles

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En la figura figura 15 se describe grá-ficamente el efecto que produce la pers-pectiva central en el sensor digital aero-transportado y en la cámara analógica.En el primer caso tenemos tres diferentes

pasadas con zonas en común para hacerposible su correlación. En el segundocaso, tenemos varios fotogramas conzonas en común de forma similar al ante-rior.

Figura 13

Figura 14Principio de las 3 líneas para imágenes estereoscópicas

Pasada delantera

Pasada nadiral

Área diferente para una mismalocalización del sensor

Misma área para diferentes localizacionesdel sensor (ángulo de visión)

Pasada trasera

ESCENA TRASERA ESCENA NADIRAL ESCENA DELANTERA

Imagen compuestade líneas traseras

Imagen compuestade líneas nadirales

Imagen compuestade líneas delanteras

Desventajas de la cámara digitalde línea

– El sistema GPS-INS es totalmentedependiente de estaciones fijas en tie-rra, debe existir al menos una a menosde 30 km. Recibirá de ella datos entre0,5 a 1 seg. Habrá que calcular y consi-derar la excentricidad de antena GPScon la cámara así como los datos INS.

– El objetivo ha de estar abierto perma-nentemente de forma que la radiome-tría viene influenciada por pasadas,toda la pasada tiene las mismas caracte-rísticas. El tamaño píxel es función dela velocidad del avión, del obturador ydel sistema de grabación. Sin embargoel color tiene una resolución completa.

– Es necesario implementar un nuevoflujo de trabajo: • nuevo software.• nuevos procedimientos.

• ya no existen modelos estereoscó-picos.

Formación geométrica de las imágenes

Orientación

La imagen se adquiere durante el movi-miento de avance del avión sobre el terreno,formando una pasada continua, por lo que lafrecuencia de la cámara se ha de ajustar a lavelocidad y altitud del mismo, por tanto hade tomar cada línea de la imagen cada0.00125 segundos. La imagen tiene deforma-ciones por los movimientos del avión, por loque habrá que rectificarla en posproceso.

Para que sea eficiente el sensor, ha deutilizar un Sistema de Navegación Inerciaasistido por GPS que dé posición y orienta-ción a cada línea en cada instante. Este sis-tema estará formado por una Unidad deMedida Inercial (IMU), por un receptor

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Figura 15Efecto de la perspectiva central

CÁMARA DIGITAL

Vista de la toma delantera

Vista de la toma nadiral

Vista de la toma atrás

CÁMARA ANALÓGICA

Fotograma con perspectiva central

Pasada con fotogramascon recubrimiento

GPS bifrecuencia y por un ordenador(POS) que procese ON-line toda esa infor-mación. El IMU graba cambios instantáne-os en la posición y orientación de la cáma-ra 200 veces/segundo y sirve para definir latrayectoria entre dos orientaciones GPS.

Rectificación de imágenes

Después de procesar todos los datos deorientación, esos ficheros se utilizan para rec-tificar las imágenes. Estas se proyectan sobreun plano terrestre a una cota determinada,obteniendo una imagen estándar, georrefe-renciada y preparada para el procesamientoen fotogrametría y teledetección. La imagensin corregir sería una composición de las tresimágenes de línea de la figura 17.

Principios de las cámarasdigitales matriciales

El otro tipo de cámaras digitales es elmatricial. En este caso las imágenes no seobtienen de forma continua sino en sensoresmodulares matriciales simultáneamente. Dosson sus representantes en el panorama comer-cial, la Vexcel Ultracam de Inpho (figura 16) yla Z/I DMC de Zeiss/Intergraph (figura 17).

Estas cámaras combinan varios objeti-vos en su plano focal, produciendo imáge-nes matriciales parciales que se unifican enuna imagen completa en posproceso. Unade ella mediante cuatro imágenes y la otramediante seis imágenes. Vamos a presentarbrevemente las dos principales cámarasdigitales matriciales.

VEXCEL: ULTRACAM D (Inpho)

Está conformada por 4 objetivos pancro-máticos (B/N) compuesto cada uno por11.500 x 7.500 píxeles y por otros 4 objeti-vos matriciales multiespectrales (R,G,B,IR)(rojo, verde, azul e infrarrojo) de 4000 x2672 píxeles cada uno (figura 20). La focalde los objetivos es de 100 mm y su lumino-sidad de f :1,56. Cada uno de los píxeles(fotodetectores) tiene un tamaño de 9 x 9micras y la amplitud (ancho por largo) de sucampo de visión (FOV) es de 55° x 37°.

Los 4 módulos pancromáticos se encuen-tran dispuestos formando haces convergentesde forma que adquieren cuatro imágenes delterreno distintas pero con unas zonas comu-nes para unir todas en una imagen global.

La formación de las imágenes se realizaformando un mosaico de las imágenes apartir de los citados módulos pancromáti-

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Figura 16Cámara+memoria+monitor (Ultracam)

Figura 17Vista de los 8 objetivos

cos, a partir de ahí se forman las combina-ciones a color natural o falso color, median-te los otros cuatro objetivos color. Es decir,se combinan las imágenes en color (R,G,B)con las imágenes en B/N (pancromáticas)mediante puntos comunes, añadiendo unamás de Infrarrojo. Todas las imágenes seproducen en un “disparo simultáneo”, tal ycomo se aprecia en la figura 18.

Los pasos que llevan a la formación dela imagen completa se presentan en lasiguiente serie de ilustraciones.

En primer lugar entra en funciona-miento el cono principal ó maestro con 4matrices de imagen (figura 19). En elsegundo paso el primer cono “esclavo”introduce dos imágenes de forma verticalen el centro de las primeras, creando cua-tro áreas de solape. En el tercer paso, elsegundo cono “esclavo” coloca otras dosimágenes en horizontal creando nuevasáreas de solape y por último el tercer cono

“esclavo” coloca una nueva y última ima-gen uniendo y solapando todas las ante-riores.

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Figura 18Formación de imágenesen la cámara Ultracam

Figura 19

Cono principal con 4 matrices de imagen 2º cono esclavo, 2 matrices más

3º cono esclavo, 1 matriz conexión1 º Cono esclavo, incluye 2 matrices de unión

La imagen final cuenta con 9 matrices deimagen superpuestas con zonas de recubri-miento. En esas zonas los puntos comunessirven para crear en posproceso una imagenúnica en la que se combina informaciónpancromática con color e infrarrojo.

DMC (Zeiss/Intergraph).Digital Metrical Camera

Componentes del sistema y disposiciónen el avión:

La cámara se sitúa en la ubicación tradi-cional, en una perforación del fuselaje,conectada a diferentes elementos que com-ponen el equipo global (figura 22), estos son:

– Centro de control del sistema IMU(Inertial Measure Unit)

– Discos de almacenamiento masivo– Interface del navegador

A su vez el piloto mediante el “Plot dis-play” puede ir siguiendo todo el trabajo quese realiza y la ruta de navegación. El sistemaGPS mediante el control del sensor interco-necta al piloto con la cámara y permitedetectar posibles variaciones de la trayecto-ria. Es necesaria una perfecta ubicación dela cámara con respecto al receptor GPS,conociendo todos los vectores de situaciónpara así poder calcular las coordenadas delos puntos de toma de forma continua.

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Figura 20

Figura 21

Cuadro 2Características técnicas de la cámara Ultracam

Formato de Imágen 13.824 x 7.680 píxelesTamaño CCD 12 micrasDistancia Focal 120 mmSistema GPS/INS Integrado en el sistemaResolución radiométrica 12-bit/CanalCanales espectrales Pancromático, Rojo, Azul, Verde, IR cercanoCompensación FMC Electrónica TDI (Time Delay Integrated)Almacenamiento en vuelo 2.200 imágenesÁngulo de campo 69.3° en sentido trasversal a la traza y 42° en el sentido de la trazaDisparador, apertura Variable de 1/50 a 1/300 seg. f/4-f/22

Un dispositivo que incorpora el siste-ma y que es de gran importancia paramejorar la calidad de las imágenes es elForward Motion Compensation (FMC)mediante Time Delayed Integration (TDI).Este permite compensar el movimientohacia delante del avión que provoca unaclara falta de definición de los objetosfotografiados (figuras 23 y 24), convierte

sus límites en borrosos como podemos verlas imágenes, tanto su efecto (izda.) comosu solución (dcha.). El sistema utilizado(TDI) utiliza la captación previa de la ima-gen y posteriormente un retraso en eltiempo de incorporación a la matriz defi-nitiva.

El esquema de funcionamiento del siste-ma FMC (figura 25) consiste en que el siste-ma va capturando las imágenes en RGB y envez de situarlas directamente donde lescorrespondería, van saltando a la siguienteposición hasta que mediante el retrasocorrespondiente son situadas en la últimalínea de la matriz imagen ya compensadas.

Sistema de almacenamientode datos en vuelo

Uno de los principales problemas deesta nueva tecnología es el enorme tamaño

Figura 23Objeto movido sin

compensar

Figura 24Objeto movidocompensado

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Figura 22Componentes del sistema y disposición en el avión

de los ficheros que provienen de las tomasaéreas digitales. Hay que tener en cuentaque cada imagen está compuesta por matri-ces de 14.000 x 8.000 píxeles y eso implicaficheros muy pesados.

Es por ello que se ha de contar con sis-temas de almacenamiento rápidos, efica-ces y manejables, para que nada mástomar tierra el avión se puedan transpor-tar con facilidad a las oficinas para suproceso. En el caso de la cámara DMC,por ejmplo, el sistema está compuesto portres FDS (Flight Data Storage devices), esdecir dispositivos para almacenamientode datos en vuelo. Su aspecto es el de lafigura 26.

Este sistema está presurizado y es total-mente hermético. Para interconectar losmódulos entre sí y ellos al sistema sensor seutilizan cables de transmisión de informa-ción paralelos de fibra óptica. La velocidadde transmisión de información es de 136MB / s. La capacidad de almacenamientototal del sistema es de 840 GB, lo que equi-vale a 2240 imágenes, cada una de ellas enpancromático, color (RGB) e infrarrojo queequivaldría a 1250 imágenes de fotografíasaéreas de 9”.

Sistema de tratamientode datos en posproceso

Como podemos apreciar en la imagen(figura 26), la cámara está conectada a lossistemas FDS por tres cables de fibra ópti-ca. Una vez en gabinete los tres sistemas dealmacenamiento, se conectan a un PC quemediante una estación de copia, pasa losdatos a cinta o a disco.

La estación de posproceso (PPS-Post-Process_Station) está dotada de un grandisco de acceso rápido de 3,6 TB, y median-te dos motores de procesado de gran capa-cidad que son el Radiométrico y el Geomé-trico va a calcular todos los parámetrosnecesarios para formar la imágenes fotogra-métricas.

Procesado geométricode la imágen

El objetivo de la cámara DMC Z/I estácompuesto por 8 conos. De ellos, 4 sonpancromáticos y cubren cuatro diferenteszonas de la matriz rectangular de la ima-

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Figura 25

Información visible

Dirección delretraso

Direcciónde vuelo

Figura 26

gen. Esas zonas tienen solape entre ellas yen posproceso se unifican para obtener laimagen definitiva. Con estos cuatro conosse consigue una alta resolución geométrica(12 micras) que es la que realmente da eldetalle de la imagen final. En el cuerpo dela cámara va montada también una cámarade vídeo para ayuda a la navegación y enri-quecimiento de la información.

Otro conjunto de conos son los queaportan el color. Uno por cada color pri-

mario (RGB (red, green, blue)). Cada unode ellos obtiene una imagen de la superficietotal de la matriz, y son los que “colorean” laimagen pancromática, aunque no aportanuna gran resolución geométrica (40micras). Por último el cono de infrarrojofunciona igual que los de color pero en esazona del espectro.

Por ejemplo en FR, obtendremos unsolo fichero compuesto por Pan 1,2,3 y 4.Si queremos Infrarrojo en color se combi-

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Figura 27Procesado geométrico de la imagen

4 IMÁGENES CON SOLAPE

PUNTOS ENLACE

narán Pan 1,2,3 y 4 con RGB en un solofichero. Si lo que buscamos es color en CR(Baja resolución) tendremos tres ficheros,uno en cada color. El esquema gráfico delfuncionamiento sería el que se presenta enla figura 27, en él se muestra la formacióndel mosaico de imágenes. Las cuatro tomaspancromáticas unidas mediante un ajusterobusto utilizando puntos de enlace dechequeo y aplicando los parámetros decalibración necesarios pasa de una proyec-ción particular a una perspectiva centraladecuada. Se funden, en resumen las imá-genes pancromáticas, color e infrarrojo.

Sistema de navegación,información en vuelo

El software adecuado permite al piloto yfotógrafo disponer on-line de información devídeo de la zona que se sobrevuela. Simultá-neamente se muestra información sobre elestado del proyecto de vuelo en tiempo real,incluyendo líneas de vuelo, centros de ima-gen, superficie de cada fotograma y recubri-miento. También se cuenta con un fotomosai-co (figura 28) de la zona a levantar obtenidapreviamente o mediante la cámara de vídeo.

Comparativa decámaras matriciales

Aspectos a tener en cuentaen la comparativa

Para elegir un determinado equipo fren-te a otros es necesario tener en cuenta lassiguientes cuestiones:

– Parámetros geométricos similares alas cámaras analógicas (focal 150mm).

– Pixel de 12 micras, lo que implicamás luminosidad por píxel.

– Mayor área de imagen en terreno(>20 %).

– Más robustez de construcción.– Sistema de almacenamiento y descar-

ga, extraíble del avión.– Video cámara y registro de imágenes.– Compatibilidad con equipos de

cámaras analógicas.– Plataforma giro-estabilizada (TA-S).

Si comparamos anchos de barridoiguales, es decir que las cámaras objeto dela comparación barran la misma anchurade la pasada en el terreno, los tamaños depíxel variarán y también las alturas devuelo, de forma que si la Cámara Analó-gica con focal de 150 mm. obtiene unpíxel terreno con una superficie de 100cm2 (por ejemplo), la Z/I – DMC obten-dría un píxel terreno de 111 cm2 y la Vex-cel – Ultracam de 133 cm2. Por lo tanto alaumentar el tamaño del píxel la resolu-ción es menor.

En cuanto a las alturas de vuelo, pode-mos apreciar en la figura 29 que para unamisma anchura de barrido y si la altura devuelo de la cámara analógica es 100, laaltura de vuelo de la DMC es de 111 y dela Vexcel de 148. Esto implica que la altu-ra media de vuelo es notablemente másalta en el caso de Vexcel debido a su focalmás larga.

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Figura 28

Comparativa de sensibilidada la luz

En la elección de la cámara digital ade-cuada es también importante considerar eltamaño del CCD que lleva incorporado. Deforma que un CCD de 12 micras tiene el 77% más de sensibilidad a la luz que un ele-mento de 9 micras.

Por tanto, un elemento mayor de CCDimplica mayor sensibilidad a la luz y portanto mejor calidad de imagen y más deta-lles en las sombras.

Se ha de tener en cuenta que un mayortamaño de píxel en combinación con 12 bitpor píxel produce mucho mejor resultadoincluso con malas condiciones metereoló-gicas.

Comparativa de tamañode imagen final

Si comparamos el tamaño en píxel y enmm. de las dos cámara digitales (DMC yVexcel respectivamente), obtenemos losdatos de la figura 30.

Aplicaciones temáticasde las cámaras digitales

Los sensores de las cámara digitales (2),tal y como hemos visto, portan varios cana-les diferentes, no sólo de luz visible, sinoinfrarrojo, pancromático, etc… Esto permi-te llevar a cabo investigaciones de caráctertemático además de las conocidas cartográ-ficas.

Como existen canales separados parael azul, verde, rojo e infrarrojo, se puedenobtener documentos de ocupación desuelo, investigación y control de plagas enlas cubiertas vegetales, identificación decambios en la vegetación debido a sequías,tipo de cultivo (catastro), análisis de tor-mentas, localización de capas de hielo yarqueología, entre otras aplicaciones.

Cada uno de los canales tiene una utili-dad práctica concreta que otro canal nopuede realizar, por ejemplo:

El canal azul es muy útil para conocer ladispersión de las partículas en la atmósfera,esto permite que el sensor reciba informa-ción de las zonas en sombra de la imagen.Esta es una clara ventaja frente a las cáma-ras analógicas que tienen dificultades paradistinguir detalles en estas zonas.

Para obtener documentos de usos delsuelo y desarrollo urbano se utilizan com-binaciones de varios canales y sirven paraplanificar el tráfico en ciudades y para pro-teger la naturaleza. También se puedendetectar desastres naturales y fenómenosde erosión de costas.

Para la investigación de nubes se usanlos canales rojo, verde y azul sobre todoesta última banda que penetra en la estruc-tura de estas acumulaciones de vapor deagua.

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Figura 29Alturas de vuelo

ANCHO DE BARRIDO

148%

111%100%

(2) Ranier Sandau. “New Potential and applica-tions of ADS40”. Congreso de Amsterdam, Octubre de2000. International Society for Photogrammetric andRemote Sensing.

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Figura 30Comparativa de cámaras matriciales. Comparativa de tamaño de imagen final

13.824 píxel166 mm.

7.640 píxel92 mm.

11.500 píxel104 mm.

7.500 píxel68 mm.

Figura 31Cámara digital fotogramétrica en el Catastro

Es posible también llevar a cabo uncontrol de zonas acuosas con los canalesazul y verde a través de estudios sobre laproliferación de la biodiversidad en lagos yembalses en los que aparece contamina-ción orgánica por eutrofización (aumentode la materia orgánica disuelta en el agua).De forma similar combinando estos doscanales con el infrarrojo próximo permitela detección de vertidos de petroleo.

Para controlar la vegetación y obten-ción de índices o tasas de cubiertas vegeta-les se usan los canales verde, rojo e infra-rrojo. Las mediciones con estos canales aintervalos de tiempos regulares informansobre los efectos climáticos inducidos en labiosfera.

También permiten calcular índices devegetación y parámetros de biomasa paraestimar mediante modelos el rendimientode las cosechas y el índice de dióxido decarbono en la atmósfera que sirve paraestudiar la variabilidad climática por mediode la evaluación de la evapotranspiración.

El uso de los canales rojo e infrarrojo cer-cano en combinación permiten clasificar losdiferentes tipos de vegetación para la planifi-cación agraria considerando la protección delos biotopos ecosistemas y diversidad deespecies. La selección de los canales espec-trales se hizo de acuerdo con las ventanasatmosféricas, teniendo en cuenta donde esmenor la absorción de la radiación electromagnética por parte de la atmósfera.

La cámara digital fotogramétricaen el catastro urbano

La elaboración de cartografía catastralurbana necesita de imágenes métricas aére-as de la más alta calidad. Las nuevas cáma-ras digitales ofrecen muchas ventajas. Unaalta resolución, gran densidad de informa-ción, sobre todo en zonas de sombra (figu-

ra 31) y una gran disponibilidad en eltiempo (al no tener que escanear, se puededisponer del vuelo en un plazo muycorto).

En este ejemplo de par estereoscópicode una zona urbana de Burgos, vemos laimportancia de tener detalle en las som-bras, ya que en zonas urbanas de edificiosaltos éstas tienen gran extensión. Por otrolado, se aprecian muy bien los ocultamien-tos de grandes zonas debidos a los abati-mientos de los edificios.

En otro artículo del mismo autor sedescribía el proceso para la elaboraciónde True-Ortho (ortofotos que eliminan elabatimiento y muestran información delas zonas ocultas debido a una correc-ción en la proyección). Este sistemaextraería información de las zonas dondeun edificio oculta una parte de las fotosadyacentes.

Bibliografía

MIKAEL HOLM, Espoo, An integratedapproach for orthoimage production (2003).

LERMA GARCÍA, J.LUIS, Universidad Poli-técnica de Valencia. Fotogrametría moderna;Analítica y Digital (2002).

GÓMEZ, ALFONSO. Stereocarto España.Proceso digital en fotogrametría (2000).

JOSEF BRAUN, INPHO GMBH, Sttutgart,Aspects on True-Orthophoto Production (2003).

MIGUELSANZ MUÑOZ, PEDRO. U.P.M.Apoyo aéreo cinemático y aerotriangulación digi-tal frente a los sistemas de navegación inercial:Análisis de Precisiones. Madrid (2004).

HINZ, ALEXANDER The Z/I Imaging DigitalAerial Camera System. Stutgart (1999).

MICHAEL E. HODGSON & PATRICK BRES-NAHAN. University of South Carolina. Accuracyof airborne Lidar-Derived elevation: EmpiricalAssessment and error budget. (2003). ■

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Cámaras fotogramétricas aéreas digitales: ventajas e ...

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