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1VIII Congreso Nacional de Topografía y Cartografía

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Madrid

2004

, 19-22 Octubre 2004

Trabajando con cámaras digitales de gran formato

Antonio Flores Álvarez TRABAJOS AÉREOS S.A. [email protected]

RESUMEN En los más de treinta años de existencia de TASA, el dato base de la fotogrametría ha experimentado cambios importantes. Desde la Semana Fotogramétrica de Stuttgart del 94, hace sólo diez años, hemos asistido al nacimiento de la tecnología digital aplicada a la fotogrametría aérea, y en los últimos dos años, a su desarrollo. Creemos que a partir de ahora entramos en la época de operación con estos instrumentos, que van a permitir un flujo y tratamiento de los datos fotogramétricos totalmente digital. De las distintas posibilidades hemos elegido los sistemas matriciales por su similitud con las imágenes convencionales en película. Esta comunicación pretende compartir nuestras primeras experiencias con la cámara digital. Adicionalmente estamos ensayando métodos que complementan la captura de imágenes, fundamentalmente los sistemas LIDAR, y para grandes extensiones de terreno, el SAR. Todo esto, sin olvidar que los datos obtenidos, en el argot informático “pesan” mucho, lo que lleva a un estudio profundo de la gestión de estos datos.

1. INTRODUCCION. Un repaso histórico de la fotografía aérea, sin retroceder hasta Niêpce, nos hace recordar los adelantos de los últimos veinte años. Hemos pasado de cámaras totalmente manuales y mecánicas a las de última generación (en nuestro caso LEICA RC-.30), que utilizan sistemas de análisis de las condiciones de toma mediante fotómetros automáticos (PEM), pueden compensar el desplazamiento de la imagen en la captura, (FMC), duplican el poder separador que nos da resoluciones finales de más de 100 pares de líneas por milímetro (AWARD), la cámara se monta sobre plataformas giro estabilizadas, y se añaden las posibilidades de navegación y captura sincronizada mediante sistemas GPS. Finalmente, la tendencia a la globalización informática, nos obliga a pasar a la generación de cámaras digitales, que ha tenido una expansión impresionante en el mercado familiar, y que en el nuestro definitivamente se muestra operativo, después de una decena de años esperando este momento. 2. EL DESARROLLO Los sistemas no comerciales de alta resolución para la observación de la tierra, crean la inquietud en los usuarios y fabricantes de cámaras aerofotogramétricas sobre la posible utilización de estas tecnologías en la producción comercial. SPOT, LANDSAT, HELIOS, se mueven en el entorno de los metros (hasta un metro con IKONOS). Este hecho, hace que distintas casas comerciales emprendan investigaciones para llegar a fabricar la cámara digital, obteniendo sistemas totalmente diferentes. Fundamentalmente se definen dos tendencias, y la utilización de sensores matriciales o lineales, marca la diferencia. En la Semana Fotogramétrica de 1.999, podemos ver los primeros desarrollos encaminados a la obtención directa de la imagen digital, y cuatro años más tarde, en 2.003, ya podemos evaluar las distintas opciones, incluso comprarlas, con difícil elección al ser sistemas tan distintos. Bien, nosotros analizamos la situación, y después de ver e incluso probar las diferentes opciones, nos decidimos por una cámara matricial, la ULTRACAM D (Figura 1). Esta decisión fue tomada en Diciembre pasado, siendo una de las primeras empresas a nivel mundial y la primera en España (nuestra cámara es la #0011). El tiempo vuela, llegó el diez de Agosto y nuestra unidad aterrizó en CUATRO VIENTOS. Montaje, pruebas en tierra, vuelos de test, y… la cámara ya está en operación.


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Hemos utilizado todos los accesorios que teníamos. La plataforma giro estabilizada PAV 30, el sistema de navegación y captura de datos GPS ASCOT, lógicamente nuestros aviones (en este caso utilizamos el COMMANDER turbohélice de la figura 2) y hoy ya tenemos la cámara digital totalmente operativa. Voy a intentar compartir con ustedes la experiencia.

Figura 1 Figura 2 3. CAPTURA DE IMÁGENES. El sistema trabaja con unos pasos que VEXCEL ha llamado niveles. Este es el flujo de niveles y el significado del contenido de cada uno de ellos: Nivel 00 Los segmentos de imágenes sin procesar son leídos de cada CCD, se produce la redundancia por espejado. Nivel 0 Verificación de los segmentos de imágenes sin redundancia en el almacenamiento. Nivel 1 Los segmentos de imágenes son radiométricamente corregidos y reajustados. Nivel 2 Fusión de segmentos (incluye, limpieza geométrica y radiométrica), ajuste de color por separado. Nivel 3 Producción de imágenes finales pancromáticas, en color o falso color. No vamos a entrar en los métodos y facilidades que nos aportan los sistemas GPS para proyectar y realizar el vuelo. La experiencia se centrará en la toma de imágenes, la transferencia de las mismas a la oficina técnica, el proceso posterior y la entrega al usuario. El sistema obtiene la información bruta en forma de una imagen pancromática y cuatro bandas multiespectrales, las tres de color y el infrarrojo cercano. Esta información, en la unidad de almacenamiento y proceso se mantiene duplicada, es el nivel 00, que puede ser tratado directamente en el avión o posteriormente en la oficina. La elección va a depender del volumen de datos, es decir, los vuelos pequeños tratamos que bajen procesados a tierra, los vuelos grandes se procesarán después y no por falta de capacidad en el sistema, sino por optimizar el sistema completo (AVIÓN, CÁMARA, PROCESO). Tratamos de rentabilizar tiempos muertos, pero no tiene sentido tener un avión en


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modo operación un par de horas adicionales cuando se ha regresado a la base, si el proceso se puede hacer “en casa”, sin prolongar la ocupación del avión. Disponemos de un maletín de transferencia de datos que nos permite “vaciar” el carrete de la cámara, y llevar las imágenes a la oficina. Si no se utiliza el sistema informático de la cámara para proceso, en cuarenta minutos se puede salvar toda la información con la que podemos llenar nuestra cámara (1,5 Terabytes). La ULTRACAM nos permite capturar en su sistema de almacenamiento 2.700 imágenes. Será muy difícil que en una misión de vuelo se llene el almacén ya que en operación normal no obtenemos más de 500 o 600 fotos. VEXCEL mantiene informada a la comunidad de las características de su cámara, y sin entrar en detalles, dispondremos de una imágenes con una resolución de 9 micras en el plano focal, lo que en combinación con la distancia focal de aproximadamente 100 mm. y la altura de vuelo nos dará la resolución en el terreno de nuestras imágenes. Cada una de ellas tiene unas dimensiones de 11500 por 7500 píxeles en pancromático, 4008 por 2672 en las bandas multiespectrales. Además, la cadencia de disparo es menor de 1 segundo, lo que permite obtener recubrimientos incluso a escalas muy grandes del 90%, fundamental para clientes que pretenden obtener cartografía ráster. Quizás deberíamos empezar ya a hablar de resolución en vez de escalas. La cámara utiliza un sistema FMC para evitar el efecto de arrastre de la imagen debido al desplazamiento del avión, lo que permite utilizar altitudes de vuelo muy bajas, y obtener resoluciones mejores de 5 centímetros. El color es una función de superficie. Por eso podemos utilizar información multiespectral de menor resolución que la pancromática. Al aplicar a la banda pancromática la información multiespectral mediante técnicas de PAN-SHARPEN, obtenemos una imagen final con la resolución equivalente a la de la imagen pancromática. Una vez transmitida la información a nuestro maletín de transporte (MSU figura 3), debemos mantener aún la información en la cámara, hasta comprobar en gabinete la consistencia de los ficheros, o bien realizar un duplicado en otra MSU de la que disponemos, o en discos externos. En este momento la tecnología FIREWIRE y los discos de alta capacidad (en el mercado hay discos de un terabyte), permiten diversas combinaciones para manejar los datos.

Figura 3 Figura 4

En la unidad de transporte, la información ya no está duplicada. Estamos en el nivel 0, es decir datos brutos de captura comprobados y no redundantes. Una vez importada por el sistema de tratamiento, en el ordenador disponemos de la información necesaria para “revelar” nuestro carrete. Y el sistema es muy sencillo.


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Desde el maletín se puede realizar el proceso, pero nosotros preferimos volcar al disco del sistema el nivel 0, liberando así cuanto antes el MSU, de forma que el proceso no interfiera con el vuelo. Nos parece mejor separar las dos fases directas del trabajo, VUELO-LABORATORIO = VUELO-PROCESO, consiguiendo un flujo muy similar al que estamos acostumbrados. Con nuestros FICHEROS NIVEL 0 en el ordenador, el software suministrado nos permite obtener el producto final, en un solo paso o con algunos intermedios, dependiendo de lo que requiera el cliente como su dato fotográfico base. Podemos llegar directamente al nivel 3, que será lo usual. La entrega en este caso serán ficheros TIFF (es posible suministrar cualquier formato) de imágenes pancromáticas, o bien imágenes RGB o NIR. La composición del falso color por defecto es sustitución del azul por el infrarrojo cercano, pero se pueden contemplar otras combinaciones. La otra opción, que estamos utilizando para vuelos de archivo de TASA, es quedarnos en el nivel 2 que es el equivalente al negativo o diapositiva directa, y del que podemos obtener más tarde los distintos productos. Al nivel 2 lo consideramos nuestro negativo. En realidad estos ficheros LV2 son imágenes multiespectrales, con la información PAN + RGB + NIR, de los que podemos extraer los datos que realmente nos demanda el cliente. Y CON UNA PROFUNDIDAD DE 16 BITS. El tratamiento del color es bastante complicado, como sabe cualquiera al que le guste utilizar la fotografía como entretenimiento, hasta el punto de que una vez vista una imagen, si empezamos a tratarla, podemos caer en aquello de ahora un poco más de …; seguro que acabamos sin saber que hacer al final, ¿Cuál es la mejor? Pero lo cierto es que las diferentes condiciones de vuelo hacen necesario un “filtrado” de la información para obtener un resultado preciso. En algunos productos finales, requerimos la mano de un experto en color para dar ciertos toques, pero en general intentamos que el proceso sea lo más automático posible, de forma que el gusto de un operador no influya en el resultado final. Para ello, hemos probado con diferentes patrones que almacenamos en forma de Look up Tables (LUT), aplicando a vuelos realizados en condiciones ambientales similares las mismas LUT. Seguimos insistiendo en que el proceso se asemeja al convencional, donde cada bloque de vuelo de características homogéneas (muchas veces es la “pasada” la unidad utilizada), se procesa con valores de filtraje idénticos, obtenidos después del análisis de un test al principio y final de cada pasada. Llegamos así a la práctica. Hemos realizado ya distintos vuelos a diferentes alturas. El que vamos a mostrar esta realizado sobre el Núcleo Urbano de CAMARENA (Toledo) Se proyecto el vuelo con los parámetros básicos mostrados a continuación, obtenidos directamente del sistema ASCOT: Proyecto: CAMARENA-604.FDA

Fecha de planificación: 11/08/2004 10:50:58

Última modificación: 11/08/2004 11:25:46

Fecha vuelo : 12/08/04

Sistema de coordenadas: GRID: SPAIN

Transformación

_______________________________________________________________________________

Nombre del Elipsoide Internacional (Hayf)

Semieje mayor a 6378388.00

Aplanamiento 1/f 297.00

Nombre Transf. Datum SPAIN

dX [m] -131.0320

dY [m] -100.2500

dZ [m] -163.3540


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Rotaci¢n X ["] 1.2438

Rotaci¢n Y ["] 0.0195

Rotaci¢n Z ["] 1.1437

X0 [ppm] 9.3921000

Distancia Focal [mm] 101

Largo x Ancho negativo [mm] 67,5 x 103,5

Margen: MADRID

Margen superior

CAMARENA M.T.N.626 4729.3N 15621.7E 125000 3

1.12.94 12:07:22 026A A14 6477

Margen inferior

FS200 1/ 500 f/5.6 2/3 FF--- EC---- SP- v/h.10971 00% dt006.4 ds046 27.6V -61mb ER00 CAM5142

Estadísticas del Proyecto

_____________________________________________________________________________

Proyecto: Bloques Líneas Puntos

Num. Total Líneas/Puntos 2 2 0 0

Total Fotos Activas 36 36 0 0

Total Fotos Inactivas 0 0 0 0

Longitud total [km] 3.20 3.20

Variación Altitud Vuelo [ft] desde 3911 hasta 3911

Posición del Centro 363213 4428818 30

39ø59'47.8"N 004ø36'13.1"W

Detalles de Líneas

_____________________________________________________________________________________________________________________________

|Ori|N£m|Eti|Escala|Alt. |Trasl |LinBas|Long|Tot.|Num.|N£m.|Alt. |Rumbo|Este |Norte |Zona |Este |Norte |Zona

|_______________________________________________________________________________________________

|B02|003|003| 6111| 575| 60.0| 164| 3| 18|001 |018 | 3911| 0.0| 404970| 4437080| 30| 404970| 4439870| 30|

|B02|004|004| 6111| 575| 60.0| 164| 3| 18|001 |018 | 3911| 0.0| 404530| 4437080| 30| 404530| 4439870| 30|

________________________________________________________________________________________________

Detalles de Fotos

________________________________________________________________________________________________

|Ori|N£m|Eti|N£m.|S|Escala|Alt. |LonL¡n|Rum|Este |Norte |Zona |

|_______________________________________________________________________________________________|

|B02|003|003|001 |A| 6111| -| 164| 0| 404970| 4437080| 30|

|B02|003|003|002 |A| 6111| -| 164| 0| 404970| 4437250| 30|

|B02|003|003|003 |A| 6111| -| 164| 0| 404970| 4437410| 30|

|B02|003|003|004 |A| 6111| -| 164| 0| 404970| 4437570| 30|


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|B02|003|003|005 |A| 6111| -| 164| 0| 404970| 4437740| 30|

|B02|003|003|006 |A| 6111| -| 164| 0| 404970| 4437900| 30|

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

________________________________________________________________________________________________

P=60%, lo que produce un avance aproximado de 160 metros

Q=30%, lo que produce una distancia entre ejes de pasada aproximado de 440 metros.

La superficie cubierta por cada imagen será de 630 metros por 410 metros

La resolución en el terreno (GSD) con esos parámetros es de 5,5 centímetros.

Una vez finalizada la captura, volvimos a la base, descargando en el mismo aeropuerto la información al “Maletín” (MSU). Posteriormente, procesamos la información, y una muestra de los resultados los pueden ver en las imágenes que le mostraré más adelante.

En forma gráfica, el proyecto podemos verlo en la figura 5

Figura 5


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4. SISTEMA INFORMÁTICO DE PROCESO.

Hemos optado por un sistema informático inicial para procesos compuesto por un conjunto de cuatro ordenadores con doble procesador XENON y 2 GB de memoria RAM cada uno, interconectados con Ethernet de 1GB, cada uno de ellos con disco duro de 500 GB (capacidad tota de dos terabytes) y 16 salidas FIREWIRE que hacen posible conectar la unidad MSU para descarga y procesos. Lo que nos permite el software es arrancar cuatro procesos simultáneos, uno en cada CPU para permitir un tratamiento de la información en un tiempo razonable.

Todo lo anterior está complementado por un monitor TFT de 19” y un conmutador para el teclado y monitor. Por seguridad, una fuente de alimentación ininterrumpida, pues aunque los datos básicos no se perderían ante un incidente, sí el tiempo de proceso, que para cantidades grandes de información puede ser importante en un cálculo que a partir de la definición de los parámetros es desatendido. 5. PROCESOS.

Primero definimos los parámetros que afectarán a los distintos productos que obtendremos, y los productos que realmente nos demanda el cliente, pues si bien en la captura obtenemos conjuntamente B/N, color y falso color, las imágenes finales deben ser solicitadas al sistema en el formato deseado. Por ejemplo si queremos un vuelo infrarrojo color, al procesar para obtener el nivel 3, debe ser utilizada la instrucción correspondiente, lo que consume un tiempo de proceso. Para obtener cada producto de nivel 3, debe ser procesada la información desde el nivel 2.

Figura 6


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Figura 7 La figura 7 corresponde al proceso de la imagen 136 desde nivel 0 a nivel 3, con obtención del producto RGB. El histograma obtenido para la imagen en el nivel 2, tiene los valores numéricos que transcribo a continuación: HISTOGRAM INFORMATION Pan. Channel: Mean: 1609.57 Std Dev: 975.47 Min: 0 0,5%: 164 99,5%: 5234 Max: 22866 Red Channel: Mean: 1544.24 Std Dev: 879.74 Min 0 0,5%: 127 99,5%: 4278 Max: 15946 Green Channel: Mean: 1353.16 Std Dev: 835.51 Min: 0 0,5%: 143 99,5%: 4569 Max: 9759 Blue Channel: Mean: 397.92 Std Dev: 273.27 Min: 31 0,5%: 54 99,5%: 1528 Max: 11011 NIR Channel: Mean: 1858.63 Std Dev: 74.28 Min: 169 0,5%: 275 99,5%: 4047 Max: 11381 Recuerden que los valores numéricos posibles para cada canal con 16 bits de profundidad están entre 0 y 65.536. Del estudio de este histograma, y la experiencia del operador, podemos trabajar con distintas LUT, para obtener los resultados requeridos dependiendo de la época del año, el terreno fotografiado, la hora solar y la utilización principal del producto.

A continuación, les muestro los resultados del proyecto CAMARENA, con algunas de las imágenes obtenidas; personalmente les podremos facilitar información más precisa, que en este formato impreso resulta imposible transmitir.


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Pasada rumbo N-S


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Imagen pancromática

Imagen color RGB


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Imagen Infrarrojo color

Imágenes finales en color


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6. CONCLUSIONES. Hemos obtenido unas imágenes de 11.500 por 7.500 piexeles. La escala de esta imagen en el plano focal es aproximadamente 1/6100 pero este dato hay que matizarlo. Para tratamientos automáticos disponemos de una profundidad de 16 bits. Para aplicaciones normales de fotogrametría la escala equivalente en este caso es mayor de 1/3.500.

TASA ha querido comprobar directamente el producto, y en varias formas. Hemos obtenido mediante filmación el equivalente a contactos, formato 23 cm. por 15 cm. Son perfectamente válidos para trabajos de campo o fotointerpretación con estereoscopio. Hemos ampliado la imagen hasta diez veces, comprobando mejoras en el aspecto visual de la copia obtenida respecto a la de un negativo película. Hemos puesto las imágenes en un equipo de restitución digital. En este ambiente, la mejora es aún más perceptible. Al operador de fotogrametría le resulta mucho más preciso el posado, el modelo virtual obtenido tiene una consistencia de maqueta y resulta casi imposible hundirse en el terreno. Los sistemas de correlación automática lógicamente aprovechan al límite estas propiedades, el encuentro de píxeles homólogos en las dos imágenes que forman el modelo tiene éxito en mayor medida. Según el recubrimiento utilizado, cada punto está dentro de cada pasada hasta en diez fotogramas (p=90%), y en bloque en el doble. La obtención de ortofotos se hace más fácil y precisa incluso en zonas urbanas, y si el sistema fotogramétrico utilizado lo permite, la TrueOrtho es posible utilizando los recubrimientos convenientes. Nosotros hemos hecho pruebas de ortorrectificación con excelentes resultados. Los medios fotogramétricos utilizados han sido facilitados por GEOCART.

¿Cómo se pone en aparato un modelo de imágenes digitales de nuestra cámara? Pues tanto para

aerotriangulación como para restitución o rectificación diferencial… igual que una imagen de negativo escaneado. El protocolo de calibración (figura 8), se introduce en el aparato de restitución, la orientación interna se forma leyendo los cuatro píxeles que circunscriben la imagen. Estos son nuestras marcas fiduciales, pero la puntería se hace sobre un píxel concreto, arriba a la izquierda, a la derecha, abajo a la derecha, a la izquierda; sobre un solo píxel de 9 micras.

DATOS PANCROMÁTICOS Camera: UltraCam D, S/N UCD-SU-1-0011 Manufacturer: Vexcel Imaging GmbH, A-8010 Graz, Austria Panchromatic Camera: ck = 101.400mm Multispectral Camera: ck = 101.400mm Date of Calibration: Jul-13-2004 Date of Report: Jul-26-2004 Camera Revision: 1.0 Revision of Report: 1.0 Large Format Panchromatic Output Image Image Format long track 67.5mm 7500 pixel cross track 103.5mm 11500 pixel Image Extent (-33.75, -51.75)mm (33.75, 51.75)mm Pixel Size 9.000µm*9.000µm Focal Length ck 101.400mm ± 0.002mm Principal Point X_ppa 0.000mm ± 0.002mm Y_ppa 0.000mm ± 0.002mm Lens Distortion Remaining Distortion less than 0.002mm

DATOS MULTIESPECTRALES Medium Format Multispectral Output Image (Upscaled to panchromatic image format) Image Format long track 67.5mm 2400 pixel cross track 103.5mm 3680 pixel Image Extent (-33.75, -51.75)mm (33.75, 51.75)mm


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Pixel Size 28.125µm*28.125µm Focal Length ck 101.400mm Principal Point X_ppa 0.000mm Y_ppa 0.000mm Lens Distortion Remaining Distortion less than 0.002mm

Figura 8

Realmente el protocolo de calibración es un informe de 56 páginas donde figuran datos de interés relativos a las distintas propiedades radiométricas y geométricas de la cámara. Simplificando para captura de datos fotogramétricos normales, nos basta con la focal y las dimensiones exactas de la imagen. La imagen suministrada tras los procesos no tiene distorsiones ya que estas son corregidas por el software al obtener el nivel 2, y el punto principal es realmente el origen “0,0”. Les puedo asegurar que la orientación relativa automática se obtiene a la primera tentativa. Todo lo expuesto nos lleva a considerar el comienzo de una nueva época en la fotogrametría española. La utilización de cámaras digitales como la adquirida por TASA, mejora el flujo de trabajo y acorta los tiempos de realización de los proyectos, añadiendo un incremento en la calidad de los productos que entregamos al usuario. El almacenamiento y la gestión de las imágenes digitales es un factor que puede condicionar la decisión de utilizar este nuevo tipo de imagen. Por centrar el tema, si fijamos como producto a entregar imágenes en color, cada imagen ocupa 246 MB. El DVD es un soporte habitual en este momento, y en su forma más estándar, la de una cara y densidad sencilla, permite almacenar 4,7 GB, lo que supone dieciséis fotos con un cierto margen de seguridad. Y realmente un DVD ocupa menos que dieciséis negativos. En competencia con los sistemas actuales de archivo y catalogación, parece un sistema razonable para vuelos de extensión normal. Para cantidades mayores de datos, en recubrimientos de grandes áreas a escalas grandes con mucho recubrimiento, la entrega se puede plantear en disco duros externos de 0,5 ó 1 TB; estos últimos admitirán hasta 3.800 fotogramas. En el caso de grandes corporaciones o administraciones públicas, se puede pensar en la utilización de sistemas robotizados de cintas, de los que algún modelo ya está en el mercado con aplicaciones para la gestión automatizada de la información. Finalmente no olvidemos que cada dos años, se duplica la potencia de las máquinas que nos permiten ver este cambio hecho realidad. 7. REFERENCIAS. VEXCEL Austria http://www.vexcel.co.atGTB Ibérica http://www.gtbi.netGEOCART S.A. http://www.geocart.esTASA http://www.trabajosaereos.es

Madrid, Octubre de 2.004

http://www.vexcel.co.at/

http://www.gtbi.net/

http://www.geocart.es/

http://www.trabajosaereos.es/

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