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ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE LA CONSTRUCCIÓN DE UN MINI HELICÓPTERO COMO APLICACIÓN DE LA FOTOGRAMETRÍA EN
SOLUCIONES DE INGENIERÍA CIVIL
WILMAR DARÍO FERNÁNDEZ GÓMEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL MAGÍSTER EN INGENIERIA CIVIL
BOGOTA D.C. 2003
MIC 2003-II-44
I I
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE LA CONSTRUCCIÓN DE UN MINI HELICÓPTERO COMO APLICACIÓN DE LA FOTOGRAMETRÍA EN
SOLUCIONES DE INGENIERÍA CIVIL
WILMAR DARÍO FERNÁNDEZ GÓMEZ
Trabajo presentado como requisito final para optar el titulo de Magíster en Ingeniería civil
ASESOR ING. ARCESIO LIZCANO PhD
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL
BOGOTA D.C. 2003
1 FOTOGRAMETRÍA DIGITAL
1.1 Definición
Antes de hablar sobre la Fotogrametría digital es necesario tener en cuenta que el principio es el mismo de la fotogrametría convencional en la cual la imagen que utiliza es obtenida a partir de una película original o rollo fotográfico compuesto por diferentes emulsiones que combinado con las características geométricas de la cámara, permiten obtener imágenes a escala con pequeños errores controlados de alguna forma que a la postre permiten tomar mediciones sobre dichas imágenes y convertirlas en planos u otros productos para aplicaciones cartográficas y por ende ingenieriles.
Como la Fotografía digital va a ser editada por un computador es necesario capturarla o transformarla en formato Raster. La captura en este formato se realiza a través de una cámara fotográfica o de video digital las cuales toman las imágenes y las transforman en datos en código binario definiendo la información mediante
formas matriciales y por ende pueden ser interpretadas por el computador. En la actualidad se encuentran en desarrollo cámaras digitales con características métricas, entonces es necesario transformar las fotografías análogas para que mediante un proceso de digitalización el computador las pueda interpretar. El mayor potencial de la Fotogrametría digital consiste en la multiplicidad de usos adicionales a la cartografía convencional, como la elaboración de Modelos Digitales del Terreno DTM, ortofotografias, ortofoto mosaicos.
1.2 Principios de Fotogrametría Digital
Se debe partir de la base de la Fotogrametría convencional en la cual interviene varios procesos como son: El Diseño Geométrico del vuelo Fotogramétrico, La toma de las fotografías, y el procesamiento de la información o restitución. Los parámetros del vuelo se consideran invariantes en ambos procedimientos, para la toma de fotografías se debe tener en cuenta que en este proyecto, se utiliza una cámara digital, por lo cual no es necesario realizar el proceso de escanéo y para la
Estudio de Factibilidad de la construcción de un mini helicóptero como aplicación de la Fotogrametría en soluciones de Ingeniería Civil
W Fernández & A. Lizcano Universidad de Los Andes, Bogotá D.C., Colombia
RESUMEN: Actualmente el desarrollo de la Fotogrametría digital ha permitido de una forma más precisa y rápida, la obtención de cartografía en formato digital. Esto se ha logrado con el procesamiento de imágenes digitales o análogas transformadas, con resoluciones bastante altas. Se pretende obtener dichas imágenes con cámaras digitales convencionales o caseras de alta resolución, utilizando como plataforma un mini helicóptero de radio control, al cual se le adaptan los elementos necesarios para la navegación y para la toma de las fotografías, al igual que establecer la metodología necesaria para convertir dichas imágenes en planos, modelos digitales del terreno, ortofotografias, ortofotoplanos y/o anaglifos ortocorregidos, con precisiones altas en procesos fotogramétricos y aprovechando la visión estereoscópica. El propósito es realizar tomas multitemporales en terrenos que presenten problemas de inestabilidad, zonas de riesgo de inundación o el control de obras civiles, accidentes de tránsito entre otros.
ABSTRACT: Today the developed of the digital photogrametry has permitted in a more precise and faster way the mapping obtention in a digital format. This has been carried out with the processing of digital or transformed analogue images with very high resolutions. We pretend to obtain such images with digital conventional or high resolution home cameras using as a plataform a radio controlled mini helicopter to which are linked the necessary elements for navigations and making the photos, add to this to establish the necessary methodology to convert such images to maps, digital terrain models, ortophotomaps and/or autocorrected anaglifos with high precision in photogrametric processes using the stereoscopic vision. The purpose is to make multitemporal land photos whit problems such as creep, slip, risk inundation zones, civil works control or car accidents, etc.
restitución enumeran los elementos necesarios para aplicar la Fotogrametría digital.
1.2.1 Sistema de Hardware El Hardware es talvez el requerimiento mas importante para la Fotogrametría digital. Para iniciar las imágenes que se utilizan tienen un gran volumen de información. Por esta razón los equipos para el proceso deben ser potentes, una gran cantidad de memoria Ram y alta capacidad de almacenamiento. Adicionalmente se requiere de otros dispositivos que controlen la operación de la posición x, y e z en el Estereo modelo. De otro lado para cumplir con el requisito de Estereo visión, se debe contar con dispositivos que permitan ver en tres dimensiones.
1.2.2 Mediciones en la imagen Para este procedimiento se utiliza el principio de la marca flotante, en este el movimiento de los dispositivos de posición hacen que la marca suba o baje con respecto al terreno, una vez el operador la instale sobre el terreno, puede capturar su posición mediante un clic. Además el programa tiene la capacidad de hacer mediciones de puntos automáticamente mediante la técnica de muestra emparejamiento que consiste en la comparación de sub. matrices pertenecientes a cada punto en las imágenes derecha e izquierda. Encontrando la posición emparejada es igual que colocar sobre el terreno la marca flotante.
1.2.3 Procedimientos de orientación La metodología para orientar los modelos son conocidos como orientación interna, relativa y absoluta. El proceso puede ser manual, puede ser realizado automáticamente mediante un algoritmo de muestra emparejamiento .La orientación interna se realiza con ayuda de las marcas fiduciales. En este caso como la fotografía es convencional y no métrica este proceso no aplica. La orientación relativa consiste en la colocación e identificación de puntos homólogos en las dos fotografías como mínimo 9, puede ser manual o automática. La orientación absoluta se realiza con ayuda de los puntos de control determinados con topografía o GPS e identificados en las fotos o realizando aerotriangulación.
1.2.4 Emparejamiento Digital de imágenes La parte más extensa de la fotogrametría digital o convencional es el proceso de captura de información o restitución. Esta consiste en determinar la posición de los puntos colocando la marca flotante sobre el terreno. Cuando se trabaja con imágenes digitales en un computador puede realizar la restitución manualmente o
con ayuda del software que realiza la tarea usando técnicas de emparejamiento digital de imágenes. Las técnicas digitales de emparejamiento de imágenes caen en tres (3) categorías generales: basado en área, basado en rasgos y métodos híbridos. Métodos basados en área ejecutan el emparejamiento de imagen por una comparación numérica de números digitales en pequeñas matrices de cada imagen. Este método es franca y comúnmente usado en sistemas de fotogrametría digital.
2 METODOLOGÍA DEL PROYECTO DE FOTOGRAMETRÍA DIGITAL.
Para el caso de este proyecto es necesario determinar los parámetros sobre los cuales se va a trabajar en el diseño del mini helicóptero para que cumpla con la funciones de plataforma para el sensor remoto y realice tomas de fotografías digitales, que serán analizadas en una estación digital y obtener así cartografía de escala grande que permita realizar diferentes análisis en Ingeniería civil.
2.1 Definición
El proyecto se define como un proyecto fotogramétrico de objeto cercano y con tomas con cámaras no convencionales o no métricas, en formato digital. Para la realización se necesita u instrumento que permita colocar el sensor (cámara) en el aire a una cierta altura y que se realicen las tomas de las imágenes del área del proyecto. Se considera de objeto cercano ya que se pretenden tomar zonas de deslizamientos con área aproximada a una Hectárea (10000 m²).
2.2 Flujo del proyecto fotogramétrico
El proyecto se conforma de las siguientes actividades : 2.2.1 Planeación del proyecto donde se establecen en primera instancia las proyecciones cartográficas a utilizar en este caso se trabaja con una proyección azimutal o cartesiana, en segundo lugar se debe estudiar la viabilidad técnica y económica del proyecto, en tercer término la definición del modelo de datos, es decir las variables del modelo que van a ser medidas y tenidas en cuenta y por último la revisión de la información existente en la zona, como fotografías anteriores, planos y control existente. 2.2.2 Fotografías aéreas Para la toma de éstas en necesario tener en cuenta en primer lugar el diseño el plan de vuelo y las variables que intervienen como la cámara aérea sus elementos
principales es decir la distancia focal, el tiempo de exposición, su resolución, que en este caso debe ser determinados mediante blancos de prueba. En segundo se debe conocer el avión o helicóptero que llevará el sensor y de él se debe conocer la velocidad de vuelo tipo crucero, la autonomía y el techo de vuelo. Para éste proyecto se debe tener en cuenta el traslapo longitudinal, por lo tanto se realizará una sola línea de vuelo, para evitar procesos complicados de ajuste o métodos de aerotriangulación. En general se afirma que la escala de las fotografías deben tener una escala cinco veces menor de la requerida para el producto final. Tabla 1. Relaciones del tamaño de píxeles de acuerdo con la escala y memoria ocupada _____________________________________________ Escala del Escala Tamaño Tamaño Tamaño plano vuelo píxel en píxel en archivo plano terreno (µm) (m) (Mb) _____________________________________________ 1:2000 1:10000 12.5 0.25 340
25 0.25 85 30 0.30 89
1:1000 1:50000 12.5 0.0625 340 25 0.125 89
30 0.15 89 ______________________________________________ Una vez se cuenta con las fotografías, debe realizarse la evaluación del vuelo y comprobar la escala media de las mismas y los traslapos tanto en sentido longitudinal (60%) y transversal (20%) 2.2.3 Fotocontrol El fotocontrol consiste en darle a las fotografías la posición de puntos conocidos, mediante procesos topográficos convencionales o geodésicos o utilizando el Sistema GPS. El fotocontrol se puede realizar bien sea realizando una señalización previa a la toma de las fotografías o una vez se cuente con ellas se escogen puntos fácilmente identificables en la fotos y en el terreno. Para su determinación debe referirse al sistema de coordenadas de cada país, en este caso al sistema de coordenadas nacionales determinadas por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi IGAC, el cual ha determinado redes de control horizontal y vertical con precisiones definidas. Tabla 2. Precisión de los puntos de control para Colombia _____________________________________________ Control Horizontal Vertical _____________________________________________ Primer orden >1:100.000 4mm vK Segundo orden >1: 50.000 8mm vK Tercer orden >1: 10.000 12mm vK
______________________________________________ Siendo K la distancia nivelada en Kilómetros
En la actualidad es comúnmente utilizado el Sistema de Posicionamiento Global GPS mediante el cual se realiza el posicionamiento o “determinación de la posición de un objeto estacionario o en movimiento” (Fernández Ch, 2003, p. 133). La posición de cada punto se puede determinar referida a un sistema de coordenadas preestablecido por ejemplo al sistema de coordenadas del país (coordenadas verdaderas) o a un sistema de coordenadas locales generado por un punto o par de puntos establecidos arbitrariamente. 2.2.3 Restitución Fotogramétrica El principal uso de la fotogrametría está en la elaboración de mapas topográficos y cartográficos entre otros. Para lograr este objetivo, es necesario reconstruir en el laboratorio el terreno común a dos fotografías, utilizando un instrumento diseñado para tal fin, y obtener en esta forma el modelo estereoscópico que solo variara del original en tamaño. La captura o restitución se refiere a la determinación de los puntos, líneas y polígonos, los cuales configuran los accidentes del terreno y de acuerdo con el modelo de datos proyectado inicialmente. Una vez se completa la orientación del modelo o zona común en las dos imágenes, el modelo se encuentra en sus coordenadas reales, es decir que cualquier punto que se escoja tiene su posición X, Y, Z definida. Debe entonces capturarse en un archivo la información correspondiente al terreno levantado dibujando en planta la información para lo cual se utilizan los elementos mencionados. La captura se realiza mediante el principio de la marca flotante que consiste en la colocación de marcas artificiales idénticas o complementarias, que al ser colocadas sobre puntos homólogos del modelo, se verán fusionadas en una sola, aparentemente formando parte de la imagen y a la misma altura de la zona que la rodea. Moviendo estas marcas artificiales, una respecto a la otra, en dirección paralela a la línea de vuelo, se verá que la marca flotante sube o baja respecto al terreno. En Fotogrametría digital el movimiento horizontal es proporcionado por un “mouse” y el movimiento vertical por manivelas o por una pequeña rueda adaptada al mismo.
La captura consistirá entonces en grabar cada detalle por medio de líneas, puntos o polígonos, en los cuales se colocará la marca flotante justamente sobre el terreno. Los puntos sirven para determinar mallas, cuadriculas o grillas a distancias definidas o no, generalmente se busca hacer mallas regulares para facilitar la interpolación y la elaboración del Modelo Digital del Terreno (DTM). Las líneas sirven para determinar cambios de pendientes o break lines, por ejemplo en la corona y la pata del talud, carreteras, ríos, divisorias de aguas y curvas de nivel. Los polígonos permiten determinar contornos de zonas, construcciones, lagos, cultivos, y bosques entre otros. Toda la captura se realiza en un software de dibujo tipo CAD en 3D.
2.3 Recursos técnicos
2.3.1 Cámara Para realizar la toma de la imágenes se utilizó una cámara Sony DSC 707. Esta almacena la información en Memori Stick y se descarga la información por medio de un cable USB conectado directamente a un P.C., el formato usado en las imágenes es JPG. Las especificaciones de la cámara fotográfica son:
Diámetro del filtro : 58 mm. Distancia de enfoque : 50 – 90 cms o más Resolución : 5 Mega píxeles Lente : Tipo Asfèrica Zoom : 5X – 10X f : 9.7 - 48.5 mm(38-190mm) 35mm F : 2.0 – 2.4
2.3.2 Hardware Para las pruebas con fotografías aéreas se utilizó una estación fotogramétrica ZI Imaging con lentes polarizados. Para la fotografía horizontal se utilizo una estación fotogramétrica tipo VirtuoZo.
2.3.3 Software
El software utilizado para la fotografía vertical fue el ZI Imaging de origen norteamericano, en el cual se creo el proyecto fotogramétrico realizando las orientaciones interna, relativa y absoluta, que simularon las condiciones del avión en el momento de la toma y adicionalmente dieron el control al modelo
estereoscopico determinando también los errores residuales en X, Y e Z. Para el análisis de la fotografía horizontal se utilizo el software VirtuoZo realizado en China y que permite realizar el estudio con cámaras no métricas, es decir convencionales y permite que ellas no tengan las marcas fiduciales, realiza las orientaciones relativa y absoluta utilizando técnicas de emparejamiento digital de imágenes. Para la captura e interpretación de los datos, generación de modelos digitales y mediciones se utilizó el software Microstation y Autocad.
3 RESULTADOS OBTENIDOS
3.1 Fotografía aérea
Utilizando un par de fotografías a color aéreas escala 1:10000 , de una zona de cantera y utilizando el software ZI Imaging se obtuvieron los siguientes resultados. Tabla 3. Resultados de la orientación relativa _____________________________________________ Parámetro Fotografía
Izquierda Derecha _____________________________________________ X0 0.000 86.456 mm Y0 0.000 0.203 mm Z0 152.720 153.408 mm Omega -0.315 grados Phi -0.110 grados Kappa 0.511 grados ______________________________________________
Tabla 4. Resultados de la orientación absoluta _____________________________________________ Parámetro Fotografía
Izquierda Derecha _____________________________________________ X0 14913.525 11524.260 m Y0 11540.260 11524.814 m Z0 3239.737 3248.921 m Omega -0.157 -0.473 grados Phi 0.077 -0.028 grados Kappa -0.776 -0.265 grados
Tabla 5. Resultados RMS _____________________________________________ Parámetro (m) X Y Z XY _____________________________________________ Control 2.311 4.438 4.486 3.538 Check 0.000 0.000 0.000 0.000s
3.2 Fotografía Horizontal
En la segunda prueba se tomaron modelos con ayuda de la cámara Sony DSC 707, realizando blancos de prueba con una base medida y con fotografías desde ambos extremos para que el modelo se pudiera analizar en 3D. Tabla 6. Resultados para prueba de objeto cercano, parámetros de orientación _____________________________________________ point NO. dX dY dZ _____________________________________________ 2 0.015 0.024 0.002 6 -0.045 0.064 -0.005 9 0.155 -0.158 0.054 15 -0.030 -0.003 -0.062 A -0.048 0.015 -0.010 C 0.031 0.095 0.033 20 0.049 -0.054 -0.014 E -0.125 0.031 0.024
* Para este proceso no se tiene información de orientación interna. Tabla 7. Residuales absolutos, RMS _____________________________________________ mX mY mxy mz _____________________________________________ 0.077779 0.073283 0.106865 0.033115
4 EQUIPAMIENTO
4.1 Helicóptero
Como elemento básico del proyecto se recurre a los expertos aeromodelistas que manejan de manera perfecta la técnica de volar helicópteros y con su ayuda se estableció el equipo básico para el mini helicóptero. El motor del helicóptero es similar a un motor de avión glow de 2 tiempos excepto que este tiene una disipador de calor más grande para refrigerarlo mejor, y un carburador con el ajuste mejorado en los medios. Al comprar el motor del helicóptero, el silenciador no esta incluido. El silenciador viene generalmente con el kit del helicóptero.
4.1.1 Receptor Para recibir la señal del transmisor y después transmitirla a los servos. Hay básicamente dos tipos de receptor. Pero cual utilizar depende principalmente de su tipo de radio y de qué puede utilizar. 4.1.2 El receptor del PCM es un receptor digital que utiliza frecuencia normal de FM, pero la señal es una señal digital codificada la cual el receptor del PCM la interpreta como comandos. 4.1.3 Servos
Los servos son los motores mecánicos que se conectan al receptor y a las superficies de control del helicóptero vía acoplamientos mecánicos. Una vez más hay muchas clases de servos diferentes que van de una fuerza de torsión de 3kg hasta el esfuerzo de torsión de 9kg. Generalmente, los servos con más fuerza de torsión se utilizan para el vuelo avanzado como acrobacias aéreas y 3d, y los servos normales o estándares para el vuelo general. Para un helicóptero, se requiere un mínimo de 5 servos: Motor Paso Colectiva, Rotor De la Cola , Cíclico Derecha/Izquierda ,Cíclico Adelante/Atrás
4.1.4 Giróscopo
Un giróscopo, es un dispositivo electromecánico usado en el helicóptero para ayudar a semi-automatizar la respuesta del rotor de la cola. En el caso de un helicóptero de R/C, se intercala eléctricamente entre el receptor y el servo que controla el paso de las palas del rotor de la cola. Un sensor mide cualquier cambio indeseado en el desvío del helicóptero y corrige la situación aumentando o disminuyendo el paso del rotor de la cola para estabilizar el movimiento.
4.1.5 Equipo de Campo
Depende en gran parte del tipo de mecanismo de arranque del helicóptero. Un motor glow con un 'recoil pull-starter' (arrancador de retroceso), necesita combustible y bomba para el combustible, y un calentador de bujía (o chispómetro) para proveer de corriente a la bujía durante el arranque. Si no tiene arranque de retroceso, se necesita además indudablemente un arrancador eléctrico accionado por una batería de 12 voltios para dar vueltas al motor. 4.1.7 Costos A continuación se presenta el análisis de costos para el ensamblaje del mini helicóptero. Tabla 9. Costos Equipo _____________________________________________ Elemento Costo US$ _____________________________________________ Helicóptero armado 2800 Radio Control Helicóptero 450 Radio control cámaras 225 Cámara de foto / video digital 1600 Cámara de video pinholl 300 Giróscopo 750
Adaptación Elementos 750 Instrucción de vuelo y otros 1000 Total 7875
4.2 Estación fotogramétrica – VirtuoZo
Acepta como entrada fotografías e imágenes aéreas o de satélite, con sobre posición, tomadas con cámaras métricas o no métricas.. Se compone de diferentes módulos descritos a continuación
4.1.2 Modulo Base Funciones : entrada de datos, imágenes y parámetros implícitos de escalas, intervalos, resolución etc. Visualización 3D., procesamiento por lotes . 4.2.2 Modulo V-Orient Funciones: Orientación interna y relativa automáticas, orientación absoluta semi automática, generación de imágenes epipolares (eliminación automática del paralaje por Y).
4.1.3 V-Matching Funciones: Proceso previo a la Estereo correlación, correlación de imágenes, generación de grillas regulares tridimensionales, correlación previa de áreas con bruscos cambios de pendientes.
4.1.4 Modelo V-DEM Generación del DTM mediante la red irregular de triángulos TIN, generación de curvas de nivel de acuerdo con las necesidades, unión de modelos digitales de diferentes Estereo modelos.
4.1.5 V-Ortho Generación automática de ortofoto digital, mosaico de ortofotos. 4.1.6 V-Mapper Captura fotogramétrica de información de precisión, mediciones sobre los modelos, edición.
4.2 Costos Tabla 8. Costo Software VirtuZo _____________________________________________ Procesador Módulos Costo _____________________________________________ Pentium III V-Base V-Orient V-Matching
V-DEM V-Ortho V-Mapper Hardware para visualización 3D USD$ 7800
Tabla 9. Costo Software VirtuZo _____________________________________________ Procesador Módulos Costo _____________________________________________ Pentium IV V-Base V-Orient V-Matching
V-DEM V-Ortho V-Mapper Hardware para visualización 3D USD$ 9300
5 CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
-El ensamble de los elementos del helicóptero como tal es un proceso que debe ser llevado a cabo por personas expertas en el manejo de aeromodelos de ésta índole. -La determinación del sistema de coordenadas base para cada proyecto puede ser mejorada en precisión con la utilización del sistema GPS. -Es recomendable para el proceso de fotocontrol la determinación de los puntos una vez se han tomado las imágenes. Si la zona es muy homogénea y no se encuentran detalles que puedan identificarse en la foto, solo en ese caso deberá recurrirse a la pre señalización. -Para lograr el máximo rendimiento en imágenes se debe contar con una cámara de zoom fijo y con alta resolución, como mínimo 5 Mega Pixeles. -La fotografía de objeto cercano permite a una distancia menor de 100 metros obtener residuales del orden de 10 a 20 cm, por lo tanto debe procurarse no superar estas distancias, también es importante la determinación de los puntos de control para los modelos.
6 BIBLIOGRAFÍA
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DEAGOSTINI, Introducción a la fotogrametría, CIAF, Bogotá, 1978.
DOWMAN, I.J. Department of Photogrammetry and Surveying, University College London, Gower Street, London C1E 6BT, UK
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FRICKER Peter y otros, Introducción al sensor digital ADS40. LH Systems 2000.
HOFMANN-WENLLENHOF, B., GPS Theory and Practice, Springer-Verlag, New York, 1994
LANGLEY, R., The GPS Error Budget, in GPS World of March 1997.
LANGLEY, R., GPS Receiver System Noise, in GPS World of June 1997.
MURILLO, Julio. Nociones de triangulación, Instituto Geográfico Agustín Codazzi, Bogotá.
WOLF, Paul R. Elements of Photogrammetry, Second Edition, McGraw - Hill, Singapore, 1988.
www.Aeromodelismo.net www.pragar.com.co www.schiebel.com
CONTENIDO Pág.
INTRODUCCIÓN 10
1. OBJETIVOS 12
1.1 GENERAL 12
1.2 ESPECÍFICOS 12
2. ANTECEDENTES 13
2.1 HISTORIA DE LA FOTOGRAMETRÍA 13
2.2 APLICACIONES DE LA FOTOGRAMETRÍA 17
2.3 DESARROLLO DE IMÁGENES DIGITALES 18 2.3.1 Fotogrametría digital 20 2.3.2 Dispositivo de carga acoplada (CCD) 21
2.4 PRINCIP IOS DE FOTOGRAMETRÍA DIGITAL 25 2.4.1 Sistema de hardware 25 2.4.2 Mediciones en la imagen 29 2.4.4 Procedimientos de orientación 30 2.4.4 Emparejamiento digital de imágenes 32
2.5 FOTOGRAMETRÍA TERRESTRE 34
3. METODOLOGÍA DE UN PROYECTO DE FOTOGRAMETRÍA DIGITAL 37
3.1 DEFINICIÓN 37
3.2 PROCEDIMIENTO 37 3.2.1 Planeación del Proyecto Fotogramétrico 39 3.2.2 Fotografías aéreas 40 3.2.2 Fotocontrol 43 3.2.3Aerotriangulación 47 3.2.4 Restitución fotogramétrica 51 3.2.5 Generación de modelos digitales de terreno (DTM) 52 3.2.6 Ortofotografía digital 56 3.2.7 Errores en las mediciones 61 3.2.8Ventajas y Desventajas de la Fotogrametría Digital. 63
4. PRUEBAS EXPERIMENTALES 64
4.1 MINA 64
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7
4.1.2 Procedimiento 64
4.3 RESULTADOS OBTENIDOS 67 4.3.1 Fotografía aérea 67 4.3.2 Fotografía Horizontal 68
5.EQUIPAMIENTO 70
5.2 HELICOPTERO 70 4.1.2 Receptor 70 4.1.3 Servos 70 4.1.4 Giróscopo 71 4.1.5 Equipo de Campo 71 4.1.7 Costos 71
4.2 Estación fotogramétrica – VirtuoZo 72 4.2.1 Modulo Base 72 4.2.2 Modulo V-Orient 72 4.2.3 V-Matching 72 4.2.4 Modelo V-DEM 72 4.2.5 V-Ortho 73 4.2.6 V-Mapper 73 4.2.7 Costos 73
6. CONCLUSIONES 74
6.BIBLIOGRAFÍA 75
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1 La relación entre píxeles y pares de líneas: (a) muestreo es alineado con
pares de líneas; (b) muestreo está mal alineado con los pares de líneas. 23
Figura 2. Concepto de resolución 24
Figura: 3. Pantalla activa 26
Figura 4 Disposición del equipo para la estéreo visión en split 27
Figura 5. Visión LCD 28
Figura 6. Pantalla y estereoscopio 29
Figura 7 Orientación relativa 31
Figura 8 Orientación Absoluta 32
Figura 9 Correlación de imágenes 34
Figura 10. Análisis matemático de un estereopar fotogramétrico. 35
Figura 11 Flujo de trabajo en el proyecto fotogramétrico 38
Figura 12 Toma de fotografías 40
Figura 13. Aerotiangulación de fajas 50
Figura 14. Aerotiangulación de bloques 50
Figura 15 Modelo Digital del Terreno DTM. 54
Figura 16: Deformación debido al relieve 59
Figura 16 Corrección debido al relieve 60
Figura 17 Generación de Overviews 65
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LISTA DE TABLAS
Pág.
? Tabla 1. Relaciones del tamaño de píxeles de acuerdo con la escala y
memoria ocupada 42
? Tabla 2. Precisión de puntos de control 46
? Tabla 3. Precisiones obtenidas con GPS 47
? Tabla 4. Diferencias entre ortofotos y fotografía aérea. 58
? Tabla 5. Relación de errores por metro de acuerdo con la escala de
graficación. 62
? Tabla 6. Resultados de la orientación relativa 67
? Tabla 7. Resultados de la orientación absoluta 67
? Tabla 8. Resultados RMS 68
? Tabla 9. Resultados para prueba de objeto cercano, parámetros de orientación
68
? Tabla 10. Residuales absolutos, RMS 69
? Tabla 11. Costos Equipo 71
? Tabla 12. Costo Software VirtuZo 73
? Tabla 13. Costo Software VirtuZo 73
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INTRODUCCIÓN
El desarrollo de los sensores remotos en los últimos años, ha avanzado
notablemente, solucionando problemas de reconocimiento y medición de áreas
urbanas y rurales en general. Con estos procedimientos se han podido establecer
fronteras, zonas de bosques, cultivos lícitos e ilícitos, y zonas de riesgo entre
otras. Adicionalmente con los mismos se ha podido establecer la ocurrencia de
desastres como avalanchas y deslizamientos.
De otro lado el principio de estereoscopía permite analizar pares de fotografías
para observar los objetos en tercera dimensión y realizar mediciones, cálculo de
áreas y dibujos a partir de estos a escalas definidas de acuerdo con los
requerimientos y la finalidad de la cartografía. Los parámetros de toma de
fotografía (horizontal, vertical u oblicua) y restitución (escala de ploteo, resolución
espacial y objeto de estudio) deben ser dados al inicio de cualquier proyecto
fotogramétrico.
Para cumplir con estos requisitos se deben analizar los procesos que intervienen
en el proyecto fotogramétrico como son:
• Planeación de líneas de vuelo y cálculo de la altura absoluta. Determinación
de cartografía base y cuadrilátero de referencia.
• Diseño geométrico del vuelo fotogramétrico: cubrimiento.
• La cámara (análoga, digital o video), es decir, formato, resolución, tiempo
de exposición, blanco de prueba, medición y comparación de datos en el
terreno, calibración.
• Fotocontrol: control de coordenadas del modelo por pares fotogramétricos
• Restitución o captura de información topográfica con ayuda de un Software
de procesamiento de la información.
• Medición. Interpretación y análisis de la información.
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• Obtención de productos como planos, Modelos digitales del terreno,
ortofotos, anaglifos, entre otros.
Estos elementos son los que se deben analizar para entrar en la construcción del
aeromodelo que sirva como una herramienta rápida y eficaz en diferentes áreas
de la ingeniería civil, como aplicaciones en:
• Deslizamientos y estabilidad de taludes.
• Topografía de pequeñas áreas.
• Accidentes de tránsito.
• Control de obras civiles.
• Vulcanología.
Por último, cabe anotar que para el desarrollo de este proyecto es necesaria la
intervención de diferentes profesionales y especialistas en áreas específicas
como: aerodinámica, mecánica, electrónica, topografía y geodesia y sistemas
entre otras.
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1. OBJETIVOS
1.1 GENERAL
Realizar el estudio de factibilidad para la construcción de un aeromodelo que
funcione como un sensor remoto para la determinación de puntos y áreas de
características especiales como aplicación en la topografía y otras ramas de la
ingeniería.
1.2 ESPECÍFICOS
Determinar los elementos más importantes para la construcción de un aeromodelo
y establecer los tipos de mediciones que debe ejecutar el mismo en el momento
de la toma de las fotografías aéreas.
Establecer una metodología general para el desarrollo de cualquier proyecto de
medición de objetos con ayuda del aeromodelo.
Proponer el equipamiento que debe tener el aeromodelo (helicóptero) para cumplir
las condiciones de un sensor remoto capaz de tomar fotografías aéreas que
arrojen como resultado una restitución a una escala adecuada y con mediciones
que satisfagan las precisiones requeridas.
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2. ANTECEDENTES
El siglo que está empezando, será un período de alto desarrollo tecnológico en
todas las disciplinas. Como eje básico se ha centrado el avance acelerado en las
telecomunicaciones, lo cual ha permitido intercambiar ágilmente los logros o
avances específicos en cada área. En este marco histórico, la cartografía ha
tomado un lugar muy importante, ya que se ha venido dando en forma simultánea
con el desarrollo de aplicaciones y metodologías cada vez con mayor complejidad,
pero mostrándose más clara al usuario final. Dentro de estas consideraciones, se
esta viendo como la fotogrametría digital se va a desarrollar con mucha fuerza en
los próximos años en el país.
2.1 HISTORIA DE LA FOTOGRAMETRÍA
El fundamento geométrico de la Fotogrametría se estableció aún antes de que
Daguerre descubriese la fotografía en 1839; ya en 1759, Lambert estableció los
fundamentos para resolver el problema inverso de la perspectiva, y Gay Lussac y
Arago, en un informe al gobierno francés, con motivo del invento de la fotografía,
llamaron la atención sobre la posibilidad de reproducir los objetos fotografiados,
pero el verdadero fundador de la fotogrametría fue el coronel francés Laussedat,
quien a partir del año 1852 consiguió obtener planos exactos de edificios o de
pequeñas extensiones de terreno por medio de fotografías.
En 1901 Pulfrich aplicó el principio de la visión en relieve para efectuar medidas
estereoscópicas por medio de un aparato de su invención, el estereocomparador
que produjo verdadera revolución en el concepto, que hasta entonces se tenía de
las posibilidades fotogramétricas; pero el método era lento por tener que deducir
numéricamente las coordenadas punto por punto. La fotogrametría terrestre
alcanza su plenitud en 1910 gracias al Teniente Austriaco Bondorel, inventor del
estéreo autógrafo, aparato de restitución automática de la fábrica Jena.
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Estas tres etapas de la fotogrametría corriente, de estéreo fotogrametría analítica
y de estéreo fotogrametría automática, se refieren a fotografías obtenidas desde
tierra y constituyen los métodos de fotogrametría terrestre. Después de algunos
ensayos para obtener fotografías desde globos o cometas, durante la primera
guerra mundial surgió la necesidad de obtener fotografías aéreas, más la solución,
no fue fácil. En la fotogrametría terrestre el aparato fotográfico está fijo y por
métodos puramente topográficos es posible situar en el plano el punto de estación,
pero en la fotogrametría aérea la cámara está en movimiento y es indispensable
conocer su posición exacta en el momento de hacer la fotografía antes de
restituirla. Se pensó primero en resolver un problema de Photenot en el espacio
apoyándose en puntos conocidos, pero en este caso la resolución del vértice de
pirámide conduce a cálculos sumamente complejos que precisan varias
aproximaciones sucesivas, método incompatible con el trabajo diario. Durante
largo tiempo se dirigieron las investigaciones a resolver de un modo práctico este
problema de la pirámide, y con objeto de simplificar comenzaron a ensayarse
métodos giroscópicos para disminuir la libertad de movimiento de las cámaras
fotográficas, y cuando ya se preveía alguna solución satisfactoria en este sentido
se abandonó el sistema y se obtuvo la solución resucitando el viejo teorema de
Terrero-Hauck o de los planos nucleares, que permitió conseguir la orientación
relativa de cada dos fotografías consecutivas por métodos exclusivamente ópticos
y mecánicos.
De este modo surgió en 1922 el primer restituidor automático de fotogrametría
aérea, debido al Profesor Hugershoff, con el cual había que guardar algunas
restricciones, y en 1923 fue construido el estereoplanígrafo de Baurfield-Zeis,
seguido de aparatos Franceses, Italianos y Suizos con los que pudo darse como
resuelto el problema de la fotogrametría aérea, hasta llegar a los actuales
restituidores digitales o estaciones digitales de trabajo, no obstante, en todos los
casos han de obtenerse puntos de apoyo o puntos de fotocontrol, por medio de la
topografía tradicional o por el método de posicionamiento global satelital GPS.
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La fotogrametría digital emerge como una realidad indiscutible, con los
restituidores analíticos, que han adquirido un nombre más imponente “Estaciones
de Trabajo analíticas” o el de “Estaciones de captura de datos tridimensionales”,
reemplazando a sus antecesores analógicos, de los cuales miles aún se resisten a
partir y los modernizan, pero la obsolescencia, por el cambio de tecnología se
hace cada día más intensa. Esto deja pensar en un salto directo de lo analógico a
lo digital.
En cuanto a las estaciones analíticas de trabajo sus antecedentes de actividad en
el mundo entero fueron enormes, desde que aparecieron AC1 y DSR1, hasta hoy
con la serie “SD”, con grandes gamas de soporte lógico para cubrir al máximo las
exigencias de los más diversos usuarios.
La incorporación de sistemas de súper-posición de imagen, a fin de asegurar la
integridad de la restitución, por un lado, y por otro facilitar la puesta al día de la
información existente en la base de datos. Es a propósito de esto, que la
integración real y efectiva de estas estaciones de trabajo, dentro del concepto
integral de la cartografía y de los sistemas de información geográfica cobra un
gran valor y significado.
La diferencia entre los métodos analógicos y analíticos radica originalmente en los
instrumentos utilizados para la restitución y sus insumos, pero, su diferencia
principal se encuentra en las precisiones y calidad del producto obtenido, ya que
los equipos analógicos permiten tan solo desarrollar el trabajo de restitución
mediante métodos óptico – mecánicos que busca simular la posición de las
fotografías en el momento de la toma y su precisión depende de la habilidad del
operador, del tipo de instrumento, de la calibración y resolución de los equipos;
mientras que lo equipos analíticos fundamentan su metodología de restitución
mediante soluciones matemáticas que identifican puntos por coordenadas
haciendo uso de ordenadores electrónicos, otra diferencia importante es en la
corrección por distorsión de la lente, mientras en un instrumento analógico
generaliza esta corrección un instrumento analítico utiliza la matriz de corrección
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existente en el certificado de calibración de la cámara. Como se reseña
anteriormente el más importante desarrollo desde la aparición de los restituidores
analógicos y analíticos, ha sido sin lugar a dudas la llegada de la fotogrametría
digital cuya diferencia con los anteriores métodos radica en que la fotografía se
transforma en un elemento digital. En esta tecnología, muchas cosas son
diferentes: por ejemplo los insumos.
Es impresionante, la rapidez con la que se ha convertido en una técnica
operacional. Muchos usuarios de las imágenes fotográficas, las están digitalizando
utilizando rastreadores digitales, conocidos como escáner. Existen dispositivos de
este tipo de alto rendimiento y resolución destinados a las aplicaciones
fotogramétricas (Escáner Fotogramétrico).
Las estaciones de trabajo de fotogrametría digital, con una real y efectiva visión
estereoscópica, se encuentran disponibles. La calidad de la imagen digital o
imagen digitalizada (Cada elemento digital es llamado píxel, palabra artificial para
designar un elemento de imagen). El valor de un píxel depende de la resolución y
del tipo de instrumento utilizado en el proceso de digitalización de las fotografías.
El soporte lógico de los actuales sistemas de fotogrametría digital tiene
prácticamente los mismos alcances y funciones que los de un restituidor
analítico, pero va mucho mas allá. El procesamiento de imágenes de los archivos
digitales, por ejemplo, facilita la extracción de un máximo de información, como
para llevarlo fácilmente a un sistema de información geográfica o territorial y
prácticamente no tiene limitaciones.
Bajo el Decreto 1414 del 13 de Agosto de 1.935 se crea el Instituto Geográfico
Militar de Colombia, el cual hacía parte del Estado Mayor del Ejército Nacional.
Esto sucedió hasta 1.939 donde luego pasa a depender del Ministerio de
Hacienda. En 1.950 pasa a ser el Instituto Geográfico Agustín Codazzi en
reconocimiento a este geógrafo italiano.
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Hacia el año 1.947 llega la Fotogrametría a Colombia y hacia 1.960, el Ministerio
de Obras Públicas establece la Oficina de Aerofotogrametría.
El propósito fundamental de esta oficina era colaborar con el desarrollo de las
obras de Ingeniería Civil como la planeación de carreteras, ferrocarriles, canales,
puentes, entre otros.
Bajo el Decreto Legislativo 290 de 1.957, el Instituto Geográfico Agustín Codazzi,
IGAC, pasa a ser un establecimiento descentralizado con personería jurídica,
patrimonio independiente y autonomía administrativa, las cuales le dan facultad
legal para gestionar sus propios proyectos.
2.2 APLICACIONES DE LA FOTOGRAMETRÍA
La multiplicidad de usos ofrecidos por la fotogrametría digital permite la aplicación
de ésta en diferentes sectores, en la silvicultura, en la agricultura y en la minería,
se utiliza para inventariar la consistencia del suelo, las especies de árboles y la
proyección de las cosechas; para medir minas a cielo abierto, la reserva de
materias primas y los residuos de mineral; para detectar las enfermedades de los
árboles o para detectar las mutaciones de la naturaleza; para constatar los daños
producidos por un incendio forestal, etc.
En el sector ecológico, la fotogrametría digital sirve para controlar la
contaminación del suelo, del agua y del aire, para controlar la contaminación de
los mismos, o para averiguar los daños causados por catástrofes de la tierra. Los
geólogos emplean la fotogrametría digital para los estudios geomorfológicos y
para detectar las formaciones subterráneas y las fallas. En la ingeniería y en la
planeación del territorio, con la fotogrametría digital se puede visualizar el efecto
producido por un proyecto que todavía no se ha realizado. Los arquitectos
emplean la fotogrametría digital para rectificar sus esbozos o para simular vistas
en perspectiva, también se ha venido utilizando con éxito en la medicina. En
muchos países avanzados la fotogrametría digital es una herramienta fundamental
para estudios de tráfico y accidentes. En la medicina forense cada vez entra con
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más fuerza gracias a su fácil manejo y a los buenos resultados que se están
obteniendo.
2.3 DESARROLLO DE IMÁGENES DIGITALES
Desde que Fox Talbo y Daguerre llevaron a cabo su trabajo pionero en fotografía y
Laussedat y otros iniciaron el uso de las fotografías para mediciones, la
combinación de cámara óptica y emulsión fotográfica ha sido desarrollada para
dar alta resolución, imágenes de baja distorsión las cuales han demostrado ser
extremadamente eficientes cuando son aplicados a trabajos fotogramétricos. Sin
embargo, en cuanto se desarrollaron las primeras cámaras que emplearon los
sensores electrónicos en el plano focal, ellas fueron usadas por fotogrametristas
para registros y medidas. Desde que la tecnología del computador se ha
incrementado a un ritmo muy rápido y las capacidades de los sistemas digitales se
han estado extendido a un punto donde ellos se han equilibrado para reemplazar
las imágenes análogas en muchos campos, particularmente para fotogrametría de
rango cercano y satelital.
En trabajo de rango cercano, es decir fotografía de escala grande, la flexibilidad y
bajo costo de la cámara han sido una fuerza de tendencia mayor en la aceptación
de tales sistemas digitales. En el uso de imágenes de satélites, la fuerte tendencia
ha sido el hecho de que tales imágenes son generalmente registradas
directamente en formato digital.
Algunas ventajas del uso de imágenes digitales son:
Las imágenes pueden ser visualizadas y medidas sobre computador estándar
donde no hay requerimientos ópticos / mecánicos.
Los sistemas de medición son estables y no necesitan calibración.
Mejoramientos de la imagen pueden ser aplicados.
La automatización puede ser aplicada
Las operaciones pueden llevarse a cabo en tiempo real, o casi en tiempo real.
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Como los sistemas de computación se han puesto más rápidos y los medios de
almacenamiento menos caros, más sistemas y paquetes de programas están
disponibles y esto aumenta a su vez el uso de los sistemas y reduce costos.
Hay en la actualidad significativas diferencias entre fotogrametría digital usada con
fotografías aéreas y con imágenes de rango cercano. Aunque examinando los
sensores están disponibles para aviones y el desarrollo de una cámara digital para
imágenes aéreas está en marcha (1995), no hay un sistema de producción de
imágenes disponible y la fotogrametría digital de imágenes aéreas depende de
cámaras que usan películas y entonces se escanean las fotografías a imágenes
digitales. Por otro lado, muchas cámaras están disponibles las cuales registran
datos en formato digital para trabajos en rango cercano.
Un factor mayor en la lenta aceptación de imágenes digitales para mapas
topográficos de fotografías aéreas ha sido el alto costo de los escáneres para
convertir las fotografías a formato digital, pero esto no es un problema con las
imágenes de rango cercano puesto que una amplia gama de apropiadas cámaras
está disponible, y el tamaño de la imagen y volumen de datos es mucho menor.
Ha habido también una escasez de programas eficientes para mapas topográficos
los cuales han recurrido a organizaciones de producción por lo que han mejorado
lo que han proporcionado los restituidores analíticos.
Muchos de los programas para trabajar en rango cercano han sido desarrollados
para aplicaciones particulares. Muchos han sido hechos de imágenes digitales de
rango cercano para equipos de visualizar y para aplicaciones de visión por
computador. Estos equipos de visión no siempre necesitan de una entrada
fotogramétrica. Gruen (1992) explica las diferencias entre estos dos tipos de
sistemas y define un sistema fotogramétrico como uno que tiene los siguientes
requerimientos:
Capacidad para autodiagnóstico (control de calidad)
Potencial para alta precisión y fiabilidad(datos redundantes del sensor)
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2 0
Trabajo flexible con respecto a funciones de reconstrucción de objetos
tridimensionales
Aparte de las diferencias en tamaño de la imagen, una importante diferencia
adicional es la velocidad de procesamiento; las aplicaciones de rango cercano
frecuentemente requieren procesamiento casi en tiempo real de muchas imágenes
secuenciales. Visión de robot es un subconjunto de equipos para visualizar un
componente esencial y es la capacidad de interactuar con el medio ambiente
como una “máquina inteligente”.
2.3.1 Fotogrametría digital
Antes de hablar sobre la Fotogrametría digital es necesario tener en cuenta que el
principio es el mismo de la fotogrametría convencional en la cual la imagen que
utiliza es obtenida a partir de una película original o rollo fotográfico compuesto por
diferentes emulsiones que combinado con las características geométricas de la
cámara, permiten obtener imágenes a escala con pequeños errores controlados
de alguna forma que a la postre permiten tomar mediciones sobre dichas
imágenes y convertirlas en planos u otros productos para aplicaciones
cartográficas y por ende ingenieriles.
Como la Fotografía digital va a ser editada por un computador es necesario
capturarla o transformarla en formato Raster. Si es capturada en dicho formato se
realizará a través de una cámara fotográfica o de video digital las cuales toman las
imágenes y las transforman en datos en código binario definiendo la información
mediante formas matriciales y por ende pueden ser interpretadas por el
computador. Es de anotar que actualmente no existen o se encuentran en
desarrollo cámaras digitales con características métricas, por lo tanto las
imágenes tomadas con cámaras métricas son análogas y es necesario
transformarlas o digitalizarlas., esto significa que primero se tiene que digitalizar
por barrido el negativo o la diapositiva. El proceso de barrido se lleva a cabo con
un «escáner». El barrido divide una imagen en una cantidad previamente
determinada de pequeñas superficies de dimensión idéntica. Cada una de estas
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2 1
superficies se llama píxel y, al igual que una célula biológica, contiene toda la
información respecto a color e intensidad luminosa. En la fotogrametría digital, la
precisión aumenta con la resolución del proceso de barrido. Cuanto más pequeña
sea la dimensión del píxel mayor es la resolución la cual depende directamente del
escáner utilizado, es muy importante dejar en claro la importancia de utilizar un
escáner Fotogramétrico el cual da la mejor precisión posible.
El mayor potencial de la fotogrametría digital, sin embargo, reside en la
multiplicidad de usos adicionales que ofrece. Entre ellos el proceso de la
triangulación, que utiliza el apareamiento de imágenes para las mediciones
estereoscópicas, la generación simplificada de modelos digitales de terreno,
ortofotos y ortofoto-mosaicos, así como la elaboración de mapas gráficos con
datos vectoriales fusionados con la ortofoto.
2.3.2 Dispositivo de carga acoplada (CCD)
Un dispositivo de carga acoplada(CCD) es el dispositivo mas comúnmente usado
para el registro de cantidad de luz cayendo sobre una superficie para aplicaciones
fotogramétricas. Los CCD son arreglos en forma(matriz) lineal o en forma(matriz)
bidimensional. Las matrices lineales son usadas para escanear una escena y esto
introduce geometría tiempo-dependiente. Las matrices bidimensionales, como en
las cámaras CCD, proveen un completo registro de la luz cayendo sobre una
superficie bidimensional en un instante particular de tiempo. Hay una limitación en
las dimensiones de los más recientes y entonces las matrices lineales son
principalmente usados para sensores en satélites o aerotransportados pero
matrices bidimensionales son usadas para trabajos en rango cercano.
El CCD trabaja convirtiendo los fotones que caen hacia la superficie del sensor en
electrones. Estos son acumulados en condensadores y convertidos en formato
digital para salida. Las dimensiones de la matriz y el tamaño del píxel son las
características más importantes de una cámara para uso fotogramétrico. Otros
aspectos importantes son el rango dinámico, las características
geométricas(particularmente distorsión de la lente), la transferencia de datos del
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2 2
sensor al almacenamiento y el tiempo tomado para registrar una imagen. Seitz da
una completa descripción de estas características.
El tamaño de la matriz está limitado por la tecnología. Matrices de 5120x5120
píxeles son posibles(Peipe, 1995) y píxeles tan pequeños como 1 micrón puede
ser fabricados. Sin embargo el costo es también un factor y en la práctica una
matriz de 3000x2000 con un píxel de 9x9 micrones es el más grande el cual es
fácilmente accesible. Matrices lineales de hasta 12000 con píxeles de 8 micrones
son posibles.
La cantidad de datos necesarios para almacenar una imagen en formato digital
está obviamente relacionada con el tamaño de la matriz. Una cámara sencilla
exterior fija con una matriz de 752x480 necesitará 360 kbytes y una matriz de
3000x2000 necesitará 6 Mbytes. Estas cifras pueden ser comparadas con una
sencilla digitalización de fotografía aérea con 7.5 micrones la cual necesitará casi
1 Gbyte. (1 kilobyte = 1000 píxeles, 1 megabyte = 1000000 píxeles y 1 gigabyte =
1000000000 píxeles (10 a la nueve)).
2.3.2.1 Tamaño del píxel y resolución. El tamaño del objeto el cual esta
representado(digitalizado)en un elemento sencillo CCD está dependiendo de las
propiedades ópticas del sensor y del tamaño actual del CCD. Por ejemplo, un
usualmente entendido sistema CCD con un foco fijo es el sensor en el espacio
SPOT de alta resolución visible(HRV). El sensor contiene matrices de 6000 CCD,
cada elemento es de 13 micrones cuadrados y, con una distancia focal de 1082
mm. a una altura de 830 Km. un área de 10x10 m. en el terreno es registrada.
Esta área es conocida como el campo instantáneo de visión(IFOV) y en muchos
casos, tales como SPOT, corresponde al área sobre objetos cubierto por un
elemento sencillo de la imagen. Un cálculo similar puede ser hecho para una
cámara de rango cercano pero, puesto que la distancia al objeto puede cambiar
para diferentes imágenes, esta no es constante y el área cubierta por un píxel
sencillo variará. Una medición angular determinada entre el centro perspectivo y el
plano focal es también usado. Una precisión de 1.5 segundos de arco es
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2 3
típicamente para una cámara de formato medio para rango cercano combinado
con medición automática de la imagen.
Resolución espacial es una medida de la capacidad de un sistema para distinguir
entre características adyacentes en un objeto. Cuando las imágenes análogas son
usadas esta puede ser medida teniendo una imagen de prueba en blanco especial
y por medición de pares de líneas por milímetro que pueden ser distinguidas en la
imagen. Alternativamente una función de transferencia semejante a la función de
transferencia de modulación(MTF) puede ser medida. El tamaño del píxel no es
una medida de resolución pero una relación entre dos puede ser determinado.
Figura 1 La relación entre píxeles y pares de líneas: (a) muestreo es alineado con
pares de líneas; (b) muestreo está mal alineado con los pares de líneas.
Un par de líneas pueden ser distinguidas por un tamaño de píxel de la mitad del
par de líneas como se muestra en la figura (a). Sin embargo, en orden a distinguir
pares de líneas en la situación mostrada en la figura (b) un píxel de tamaño más
pequeño es requerido. La relación entre pares de líneas y píxeles de 1:2 y 1:3 es
normalmente dado y el factor Kell se cita a menudo:
Resolución (número de líneas / mm) = tamaño del píxel x 2v2 m. escala del objeto.
Una discusión en detalle de resolución en el contexto de datos satelitales puede
ser encontrado en Forshaw(1983).
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2 4
Figura 2. Concepto de resolución
Fuente: ADS_40
2.3.2.2 Características geométricas. Un arreglo de detectores es generalmente
estable y, en una cámara de rango cercano, la calibración de la cámara proveerá
toda la información necesaria para relacionar la imagen al objeto. Además, puesto
que el primer interés de la medición de rango cercano es con medición de puntos,
algunas deformaciones de la imagen pueden ser aplicadas a través de una
transformación matemática y una imagen corregida no es necesariamente
requerida
Si una imagen es requerida para una salida en copia dura, por ejemplo para
trabajo de arquitectura, entonces las distorsiones o rotaciones conocidas, relativas
a un sistema de referencia externo, necesitan ser corregidas. Una conveniente
transformación puede ser determinada de los parámetros de orientación y la
imagen remuestreada(ver 3.3.6) producir una correcta imagen de salida.
Si el sensor es un arreglo lineal el cual se está moviendo aunque captando, como
son muchos satélites o sistemas aerotransportados, las correcciones adicionales
tendrán que ser aplicadas y será necesario remuestrearlas. El remuestreo también
puede ser necesario para ver estereoscópicamente o hacer mediciones sobre una
pantalla(ver 3.5.2 que explica la teoría epipolar)
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2 5
2.4 PRINCIPIOS DE FOTOGRAMETRÍA DIGITAL
De acuerdo con Wolf y Dewit (2000) existen varios elementos a tener en cuenta
en la Fotogrametría digital
2.4.1 Sistema de hardware
El Hardware es talvez el requerimiento mas importante para la Fotogrametría
digital. Para iniciar las imágenes que se utilizan tienen un gran volumen de
información y como se verá más adelante estos volúmenes de información se
encuentran relacionado con la escala de toma y el número de píxeles que
contenga la imagen, de esta forma una imagen de una buena resolución puede
“pesar” fácilmente 500 Mega bytes lo que implica una capacidad inmensa para el
proceso de dicha información.
Por esta razón los procesadores de estos equipos deben tener una alta velocidad
de proceso, gran cantidad de memoria Ram y gran capacidad de almacenamiento
(espacio en disco duro). En algunos casos y dependiendo del proyecto es
necesario optar por discos duros adicionales, utilización de cintas magnéticas y
cantidades de Compact Disk, para lograr almacenar toda la información que se
produce.
El sistema también requiere controles de operación para la posición X, Y y Z en
el estéreo modelo. Sobre un sistema digital, los controles en X y Y son
normalmente implementados en algunos computadores con el tipo “mouse”,
mientras el control Z normalmente es una pequeña rueda la cual puede ser rotada
por el operador. Algunos sistemas pueden encajarse con manivelas o pedales,
para estar mas familiarizados con los operadores quienes trabajaron con
restituidores tradicionales.
Adicionalmente el computador debe servir coma una estación Estereo es decir que
se tenga la posibilidad de observar las imágenes en tres dimensiones ya que se
estará trabajando con modelos estereoscopicos. Varias formas son disponibles
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2 6
para proveer la capacidad de estéreo visión, tales como los filtros polarizados,
alternadores, y la pantalla con un estereoscopio.
En los filtros polarizados, un monitor de computador es ajustado con una pantalla
activa polarizada, mientras el operador usa un simple par de lentes consistentes
de filtros polarizados ortogonalmente.
Las pantallas activas tiene la capacidad de cambiar la polaridad entre horizontal y
vertical 120 veces por segundo (120 hertz). El computador tiene la capacidad de
mostrar las imágenes izquierda y derecha alternándolas a la misma razón
(120Hz). Como la pantalla tiene la capacidad de alternar la polaridad los lentes
son construidos con una polaridad diferente cada uno, es decir que un ojo tendrá
la polaridad horizontal y el otro la vertical. En el instante en que la pantalla cambia
de polaridad uno de los ojos solamente recibe señal, pero por efecto de la
velocidad el cambio es casi imperceptible aunque se este observando con los dos
ojos en cada 1/120 Hz cada ojo vera paralelamente la imagen lo que permite la
imagen tridimensional.
Figura: 3. Pantalla activa
Fuente Wolf y Dewit
El sistema DPW770 de LH Systems, emplea un sistema de observación de este
tipo.
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Figura 4 Disposición del equipo para la estéreo visión en split Fuente : ibid
Una segunda forma de obtener la Estereo visión es con un sistema de intercambio
tanto en la pantalla como en los lentes tipo LCD que son controlados por un
infrarrojo que se encuentra sobre la pantalla. El principio consiste en que en la
misma frecuencia 120 Hz y debidamente sincronizada la pantalla y los lentes
aparece en la pantalla la imagen derecha y al mismo instante el lente derecho esta
claro y el izquierdo oscuro; un instante más adelante cambia la situación la
pantalla presenta la imagen izquierda, el lente derecho se oscurece y el izquierdo
está claro. Como el cambio es imperceptible para el operador, en cada
oportunidad estará viendo de forma paralela cada imagen con cada ojo y se
cumple el efecto de Estereo visión.
El sistema PHODIS de Carl Zeiss Inc. emplea este método de Estereo
observación como lo hacen las estaciones Z Imaging de Intergraph.
POLARIZADOR CIRCULAR
POLARIZADOR LINEAL
CELDA
ONDA PLANA
DRIVER
SINCRO ANTIHORARIO
POLARIZADOR CIRCULAR
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2 8
Figura 5. Visión LCD
Un tercer método de Estereo visión para restituidores digitales es emplear un
estereoscopio de espejos convencional y realizar una en la pantalla. El
estereoscopio es montado en frente a la pantalla y el operador ve la pantalla a
través de éste. Las imágenes son desplegadas en cada lado de la pantalla y el
estereoscopio permite realizar la visión paralela de cada ojo como si lo hiciera
sobre un par de fotos de contacto normales, es decir el ojo derecho ve únicamente
la imagen derecha y el izquierdo la imagen izquierda. De esta forma puede
observar las imágenes digitales de la pantalla en tres dimensiones.
LENTES DE
CRISTAL LIQUIDO
CIRCUITO
SINCRONIZADOR
PILA DE LITIO
INTERRUPTOR SENSOR
SINCRO
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Figura 6. Pantalla y estereoscopio Fuente ibid.
Cada sistema tiene sus ventajas y desventajas. Lo importante es anotar que los
lentes polarizados son más económicos que los LCD, pero el estereoscopio es el
mas utilizado a través de los años.
Para efectos de comprobaciones, control de calidad o simplemente para
entrenamiento, con otro par de lentes polarizados o LCD, varias personas pueden
observar la pantalla, mientras que el estereoscopio sólo puede ser usado por una.
2.4.2 Mediciones en la imagen
Como es el caso con todos los estéreo restituidores, las medidas manuales de la
imagen son logradas a través del control del operador de la marca flotante. En un
estero restituidor digital, una marca flotante consiste de medias marcas izquierdas
y derechas las cuales son superpuestas sobre las imágenes izquierda y derecha
respectivamente. Una media marca individual consiste de un píxel sencillo, o
muestra pequeño de píxel en la forma de un punto, cruz, o formas más complejas.
El píxel(es) de la media marca flotante es ( o son) valores brillantes los cuales dan
un alto contraste con el fondo de la imagen. Cuando el operador mueve el X, Y o
el control de la Z, las posiciones de la media marca flotante se mueven con
MONITOR CON IMÁGENES IZQUIERDA Y DERECHA
ESTEREOSCOPIO DE ESPEJOS MONTADO
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3 0
respecto al fondo de la imagen. Una vez la marca flotante esta visualmente
coincidiendo con un detalle de interés, el operador puede presionar un botón o
pedal para registrar la posición del detalle.
Una ventaja importante que se dan el lujo los compiladores digitales es su
capacidad para hacer mediciones de puntos automáticamente. Esto es logrado a
través de la técnica de muestra-emparejamiento, en donde una sub-matriz
pequeña de números digitales de la imagen izquierda se empareja con una sub-
matriz correspondiente de la imagen derecha. Encontrando la posición
emparejada es equivalente a poner la marca flotante manualmente para que
parezca apoyada directamente en un detalle en el Estereo modelo.
2.4.4 Procedimientos de orientación
El proceso de orientación en la Fotogrametría digital son idénticos que en los
restituidores convencionales es decir que se deben realizar las orientaciones
interna, relativa y absoluta. La gran diferencia es que las orientaciones pueden
realizarse de forma manual o automatizada.
La forma manual de realizarlo es simplemente “picando” sobre cada imagen los
puntos, es decir que en la orientación relativa se tomarán las marcas fiduciales, en
la relativa los homólogos en las dos imágenes ya sean monoscópicamente o
estereoscópicamente y en la absoluta picando los puntos de control que tienen
coordenadas reales.
Otra forma de realizar dichas orientaciones de una forma semi automática o
automática usando métodos de muestra-emparejamiento. Como anotamos
anteriormente la imagen digital es una serie de elementos en código binario que
son acomodados en forma matricial, como existen imágenes comunes en ambas
fotografías el software contiene un algoritmo que puede comparar cada dato hasta
encontrar sus puntos homólogos, para evitar errores o excesos de búsqueda el
operador puede “ayudar” al software en la determinación de los puntos.
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Pequeñas matrices de la imagen izquierda en la ubicación estándar de los puntos
de paso son emparejados con las correspondientes matrices de la imagen
derecha. La precisión de la orientación relativa puede ser mejorada por
emparejamientos adicionales de puntos de paso, suministrando entonces gran
redundancia en la solución de mínimos cuadrados.
Figura 7 Orientación relativa
Fuente: Rodríguez, Castellanos, Benavides 2001.
Una situación donde la orientación absoluta puede ser automática ocurre cuando
un bloque de aerotriangulación ha sido previamente realizado sobre imágenes
digitales. Como un resultado de la aerotriangulación, los parámetros de orientación
exterior han sido determinados para cada foto. Habiendo conocido los parámetros
de orientación exterior esencialmente se define la orientación absoluta, entonces
mediciones adicionales no requieren ser hechas.
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3 2
Figura 8 Orientación Absoluta
Fuente: Rodríguez, Castellanos, Benavides 2001
2.4.4 Emparejamiento digital de imágenes
Según Wolf y Dewit la parte que implica mayor trabajo en la Fotogrametría es la
parte de captura o restitución cuyo objeto es determinar la posición de los puntos
del modelo colocando la marca flotante exactamente sobre el terreno. Esto
requiere la habilidad de reconocer características similares en la imagen ( textura,
formas, etc.) en pequeñas regiones de las imágenes izquierda y derecha de un
modelo. El sistema visual humano está habilitado para ejecutar esta tarea con un
esfuerzo consciente pequeño. Cuando nuestros ojos se fijan en un objeto, las dos
imágenes se unen y el carácter tridimensional del objeto es manifiesto. Cuando se
trabaja con imágenes digitales en un computador puede realizar la restitución
manualmente o con ayuda del software que realiza la tarea usando técnicas de
emparejamiento digital de imágenes.
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3 3
Las técnicas digitales de emparejamiento de imágenes caen en tres (3) categorías
generales: basado en área, basado en rasgos y métodos híbridos. Métodos
basados en área ejecutan el emparejamiento de imagen por una comparación
numérica de números digitales en pequeñas matrices de cada imagen. Este
método es franca y comúnmente usado en sistemas de fotogrametría digital. Los
métodos basados en rasgos son mas complicados y comprenden extracción de
rasgos, los cuales están compuestos de bordes (edges) de diferentes escalas, con
la subsecuente comparación basada en rasgos característicos tales como tamaño
y forma. Las técnicas de emparejamiento de imagen basada en rasgos requieren
del dominio de inteligencia artificial en informática. Los métodos híbridos
comprenden alguna combinación de los dos primeros métodos. Típicamente, los
métodos híbridos comprenden pre procesamiento de las imágenes izquierda y
derecha para resaltar los rasgos (bordes) por métodos los cuales fueros
introducidos en el capitulo de procesamiento digital de imágenes. Después de que
los rasgos han sido localizados, ellos son emparejados por métodos basados en
área. Mientras todos los tres métodos tienen ventajas particulares y desventajas,
este documento se enfoca a técnicas de emparejamiento de imágenes basadas en
área.(Wolf y Dewit, 2000).
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Figura 9 Correlación de imágenes
2.5 FOTOGRAMETRÍA TERRESTRE
La Fotogrametría Terrestre es incipiente en Colombia y sus primeras aplicaciones
hasta ahora están en estudio.
Izquierdo
Columna a transferir
Explorando
Fila a transferir
Elementos Elementos
Área de
objetivo
Área de búsqueda
Correlación
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La figura No 10 ilustra el positivo de una fotografía terrestre horizontal con toma en
L como estación de cámara. La distancia focal de la cámara es “f“ y “o“ es el punto
principal de la fotografía.
Figura 10. Análisis matemático de un estereopar fotogramétrico. Fuente ATKINSON, K,B. Developments in Close Range Photogrammetry. London 1981
Los puntos A y B en el terreno son las imágenes a y b en la foto positiva y sus foto
coordenadas son xa, ya, xb y yb respectivamente. Estas foto coordenadas pueden
ser medidas por varias técnicas.
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Aprovechando la geometría de las fotografias terrestres y adicionalmente
colocando un traslapo adecuado se pueden obtener adicionalmente las ventajas
de la estereovision. El proceso de orientación es similar al de la fotografia aérea
aunque varia el sistema de coordenadas, ya que la coordenada Z estará dada por
la profundidad.
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3 7
3. METODOLOGÍA DE UN PROYECTO DE FOTOGRAMETRÍA
DIGITAL
Para el caso de este proyecto es necesario determinar los parámetros sobre los
cuales vamos a trabajar en el diseño del mini helicóptero para que cumpla con la
funciones del sensor remoto y realice tomas de fotografías digitales, que serán
analizadas en una estación digital y obtener así cartografía de escala grande que
permita realizar diferentes análisis en Ingeniería civil.
3.1 DEFINICIÓN
El proyecto se define como un proyecto fotogramétrico de objeto cercano y con
tomas con cámaras no convencionales o no métricas, en formato digital.
Para la realización se necesita u instrumento que permita colocar el sensor
(cámara) en el aire a una cierta altura y que se realicen las tomas de las imágenes
del área del proyecto.
Se considera de objeto cercano ya que se pretenden tomar zonas de
deslizamientos con área aproximada a una Hectárea (10000 m²).
3.2 PROCEDIMIENTO
Se enumeran a continuación los pasos a seguir para la conformación del proyecto
fotogramétrico para este caso.
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Figura 11 Flujo de trabajo en el proyecto fotogramétrico
Fuente Notas de Clase, Rocha 2003
Planificación del Proyecto
Fotogramétrico
Multimedición de
Imágenes Digitales
Aerotriangulación
Automática.
Digitalización de
Fotografías Aéreas
Captura de DTM Captura Automática de
DTM
Orientaciones Interna y
Relativa del Modelo.
(Control Directo)
Fotografías Aéreas
Estereo Ensamble
Estereo Despliegue
Digitalización de
elementos
Ortofotomapas, Ortofoto-mosaicos, Mapas Digitales
Anaglifos, Otros Productos
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3.2.1 Planeación del Proyecto Fotogramétrico
Este se resume en los siguientes pasos:
3.2.1.1 Definición de las proyecciones y elipsoides. Aquí se determina del
proyecto a realizar según su área la proyección cartográfica a utilizar . si son
regiones extensas de vario kilómetros cuadrados se tomara una proyección
conforme de Gauss, pero si es una zona de área pequeña menor a 1 Kilómetro
cuadrado se puede establecer como proyección geográfica básica la proyección
azimutal o proyección Cartesiana. Es de recordar que estas proyecciones
mencionadas son las utilizadas en Colombia por el Instituto Geográfico Agustín
Codazzi.
3.2.1.2 Estudio de viabilidad técnica, económica, justificación y análisis de
alternativas. Este proceso requiere de la comparación con otros métodos como la
topografía convencional para la determinación del modelo digital de terreno que es
en últimas el producto más versátil para todo tipo de análisis. En principio la
inversión del proyecto será bastante grande pero al correr el tiempo puede
convertirse en la mejor alternativa económica para la toma de información de
pequeñas áreas de terreno.
3.2.1.3 Determinación y generación del modelo de datos. En este aspecto se
debe proyectar la información que se desea capturar con el estudio, es decir si el
proyecto únicamente satisface el problema de la cartografía básica o que se tenga
que llegar proyectos de cartografía temática y especifica. El modelo de datos dará
el alcance de la información a dibujar en el momento de la captura o restitución.
3.2.1.4 Investigación de cartografía, fotografías y control existente. Se utiliza para
enmarcar la zona del proyecto y verificar el alcance del mismo. Es necesario
realizar un cuadrilátero de referencia para sobre este diseñar geométricamente le
vuelo fotogramétrico. Así mismo poder investigar sobre la red geodésica que se
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4 0
encuentra en la zona y cuales serán los puntos de apoyo para determinar los
puntos de control de los modelos.
3.2.2 Fotografías aéreas
Figura 12 Toma de fotografías
3.2.2.1 Diseño del plan de vuelo. El plan de vuelo se diseñara sobre la cartografía
existente o sobre fotografías aéreas encontradas de la zona. Los resultados del
diseño son elementos meramente geométricos y por lo tanto se necesitan conocer
algunos datos mínimos de las variables que intervienen en el vuelo como son:
3.2.2.1.1 Cámara aérea: tipo, resolución distancia principal (obtenida de fabrica o
calculada en el blanco de prueba), tiempos de exposición.
3.2.2.1.2 Avión o helicóptero: Tipo y marca, velocidad de crucero, velocidad
mínima, autonomía de vuelo, techo de vuelo.
3.2.2.1.3 Características de las Fotografías. Escala , recubrimientos longitudinales
y laterales (para el caso de fajas y bloques).
En este proyecto la altura promedio del mini helicóptero será de unos 100 m,
debido a que las zonas a restituir son pequeñas, para facilidad de control se debe
procurar que exista una sola línea de vuelo. El establecimiento de varias líneas de
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4 1
vuelo generara bloques de fotografías para cuyos ajustes será necesario
establecer procesos de aerotriangulación que son mucho mas complicados.
3.2.2.2 Toma fotográfica. En el momento de la toma es indispensable el control
de la dirección de las líneas de vuelo y la altura absoluta de vuelo. El mini
helicóptero tendrá una altímetro acoplado para el control de la altura y para
controlar la dirección plana o X, Y deberá contener un giroscopo. En caso de ser
posible se debe contemplar la instalación de un GPS que capture la información
del recorrido para la parte de la evaluación del vuelo.
De otro lado es necesario saber que de la altura de vuelo o escala e la toma de las
imágenes depende la escala de restitución o mejor la escala del producto final y
esto también redunda en el tamaño de los archivos a trabajar.
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q Tabla 1. Relaciones del tamaño de píxeles de acuerdo con la escala y memoria
ocupada
ESCALA DE LA
ORTOFOTO O
PLANO
ESCALA DEL
VUELO
TAMAÑO DEL PIXEL
EN EL ARCHIVO
DIGITAL (MICRAS)
TAMAÑO DEL
PIXEL EN EL
TERRENO (M)
TAMAÑO DEL
ARCHIVO
(MB)
12.5 0.94 340
25 1.9 85
1:75 500
30 2.26 59
12.5 0.47 340
25 0.94 85
1:37 500
30 1.125 59
12.5 0.25 340
25 0.50 85
1:20 000
30 0.60 59
12.5 0.125 340
25 0.25 85
1:10 000
30 0.30 59
12.5 0.0625 340
25 0.125 85
1:20 000
1:10 000
1:5 000
1:2 000
1:1 000 1:5 000
30 0.15 59
Fuente: CIAF
Generalmente se puede establecer que la escala de vuelo debe ser cinco veces
menor que la escala del producto final.
3.2.2.3 Evaluación del vuelo. En esta parte lo que se busca es que las tomas
cumplan con las condiciones de escala y de traslapo longitudinal o lateral para
efectos de poder realizar la visión estereoscópica. Las tomas se compararán con
la cartografía existente y también directamente en el terreno. Como se tienen
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4 3
taludes se podrá analizar que la escala no es uniforme por lo cual es necesario
calcular las escalas para los tres planos definidos es decir, la corona, la pata y la
zona media de la pendiente. Se debe verificar que los cambios de escala sean
uniformes y que la escala planeada este sobre la altura media de la zona
fotografiada.
De otro lado es necesario compara r la línea de vuelo final con la línea de vuelo
diseñada y observar que el posible desvió no genere problemas en cuanto al área
recubierta por las imágenes.
Adicionalmente se deben observar los problemas de cabeceo, que estos se
encuentran una vez se monta el modelo en la estación fotogramétrica e incide
directamente en los residuales obtenidos por el modelo.
3.2.2 Fotocontrol
Para un proyecto de fotogrametría aérea o terrestre, existen diversos aspectos a
tener en cuenta como es la toma en sí de las fotografías, la distancia de la cámara
al objeto, verificación de las distancias de la toma, es decir que cumpla con los
requisitos técnicos de acuerdo a la escala y por supuesto la evaluación de las
fotografías en sí.
A continuación se requiere de la determinación del control, se seleccionan sobre
la fotografía los puntos a los cuales se les va a efectuar Fotocontrol, para poder ir
a campo y calcular la posición real en terreno con coordenadas X, Y, Z.
Fotocontrol es la parte de la fotogrametría que estudia todo lo relacionado con
puntos de control; los puntos de control son aquellos de los cuales se les
determinan sus coordenadas E, N, y Cota, y que son perfectamente identificables
en las fotos y en terreno
Para realzar el ajuste de cada modelo estereoscopio (cada par de fotografías con
traslapo horizontal y vertical), los puntos deben ser identificables en ambas
fotografías, para fotografía realizada con cámaras métricas son suficientes seis
puntos ya que se cuenta con marcas fiduciales que permiten realizar la
orientación interna de una manera más precisa.
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4 4
Para fotografía no convencional o no métrica o de rango cercano, debido a la
falta de la marcas fiduciales, es necesario tener como mínimo 9 puntos de control.
3.2.3.1 Características de los puntos de control
3.2.3.1.1 Según la Información de Coordenadas . Puntos de control planimétrico:
donde se conocen coordenadas E, N y Puntos de control altimétrico donde se
conoce la altura.
De acuerdo con la zona de estudio, es decir de su localización geográfica y de la
extensión del mismo es necesario tener en cuenta la proyección geográfica de la
red de apoyo geodésico que se utilice.
En Colombia existen básicamente dos tipos de proyecciones la Azimutal o
Cartesiana realizada para proyectos locales, es decir para ciudades y la
proyección conforme de Gauss, para proyectos regionales o grandes extensiones
en este caso es la proyección sobre la cual se trabajan los planos del territorio
Nacional. La Red Geodésica Nacional presenta las coordenadas de los puntos de
control horizontal y vertical a los cuales se puede referir el fotocontrol.
Si el proyecto no lo requiere, se puede adoptar un sistema de coordenadas
puntual para cada proyecto.
En todo caso es necesario determinar una precisión mínima del proyecto, la
precisión que tengan los puntos de fotocontrol, determina directamente la
precisión del modelo que arrojara unos residuales bajos y así mismo las medidas
de los objetos dentro del modelo serán mucho más cercanas a la realidad.
Para fotografías aéreas cada punto tendrá coordenadas X, Y e Z y así mismo
entrarán en el modelo, para fotografía terrestre la coordenada Z es determinada
por la profundidad o la distancia de cada punto a la base de medición o de toma.
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4 5
3.2.3.1.2 Según su naturaleza Puntos naturales: son detalles del terreno o de
elementos que aparecen en la fotografía.
Puntos Señalizados: No son puntos naturales del terreno. Se construyen para
identificarlos en el terreno con anterioridad a la toma de la fotografía.
De acuerdo con la naturaleza de los puntos, el fotocontrol, se puede realizar bien
sea antes de la toma de las fotografías realizando una pre-señalización o después
de la toma realizando la escogencia de puntos de control sobre las imágenes.
3.2.3.2 Levantamiento de puntos de fotocontrol. Los levantamientos de control,
determinan con precisión las posiciones horizontal y vertical de los señalamientos
de referencia. Estos sirven como base para dar origen o como comprobación de
levantamientos subordinados, como los cartográficos.
Existen dos tipos generales de levantamientos de control: horizontal y vertical. El
levantamiento horizontal y vertical de control para el proyecto se puede realizar
utilizando el procedimiento convencional de poligonación.
a). Poligonación Precisa
El procedimiento de campo consta de dos partes básicas: medición de ángulos
horizontales en las estaciones de la poligonal y medición de las distancias entre
dichas estaciones.
Las poligonaciones precisas suelen comenzar y terminar en estaciones
establecidas por medio de levantamientos de orden superior.
Para proyectos en ciudades como Bogotá se utilizan puntos de control
establecidos por redes de primer o segundo orden de precisión, en este caso se
refiere a la Red Geodésica Distrital del puntos CD’s determinada por el
Departamento Administrativo de Catastro Distrital y avalado por el Instituto
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4 6
Geográfico Agustín Codazzi, que es la entidad que determina y administra la red
Geodésica Nacional.
Para la determinación de la red Geodésica Nacional se utilizan procedimientos
mucho más complejos como la triangulación, en la cual las estaciones están muy
distantes y ubicadas en los puntos más elevados de una región, las poligonales
generalmente siguen zonas en las cuales las estaciones queden más cerca entre
sí. Además de facilitar el trabajo de campo, es más conveniente en cuanto al
acceso a las estaciones.
Los puntos de control vertical se determinan por medio de la nivelación geométrica
o trigonométrica aunque el control vertical está referido al Datum (punto de origen
de coordenadas) vertical de Colombia, determinado por mediciones del nivel
medio del mar a lo largo de 20 años como mínimo, en el mareógrafo localizado en
Buenaventura, el cual se traslada a las diferentes regiones del país por medio de
Líneas de Nivelación.
Las precisiones de cada uno de estos puntos que conforman dichas redes se
enumeran a continuación:
q Tabla 2. Precisión de puntos de control
CONTROL HORIZONTAL VERTICAL
PRIMER ORDEN > 1: 100.000 4 mm v k
SEGUNDO ORDEN > 1 : 50.000 8 mm v k
TERCER ORDEN > 1: 10.000 12 mm v k Fuente : IGAC
En la actualidad es comúnmente utilizado el Sistema de Posicionamiento Global
GPS mediante el cual se realiza el posicionamiento o “determinación de la
posición de un objeto estacionario o en movimiento” (Fernández Ch, 2003, p. 133).
La posición de cada punto se puede determinar referida a un sistema de
coordenadas preestablecido por ejemplo al sistema de coordenadas del país
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4 7
(coordenadas verdaderas) o a un sistema de coordenadas locales generado por
un punto o par de puntos establecidos arbitrariamente.
En levantamientos realizados con el Sistema GPS, generalmente se utilizan
puntos de la red Geodésica Nacional para referir o “amarrar” los puntos del
levantamiento, aunque la precisión de los puntos a determinar dependerá de los
receptores utilizados, el tiempo de observación y el método utilizado .
Tomando como base datos de Fernández Ch. (2003) se presenta una tabla donde
se establecen algunas precisiones obtenidas con receptores de una frecuencia y
precisión de 1 cm + 2 ppm. en control horizontal.
q Tabla 3. Precisiones obtenidas con GPS LONGITUD DE LA LÍNEA
BASE
DURACIÓN MÍNIMA DE LA
SESIÓN
(Horas)
PRECISIÓN HORIZONTAL
PROBABLE
(cm)
Menor de 2,0 Km 0,5 ± 1,4
De 2,0 a 5,0 Km 1 ± 2,0
De 5,0 a 10,0 Km 1,5 ± 3,0
De 10, 0 a 20,0 Km 2 ± 6,0 Fuente: Geodesia para Ingenieros. B. Fernández Ch. p. 18
3.2.3Aerotriangulación
Proceso cartográfico que permite determinar coordenadas terrestres en los
modelos estereoscópicos de una faja o bloque de fotografías, con poca
información de campo, aprovechando las relaciones geométricas entre fotografías
consecutivas y condiciones propias de ellas.
Si la determinación de coordenadas se realiza directamente en campo no es
necesaria la aerotriangulación y simplemente sería una herramienta de
comprobación, pero se perdería la ventaja de la fotogrametría que consiste en
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4 8
hacer mapas en un laboratorio con un equipo de trazado estereoscópico y con la
menor cantidad posible de trabajo topográfico de campo, lo cual justifica
económicamente la utilización de este método.
Como las fotografías aéreas muestran la información del terreno pero no se
encuentran controladas en coordenadas, es necesario hacer la determinación de
estas de tal forma que logremos hacer un mapa a la mayor escala posible en
forma confiable y dentro de especificaciones de precisión, relacionando la escala
de la fotografía con la de restitución. Para lograr este propósito se requiere una
densificación del control y posteriormente por el método de aerotriangulación
determinar los puntos necesarios para la restitución.
Como las fotografías aéreas muestran la información del terreno pero no se
encuentran controladas en coordenadas, es necesario hacer la determinación de
estas de tal forma que logremos hacer un mapa a la mayor escala posible en
forma confiable y dentro de especificaciones de precisión, relacionando la escala
de la fotografía con la de restitución. Para lograr este propósito se requiere una
densificación del control y posteriormente por el método de aerotriangulación
determinar los puntos necesarios para la restitución.
3.2.3.1. Métodos de Triangulación. En fotogrametría clásica hay dos métodos de
triangulación:
a. Triangulación radial
b. Aerotriangulación
a) La triangulación radial o foto triangulación se basa en las propiedades
geométricas de las fotografías en que ángulos medidos en el punto principal
(fotos verticales) son ángulos verdaderos. Se emplea para generar información
planimétrica.
b) La triangulación aérea o aerotriangulación, tiene como aplicación principal
extender el control terrestre a través de fajas o bloques de fotos para ser
utilizados en operaciones fotogramétricas de restitución.
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4 9
3.2.3.2 Tipo de Aerotriangulación. Ciertos tipos de aerotriangulación tiene que ver
con el establecimiento de control complementario a lo largo de una sola faja de
vuelo como es bastante común en ingeniería de carreteras, ferrocarriles y
transmisión de energía. En la figura se muestra una vista del plan de una faja
típica de modelos individuales de líneas marginales.
El control terrestre de levantamiento de campo existente mostrado en esta faja
particular consiste de seis puntos de control horizontal y nueve puntos de control
vertical. Una serie de puntos de paso escogidos para que descansen en o cerca
de los ángulos de los modelos de líneas marginales y comunes a dos modelos
consecutivos son seleccionados e identificados en cada diapositiva y entonces
transferidos a diapositivas adyacentes.
El proceso de aerotriangulación determina las coordenadas terrestres X, Y, Z de
estos puntos de paso, que pueden usarse para ejecutar la orientación absoluta
durante la fase de restitución. Este tipo de extensión de control se conoce como
triangulación de faja. El ajuste de los resultados de la triangulación de modo que
se ajuste al control terrestre se conoce como el ajuste de faja.
Cuando el proyecto fotogramétrico comprende una serie de fajas de fotografías
traslapadas, como se muestra en la figura, la serie se conoce como bloque. En
esta situación, los puntos comunes de enlace que relacionan las fajas traslapadas
unas a otras deben ser seleccionados y marcados lo mismo que los puntos de
paso.
Las coordenadas terrestres tanto de los puntos de enlace como de los puntos de
paso deben determinarse en el proceso llamado triangulación de bloque.
En un tipo de triangulación en bloque, una serie de fajas son trianguladas y se
enlazan en conjunto por un proceso de ajuste conocido como ajuste secuencial de
bloque.
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Figura 13. Aerotiangulación de fajas
Figura 14. Aerotiangulación de bloques
De otra manera cada fotografía o cada modelo estereoscópico individual en el
bloque se considera como una unidad separada, y las unidades en el bloque son
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5 1
ajustadas simultáneamente al control de tierra. Esto se conoce como ajuste
simultáneo de bloque.
3.2.4 Restitución fotogramétrica
El principal uso de la fotogrametría está en la elaboración de mapas topográficos y
cartográficos entre otros. Para lograr este objetivo, es necesario reconstruir en el
laboratorio el terreno común a dos fotografías, utilizando un instrumento diseñado
para tal fin, y obtener en esta forma el modelo estereoscópico que solo variara del
original en tamaño.
La captura o restitución se refiere a la determinación de los puntos, líneas y
polígonos, los cuales configuran los accidentes del terreno y de acuerdo con el
modelo de datos proyectado inicialmente.
Una vez se completa la orientación del modelo o zona común en las dos
imágenes, el modelo se encuentra en sus coordenadas reales, es decir que
cualquier punto que se escoja tiene su posición X, Y, Z definida. Debe entonces
capturarse en un archivo la información correspondiente al terreno levantado
dibujando en planta la información para lo cual se utilizan los elementos
mencionados.
La captura se realiza mediante el principio de la marca flotante que consiste en la
colocación de marcas artificiales idénticas o complementarias, que al ser
colocadas sobre puntos homólogos del modelo, las marcas se verán fusionadas
en una sola, aparentemente formando parte de la imagen y a la misma altura de la
zona que la rodea. Moviendo estas marcas artificiales, una respecto a la otra, en
dirección paralela a la línea de vuelo, se verá que la marca flotante sube o baja
respecto al terreno.
En Fotogrametría digital el movimiento horizontal es proporcionado por un
“mouse” y el movimiento vertical por manivelas o por una pequeña rueda adaptada
al mismo.
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5 2
La captura consistirá entonces en grabar cada detalle por medio de líneas, puntos
o polígonos, en los cuales se colocará la marca flotante justamente sobre el
terreno.
Los puntos sirven para determinar mallas, cuadriculas o grillas a distancias
definidas o no, generalmente se busca hacer mallas regulares para facilitar la
interpolación y la elaboración del Modelo Digital del Terreno (DTM).
Las líneas sirven para determinar cambios de pendientes o break lines, por
ejemplo en la corona y la pata del talud, carreteras, ríos, divisorias de aguas y
curvas de nivel.
Los polígonos permiten determinar contornos de zonas, construcciones, lagos,
cultivos, y bosques entre otros.
Cabe resaltar que todos los procedimientos que se hacen en el módulo Stereo
Display se hacen sobre plataforma WINDOWS empleando el software Virtuozo el
cual permite la digitalización fotogramétrica de los modelos estereoscópicos a
utilizar.
Los archivos obtenidos de este proceso de digitalización, son guardados en
formato .dgn que es la extensión de Virtuozo y esto puede ser exportado para ser
visualizado en cualquier otro CAD.
3.2.5 Generación de modelos digitales de terreno (DTM)
El crear un sistema de información topográfico, basado en datos de relieve,
implica un número de consideraciones esenciales sobre el muestro de datos, y su
edición, así como las estrategias a seguir en el modelado de las elevaciones. Las
altitudes pueden recogerse de muy diversas formas dependientes de costos y
precisiones, tales como mediciones topográficas directas, técnicas fotogramétricas
y de teledetección, o mediante la digitalización de mapas. Los datos tienen que
incluir informaciones del terreno tales como líneas de cambio de pendiente (líneas
de quiebre), puntos característicos, collados, pasos, etc.
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5 3
Existen dos estrategias principales para procesar los datos originales de
elevaciones:
El concepto de estructura irregular de datos, en el que los puntos de muestreo
originales se relacionan entre sí mediante una triangulación plana o curva (TIN)
Las estructuras regulares de datos consistentes en mallas cuadradas,
suplementadas con otras características del terreno.
Ambos conceptos difieren totalmente entre sí, pero son equivalentes en lo tocante
a posible "alta fidelidad" y pueden incluso combinarse. El método de triangulación
puede ser mucho más eficaz que el de malla en determinadas aplicaciones, como
exploración minera, áreas de pendientes extremas, o ingeniería de autopistas, ya
que se supone que hay que considerar demasiada información del terreno no
reducible a malla. Las experiencias con la triangulación se remonta a comienzo de
los años 70 cuando se desarrolla el primer software.
Existe una variante del modelo TIN que consiste en su generalización y que toma
el nombre de polígonos de Thiessen, la diferencia con en TIN es que forma
polígonos irregulares de diferente número de lados, dependiendo de la
configuración morfológica del terreno.
Inicialmente se consideró que la tendencia sería hacia las estructuras regulares
pero al paso del tiempo se ha ido popularizando el uso del TIN, aunque el uso más
generalizado es una combinación de los dos métodos, es decir malla regular y
TIN.
Una metodología totalmente diferente en los modelos digitales del terreno ha sido
propuesta por K. Kubik y otros en 1971 que puede clasificarse dentro del método
de los elementos finitos. Emplean una malla elástica, consistente en tramas
bilineales y bicúbicas, y determinan su elasticidad con mediciones ponderadas de
curvatura. Una solución por mínimos cuadrados, con ecuaciones normales de
bandas estructuradas, permite el cálculo eficaz de las alturas incógnitas de la
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5 4
malla. El método está adecuado idealmente para el modelado de los rasgos no
homogéneos del terreno, ya que se puede influenciar la elasticidad de cada
elemento de la malla.
Figura 15 Modelo Digital del Terreno DTM.
3.2.5.1 Edición de los datos del muestreo. Sí se habla en términos de "alta
fidelidad" se debe efectuar la edición del conjunto de datos muestreados, a fin de
eliminar los errores bruscos por omisión de datos, etc. , y disponer, además, de un
control de calidad del registro de los datos. Aquí también la fotogrametría ofrece
técnicas avanzadas en el modo "off -line" y "on-line", mediante la superposición
sobre el modelo estereoscópico de productos gráficos obtenidos a partir de los
datos del terreno. La comprobación de los datos obtenidos por la medición directa
-topográfica, o por digitalización, debe efectuarse en forma similar mediante la
comparación de los productos gráficos derivados, con la información cartográfica
disponible.
Tras el muestreo y la edición, se obtiene una primera descripción digital de la
superficie del terreno, mediante los datos de elevaciones originales. Este conjunto
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5 5
de datos debe archivarse, dado que contiene todas las informaciones genuinas de
los datos de entrada. Los cambios recientes también deben reflejarse en estos
datos, por esta razón deben referirse todos a un marco común de referencia.
3.2.5.2 Modelamiento y edición de la red. Una vez se han capturado los datos que
servirán para generar el DTM, se debe clasificar y especificar al software qué tipo
de dato se tiene y dónde se encuentra, para que el programa utilice
adecuadamente esta información, algunos software dan al usuario la posibilidad
de generar DTM por varios métodos que contienen diferentes parámetros, pero la
tendencia actual, es de eliminar estas posibilidades ya que los algoritmos en este
momento han evolucionado tanto que no se requiere que el usuario tenga que
elegir, esto lo hace el propio software de acuerdo a las características del terreno.
Anteriormente cuando se tenía la posibilidad de usar varios algoritmos, el mismo
conjunto de datos presentaba diferentes resultados, uno para cada algoritmo,
presentándose la incertidumbre de cuál sería el más cercano a la realidad.
Como en la actualidad el uso de los algoritmos lo define el software, el proceso se
hace más sencillo y claro para el operador, aumentando la fidelidad del modelo y
generando resultados únicos y libres de incertidumbre
Generalmente los programas de DTM permiten procesar información filtrada o
seleccionada, a pesar de esto algunos datos pueden tener errores groseros u otro
tipo de inconsistencia que no se tengan en cuenta para el procesamiento del
DTM, es aquí donde el programa permite editar estos datos o sacarlos del
proceso.
Una vez se han corregido los datos se procesa el DTM, algunos programas
permiten ver la red generada bien sea malla regular o triangulación irregular (TIN),
también permiten la visualización de esta malla o triangulación eliminando,
adicionando o reacomodando líneas de la red, y también adicionando, editando o
borrando puntos y líneas de quiebre, para luego reprocesar la información.
Algunas aplicaciones practicas de los Modelos digitales del terreno son:
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5 6
• Conformación de curvas de nivel e interpolación
• Generación de perfiles y alineamientos
• Calculo de volúmenes
• Simulaciones de cortes, rellenos, paisajismo, inundaciones, erosión,
impacto urbanístico y ambiental
• Apoyo a cálculos hidrológicos
• Mapas de pendientes
• Simulación de deslizamientos, avalanchas
• Mapas de riesgos
• Diseño de vías, presas
• Comparaciones cronológicas del terreno para evaluación de
deslizamientos, movimientos, erosión, etc.
• Calculo de caudales, cubicación de aguas, explotaciones mineras a cielo
abierto, sedimentaciones.
• Visualización en perspectiva del terreno.
• Visualización e malla cuadrada o triangular
• Navegación virtual sobre el terreno
• Cálculos hidrológicos, entre otros.
3.2.6 Ortofotografía digital
La Ortofotografía es la misma imagen fotográfica, con la ventaja que se han
corregido las distorsiones producidas por la cámara y su oblicuidad en el momento
de la toma, el desplazamiento debido al relieve del terreno y otros factores de
distorsión geométrica. La ortofoto queda ajustada a escala, lo que permite
manejarla igual que un plano convencional. Para la creación de la ortofoto se hace
necesaria la generación del modelo digital de terreno (DTM); la calidad de la
ortofoto depende directamente de la confiabilidad de DTM, por esto se requiere de
una buena aplicación de la correlación de imágenes, en la medida que se desee
una buena ortofoto.
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3.2.6.1 Procedimiento para obtención de ortofoto. Las ortofotos son fotos
rectificadas. Estas fotografías son representaciones en proyección ortogonal del
terreno en forma de fotos. Se obtienen a partir de las fotos en un proceso llamado
Rectificación Diferencial, que elimina las variaciones de escala y los
desplazamientos de imagen, debidos al relieve y a la inclinación.. Por
consiguiente, los detalles representados se muestran en su posición planimétrica
verdadera.
Actualmente la producción de ortofotos se realiza mediante un procesamiento
digital de imágenes; con estos dispositivos, el contenido de las fotos se almacena
en el computador como una serie de pequeños elementos gráficos, (pixeles)
dispuestos sistemáticamente en filas y columnas.
Las ortofotos combinan las ventajas de las fotografías aéreas y de los planos o
mapas. A semejanza de las fotos muestran los detalles con sus imágenes reales
más que como representaciones de líneas y símbolos, siendo así más fáciles de
interpretar y comprender. Muestra los detalles en verdaderas posiciones
planimétricas, como lo hacen los planos. Por consiguiente, las distancias, ángulos
y áreas reales se pueden determinar directamente a partir de ellas. Las ortofotos
por lo general, se pueden elaborar más rápida y económicamente que los planos;
sus ventajas son muy significativas y ya han reemplazado a los planos y mapas
comunes en muchas aplicaciones.
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5 8
q Tabla 4. Diferencias entre ortofotos y fotografía aérea.
3.2.6.2. Corrección por modelos digitales de terreno
Este proceso usa datos de elevación de superficie e información de la proyección
para relocalizar los píxeles a sus posiciones verdaderas. Con el modelo digital de
terreno se corrige el desplazamiento debido al relieve; el cual es una distorsión
geométrica de fotografías aéreas e imágenes de satélite que se causan por la
variación en la elevación del terreno y las alturas propias de los objetos. En las
fotografías verticales, por ejemplo, las cimas de los objetos parecen ser
cambiadas de sitio radialmente de sus bases exteriores del punto del centro de la
fotografía. Los efectos de desplazamiento son en aumento más severos en los
extremos de las fotografías. La ilustración siguiente demuestra este efecto:
DIFERENCIAS ENTRE ORTOFOTO Y FOTOGRAFÍA AÉREA
FOTOGRAFÍA AÉREA ORTOFOTO
Proyección Central: Con distorsión radial a
partir del centro hacia los lados.
Proyección Ortogonal: Representación correcta,
sin distorsiones.
Escala Variable Escala Uniforme
Distorsión Producida por la Lente Imagen Corregida
Distorsión Debida al Relieve Imagen Corregida
Distorsión por Inclinación de la Cámara Imagen Corregida: valiéndose de los datos de
las orientaciones Interna, Relativa y Absoluta.
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Figura 16: Deformación debido al relieve
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Figura 16 Corrección debido al relieve
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3.2.7 Errores en las mediciones
La incertidumbre de las mediciones es atribuible a:
• Errores efectuados durante la operación de medición.
• Naturaleza del objeto a medir.
• Instrumento de medición adoptado.
• Procedimiento de medición empleado.
• Operador que realiza el trabajo.
Resulta por lo tanto extremadamente complejo trazar un cuadro general y dar la
información práctica para poder tener un punto de referencia a los fines de la
precisión en la operación de medir. Se debe tener en cuenta que el levantamiento
finaliza siempre en un elaborado gráfico, que representa en una cierta escala la
obra relevada.
Esto representa una incerteza que está ligada a la naturaleza del signo con que
vienen trazadas las varias líneas. no es posible trazar y distinguir líneas con
espesores inferiores a 2 ó 3 décimas de milímetros. Este error de graficación es
constante. ya sea en diseños de pequeña y grande escala. un error de 3 décimas
de milímetros efectuado en un diseño en escala 1:1000, corresponde a un error de
30 cm. en la medición real. esta observación consiente de observar y afirmar que
la precisión del levantamiento debe estar relacionada a la escala en que se debe
representar la obra relevada. (Tassara,2001)
Para el levantamiento estructural con cinta métrica parece conveniente tener como
base los valores expuestos donde la tolerancia es 0.45 a 1.45 mm. por metro.
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q Tabla 5. Relación de errores por metro de acuerdo con la escala de graficación. ESCALA ERROR POR METRO
1:10 + 0.2 a 0.3 cm.
1:20 + 0.4 a 0.6 cm
1:50 + 1 a 1.5 cm
1:100 + 2 a 3 cm
1:200 + 4 a 6 cm
1:500 + 10 a 15 cm
1:1000 + 20 a 30 cm
1:2000 + 40 a 60 cm
Fuente Tassara 2001
Si consideramos una estructura alargada de 30 metros y una incerteza de 1.45
mm. por metro, la incerteza completa será de 4.35 cm. Y por lo tanto se maneja
con un valor bastante superior al error de graficación.
El problema asume mayor relevancia, en el caso de adoptar la escala 1:20, porque
el error de graficación será de 0.4 a 0.6 cm. mientras la tolerancia instrumental se
mantendría siempre en 4.35 cm.
Se puede establecer que para levantamientos en escala superior a 1:100, la
tolerancia estará contenida en la incerteza gráfica y por lo tanto su valor podrá ser
considerado como parámetro de asociar a la indeterminación de la medida.
En escala 1:100, 1:50 o inferiores se debe fijar la tolerancia en relación con los
instrumentos utilizados y al tipo de medida porque el error de graficación es
siempre inferior a aquel que se obtiene con el levantamiento métrico.
Para una restitución fotogramétrica, los errores sobre el plano de representación
no deberían superar + 0.3 mm. , en la escala del dibujo.
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3.2.8Ventajas y Desventajas de la Fotogrametría Digital.
Ventajas
• No se requieren grandes espacios para la ubicación de las estaciones
• No es necesario mantenimiento de especialistas de grandes equipos.
• Se pueden visualizar imagen ráster y vector al mismo tiempo
• Fácil instalación
• Se elimina la redundancia de ajustes
• Puede trabajar imágenes satelitales
• Se producen productos adicionales a los planos o mapas
• Es de fácil uso
• Permite que sea visualizado el trabajo estereoscópico por mas de una
persona
Desventajas
• Costo elevado
• Se prefiere la utilización de los sistemas tradicionales
• El costo del escanéo es bastante costoso
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4. PRUEBAS EXPERIMENTALES
Para sustentar lo mencionado anteriormente se realizaron pruebas con diferentes
imágenes, las cuales se describen a continuación:
4.1 MINA
Se escogió un par estereoscópico con las siguiente características Fotografías a Color
Formato 23 * 23
Cámara Métrica
Escala de la fotografía 1 : 10000
Escáner Fotogramétrico
Hardware Estación Fotogramétrica
Procesador Pentium I
Memoria Ram 64 Mb
Disco Duro 4 Gb
Monitor 15” o 17”
Tarjeta de video 4 Mb
Tableta digitalizadora Summasketch
Lentes Polarizados
Software Z I Imaging
4.1.2 Procedimiento
Este es el procedimiento para cargar imágenes en la estación digital
Se debe abrir una carpeta nueva que tenga el nombre del archivo deseado y se
copian las imágenes deseadas desde el CD al disco duro:\D.
4.1.2.1 Generación de Overviews. Como las imágenes escaneadas vienen en
forma plana (alta resolución y gran cantidad de datos), el software requiere
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generar otras imágenes con resoluciones mas bajas, con el fin de facilitar el
manejo de la información ráster, en determinadas aplicaciones en las cuales se
desea hacer una visualización global de la imagen sin que se requiera demasiada
precisión y a la vez se agilice el despliegue. Al generar Overviews lo que se hace
es generar un juego de imágenes adicionales a la original, pero con resoluciones
mas bajas, generalmente se generan 8, estas se adicionan al archivo de la imagen
inicial, aumentando su tamaño.(Rincón, manual de practicas,2000)
Figura 17 Generación de Overviews
4.1.2.2 Creación del Proyecto. En esta parte se coloca el nombre del proyecto y
se direcciona su ubicación.
4.1.2.3 Creación de La Cámara. Se selecciona el tipo de cámara a utilizar y se
ingresan los datos de su respectivo certificado de calibración. Además se ingresan
los datos de las coordenadas de las cuatro marcas fiduciales.
4.1.2.4 Creación del Control. Se introducen las coordenadas de los puntos
seleccionados como puntos de fotocontrol.
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4.1.2.5 Creación de Fotos. Se determinan el número de foto y faja y se direcciona
la ubicación de cada overview.
4.1.2.6 Creación de Modelos. Se indica cuál fotografía queda a la izquierda y cuál
a la derecha del estereopar y se genera el modelo estereoscópico.
4.12.7. Orientaciones. En primera instancia se realiza la orientación interna con
ayuda de las marcas fiduciales, se puede realizar manual o semi
automáticamente.
Después se realiza la orientación relativa determinando puntos homólogos en las
imágenes como mínimo se deben tomar 6 puntos.
Por último se realiza la orientación absoluta utilizando los puntos obtenidos en el
fotocontrol y entrando sus coordenadas.
El objeto de las orientaciones consiste en reconstruir la posición exacta de la
cámara en el momento de la fotografía. Su objetivo es el de hacer que los pares
estereoscópicos se corten sobre la superficie del terreno.
Una vez orientados todos los modelos y además digitalizados todos los puntos
requeridos se corre el programa de aerotriangulación (si no se trata de control
directo) el cual hará el cálculo mostrando los resultados. El sistema ajustará en
forma automática y absoluta todos los modelos involucrados.
Los archivos epipolares hacen que la imagen sea más liviana y organizan los
píxeles. Consecuentemente al reducir las imágenes, reduce el número de
ecuaciones del procesamiento matemático de los modelos. Los archivos
Epipolares generados quedan creados con extensión (*.epc).
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4.3 RESULTADOS OBTENIDOS
4.3.1 Fotografía aérea
Utilizando un par de fotografías a color aéreas escala 1:10000 , de una zona de
cantera y utilizando el software ZI Imaging se obtuvieron los siguientes resultados.
q Tabla 6. Resultados de la orientación relativa
__________________________________________________________________ Parámetro Fotografía
Izquierda Derecha __________________________________________________________________ X0 0.000 86.456 mm Y0 0.000 0.203 mm Z0 152.720 153.408 mm Omega -0.315 grados Phi -0.110 grados Kappa 0.511 grados __________________________________________________________________
q Tabla 7. Resultados de la orientación absoluta
__________________________________________________________________ Parámetro Fotografía
Izquierda Derecha __________________________________________________________________ X0 14913.525 11524.260 m Y0 11540.260 11524.814 m Z0 3239.737 3248.921 m Omega -0.157 -0.473 grados Phi 0.077 -0.028 grados Kappa -0.776 -0.265 grados __________________________________________________________________
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q Tabla 8. Resultados RMS
__________________________________________________________________ Parámetro (m) X Y Z XY __________________________________________________________________ Control 2.311 4.438 4.486 3.538 Check 0.000 0.000 0.000 0.000 __________________________________________________________________
4.3.2 Fotografía Horizontal
En la segunda prueba se tomaron modelos con ayuda de la cámara Sony DSC
707, realizando blancos de prueba con una base medida y con fotografías desde
ambos extremos para que el modelo se pudiera analizar en 3D.
En general el procedimiento de fotogrametría horizontal es igual que para
fotogrametría vertical, la única diferencia radica en la adoptacion del sistema de
coordenadas donde Z es la profundidad.
q Tabla 9. Resultados para prueba de objeto cercano, parámetros de orientación
__________________________________________________________________ point NO. dX dY dZ __________________________________________________________________ 2 0.015 0.024 0.002 6 -0.045 0.064 -0.005 9 0.155 -0.158 0.054 15 -0.030 -0.003 -0.062 A -0.048 0.015 -0.010 C 0.031 0.095 0.033 20 0.049 -0.054 -0.014 E -0.125 0.031 0.024 __________________________________________________________________ * Para este proceso no se tiene información de orientación interna.
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q Tabla 10. Residuales absolutos, RMS
__________________________________________________________________
mX mY mxy mz __________________________________________________________________ 0.077779 0.073283 0.106865 0.033115 __________________________________________________________________
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5.EQUIPAMIENTO
5.2 HELICOPTERO
Como elemento básico del proyecto se recurre a los expertos aeromodelistas que
manejan de manera perfecta la técnica de volar helicópteros y con su ayuda se
estableció el equipo básico para el mini helicóptero.
El motor del helicóptero es similar a un motor de avión glow de 2 tiempos excepto
que este tiene una disipador de calor más grande para refrigerarlo mejor, y un
carburador con el ajuste mejorado en los medios. Al comprar el motor del
helicóptero, el silenciador no esta incluido. El silenciador viene generalmente con
el kit del helicóptero.
4.1.2 Receptor
Para recibir la señal del transmisor y después transmitirla a los servos. Hay
básicamente dos tipos de receptor. Pero cual utilizar depende principalmente de
su tipo de radio y de qué puede utilizar.
4.1.2 1 El receptor del PCM Es un receptor digital que utiliza frecuencia normal de
FM, pero la señal es una señal digital codificada la cual el receptor del PCM la
interpreta como comandos.
4.1.3 Servos
Los servos son los motores mecánicos que se conectan al receptor y a las
superficies de control del helicóptero vía acoplamientos mecánicos. Una vez más
hay muchas clases de servos diferentes que van de una fuerza de torsión de 3kg
hasta el esfuerzo de torsión de 9kg. Generalmente, los servos con más fuerza de
torsión se utilizan para el vuelo avanzado como acrobacias aéreas y 3d, y los
servos normales o estándares para el vuelo general.
Para un helicóptero, se requiere un mínimo de 5 servos: Motor Paso Colectiva,
Rotor De la Cola , Cíclico Derecha/Izquierda ,Cíclico Adelante/Atrás
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4.1.4 Giróscopo
Un giróscopo, es un dispositivo electromecánico usado en el helicóptero para
ayudar a semi-automatizar la respuesta del rotor de la cola. En el caso de un
helicóptero de R/C, se intercala eléctricamente entre el receptor y el servo que
controla el paso de las palas del rotor de la cola. Un sensor mide cualquier cambio
indeseado en el desvío del helicóptero y corrige la situación aumentando o
disminuyendo el paso del rotor de la cola para estabilizar el movimiento.
4.1.5 Equipo de Campo
Depende en gran parte del tipo de mecanismo de arranque del helicóptero. Un
motor glow con un 'recoil pull-starter' (arrancador de retroceso), necesita
combustible y bomba para el combustible, y un calentador de bujía (o chispómetro)
para proveer de corriente a la bujía durante el arranque.
Si no tiene arranque de retroceso, se necesita además indudablemente un
arrancador eléctrico accionado por una batería de 12 voltios para dar vueltas al
motor.
4.1.7 Costos
A continuación se presenta el análisis de costos para el ensamblaje del mini
helicóptero.
q Tabla 11. Costos Equipo
__________________________________________________________________ Elemento Costo US$ __________________________________________________________________ Helicóptero armado 2800 Radio Control Helicóptero 450 Radio control cámaras 225 Cámara de foto / video digital 1600 Cámara de video pinholl 300 Giróscopo 750
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Adaptación Elementos 750 Instrucción de vuelo y otros 1000 Total 7875 __________________________________________________________________
4.2 Estación fotogramétrica – VirtuoZo
Acepta como entrada fotografías e imágenes aéreas o de satélite, con sobre
posición, tomadas con cámaras métricas o no métricas..
Se compone de diferentes módulos descritos a continuación
4.2.1 Modulo Base
Funciones : entrada de datos, imágenes y parámetros implícitos de escalas,
intervalos, resolución etc. Visualización 3D., procesamiento por lotes .
4.2.2 Modulo V-Orient
Funciones: Orientación interna y relativa automáticas, orientación absoluta semi
automática, generación de imágenes epipolares (eliminación automática del
paralaje por Y).
4.2.3 V-Matching
Funciones: Proceso previo a la Estereo correlación, correlación de imágenes,
generación de grillas regulares tridimensionales, correlación previa de áreas con
bruscos cambios de pendientes.
4.2.4 Modelo V-DEM
Generación del DTM mediante la red irregular de triángulos TIN, generación de
curvas de nivel de acuerdo con las necesidades, unión de modelos digitales de
diferentes Estereo modelos.
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4.2.5 V-Ortho
Generación automática de ortofoto digital, mosaico de ortofotos.
4.2.6 V-Mapper
Captura fotogramétrica de información de precisión, mediciones sobre los
modelos, edición.
4.2.7 Costos
q Tabla 12. Costo Software VirtuZo
__________________________________________________________________ Procesador Módulos Costo __________________________________________________________________ Pentium III V-Base V-Orient V-Matching V-DEM V-Ortho V-Mapper Hardware para visualización 3D TOTAL USD$ 7800 __________________________________________________________________
q Tabla 13. Costo Software VirtuZo
__________________________________________________________________ Procesador Módulos Costo __________________________________________________________________ Pentium IV V-Base V-Orient V-Matching V-DEM V-Ortho V-Mapper Hardware para visualización 3D Total USD$ 9300 __________________________________________________________________
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6. CONCLUSIONES
-El ensamble de los elementos del helicóptero como tal es un proceso que debe
ser llevado a cabo por personas expertas en el manejo de aeromodelos de ésta
índole.
-La determinación del sistema de coordenadas base para cada proyecto puede ser
mejorada en precisión con la utilización del sistema GPS.
-Es recomendable para el proceso de fotocontrol la determinación de los puntos
una vez se han tomado las imágenes. Si la zona es muy homogénea y no se
encuentran detalles que puedan identificarse en la foto, solo en ese caso deberá
recurrirse a la pre señalización.
-Para lograr el máximo rendimiento en imágenes se debe contar con una cámara
de zoom fijo y con alta resolución, como mínimo 5 Mega Pixeles.
-La fotografía de objeto cercano permite a una distancia menor de 100 metros
obtener residuales del orden de 10 a 20 cm, por lo tanto debe procurarse no
superar estas distancias, también es importante la determinación de los puntos de
control para los modelos.
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