Sensores y Cámaras en Fotogrametría

Objetivo de la Fotogrametría

El objetivo principal de la fotogrametría es reconstruir objetos a partir de imágenes. Esta restitución es el proceso inverso a la formación de la imagen. Si en la toma la información «fluía» del objeto a la imagen, en la restitución la información está en la imagen y nos dará como resultado la representación del objeto.

Por tanto, la información del momento de la toma es importantísima:

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

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

Componentes y Conceptos Clave

Haz Perspectivo

Conjunto de semirrectas que van desde un punto denominado Punto Vista a cada uno de los puntos de la superficie (objeto tridimensional). Cada semirrecta se denomina Rayo Perspectivo.

Fotografía

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

Toma Fotográfica

Mediante una cámara fotográfica se registra el objeto.

• Objetivo fotográfico: Está definido por un conjunto de lentes que forman un sistema óptico centrado.
• Plano Focal: Plano donde se materializa la imagen.
• Eje Óptico: Perpendicular al plano focal por el punto de vista.
• Punto Principal: Intersección del eje óptico con el plano focal.
• Distancia Focal: Distancia del punto de vista al punto principal.
• Función de distorsión: Los rayos entran por la Pupila de Entrada (PE) y salen por la Pupila de Salida (PS), generándose un haz de entrada y un haz de salida, diferentes debido a las aberraciones de distorsión del objetivo de la cámara. La función de distorsión es la ecuación que relaciona los ángulos de entrada y salida.
• Datos Internos: Posición del Punto Principal, Distancia Focal Calibrada y Función de Distorsión.

Clasificación de las Cámaras

Según la fuente de energía registrada:

• Pasivas: Recogen la luz solar reflejada por los objetos. Cámaras Fotográficas y algunos sistemas espaciales.
• Activas: Generan energía que emiten hacia el objeto, y éste la refleja a los sensores del sistema. Radar, LIDAR, etc.

Según la geometría de la imagen:

• Métricas: Se conoce con precisión los datos internos. Fotogrametría.
• Semimétricas: Se añaden señales (malla «reseau») que permiten conocer los datos internos. Fotogrametría.
• No Métricas: No se conocen los datos internos. Fotointerpretación.

Según la posición de la cámara (Aéreas):

• De Banda Continua: Fotografía continua sobre el eje de vuelo. La película avanza continuamente (sin obturador) a la velocidad aparente (velocidad del avión a escala). No se conocen los datos internos para reconstruir el haz perspectivo.
• Panorámica: El objetivo gira para obtener un barrido perpendicular a la dirección del vuelo. Ángulo de campo total de unos 140º. Relación de escala en el centro y los lados de 1:3. Plano focal curvo.
• Multibanda: Varias cámaras con diferentes películas y filtros en un mismo cuerpo. Cada una registra una porción diferente del espectro. Apertura sincrónica.
• De Serie: Película plana, impresiona toda la imagen simultáneamente. Ampliamente utilizada en fotogrametría.
• Sensores digitales: Imagen registrada digitalmente. Ha sustituido a las analógicas.

Cámaras Terrestres:

• Cámara métrica de serie analógica:
  • Cono Interior: 1. Objetivo, 2. Diafragma, 3. Obturador, 4. Filtros
  • Plano Focal: Marcas fiduciales, punto principal, distancia focal.
  • Cuerpo: Unión entre los componentes anteriores.
  • Almacén: Mecanismo compensador del movimiento de imagen, sistema de planeidad.
  • Accesorios: Montura, unidad de control.

Escáner

Fundamento: Digitalización de fotografías obtenidas convencionalmente. Convierte un documento analógico en digital.

Clasificación:

• Escáner de Artes Gráficas: Poca precisión y resolución geométricas.
• Escáner Fotogramétrico: Gran precisión y resolución geométricas.

Componentes:

• Sistema de iluminación
• Portaplacas
• Sensor
• Electrónica del escáner
• Ordenador

Características del Escáner:

• Resolución Geométrica: Tamaño del píxel (píxel del sensor, píxel del escáner, píxel refinado, píxel fotográfico).
• Precisión Geométrica: Posicionamiento de cada píxel. Problemas de alineación de sensores, diferencia de escala.
• Resolución Radiométrica: Número de bits utilizados en el almacenamiento del valor de cada píxel (10 a 12 bits de entrada, 8 de salida).

Cámaras Digitales Aerotransportadas

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

Justificación: Precio razonable, imagen en formato digital inmediatamente.

Enfoque: Elimina procesos de revelado y escaneado, ahorrando inversión y personal.

Multicapa: Información estéreo, datos RGB y datos IR simultáneamente.

Fotointerpretación: Mejora la interpretación temática de la imagen.

Teledetección: La fotogrametría y la teledetección tienden a unirse.

Sensor CCD

El CCD (Charge Coupled Device) es un conjunto de fotosensores con un registro de salida. Los fotones de luz se transforman en electrones, y esta carga se transfiere a un sistema digital. Se agrupan en matrices unidimensionales o bidimensionales. La cantidad de electrones creada depende del tiempo de exposición y la intensidad de luz. El silicio es el semiconductor utilizado. Los CCD se agrupan en «chips», caracterizados por el número de píxeles y el tamaño de cada píxel. Un píxel suele tener forma cuadrada.

Imagen RGB

Para formar una imagen RGB se utiliza el Patrón Bayer, que distribuye en una única matriz los píxeles sensibles al rojo, verde y azul. El nuevo sensor FOVEON utiliza tres capas de sensores que trabajan como filtros, detectando independientemente los tres colores primarios.

Sensor CMOS

En un sensor CMOS, cada píxel tiene su propia conversión «carga a voltaje», sin transferencia de carga entre sensores adyacentes. El sensor suele incluir amplificadores, corrección de ruido y circuitos de digitalización para producir bits digitales.

Transición Analógica-Digital

Sensitometría

Estudia la respuesta de un material fotográfico a un estímulo luminoso. Curva característica: La iluminación relativa depende de la exposición (tiempo, apertura, etc.) y el procesado de la película.

El sensor CCD permite medir los valores absolutos de los fotones entrantes con una función de transferencia lineal.

Rango Dinámico

Los conversores electro-ópticos modernos permiten rangos dinámicos de 1:4000 (capacidad dinámica de 12 bits) o mejores. Se pueden abarcar rangos de iluminación desde alta a muy baja reflectancia aparente. Esto indica la calidad de los sensores CCD y las nuevas cámaras digitales aerotransportadas. Con un «zoom radiométrico» en áreas específicas, se reconocen detalles.

Sensibilidad Espectral

La respuesta espectral de la película en color es amplia, en bandas de los diversos canales espectrales, superponiéndose. Los filtros de interferencia permiten un control preciso de las longitudes de onda y anchos de banda.

Concepto Lineal y Matricial

Lineal

Genera tiras largas y continuas de imagen. Filosofía del sensor satélite de empuje (pushbroom).

Matricial

Imágenes cuadradas o rectangulares. Filosofía de perspectiva de imagen analógica.

Concepto Lineal

Basadas en el concepto de tres líneas, con ángulos entre ellas de 14.2º, 28.4º y 42.6º. Las dos extremas se utilizan para visión estereoscópica. Es un caso especial de perspectiva central, llamada perspectiva lineal. El componente del desplazamiento en la dirección de vuelo es constante. Necesita dispositivos para la orientación directa del sensor: GPS (posición) e INS (actitud). La orientación exterior cambia con cada línea registrada.

ADS80 de lineal: Airborne Digital Sensor (Leica Geosystems). Concepto de tres líneas. Tiene diversas variantes de configuración en el plano focal. 3 sensores pancromáticos (12000 pix) (nadiral y 2 estereoscópicas). Ángulo fijo para las estereoscópicas de 42.6º. Tamaño de píxel de 6.5 micras (3cm GSD). Varios sensores multiespectrales (hasta 15 sensores) (6846×6096 píxeles). Sistema de almacenamiento (500 Gb). GPS, INS, etc.

Matricial

Se utilizan como las cámaras de película analógica, con recubrimientos del 60% en adelante. Se trata de una perspectiva central. El desplazamiento de los elementos verticales tiene dos componentes: en la dirección de vuelo y el transversal a ésta (funciones ambas a la distancia desde el centro y a la diferencia de altura). La orientación es la misma para toda la matriz.

DMC II-250: Digital Mapping Camera (Intergraph). Concepto de cuatro matrices con sus correspondientes lentes, cuyos ejes ópticos están ligeramente inclinados, para producir una única imagen pancromática. 4 sensores pancromáticos (8.5k x 7k > 17216 x 14656 píxeles). Tamaño de píxel de 5.6 micras (GSD 2.5 cm a 500 m). 4 sensores multiespectrales (3k x 2k píxeles) (f=45 mm, para cubrir la misma zona que el pancromático). Sistema de almacenamiento (1.5 Tb). GPS, INS, TDI, etc.

UltraCamXp: UltraCam (Vexcel). Concepto de cuatro matrices con disparo sintópico, con retardo proporcional a la velocidad del avión, para producir una única imagen pancromática con el mismo centro de proyección. 4 objetivos pancromáticos con 9 chips de CCDs (14.4k x 9.4k píxeles). Tamaño de píxel de 7.2 micras (GSD 2.2 cm a 300 m). 4 sensores multiespectrales con 4 CCDs (4.8k x 3k píxeles) (f=45 mm, para cubrir la misma zona que el pancromático). Sistema de almacenamiento (1.7 Tb) GPS, INS, TDI, etc.