Curso de FotogrametríaParte I

Ing. Jose de Jesus Campos jcampose@centrogeo.org.mx

Presentada por:Ing. Luis Antonio Marquez Amieva

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Contenido

• Introducción• Fuentes de datos

– Fotografías aéreas

• Procesos fotogramétricos– Triangulación aérea– GPS e INS– Conversión analógica a digital

• Imágenes digitales– LIDAR– RADAR

• Modelos digitales de elevación– Fuentes– Interpolación

• Ortoimágenes– Métodos aproximados– Métodos fotogramétricos

• Aplicaciones

Fotogrametría:

Ciencia que tiene por objeto la determinación de la forma y dimensiones de objetos sin estar en

contacto directo con ellos.

Introducción

Establecimiento de bases de datos espaciales

La fotogrametría, la cartografía, la geodesia y la teledetección, son herramientas para la actualización/creación de un SIG

Subsistema de adquisición y actualización de datos de un SIGSubsistema de adquisición y actualización de datos de un SIG

Mapas, planos

Fotografías e imágenes digitales

Títulos, doctos. legales

Levantamientos geodésicos y topográficos

Archivos tabulares y de documentos

Base de datos

Investigación y complementación de

campo

• Métodos fotogramétricos (métodos indirectos)

• Fotografía (blanco y negro, color, falso color)

• Imagen digital (radar, multiespectral, pancromática, lidar)

• Imagen de video

Sensores

• La energía radiante del sol es modificada por la atmósfera y la superficie terrestre ya sea por su dispersión, reflexión o absorción.

• Todos los cuerpos reflejan parte de la energía y al mismo tiempo emiten su propia radiación.

• Cuerpos diferentes absorben y reflejan diferentes longitudes de onda en función de sus propiedades físicas y químicas.

• Dos objetos iguales pero a temperaturas y niveles de humedad diferentes responden de manera diferente.

• La energía captada por los sensores es la emitida o reflejada, o una combinación de ambas, por el fenómeno en observación.

Sensores

Los sensores se clasifican en pasivos o activos, según usen una fuente externa de energía –usualmente el sol- o utilizan una fuente de iluminación propia

– Pasivos: fotográficos, óptico-electrónicos

– Activos: lidar y radar.

Fotografía: - B /N -Color - Falso color

Imagen : - Pancromática - Multiespectral - Radar - Lidar

Datos:GeodesiaTopografía

MDE

Escaneo Preproceso

A. T.

Resección

MDE

OrtofotoOrtoimagen

Restitución 3-D

Restitución 2-D

TIN

Mosaico

Estéreo anexa FotomapaEspaciomapa

SIG (bases de datos) / LIS (catastro) / CAD (obras ingeniería) / PR (espaciomapas)

Insumos, procesos y productos (fotogrametría)

Fuentes de información

Fotografía aérea

Cámaras fotogramétricas

Almacén

Cuerpo de la cámara

Cono-objetivo

Visor/Anteojo de navegación

Sistema de lentes

Distancia focal (mm)

Angulo de campo

Normal 300 55

Granangular 150 90

Supergranangular

90 120

Fotografía aérea

Plano de referencia

E Escala

f Distancia focal de la cámara

H Altura de vuelo sobre el plano de referencia

hprom Altura promedio del terreno

sobre el plano de referencia

h1 hprom hh

h

fL

o

Escala

promprom

fE

h h

Plano del negativo

h, altitud (altura sobre el nivel medio del mar

H, altura sobre el terreno

F, distancia focal

Campoangular

Eje óptico = vertical

Terreno

900 ± 3⁰

Superficie de referencia

Estación de exposición

Fotografía aérea

Desplazamiento por reliever

r

HH

RR

O

N

f

rr

HH

RR

HH

rr

Fotografía aérea

Negativos

Estación de exposición

P

H

Terreno

TraslapePlano de referencia

P1

P2

L1L2

f

1

2

Estereoscopía

Base área

Fotografía aérea

Procesos aerofotogramétricos

• Sistemas de coordenadas• Triangulación aérea• GPS aerotransportado• GPS e INS

Movimientos del avión

Z

Yω

X

Y

κ

XZ

X

Z

φ

Y

Movimientos angulares

Centro de Investigación en Geografía y Geomática“Jorge L. Tamayo” A.C.

Vuelo fotogramétrico

Sistemas de coordenadas

Falso origen

Eje Y de

pixels

Eje X de pixelsOrigen pixels

(0,0)

Tamaño Y del pixel

Tamaño X del pixel

Eje y de foto coordenadas

(0,0) Eje x de foto coordenadas

Aerotriangulación

• Triangulación aérea: obtención de coordenadas terrestres en gabinete– Línea de vuelo: fotografías obtenidas en la(s)

dirección(es) de vuelo– Bloque: conjunto de fotografías obtenidas para

cubrir un área determinada (puede ser más de una línea de vuelo)

– Distribución del control:• Altimétrico• Planimétrico

Aerotriangulación• Métodos

– Analógico: polinómico (aeropolígono)

– Semianalítico: modelos independientes• Orientación relativa por modelo

• Medición coordenadas de puntos de control

• Formación de modelos

• Determinación de coordenadas de centros de proyección

• Formación y ajuste de bloque

– Analítico: por haces de rayos• Un punto objeto, su imagen y el centro de proyección forman un mismo rayo

• Definición de parámetros de orientación y las incógnitas de las coordenadas del terreno

• Se emplea la autocalibración

• Datos iniciales: coord. imagen de los puntos de enlace, coord. Imagen y objeto de los puntos de control ( en su caso, coord. centros de estación GPS/INS)

Ajuste de bloques(aerotriangulación)

GPS aerotransportado

Operando un GPS en tierra, en un punto con coordenadas perfectamente determinadas, conjuntamente con el que está a bordo del avión, es posible obtener el centro de estación de cada fotografía con precisiones del orden de cm, lo que reducirá la cantidad de apoyo terrestre.

El empleo de sistemas GPS e INS minimizan o reducen la etapa de TA

GPS e INS aerotransportado para aplicaciones fotogramétricas en cartografía

ω X

Z

Y

φ

κ

Sistema de navegación inercial, INS

3 acelerómetros

3 giroscopios

Procesador de

navegación

Condiciones iniciales: velocidad,

posición

Modelo de gravedad

IMUPosición, velocidad y orientación:

• (x,y,z),(vx,vy,vz)• (ω,κ,φ)

ωx,ωy,ωz

ax,ay,az

Sistema fotogramétricos aéreos (cámara, radar, lidar)

Componentes• Sensor (cámara, antena,)• INS, Sistema de Navegación Inercial*, (tríadas ortogonales):

– Giróscopos (relaciones angulares en 3 ejes: cabeceo, ladeo, alabeo) – Acelerometros (incrementos de velocidades)

• GPS (cinemático L1/L2)• Unidad de procesamiento

* Los sistemas de cámaras digitales de empuje, de sensores lidar y radar emplean sistemas de navegación inercial-GPS necesariamente para la obtención de la posición y orientación –actitud- de los sensores.

Insumos, procesos y productos (fotogrametría)

Conversión analógica a digital

Resolución fotográfica

Los sistemas fotográficos han evolucionado desde la aparición de los satélites de prospección de recursos terrestresUna fotografía aérea es resultado de la exposición de un número casi infinito de elementos sensores en el plano focal, al momento de la exposición, sin traslape alguno entre ellos.Este producto final es el resultado tal y como se ha mencionado de:

– Sistemas de lentes.– Película empleada.– Sistema de compensación del arrastre de la película por el

movimiento hacia adelante del avión (FMC).– Sistema de control de los movimientos angulares del avión

(AMC)

Analógico a digital

Muestreo

Imagen digitalImagen analógica

Línea entono continuo

Distribución continua detonos de gris o de

color Línea en formatoraster

Pixel

Intervalo demuestreo

Concepto de muestreo

Imagen digital

• Resolución espacial– Tamaño del objeto más pequeño que se puede observar

en una imagen:

• Resolución radiométrica– “Discretización” de la energía radiante: valor de los tonos

de gris.• Resolución temporal: la frecuencia de cobertura sobre un

mismo lugar.• Resolución espectral: indica el número de bandas y el ancho

de cada una de ellas.

Imagen digital

Analógico a digital

Archivos digitales de fotos y pares estéreos

20.2581.00

182.25324.00

506.25

729.00

992.25

1296.00

40.50162.00 364.50

648.00

1012.50

1458.00

1984.50

2592.00

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Resolucion de escaneo en ppp

Tam

año

del

arc

hiv

o e

n M

B

Foto

Modelo

¿Cuál escáner?

Precisión geométrica• Mantener la precisión que nos proporcionan los sistemas de cámaras métricas

con sistemas de compensación por el movimiento hacia adelante del avión así como de sus movimientos angulares: 2 µm

Resolución• Captar la resolución intrínseca de las fotografías tomadas con las nuevas

cámaras películas: 10 µM B/N y de 15-20 µM colorRango dinámico• Definido por el contraste (registrar la gama de tonalidades que nos

proporcionan las nuevas películas: 0.1 a 2.0 D B/N y de 0.1 a 3.5 D color).

La precisión es función del tamaño de pixel

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

3.25

3.50

500100020004000

Resolución de escaneo en ppp

Pre

cis

ión

alt

imét

ric

a e

n m

etr

os

1:2 500

1:5 0001:10 0001:20 0001:40 0001:80 000

Ortofoto digital: 0.5 m Landsat + IRS: 4 m

Fotografía aérea: 10 m Landsat: 15 m

La precisión es función del tamaño de pixel

... tal como lo son la cantidad y

nivel de detalle

Imágenes digitales

Dirección de vuelo

Al sistema óptico electrónico

Sistema telescopio-espejo oscilante

Dirección de barrido

Dirección de vuelo

Dirección de barrido

Sistema óptico-arreglo lineal

Sistemas opto-electrónicos

Escáner de espejo oscilatorio Escáner de empuje

Sensores satélites actuales de alta resolución

Satélite Compañía Resolución (m)

Orbview 3 GeoEye 1.0

Ikonos 2 GeoEye 1.0

Quickbird DigitalGlobe 0.6

Worldview 1 DigitalGlobe 0.5

GeoEye-1 GeoEye 0.41

Sensores fotogramétricos espaciales

Sistema satelitaltes Lanzamiento

GSD [m]P / MS

Cobertura [km]

Observaciones

IRS, India 2006 1 P 10 Vistas sin restricciones

ALOS, Japón 2006 2.5 / 10 35 / 70 -24 , nadir, + 24⁰ ⁰

COMPSAT-2 Corea del Sur 2006 1 / 4 15 Vistas sin restricciones

COMPSAT-3 Corea del Sur 2008 0.7 / 2.8 Vistas sin restricciones

Moniter-E Rusia 2006 8 / 20 94 / 160 Vistas sin restricciones

EROS B Israel 2006 0.7 P 14 Vistas sin restricciones TDI

EROS C Israel 2009 0.7 / 2.8 11 Vistas sin restriccionesTDI

RazakSat 2006 2.5 / 5 20 Vistas sin restricciones, inclinación 7⁰

CBERS 2B China-Brasil 2006 2.5 / 20 27 / 120 ±32 transversal⁰

CBERS-3 China-Brasil 2008 5 / 20 60 / 120

WorldView-1 2006 0.5 16 Vistas sin restricciones, TDI, sólo P

WordlView-2 2007 0.5 / 2 16 / 4 Vistas sin restricciones, TDI, 8 bandas

WorldView 5 2006 0.41 / 1.64 15 Vistas sin restricciones TDI

THEOS 2007 2 / 15 Vistas sin restricciones TDI

Pleiades 1, Francia 2008 0.7 / 2.8 20 Vistas sin restricciones TDI

Pleiades 2, Francia 2009 20 Vistas sin restricciones TDI

Fotogrametría espacial

SPOT 1-3, FranciaHRV

ALOS, JapónPRISM

Fotogrametría espacial• Japón, METI-ERSDAC

(Ministry of Economy, Trade and Industry-Earth Remote Sensing Data Analysis Center)

TERRA (EOS)• Subsistema VNIR del sensor

ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)

• Global DEM, GDEM espaciamiento @ 30 m (DTED3) y exactitud 10 m en z (una desviación estándar)

• Cubre entre los paralelos 86°N y 86°S

• USA, NASA• https://wist.echo.nasa.gov/api/

MODISASTER (TIR)ASTER (SWIR)ASTER (VNIR)

MISRMOPITT

CERES

• Japón– ALOS (Advanced Land Observation Satellite)

• PALSAR (Phase Array SAR)– Banda L (10 m)

• PRISM (Panchromatic Remote Sensing Instrument for Stereo Mapping)– 2.5 m en nadir

• India– CARTOSAT-1

• 2 cámaras.– CARTOSAT – 2

• 1 cámara. (0.8 m)• Alemania (ESA - DLR)

– High Resolution Stereo Camera (HRSC)• Francia

– PLEIADES (reemplaza SPOT)• Sistema estereoscópico de dos satélites• 0.7 y 2.8 m, pancromático y multiespectral, respectivamente.

Sensores fotogramétricos aéreos

FabricanteProducto

Geosystem3-DAS-1

IntergraphDMC

Jena-OptronikJAS 150s

Leica Geosystems

ADS80

Microsoft Vexcel

UltraCam X

Distancia focal (mm)

110 120 Pan25 XS

150 62.5 100 Pan33 XS

Pixels (por línea o área)

• 8,023 por CCD

• 3 líneas

28 Mpixels(7k X 4k)

• 12,000 por CCD

• 9 líneas

• 12,000 por CCD

• 12 líneas

4,922 x 3,328

Tamaño pixel (μm)

9.0 12 x 12 6.5 6.5 7.2

Rango dinámico (bits)

8 - 16 > 12 16 16 > 12

Bandas espectrales

RGB e IR / RGB o IR

R, G, B, IR, NIR Pan, R, G, B, IR Pan, R, G, B, NIR

Pan, R, G, B, NIR

Exactitud (pixel)

1.0 0.5 < 1 0.6 < 1 Z; < 0.5 X,Y

Cámaras digitales aerotransportadas

Cámaras digitales con diferente número de

objetivos

• Toma de imágenes en pancromático (nadir,hacía atrás y adelante); infrarrojo en nadir; rojo, verde y azul hacia delante.

• Arreglos lineales de 12,000 pixeles, 6.5 m c/u (pixel de 15 cm a una altura de vuelo de 2880 m sobre el terreno).

• Distancia focal de 62.77 mm.• Sistema óptico con resolución de 150 lp/mm a f/4.

Radar(RAdio Detection And Ranging)

SLAR SARRadargrametríaIFSAR, DinSAR

Aplicaciones• PPI (aeronavegación)• Meteorológicas• Control de velocidad de

tráfico• Cartográficas

Bandas de radarIdentificación Banda de frecuencia

(MHz)Rango de longitud de

onda (cm)Plataformas

Ka 26,500 - 40,000 1.13 – 0.75

K 18,000 - 26,500 1.66 – 1.13

Kμ 12,500 - 18,000 2.4 – 1.66

X 8,000 - 12,500 3.75 – 2.4 SAR-3, AeS-1, Convair-580, SRTM, DoSAR, TerraSAR (alemán)

C 4,000 - 8,000 7.5 – 3.75 CV-580, AirSAR, ERS-1 y 2 (CE), RADARSAT I y II (canadiense), SRTM

S 2,000 - 4,000 15 – 7.5 ALMAZ (ruso)

L* 1,000 - 2,000 30 – 15 SEASAT; JERS-1 y ALOS (japoneses)

P 300 - 900 100 – 33 AeS-1, GeoSAR

* En esta banda operan las señales de GPS

Antecedentes

• Aéreos:– TOPSAR: 90s– STAR– TOPOSAR– GEOSAR

• Espaciales– Cartografía de Venus

desde la Tierra: 60s– ERS 1 y 2– S/R-C/X-SAR– SRTM

SAR –: Synthetic Aperture Radar: Radar de Apertura Sintética- es un sistema activo de vista lateral formador de imágenes, que trabaja radiaciones electromagnéticas en la porción de microondas

Sistemas de radar(activos)

Un sistema de radar tiene tres funciones básicas:

• Transmitir señales de microondas

hacia una escena

• Recibir la porción de energía

transmitida y que se ha reflejado

• Observar la potencia de la señal

reflejada y el tiempo que le ha tomado

regresar.

– Adicionalmente, el desplazamiento

Doppler –SAR- y la fase –IFSAR,

DinSAR.

Interferometría SAR: a partir de un par de imágenes SAR -amplitud y fase- genera una imagen, llamada imagen interferométrica, en la que la fase de cada píxel –fase interferométrica- está formada por la diferencia de fase entre los pixeles homólogos de las imágenes originales.

Sistema radar

• Generador de pulsos de microondas• Transmisor/receptor de dichos pulsos

– El uso de una misma antena requier un duplexor para separa las señales de salida de las de entrada

• Sistema de obtención de coordenadas y orientación de la antena (GPS e INS)

• Sistema de control y procesamiento de los datos colectados

• Las señales observadas son:– Intensidad, fase, polarización y/o corrimiento doppler de la

señal reflejada– Tiempo de recorrido de dichas señales

SARCon base en el efecto Doppler se sintetiza una antena virtual de mucho mayor tamaño

… utilizando la fase y amplitud de los retornos durante un cierto lapso de tiempo

• SAR

• SLAR

• Resolución en azimut• Z

• Y

• X

• (Rango)

• (Azimut)

El resultado final es:• Resolución azimutal

• Resolución en rango:

(misma que en SLAR)

aa LR21

cos2c

Rr

*L v t

SAR• Dos imágenes desde puntos de vista diferente

• Proceso de información para generar imágenes SAR

• Información de altura a partir de:– Pares estéreo

(radargrametría)– La diferencia de fase entre

imágenes (IFSAR) h relativa

Radargrametría:• A partir de modelos estéreo:

• MDE• Mapas topográficos, ortoimágenes• Bases de datos

RADAR-IFSARImplementaciones:• Un paso:

– Dos antenas en un satélite– Dos satélites en tándem– Un satélite emisor y dos o más

microsatélites receptores

Interferometría SAR (IFSAR)• Contando con dos imágenes de un

mismo objeto

• Observando la fase de la señal

• Finalmente se obtiene:

cosH h R

atmósferarsiónretrodispedistancia φφφφ

1 2

4R

1cos4

h H R senB

IFSAR: MDE DinSAR (IFSAR Diferencial): Monitoreo hundimiento suelos

http://srtm.det.unifi.it/eng_vers/index2.htm

Elaboración de mapas topográficos, ortoimágenes y MDE

•Con resolución de 30 m y precisión horizontal y vertical de 20 y 16 m, respectivamente (objetivos originales).

•Cubre alrededor de 80% de la superficie terrestre http://srtm.usgs.gov/index.php

Fotogrametría espacial SAR• Alemania, DLR

– TerraSAR-x (1 – 2 m)– TANDEM-x (2 TerraSAR-x)

• DEM espaciamiento @ 12 m (DTED3) y exactitud 2 - 4 y 10 m relativa y absoluta, respectivamente.

• Francia-Italia– Interferometric Cartwheel

• Un satélite emisor/receptor y tres microsatélites para recepción

• http://sss.terrasar-x.dlr.de/

Lidar(LIght Detection and Ranging)

Lidargrametría

Sistema lidar

• Antecedentes:– Invento del láser: 1960

– AOL (Airborne Oceanographic Lidar): 1975

– Compañías comerciales:

• Azimuth Corp Leica

• Optech Inc.: Canadá

• TopoSys: Alemania

• Saab: Suecia

– ......

Principios de operación– Pulsos– Ondas continuas

• Plataforma:– Espacial (altímetros)– Aérea: ala fija o rotatoria– Terrestre (fija o móvil)

• Técnica de barrido:– Zig-zag (oscilante)– Líneas paralelas (rotatorio)– Elíptica– Sinusoidal

Sistema lidar*

Componentes• Sensor• INS, Sistema de Navegación Inercial**, (tríadas ortogonales):

– Giróscopos (relaciones angulares) – Velocímetros (incrementos de velocidades)

• GPS cinemático• Unidad de procesamiento

* LIght Detection And Ranging: distanciometría y detección por luz** Los sistemas de radar y de cámaras digitales de empuje emplean sistemas de

navegación inercial-GPS necesariamente para la obtención de la posición y orientación de los sensores.

• Empleo de seudo modelos estéreo aprovechando la infraestructura de fotogrametría digital (técnica de la “estéreo anexa o stereomate)

LIDAR • ¿Qué medimos?– tiempo de vuelo del

pulso

– Ó la fase de una señal continua

• ¿Qué necesitamos conocer?– La posición del sensor

• Por GPS– La orientación del sensor

• Por el INS

Características típicas de sistemas lidar comerciales

Especificación Valor típico

Longitud de onda 1.064 μm

Repetición de pulsos 10 – 150 kHz

Razón de barrido 25 – 90 Hz

Frecuencia INS 50 – 200 veces/s

Altitud de operación 80 – 3,000 (6,000 máx.)

Captura de elevación múltiple

1 – 5 (retornos)

Retícula de espaciado 0.3 -2 m

Error RMS vertical > 10 cm

Costo 0.8 – 1.5 M$ USA

Técnicas de barrido

Espejo oscilante

Nutacional

Espejo rotatorio

Nutacional-fibra óptica

Múltiples retornos

• Desventajaso contra el radar: no penetra la lluvia, niebla, nubes• Ventajoso contra la fotografia aérea ya que opera noche y día, a cualquier

hora

Imagen de intensidad Imagen de puntos

Lidar vs Fotografía AéreaLidar Fotografía aérea

Fuente de energía Activo Pasivo

Geometría Polar Perspectiva

Tipo de sensor puntual De marco o lineal

Medición de puntos Directo Indirecto

Muestreo Puntos individuales Área completa

Imagen asociada Ninguna o monocromática Gran calidad espacial y radiométrica

Exactitud horizontal 2-5 veces < horizontal 1/3 mejor que vertical

Exactitud vertical 10-15 cm (aprox. 10 cm por 1,000 m sobre 2,500 m)

Función de la distancia focal y altura de vuelo

Planeación del vuelo Muy compleja Considerar traslapas horizontales y verticales

Restricciones de vuelo Menos afectado por tiempo, luz solar, estación, nubosidad

Vuelo diurnos y cielo claro

Producción 25-33 % del proceso fotogram.

Tasa de producción Puede ser más automatizado y rápido

Presupuesto Software propietario Software disponible para usuarios

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CONTACTE AL ING. JESUS CAMPOS:

jcampose@centrogeo.org.mx