FOTOGRAMETRÍA AÉREA
Trazado de mapas a partir de fotografías aéreas

El principio de la fotogrametrá aérea se basa en un avión que avanza disparando fotos consecutivas, cada cierto intervalo. La fotogrametría se ha convertido en una de las principales formas de incorporar información a un mapa o a un sistema SIG (Sistema de Información Geográfica), debido al buen compromiso que mantiene este método entre coste económico, velocidad de ejecución y precisión.

Para ello se utilizan fotogramas aéreos de eje vertical tomados desde un avión sobrevolando la zona de estudio. Posteriormente, y tras diversos trabajos topográficos de campo que se comentan posteriormente, esas imágenes servirán para trazar mapas.

La implementación de la fotogrametría en mapas se podría resumir en cuatro fases:

1. Realización del vuelo fotogramétrico.
2. Aplicación de los principios de la visión estereoscópica
3. Apoyo topográfico del vuelo y Aerotriangulación.
4. Restitución.


1. Realización del vuelo fotogramétrico

Consiste en sobrevolar el territorio con un avión, y tomar fotografías de eje vertical, recubriendo el territorio con fotogramas que se solapen tanto longitudinal como transversalmente.

Como normal general, estos solapes suelen ser del 60% en el eje longitudinal y del 20% en el eje transversal, aunque dependiendo de la utilidad del vuelo estos porcentajes pueden variar notablemente. Las fotografías consecutivas tienen que tener zonas comunes entre sí.

Las fotografías resultantes deben tener una desviación en su centro muy reducida con respecto a la vertical del avión, para que puedan ser útiles.

Por otro lado, las cámaras que se utilizan para este tipo de trabajos, denominadas cámaras métricas, son unas cámaras especiales de funcionamiento similar a las convencionales pero con una calibración muy exacta de sus parámetros ópticos, de los cuales el más importante es la distancia focal, definida como la distancia desde el centro del objetivo hasta el plano focal donde se ubica la película.

Las fotografías aereas resultantes de un vuelo fotogramétrico no tienen una escala exacta, al ser el resultado de una perspectiva cónica y por el efecto ondulante del terreno. Así, cada punto dentro de una foto tiene su propia escala, dependiendo del lugar con respecto al centro de la foto y de la altura del terreno. No obstante, sí puede hablarse de una escala media de los fotogramas, que aunque no exacta es aproximada. Esta escala media mantiene una estrecha relación con los conceptos distancia focal y altura media del vuelo, de la forma:



Donde:
f = Distancia focal.
H = Altura media del vuelo.
E = Denominador de escala.

Esta expresión básica en fotogrametría es fundamental a la hora de planear un vuelo. Dependiendo de la focal de la cámara que se vaya a utilizar y de la escala media de los fotogramas que se desee obtener, hay que volar a una altura u otra.

A la vez, la escala media de los fotogramas está ligada a la utilidad que se pretenda dar al vuelo; Generalmente la finalidad del vuelo es formar cartografía a partir de restitución fotogramétrica, en cuyo caso hay que tener en cuenta la escala de la cartografía que se persigue. Aunque no hay una fórmula fija que relacione la escala media de las fotos con la escala de la cartografía a restituir, puede decirse que normalmente esta es ¼ de la escala media de los fotogramas, pero no tiene por qué ser así necesariamente. Por poner un ejemplo, para generar cartografía a escala 1/5.000, se puede encargar el vuelo a escala media 1/20.000, pero también es factible con un vuelo a escala media 1/15.000. Si se quieren reducir costes, será más ventajoso realizar el vuelo más alto (menor escala aproximada, en este caso 1/20.000) porque se cubrirá el territorio con menos fotogramas, y serán necesarios menos trabajos de apoyo; Pero si se pretende utilizar el vuelo resultante para tareas de fotointerpretación (reconocimiento de fotografías), como suele ser el caso en temas de medio ambiente, muy frecuentemente, por ejemplo, quizá sea más ventajoso realizar un único vuelo a escala media 1/15.000, que sirva para ello además de para realizar la restitución.

Los fotogramas resultantes de un vuelo fotogramétrico deben contener, además de la información gráfica del territorio de análisis, la siguiente información:

* Organismo contratante del vuelo.
* Empresa que realiza el vuelo.
* Zona del vuelo.
* Fecha.
* Hora.
* Escala aproximada de los fotogramas.
* Número de pasada.
* Número de foto.
* Información sobre la cámara métrica (distancia focal, modelo).
* Marcas fiduciales (marcas ubicadas en las esquinas de la foto que son la referencia para calcular el centro geométrico de la misma. Son un elemento imprescindible para la posterior restitución).
* Nivel para comprobar la verticalidad del fotograma.
* Altímetro, con indicación de la altura aproximada sobre el nivel del mar.

Dado que las fotografías de un vuelo fotogramétrico se ordenan en pasadas y en números consecutivos dentro de cada pasada, estos dos datos son fundamentales de cara a encontrar fotos de una zona concreta. Para ello se utiliza el denominado gráfico de vuelo, que no es otra cosa que un mapa que lleva grafiada la distribución de las fotos con respecto al territorio.

A continuación se analiza la necesidad de recubrimiento común entre los fotogramas; la clave de esta cuestión se encuentra en lo que se denomina visión estereoscópica.

 

2. Visión estereoscópica

Cuando se ven los objetos en relieve se debe a que los dos ojos del ser humano proporcionan al mismo tiempo dos visuales del mismo objeto, desde dos puntos de vista ligeramente distintos que intersectan. Estas dos imágenes son mezcladas en el cerebro, y como consecuencia puede apreciarse una tercera dimensión.

Este principio de estereoscopía natural sirve también a la cartografía para poder extraer la tercera dimensión a partir de imágenes bidimensionales. En realidad, lo que se hace en un vuelo fotogramétrico es sustituir el trabajo de los ojos por el de una cámara métrica que va en instalada el avión, y sustituir la distancia interpupilar por la distancia entre disparos consecutivos.

Posteriormente, aparatos denominados estereoscopios (además de los restituidores de los que después se habla) permiten ver las imágenes. Si sustituimos lo que ven los ojos por lo que 've' la cámara métrica a bordo del avión, la estereoscopía también da lugar a imágenes en tres dimensiones. Para que se pueda reproducir el mecanismo de la estereoscopía, se deben cumplir dos condiciones esenciales: que cada ojo (o cámara) vea sólo la perspectiva que le corresponde, y que las visuales tengan intersección entre sí. Con respecto a este último requisito, la intersección se produce cuando los fotogramas tienen zonas en común, por lo cual resulta indispensable el llamado 'recubrimiento' estereoscópico.


No obstante, un solo fotograma también contiene cierta información tridimensional limitada, que podemos extraer utilizando el punto de fuga de las verticales de la perspectiva, el punto de fuga de las sombras, y el ángulo de elevación del sol sobre el horizonte; a este procedimiento de explotar esta información tridimensional limitada con el uso de una sola foto se le conoce como 'explotación métrica' de un fotograma aislado, siendo un procedimiento que se utiliza más en el ámbito de la fotointerpretación que en el de la cartografía propiamente dicha.

La incorporación de una segunda perspectiva de la misma zona incrementa notablemente la información tridimensional, con la incorporación del concepto de 'par estereoscópico' (dos fotografías consecutivas).

Entre fotografías consecutivas que contienen objetos comunes, se pueden medir paralajes, los cuales se pueden definir como el desplazamiento aparente en la posición de un objeto fijo causado por el movimiento de la cámara métrica en el avión durante el vuelo.

La evaluación de estos paralajes es la base de la fotogrametría de eje vertical. He aquí su fundamento geométrico:



Fundamento geométrico de la fotogrametría

Donde:

A = Punto evaluado en el terreno.
01 = Disparo foto 1
02 = Disparo foto 2.
a1 = Punto representado en la fotografía 1.
a2 = Punto representado en la fotografía 2.
ZA = Distancia vertical entre el punto evaluado del terreno y el plano del vuelo.
B = Distancia recorrida por el avión entre dos disparos consecutivos.
f = focal de la cámara métrica.
PA = Paralaje del punto evaluado (a medir sobre la fotografía).
Los triángulos A 01 02 y 02 a1' a2 son semejantes, luego:



En consecuencia, si se evalúan paralajes de puntos con elevación desconocida junto con paralajes de puntos con elevación conocida, se puede evaluar el desnivel existente.

Estos puntos conocidos se obtienen de los trabajos de apoyo en campo, que son la segunda etapa de la secuencia de trabajo.



3. Apoyo topográfico del vuelo y Aerotriangulación

Consiste en realizar un trabajo de campo en el que utilizando diversos métodos e instrumental topográfico se procede a identificar en términos de coordenadas X Y Z varios puntos sobre el terreno.

A los puntos identificados se les denomina puntos de apoyo, que más tarde en la fase de restitución servirán de base para dotar de coordenadas al resto de elementos presentes en cada par estereoscópico.

A partir de la observación de puntos con coordenadas bien conocidas, como pueden ser las redes de vértices geodésicos, se aplican diversos métodos topográficos (cuyo estudio no es objeto del presente artículo) que permiten conocer las coordenadas de los puntos que hemos seleccionado para que nos sirvan de apoyo.

El número de puntos de apoyo es variable en función del tipo y precisión del trabajo, así como del uso de técnicas de asistencia al apoyo con la aerotriangulación.

 

4. Restitución

La restitución es la última etapa dentro de la secuencia de trabajo en fotogrametría. En ella se junta todo el trabajo anterior (vuelo y apoyo) para trazar los mapas propiamente dichos.

La restitución consiste en la formación de forma muy precisa de los pares estereoscópicos en un proceso que se denomina orientación de imágenes, y en la extracción posterior de los elementos contenidos en ellas mediante unos aparatos llamados estereo-restituidores.

La tecnología de restitución ha evolucionado de los primeros restituidores analógicos a los analíticos y por fin a los de última generación digitales, que en realidad ya no son más que un ordenador con el software adecuado.Extracción de un edificio con un restituidor digital.


Mientras los analógicos y los analíticos se basaban en los negativos de las fotos para realizar el proceso de restitución, los digitales realizan una copia digital de las fotos (escaneado) que divide en millones de puntos (píxels) la foto.

Esta tecnología fotogramétrica totalmente digital presenta dos incrementos de la efectividad muy importantes frente a la tecnología de restituidores analíticos:

* Por un lado, la extracción de la orografía y la formación de modelos digitales del terreno está altamente automatizada y se realiza de forma mucho más rápida.

* Por otro lado, la tecnología digital presenta grandes mejoras a la hora de formar ortofotos.

Al igual que en el caso de los últimos restituidores analíticos, los digitales obtienen la geometría de la restitución directamente en formato digital, con lo cual la incorporación a los Sistemas de Información Geográfica no precisa de ningún paso de digitalización adicional. Como ya se ha señalado anteriormente, la fotogrametría es una de las principales formas de incorporar información a un Sistema de Información Geográfica.

No obstante, hay que tener en cuenta que se trata de una metodología sujeta a ciertas restricciones de precisión; así, para levantamientos de una gran precisión (normalmente en el ámbito de la ingeniería civil) la resolución que la fotogrametría proporciona -sobre todo en el eje Z- no es suficiente, debiendo en esos casos recurrir a otros métodos más precisos como la topografía clásica (teodolitos, triangulación).