03Fotogrametría

UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA

Escuela Politécnica de Cáceres

Departamento de Expresión Gráfica

Área de Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría

FOTOGRAMETRÍA

José Juan de Sanjosé Blasco

Alan D. J. Atkinson2013

ÍNDICE

1. 1. Definición de “Fotogrametría”

1. 2. Historia de la Fotogrametría1. 2. 1. Antecedentes de la Fotogrametría (... - 1900)1. 2. 2. Fotogrametría analógica1. 2. 3. Fotogrametría analítica1. 2. 4. Fotogrametría digital (1990 - ...)

1. 3. Componentes fotogramétricos1. 3. 1. Clasificación de la Fotogrametría1. 3. 2. Instrumental fotogramétrico1. 3. 3. Características geométricas del vuelo fotogramétrico

1. 3. 3. 1. Escala de la fotografía1. 3. 3. 2. Altura de vuelo1. 3. 3. 3. Recubrimiento longitudinal y transversal1. 3. 3. 4. Otros parámetros de un vuelo fotogramétrico

ÍNDICE

1. 4. Principios de la Fotogrametría Analítica1. 4. 1. Sistemas de referencia1. 4. 2. Método General de la Fotogrametría

1. 4. 2. 1. Orientación interna1. 4. 2. 2. Condición de colinealidad1. 4. 2. 3. Condición de coplaneidad

1. 4. 3. Puntos de apoyo

1. 5. Producción de la Fotogrametría1. 5. 1. Productos fotogramétricos1. 5. 2. Otros productos fotogramétricos1. 5. 3. Fotogrametría en la Universidad de Extremadura

Bibliografía

ÍNDICE





I.S.P.R.S.: “La Fotogrametría es el arte, ciencia o técnica de obtener información

fiable acerca de objetos físicos y de su entorno mediante procesos de registro,

medida e interpretación de imágenes producidas por energía radiante

electromagnética y otros fenómenos”.

I.S.P.R.S (1992):“........ interpretación de imágenes y representaciones digitalesproducidas desde sensores que no mantienen contacto con el objeto”.

Raíz etimológica de la palabra Fotogrametría:

• Photos: Luz• Gramma: Escritura o dibujo• Metron: Medida

Medida de lo que se escribe o

dibuja con luz

1. 1. DEFINICIÓN DE “FOTOGRAMETRÍA”

En la definición de Fotogrametría se incluyen dos áreas distintas:


1. Fotogrametría métrica o cuantitativa: Mediciones precisas:

• Valores numéricos: Coordenadas, superficies, volúmenes,...

• Trazados: Realización de cartografía (vías de comunicación, límitesadministrativos, curvas de nivel,...)

• Imágenes: Ortofotos.

Dos imágenes “bidimensionales” estereoscópicas permiten la reconstrucción de figuras

“tridimensionales” (Cartografía).

INFORMACIÓN BIDIMENSIONAL

(Fotografías)

INFORMACIÓN TRIDIMENSIONAL

(Formas, dimensiones, posiciones espaciales)

2. Fotogrametría interpretativa o cualitativa: Reconocimiento de objetos:

• Fotointerpretación: Interpretación de objetos.

• Teledetección.

Técnicas Geomáticas para realizar Cartografía:

Geodesia – Topografía(LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO)

Estación total “con / sin” prisma Sistema de Posicionamiento Global

Fotogrametría(LEVANTAMIENTO FOTOGRAMÉTRICO)

Trabajo de campo (tomas aéreas):

• Tomas convergentes (OBLICUAS):

Workstation Digital Close-Range.

• Tomas normales (VERTICALES):

Programas fotogramétricos convencionales.

(Leica-SD2000 (ORIMA), PhoTopol)

Trabajo de gabinete:

• Fotografías analógicas.

• Fotografías digitales (escaneo previo).

MALLA DE PUNTOS – CURVAS DE NIVEL(LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO - FOTOGRAMÉTRICO)

Programa de diseño topográfico: TCP (curvados, perfiles, cubicaciones,…)


ÍNDICE





1. 2. HISTORIA DE LA FOTOGRAMETRÍA

• Siglo XV: Leonardo Va Vinci escribe sobre las leyes de la perspectiva gráfica.

• 1858: Meydenbauer introduce el término Fotogrametría.

• 1859: Laussedat anuncia el Fototeodolito.

1. 2. 1. Antecedentes de la Fotogrametría (... - 1900)

1. 2. 2. Fotogrametría analógica (1900 - 1960)

• 1899 - 1932: Finsterwalder escribe la base de la Fotogrametría Analítica.

• 1924: Otto Von Grüber construye los primeros restituidores universales.

• 1930: Church publica sobre Fotogrametría computacional (matrices).

1. 2. 3. Fotogrametría analítica (1960 - 1990)

• 1957: Helava inventa el primer restituidor analítico.

1. 2. Historia de la Fotogrametría

• 1965: Aparece el primer restituidor (militar).

• 1976: Zeiss y Matra comercializan los primeros restituidores civiles.

1. 2. 4. Fotogrametría digital (1990 - ...)

• 1981 – 1988: Primeros diseños de los restituidores digitales.

• 1988: Congreso ISPRS (Kyoto): Aparece primera estación estereofotogramétricadigital “Kern DSP1”.

ÍNDICE





1. 3. COMPONENTES FOTOGRAMÉTRICOS

1. 3. 1. Clasificación de la Fotogrametría

1. Fotogrametría aérea:

El medio de transporte es el avión “movimiento”: [CONTRADICCIÓN]

• Tiempos de exposición cortos, para evitar películas “movidas”.

• Emulsión de la película lenta (grano fino: mucha resolución).

2. Fotogrametría terrestre:

Las fotografías son realizadas desde la superficie terrestre, y sus características son:

• La fotografía es estable y pueden conocerse las coordenadas terreno.

• La emulsión de las películas puede ser lenta (grano fino y gran resolución).

• Las tomas pueden ser: Normales, convergentes, objeto cercano,...

Pueden hacerse distintas clasificaciones, pero “en general” la Fotogrametría se puededividir en:

1. 3. Componentes fotogramétricos

1. 3. 2. Instrumental fotogramétrico

1. Cámaras fotogramétricas (terrestres y aérea):

Cámara métrica analógicaCámara independiente

Cámara estereométrica Cámara digital

Cámara métrica aérea

Restituidor analógico.

Restituidor analítico.

Restituidor digital.

2. Restituidores:


Proyecto de vuelo: Conjunto de cálculos previos a la realización del vuelo fotogramétrico.

Condiciones “generales” del vuelo:

• Sobrevolar a cierta altitud constante la zona a cartografiar.

• Rumbo constante.

Condiciones de las fotografías:

• Certificado de calibración: Parámetros internos.

• Escala fotográfica.

• Recubrimientos (longitudinal y transversal).

• Calidad de la fotografía (resolución, contraste,…).

• Ausencia de nubes.

• Altitud del Sol (sombras).

1. 3. 3. Características geométricas del vuelo fotogramétrico



1. 3. 3. 1. Escala de la fotografía

Escala fotográfica relación escala cartográfica.

bb m

M 1

kk m

M 1

Relación: kb MM 200

1. 3. 3. 2. Altura de vueloExpresión de la escala fotográfica:

Hc

mM

bb

1

Datos conocidos:

c: Distancia focal “certificado de calibración cámara”.

H: Altura de vuelo sobre la altura media del terreno.

c

H

H

H

N. Referencia

O

0

t

500 1000 2500 5000 10000 25000 50000 10000

5000

10000

20000

30000

40000

60000

80000100000

....

.

... .

.

..

.

..

..

..

. ..

..

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..

... .

...

..

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...

....

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...

...

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. ...

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.....

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.....

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.....

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......

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...

..

..

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.. .

...

....

..

..

.

..

..

..

...

...

.

...

. ..

mk

mb

Visión estereoscópica: Recubrimientos (zona común en el par fotográfico y pasadas).

Situación “ideal” de los recubrimientos:

• Tomas fotográficas verticales a intervalos regulares.

• Terreno llano.

• Altura de vuelo constante.

• Pasadas fotográficas paralelas.

100%p1 m sB b1

Donde:s1, s2 : Lado de la fotografía.

p%: Recubrimiento longitudinal en %.

q%: Recubrimiento transversal en %.


1. 3. 3. 3. Recubrimiento longitudinal y transversal

100q%1 m sA b2

Pasada 1

Pasada 2

Pasada 3

Pasada 4

Pasada n

Pasada 1

Pasada 2

1% 1

100pb s

2% 1

100qa s

ÍNDICE



1. 4. 3. Puntos de apoyo


Bibliografía

O1

O2 Centros de proyección: O1, O2

1. 4. 1. Sistemas de referencia

1. 4. PRINCIPIOS DE LA FOTOGRAMETRÍA ANALÍTICA

O1

O2

c

c

c

Distancia principal: c

Centros de proyección: O1, O2

1. 4. Principios de la Fotogrametría Analítica

O1

O2

c

c

c

p`

k

k

y

x

Coordenadas comparador: (xk , yk)




p``

p`

p`

c

c

c

y`

x`

k

k

y

x

x`

y`

z``

y``

x``

O1

O 2

z`

y`x`

x``y``

x`

y`

X

bz

bybx

Y


Coordenadas imagen, izq./der.: (x’, y’) (x”, y”)



Componentes de la base (bx, by, bz)







Inclinación transversal: 1, 2

Inclinación longitudinal: 1, 2

Giro alrededor de Z: 1, 2

X

p``

p`

p`

c

c

c

y`

x`

k

k

y

x

x`

y`

z``

y``

x``

bz

bybx

1

1

1

O1

1

1

1 O 2

2

2

2

z`

Y










Coordenadas modelo: P(X,Y,Z)

X

p``

p`

p`

c

c

c

P(X,Y,Z)

y`

x`

k

k

y

x

x`

y`

z``

y``

x``

bz

by

bx

1

1

1

O1

1

1

1 O 2

2

2

2

z`

YX

Y

Z











Origen del sistema modelo (respecto del sistema terreno (X0,Y0,Z0)

X

p``

p`

p`

c

c

c

Z

Y

X

Z

Y

X

P(X,Y,Z)

y`

x`

k

k

y

x

x`

y`

z``

y``

x``

bz

bybx

1

1

1

O1

1

1

1 O 2

2

2

2

z`

Y


X

p``

p`

p`

c

c

c

Z

Y

X

Z

Y

X

y`

x`

k

k

y

x

x`

y`

z``

y``

x``

bz

bybx

1

1

1

O1

1

1

1 O 2

2

2

2

z`

Y

P(X,Y,Z)











Coordenadas objeto: P(X,Y,Z)


X

p``

p`

p`

c

c

c

Z

Y

X

Z

Y

X

y`

x`

k

k

y

x

x`

y`

z``

y``

x``

bz

bybx

1

1

1

O1

1

1

1 O 2

2

2

2

z`

Y

P(X,Y,Z)











Giros del modelo alrededor del terreno (, ,)

Coordenadas objeto: P(X,Y,Z)


El “Método General de la Fotogrametría”debe cumplir:

• Necesidad de dos fotografías con recubrimiento.

• Las tomas fotográficas tienen distintas posiciones.

• Condiciones geométricas (tomas verticales, relaciones B/H,...).

• Existencia de estereoscopía (puntos homólogos).

• Reconstrucción espacial con respecto a un sistema común de referencia.

• Puntos imagen (fotografías) obtención de puntos objeto (terreno).

1. 4. 2. Método General de la Fotogrametría


Soluciones al “Método General de la Fotogrametría”:

• Fotogrametría analógica.

• Fotogrametría analítica.

• Fotogrametría digital.

AVANCE TECNOLÓGICO E INFORMÁTICO

Fotogrametría analítica:

• Reconstrucción matemática “analítica” de los haces de los sistemas: fotografía,modelo y terreno.

• Proceso:

1. Orientación interna.

2. Orientación externa (colinealidad) u orientación relativa (coplaneidad).

3. Orientación absoluta (coplaneidad).


Corrección de las fuentes de error del proceso fotográfico.

Cámara calibrada: focal, punto principal, función de distorsión, marcas fiduciales.

Estos errores son:

• Efecto de distorsión.

• Refracción atmosférica.

• Esfericidad terrestre.

1. 4. 2. 1. Orientación interna

Función de distorsión:


Corrección de la función de distorsión:

´´P

P P Pxx x dx x drr

´´P

P P Pyy y dy y drr

3 5 71 2 3 4dr a r a r a r a r

aa´ r

FocalNegativo

O

Rayo real

Rayo sin refracción

Terreno

dr

2

2 21rr fd f d df cos

A

A´

aa´ r

Focal

H

MapaTierra

Negativo

O

de

Función de refracción atmosférica:


Función de esfericidad terrestre:

d H rR fe

3

22

Obliga a encontrarse en la misma recta el centro de proyección, el punto imagen y el punto del terreno proyectado.

Con dos fotografías se realiza la intersección de los puntos homólogos.

Ecuaciones de una fotografía:

o33o32o31

o13o12o11

ZZmYYmXXmZZmYYmXXm

cx

o33o32o31

o23o22o21

ZZmYYmXXmZZmYYmXXm

cy

(x, y): Coordenadas imagen.c: Focal o distancia principal.(Xo, Yo, Zo): Coordenadas centro proyección.(X, Y, Z): Coordenadas del punto objeto.(m11, m12, ...): Matriz de rotación (, , )

Para resolver la condición de colinealidad es necesario conocer las coordenadas de almenos tres puntos de apoyo en la zona de recubrimiento.

1. 4. 2. 2. Condición de colinealidad


Donde:

P(X,Y,Z)

X

Y

Z

X

Y

Z

p

O

z`y`

x`

P`P ´´´

P"

p´´´p"

p´

c

o

o

o

Obliga a encontrarse en el mismo plano los dos centros de proyección y los puntosimagen de ambas fotografías, de forma que se cortan en el punto modelo, P.

Se miden las coordenadas imagen de al menos cinco puntos “Von Gruber” distribuidospor la zona de recubrimiento. Imagen izquierda Imagen derecha

1. 4. 2. 3. Condición de coplaneidad


1

3

5 6

2

4

Fotografía izquierda

Fotografía derecha

TzTyTx

zyx

mmmmmmmmm

ZYX

333231

232221

131211

Orientación absoluta:

Llevar el modelo a su posición en el espacio. Para ello, es necesario conocer lascoordenadas de al menos tres puntos de apoyo.Se tiene que resolver una transformación tridimensional de semejanza. Lasincógnitas son: Factor de escala, rotaciones y traslaciones.

(X, Y, Z): Coordenadas del puntoobjeto “puntos apoyo”.

: Factor de escala.(x, y, z): Coordenadas modelo.(m11, m12, ...): Matriz rotación (, , )Tx, Ty, Tz: Traslaciones.


Donde:

1. 4. 3. Apoyo fotogramétrico

Un punto de apoyo es un elemento puntual (esquina de casa, poste,...) con coordenadastopográficas (estación total, GPS) y es identificable en la fotografía.

Son necesarios al menos 3 puntos de apoyo distribuidos por la zona de recubrimiento,para orientar el modelo fotogramétrico.

Puede hacerse la señalización previa al vuelo fotogramétrico (dianas).

1 metro



1. 4. 4. Restituidor SD 2000


ÍNDICE



1. 4. 3. Fotogrametría aplicada1. 4. 4. Puntos de apoyo


Bibliografía

1. 5. PRODUCCIÓN DE LA FOTOGRAMETRÍA

La principal aportación de la Fotogrametría es la Cartografía, por ello existe lasiguiente clasificación:

• Fotogrametría para aplicaciones topográficas: Producción cartográfica.

• Fotogrametría “no topográfica”: Su objetivo principal no es la elaboración demapas y planos topográficos.

1. 5. 1. Productos fotogramétricos “analíticos y digitales”

Restitución y Curvados:

Modelos digitales del terreno con sombreado:

1. 5. Producción de la Fotogrametría

Imagen

Terreno

Plano del mapa

Imagen origen.Perspectiva cónica.

Ortofoto.Perspectiva ortogonal.


Ortofotos:

Ortofotos con toponímia:



Anaglifos:

Perspectiva topográfica



1. 5. 2. Otros productos fotogramétricos

Aplicación de la Fotogrametría en diversas disciplinas:

1. Ingeniería civil:

• Deformaciones de puentes: Pruebas de carga.

• Control del movimiento de presas: Auscultaciones periódicas.

• Deformación del pavimento en carreteras.

• Movimiento de muros de contención.

2. Industria:

• Construcción naval: Secciones de barcos. Precisión de 1 mm.

• Industria aeronáutica: Deformaciones de elementos (hélices, alas,...) del avión alefecto del calor. Precisión de 0,2 mm. e incluso de 0,02 mm.

• Industria aeroespacial: Construcción de antenas, cohetes,... Precisión de 0,2 mm.

• Deformaciones de piezas industriales por desgaste, calor,...


3. Arquitectura y Patrimonio:

• Conservación del Patrimonio Arquitectónico Histórico.


• Esculturas.

Monumento. Trabajo de campo. Restitución.

BASE

BA

SEBA

SE

BASE

Topografía


• Deformaciones de edificios.


4. Arqueología:

• Conservación del Patrimonio Arqueológico Histórico.


• Erosión de monumentos.


5. Geología y Geomorfología:

• Erosión marítima, fluvial,...



1953 1953

1997 1997



Fotografía derecha

Fotografía derecha

Desplazamiento (X, Y)

Desplazamiento (Z)

• Movimiento de glaciares, laderas deslizantes,...



6. Medicina y veterinaria:

• Cambios físicos ante la ingesta de medicamentos.

• Mediciones de partes del cuerpo.

7. Policía:

• Accidentes de tráfico.

• Asesinatos.

Izquierda Derecha

Imagen origen Imagen rectificada

Punto de fuga

Punto de fuga


1. Rectificaciones en la Plaza de España de Badajoz:

1. 5. 3. Fotogrametría en la Universidad de Extremadura

2. Fotogrametría terrestre del Patrimonio Histórico de Cáceres:



Torre de Bujaco.


Palacio Episcopal.


3. Cartografía del glaciar del corral del Veleta:

Cartografía de tomas verticales con el restituidor analítico SD 2000.


Foto 2Foto 3Foto 4

Foto 5

Foto 6 Foto 9

Foto 10

Foto 1

Foto 8Foto 7


4. Cartografía del glaciar de las Argualas mediante fotogrametría de objeto cercano:

Restitución con el programa “C. D. W.”.


Curvado (Modelo Digital del Terreno).


5. Cartografía del sistema dunar de Valdearenas con el programa C. D. W. :


Tomas fotográficas.


Restitución.



6. Cartografía del volcán Popocatepelt (México):


Cartografía a escala 1/20000 y equidistancia de 20 metros.

Restitución a escala 1/5000 y equidistancia de 10 metros.

Noviembre de 1997


Diciembre de 1998 Junio de 1999

Noviembre de 2000 Marzo de 2001 Diciembre de 2002

American Society of Photogrammetry. Manual of Photogrammetry, ASPRS, Cuarta Edición (1980), 0-

937294-01-2.

Burnside, C.D., Mapping from Aerial Photographs, Collins Professional, Londres, Segunda Edición (1979), 0-

00-383036-5.

Clavo, D., Fotogrametría II. (EPM - EUITT).

Curso sobre técnicas fotogramétricas y sus aplicaciones, CEDEX (MOPTMA), Madrid (1994).

Gómez, A., Fotogrametría Analítica (E.P.M. - ETSIA).

Ghosh, S.K., Analytical Photogrammetry, Pergamon Press, Oxford (1988), 2ª Edición, 0-08-036103-X.

Paul R. Wolf, Bon A. Denwilt; Elements of Photogrammetry, 3ª Edición.

Wolf, P.R.; Dewitt, B. A, Elements of Photogrammetry with Applications in GIS, McGraw-Hill,

BIBLIOGRAFÍA

UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA

Escuela Politécnica de Cáceres

Departamento de Expresión Gráfica

Área de Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría

José Juan de Sanjosé Blasco

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