Tlamati Sabiduría, Volumen 7 Número Especial 2 (2016) 4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT 11 Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación Acapulco, Guerrero 22, 23 y 24 de septiembre 2016 Memorias Comparación de los métodos Analógico y Digital en Fotogrametría. Pedro Luis Pineda Melo (Becario), Gaudencio Jerónimo Nava (Becario). Universidad Autónoma de Guerrero Unidad Académica de Ingeniería Programa de Verano UAGro Peyuk.29@gmail.com Área en la que participa: Ingenierías Universidad Autónoma de Guerrero Unidad Académica de Ingeniería Programa de Verano Uagro Jeroz1995@gmail.com Mtro. Álvaro López Arellano (asesor) Profesor Investigador de la Universidad Autónoma de Guerrero. igala@gmx.es Resumen En este trabajo de investigación, se planteó describir las diferencias que existen entre estos dos tipos de métodos fotogramétricos para precisar cual brinda mejores ventajas y saber cuál es el más eficiente. Para esto se estudió en que consiste cada uno de los dos métodos mencionados para así observar las características que tienen cada uno y dar a conocer el método más confiable para los trabajos fotogramétricos. Palabras Clave: Fotogrametría, Nube de Puntos, Malla, Puntos de Control, puntos de apoyo. 132
Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016) Introducción La fotogrametría es una técnica para determinar las propiedades geométricas de los Objetos y las situaciones espaciales a partir de imágenes fotográficas. De sus aplicaciones están: :Agronomía, Cartografía, Orto fotografía, Arquitectura, Planeamiento y ordenación del territorio, Medioambiente, Arqueología, Control de estructuras, Mediciones, Topografía, Biomecánica en diversos campos como la Medicina, Ergonomía o Deporte, Investigación policial (reconstrucción de accidentes), Zoología. La fotogrametría ha sido una de las ciencias que ha tenido más avance en los últimos años gracias al desarrollo de software lo que ha hecho que en uso cuantos años se pase de utilizar la fotogrametría analógica a la fotogrametría digital. En si la fotogrametría como una herramienta para la elaboración de mapas, cartas topográficas y cartografía en general es una de las opciones más precisas y detalladas ya con los de control establecidos por medio del GPS RTK que es uno de los equipos con mayor precisión en la actualidad, los cuales nos son de apoyo para tener una buena resección espacial. La necesidad de obtener cartografía más precisa y de menor escala ha hecho que la fotogrametría sea una de las ciencias más utilizadas en la actualidad, de ahí la importancia por conocer cuál es el método que brinda las características más eficientes y otorga los mejores beneficios, arrojando los mejores resultados para empezar a procesar datos y posteriormente obtener resultados de mejor calidad. Para esto se hizo el estudio y comparación de estos dos métodos fotogramétricos. Materiales y Métodos Fotogrametría analógica Plan de vuelo En la fotogrametría analógica el vuelo se hace con un avión, avioneta, y helicóptero, en el plan de vuelo que generalmente diseña el ingeniero encargado del vuelo fotogramétrico que posteriormente es proporcionado al piloto de la aeronave para que en base a eso realice el vuelo de una manera efectiva. Área cubierta por cada fotografía, Altura de vuelo sobre el terreno, Separación entre línea de vuelo, Dirección de la línea de vuelo (rumbo), Ubicación de las líneas de vuelo. Las 133
4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT 11 Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación Acapulco, Guerrero 22, 23 y 24 de septiembre 2016 líneas se ubicaran en un mapa de la zona, Número de líneas de vuelo, Longitud de las líneas de vuelo, Numero de fotografías en total, Altura de vuelo sobre el terreno y sobre el nivel del mar, Tiempo de vuelo para tomar fotografías, Tiempo de vuelo al aeropuerto más cercano, Tiempo de vuelo total aeropuerto al lugar de trabajo y del lugar del trabajo al aeropuerto, Traslape vertical y horizontal Realización del vuelo El vuelo fotogramétrico en la fotogrametría análoga se recomienda realizarlo entre las 8:00 y 11:00 horas y entre las 15:00 a 18:00 con el fin de que se puedan apreciar de mejor manera las sombras que proyectan los elementos del terreno a levantar. Durante el vuelo el piloto debe seguir exactamente lo que se planteó en el plan de vuelo. Orientación interna Para realizar la orientación interna es necesario conocer las marca fiduciales, focal calibrada y el punto central de la imagen La orientación interna consiste en reconstruir el sistema de referencias la imagen y establecer los parámetros de transformación entre el sistema de coordenadas instrumental y la imagen tomando como partida las marcas fiduciales de la fotografía. Orientación relativa Consiste en identificar los puntos en común que hay en un par de fotografía para de esa manera poder traslapar esas fotografías y conocer la línea de vuelo y así conocer orientación Aereotriangulacion La Aero triangulación consiste en hacer una triangulación con los puntos de control ya establecidos en el terreno tiene por objeto obtener las coordenadas de diversos puntos mediante los procedimientos de la fotogrametría El objetivo de la Aero triangulación es obtener la posición del mayor número posible de estos puntos de apoyos mediante operaciones fotogramétricas de gabinete, reduciendo por tanto los trabajos a realizar en campo. Orto rectificación La ortorectificación elimina las distorsiones geométricas y de escalas inherentes en las fotografías e imágenes satelitales producto de imperfecciones del sensor, variaciones topográficas y la curvatura de Tierra. El resultado de este proceso es una imagen con la precisión cartográfica y escala invariable de un mapa/plano, pero con el nivel de detalle de una fotografía. Esto le da lo 134
Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016) mejor de ambos mundos y en general su confección es más mucho rápida que la de los mapas lineales correspondientes. Estero trazador Un estéreo trazador utiliza fotografías estéreo para determinar elevaciones. Ha sido el método principal para trazar las líneas de contorno en los mapas topográficos desde la década de 1930. Generación del dem Un dem es la representación de las elevaciones del terreno con colores que se basan en las curvas de nivel ya establecidas. Ortofoto una orto foto un producto cartográfico georreferenciado y corregido que mantiene toda la información de la fotografía aérea, permitiendo además medir a escala, tanto distancias como superficies, garantizando el ajuste con mapas existentes en la misma. Fotomapa Es el resultado final de la fotogrametría analógica, es una fotografía aérea escalada y corregida que tienes elemento de un mapa normar como curvas de nivel, asentamientos humanos, ríos, lagos etc. Aunque se pueden enfocar en un rasgo en particular Método digital Plan De Vuelo Este es previo al levantamiento, se necesita conocer el lugar donde se realizara el vuelo con el drone o Aeronave y consiste en saber cómo llevar a cabo el trabajo el cual es cubrir el área con líneas de vuelo que son una serie de recorridos paralelos y equidistantes superpuestos en forma transversal así como las fotografías correspondientes a cada recorrido deberán estar debidamente superpuestas en forma longitudinal. Para realizar esta parte se necesita realizar una serie de cálculos para ir colocando los fotogramas, numerarlos en el orden de los datos del vuelo realizado, y dando especificaciones técnicas que son el conjunto de datos del proyecto que se efectuara, aquí un ejemplo: Usuario, zona, escala, distancia focal, cantidad de memoria, tipo cámara, formato de fotograma, recubrimiento longitudinal, recubrimiento lateral, Aeronave o drone y tiempo de vuelo Donde con los datos obtenidos se calcula Área que abarca cada foto en el terreno, distancias entre las líneas de vuelo, avance entre foto y foto, cantidad de líneas de vuelo, cantidad de kilómetros de lineales, cantidad de 135
4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT 11 Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación Acapulco, Guerrero 22, 23 y 24 de septiembre 2016 fotos, cantidad total de fotos, cálculo de tiempo de vuelo directo, cálculo de tiempo de vuelo indirecto, cálculo de la altura de vuelo (h), cálculo de la altitud promedio del terreno, altura indicada, tamaño de marcas en el suelo, error máximo de navegación, rumbo magnético de cada línea de vuelo, hora fotogramétrica, hora focal fotogramétrica Para procesar la información que nos van a aportar las fotografías vamos a utilizar un software de restitución fotográfica de modelos que nos aporta numerosa información para el posterior tratamiento de ésta. Que nos de la oportunidad de guardar la información en diferentes formatos. Selección De Las Fotos Comenzamos seleccionando imágenes, lo primero que necesitamos es determinar la calidad de las imágenes que vamos a utilizar, necesitaremos saber la resolución. En caso de que haya fotografías que se tomaron casi del mismo ángulo se eligen las que brinden mejor información y tengan mejor calidad, también se desechan las imágenes donde exista objetos que reflejen mucho brillo y fotografías donde halla demasiadas sombras. Calibración De La Cámara La distorsión radial es producida por la curvatura de la lente en el paso por esta de los haces de luz, y es el desplazamiento que sufre un punto imagen de su posición ideal. Puede ser en barril o en cojín. Ambas distorsiones se pueden corregir mediante fórmulas matemáticas que en estos casos realizan los mismos programas de restitución en base a estas fórmulas. Para la calibración de nuestra cámara ocuparemos el sistema directo que nos ofrece el programa, corrigiendo las distorsiones a la vez que genera las nubes de puntos. Para la calibración de la cámara se parte de una plantilla de puntos la cual nos proporciona también los coeficientes de corrección que podremos exportar posteriormente a programa de forma directa mediante un archivo.cal. Insertar Las Fotografías Generadas En El Vuelo Una vez tenemos nuestros datos preparados comenzamos el procesamiento de imágenes. El primer paso va a ser cargar nuestras imágenes en el programa y comprobar los parámetros de orientación de cámara Alineación De Las Fotografías En este proceso la alineación de las fotografías se hace automáticamente por medio de ecuaciones correccionales predefinidas, buscando puntos en común y emparejándolos en las diferentes fotografías. Cómo la orientación es automática, va a depender mucho de los recursos e información que le demos al programa el éxito o no de la orientación correcta. La alineación más efectiva se produce cuantos más puntos de control o marcadores tengamos y más referencias le demos al motor de restitución, puesto que el programa se basa en puntos característicos que le permitirá una mejor orientación. Posteriormente a este paso se debe buscar puntos GPS (en caso de que 136
Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016) existan) e identificarlos en todas las fotografías luego marcarlos coordenadas. para ingresarles las Generación De La Nube De Puntos Densa Una nube de puntos es un conjunto de vértices en un sistema de coordenadas tridimensional. Estos vértices se identifican habitualmente como coordenadas X, Y, y Z y son representaciones de la superficie externa de un objeto. Este es el proceso que más tarda al realizarse el cálculo de cota de cada pixel de entrada. Este proceso nos ofrece una serie de posibilidades de configuración, siendo su característica más importante la calidad que le pidamos, que dependerá del número de puntos que nos genere y por lo tanto la densidad de la nube obtenida, este proceso tarda de 5 minutos a 2:30 hrs dependiendo de la calidad seleccionada. La densidad de la nube de puntos está directamente relacionada con el número de fotografías de las que tengamos. Generación De La Malla Sobre La Nube De Puntos Densa Este paso no conlleva demasiado tiempo de procesamiento. En el proceso de generar malla, el programa crea una red de unión de esos puntos da color a las superficies geométricas resultantes en base a la nube de puntos base. Existen diversos sistemas y algoritmos de creación. Una malla se construye a partir de un mínimo de 3 vértices llamada cara que es la unidad básica de todo polígono tridimensional. Una vez generada la malla vamos a poder apreciar que nos genera un modelado algo tosco, para presentar o tratar. Generación De La Textura Sobre La Malla El proceso de texturizado no sólo permite añadir color al modelo, sino que también permite simular diferentes materiales (metal, madera, etc.) y dar mayor detalle a determinadas formas. Los principales procedimientos de texturizado se llevan a cabo mediante materiales, sombreadores y mapas. Al terminar Los Procesos Terminado todo el proceso tendremos un modelo 3D preciso del terreno levantado. Una vez obtenida la textura podemos visualizar la malla en 4 modalidades. La malla texturizada es el elemento que nos va a proporcionar más realismo y es de donde se van a extraer las Ortófono y el DEM 137
4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT 11 Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación Acapulco, Guerrero 22, 23 y 24 de septiembre 2016 Resultados Después de comparar los procedimientos de cada método, observamos que es mucho mejor el metodo digital ya que se tiene un control casi absoluto al realizar la toma de fotografías, los procesos son automáticos y se lleva menos tiempo, se obtiene una mayor precisión ya que con este la escalas que se usan pueden ser menores y el costo es notoriamente más económico, también la calidad de los productos es mejor, puesto que en este método los productos de los procesos vienen en formato digital estos pueden ser exportado a otros programas para seguir trabajando en ellos y obtener más información, como puede ser generar las curvas de nivel, cerrar hoyos pequeños, tratar a mayor precisión el DEM, entre otros. A continuación se muestra una tabla comparativa de los métodos: Tabla 1. Ventajas y desventaja de cada método Método Tradicional Método Digital Escala 1:50000 a 1:150000 1:1000 (drone) Altura de vuelo De 1000 a 3000 mts 100 mts (drone) Costos Es mas caro por hora de vuelo Es mas barato Precisión Precisión de hasta 5 cm De hasta mm Procedimiento Manual y mecánico Automático Formatos de Producto final Analógico Digital Tiempo de trabajo en gabinete Días 4 hrs como máximo dependiendo de la calidad Tiempo de vuelo Hasta 12 horas 20 min 4 hrs (drone) Fuente: Elaboración propia Discusión y conclusiones Después de comparar cada uno de los métodos descritos en esta investigación y de tomar en cuenta los estándares de calidad que se exigen en los trabajos de este tipo se llego a la conclusión de que la fotogrametría digital es mejor que la fotogrametría analógica ya que al ser mucho más exacta y rápida es una mejor opción para la elaboración de la cartografía. Así mismo la fotogrametría analógica aunque se podría decir que ha quedado en segundo plano ya que en la actualidad en la mayoría de los procesos se manejan por medio de softwares, aun así se destaca que puede seguirse utilizando ya que te ofrece una precisión aceptable para la elaboración de trabajos que no necesiten de mucha precisión, además de que no necesita la utilización de equipo de cómputo. Agradecimientos El presente trabajo de investigación fue realizado bajo la supervisión del M.C Álvaro López Arellano a quien me gustaría expresar mi más profundo agradecimiento por hacer posible la 138
Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016) realización de este estudio además de agradecer su paciencia tiempo dedicación y amabilidad que tuvo para que esto se llevara de madera exitosa además de ser parte de la columna vertebral de esta investigación A la Universidad Autónoma de Guerrero por permitirme participar en este 3 Encuentro de Jóvenes Investigadores del Verano UAGro y agradecer el hacerme acreedor de una beca para realizar este Verano de Investigación A la Unidad Académica de Ingeniería por el apoyo brindado en el trámite correspondiente para llevar a cabo dicha investigación y permíteme el uso de sus instalaciones. A mis padres por brindarme apoyo económico y moral para poder realizar esta investigación Referencias Fotogrametría. Wikipedia. Web. 25 jul. 2016 https://es.wikipedia.org/wiki/fotogrametr%c3%ada Fotogrametría Digital. Wikipedia. Web. 25 jul. 2016 https://es.wikipedia.org/wiki/fotogrametr%c3%ada_digital Jauregui, Luis. Introducción a la Fotogrametría. Webdelprofesor. Web. 25 jul. 2016 http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/iluis/publicaciones/fotogrametr%eda/capitulo1.pdf Macedo, Juan Manuel. Restituidores UNAM. Tesis. Universidad Nacional Autónoma de México, 2009 Fotogramétricos en la Facultad de Ingeniería de la Santos, Carmen. Aplicación Arquitectónica de la Fotogrametría Digital para el Levantamiento Grafico y Fotogramétrico de Fachadas en el Palacete Priytz. Tesis. Universidad de Alicante, 2014 139