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Fotogrametría Digital – Ingeniería en Geodesia y Cartografía UNIVERSIDAD DE JAÉN Dpto. de Ingeniería Cartográfica,

Geodésica y Fotogrametría

Fotogrametría Digital Tema 4 – Sensores Electroópticos – Cámaras Digitales

Parte 2

Prof. Dr. Jorge Delgado García

Dpto. Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría

Universidad de Jaén

[email protected]

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4.5 Cámaras digitales fotogramétricas 4.5.1 Situación del mercado a finales del s.XX. Aparición de cámaras digitales 4.5.2 Clasificación de cámaras digitales fotogramétricas. - Cámaras de sensor lineal - Cámaras de sensor matricial 4.5.3 Sensores lineales: Sensor fotogramétrico digital Leica ADS40.

- Configuración y diseño - Formación de las imágenes - Procesamiento de las imágenes - Ejemplos de trabajos

4.5.4 Sensores matriciales: Z/I DMC y Vexcel Ultracam D. Configuración y diseño -Configuración y diseño - Formación de las imágenes (integración y pansharpening) - Ejemplos de trabajos

4.5.5 Análisis económico

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4.5 Sensores digitales en Fotogrametría

Elementos básicos de diseño (OEEPE, 1994)

• gran ángulo de campo y anchura de barrido (reducir número de pasadas).

• alta resolución y precisión, tanto de carácter geométrico como radiométrico.

• posibilidad de captura de imágenes multiespectrales.

• posibilidad de captura de imágenes estereoscópicas.

Historia:

Las cámaras métricas aparecen en la década de 1920 (1925: Wild C2, Placa de vidrio, 10x15cm)

Antes de la II Guerra Mundial aparece la película estable sobre formato 23x23cm

1956-1992: Empleo de objetivos granangulares, Plataformas giroestabilizadas, FMC, …

1992: Aparece la Wild RC30 (Leica RC30) … de las que se han vendido más de 350 unidades

Ventas en 1998: RC30: 8-12 cámaras/año RMK: 6-8 cámaras/año

Distribución cuota mercado: 60/40 (Leica / ZI Imaging)

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Clasificación de sensores digitales en Fotogrametría Aaérea:

- Cámaras de gran formato fabricadas por grandes empresas (Leica, Z/I, Vexcel)

- Cámaras y sensores de otras empresas (DiMAC, Starlabo, Werhli, …)

- Cámaras de formato pequeño o medio adaptadas (Applanix DSS, DigiCAM)

- Sistemas multiespectrales (DAIS-1 de Space Imaging, Spectra-view de Airborne Data Systems)

4.5 Sensores digitales en Fotogrametría

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Cámaras fotogramétricas:

Resolución (condiciones de trabajo): 40 lp/mm (equivale a 80 pixeles/mm)

Formato 230x230mm (18400 x 18400 pixeles)

Problema: NO EXISTEN MATRICES CON ESTE TAMAÑO

Soluciones:

- Cámaras que emplean un sensor lineal.

Leica ADS40 (2 x 12000 píxeles)

- Cámaras que integran varias matrices lineales

Z/I DMC (4 x 4096 x 7168 píxeles -> 13824 x 7680 píxeles)

Vexcel Ultracam D (9 x 4008 x 2072 -> 11500 x 7500 píxeles)

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1 Objetivo + 1 Plano Focal

Matriz lineal CCD

8 - 12 Objetivos + 8 - 12 Planos Focales

Matrices múltiples RGB+IR para mejorar FOV

3-líneas estéreo (Pancromáticas) 3 a n líneas Multiespectrales

Matriz rectangular CCD

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Sensor Digital Lineal Cámara Digital de Matriz

Si se utiliza el 60% de solape sólo el 60% de los objetos está en las 3 imágenes

Todos los objetos en 3 imágenes

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Z/I Digital Modular Camera

4 objetivos pancromáticos con f=120mm

4 objetivos multiespectrales (RGB IR) con f=25mm

Vexcel Ultracam D/X

4 objetivos pancromáticos con f=100mm

4 objetivos multiespectrales (RGB IR) con f=28mm

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Res

oluc

ión

Esp

ectr

al

Transporte

Cartografía Topográfica

Defensa

Urbanismo

Agricultura

Recursos Minerales

Medio Ambiente

Forestal

Pan

M

S

HS

Resolución Espacial

100m 10m 1m 0.1m 0.01m

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Res

oluc

ión

Esp

ectr

al

Pan

M

S

HS

Resolución Espacial

100m 10m 1m 0.1m 0.01m

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1.6m 0.80m 0.40m 0.20m

0.10m 0.05m 0.03m 0.01m

Resolución: Diferencias entre identificación e interpretación

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12.8m 6.4m. 3.2m 1.6m

0.80m 0.40m 0.20m 0.10m


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GSD 1.6m

GSD 0.20m

Tamaño de objeto a reconocer GSD x 3 Tamaño objeto ~ 4.5m - 5m GSD 1.6 m x 3 = 4.8 m

Tamaño de objeto a interpretar GSD x 21 Tamaño objeto ~ 4.5 - 5m GSD 0.2 m x 21 = 4.8 m


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Cámaras Digitales Cámaras de película

Productos bien conocidos

Resolución muy elevada (3-4cms)

Alturas de vuelo más bajas

Paralajes angulares variables

3 en 1: B/N, Color, Falso color

Registro simple y preciso de datos multiespectrales

Sin proceso fotográfico ni digitalización

Diagrama de flujo completamente digital

Ventajas de las cámaras digitales frente a las cámaras de película

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Densidad

Con los sensores CCD es posible medir la cantidad de fotones que inciden en valores absolutos en función de la linealidad de la respuesta

Señal del sensor

Intensidad Absoluta Iluminación Relativa

Sensor Digital Cámara Película

Ventajas de las cámaras digitales frente a las cámaras de película (radiometría)

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Sensor Digital Cámara Película Sensibilidad de la capa Transmisión Filtro

nm nm

La transmisión de los filtros del sensor digital están definidos de una forma clara mientras que la sensibilidad de las capas de las películas y los tonos que dan lugar a la imagen final dependen de muy diversos factores (condiciones de la película, revelado, …)

Ventajas de las cámaras digitales frente a las cámaras de película (radiometría)

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Límite de escala de visualización para las imágenes digitales:

Límite de resolución para la vista humana: 10 píxeles por mm 10 píxeles = 1 mm en la imagen 1 píxel = 0.1 mm en la imagen Escala de visualización para diferentes valores de GSD 1 Píxel de imagen : 1 Píxel de Terreno 0.1 mm : 150 mm (Escala 1:1500) 0.1 mm : 300 mm (Escala 1:3000) 0.1 mm : 500 mm (Escala 1:5000)

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1:70,000 Dentro de límite





1:2,500 En el límite

1:625 Escala forzada

Imagen tomada con un GSD de 25cm y presentada a diferentes escalas de visualización

1:1,250 Sobre el límite

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1970: Eugene Derenyi – desarrolla el concepto de banda de tres líneas

1982: Otto Hofmann desarrolla el concepto de sensor trilineal

1994: Se realizan cuestionarios a los usuarios

1997: Se firma un acuerdo de cooperación Leica-DLR

1999: Se presenta el primer prototipo funcional

Inversión total: 200 Millones de $US y 4 años

2000: Primeras ventas (XIX ISPRS Congress, Amsterdam 2000)

2001: Primeras entregas (2 unidades PASCO Corporation, Japón)

2006: ADS-40 (2ª generación)

2009: ADS-80

Sensores de barrido: el ejemplo de la Leica ADS

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Características de las tomas

Toma trasera Toma nadiral Toma frontal

Toma trasera

Toma nadiral

Toma frontal

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• La geometría de la imagen no es una proyección cónica. Por tanto, se requiere disponer de software específico que contemple el cambio de modelo geométrico del sensor.

• El sistema GPS/IMU es fundamental para determinar la orientación externa de la cámara (posiciones y orientaciones) durante la vuelo lo que implica un coste extraordinario.

• Las matrices lineales son de una fabricación más simple por lo que suelen tener un menor número de píxeles defectuosos.

• Si existen píxeles erróneos, el menor número de píxeles permite el interpolar los datos perdidos.

• Las matrices lineales tienen un mayor rango dinámico.

• Las matrices lineales (en principio) son más adecuadas para obtener imágenes a mayor escala debido al movimiento del avión.

• Es posible realizar la captura de imágenes de GSD de 5 cm con matrices lineales.

• La mayor parte de las matrices lineales permiten la adquisición de 3 imágenes por punto a lo largo de la pasada, también es posible el trabajar con imágenes entre las pasadas.

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48



-6

-3

0

3

6

0

Roll

Pitch

Yaw

Imagen Original (sin giroestabilización)

Imagen Corregida

Roll Pitch Yaw


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Imagen Original Imagen Corregida

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Se captan diferentes zonas para la misma localización del sensor

Imagen Frontal

Imagen Nadiral

Imagen Trasera

Para captar la misma zona es necesario considerar diferentes localizaciones del sensor (ángulos de inclinación)


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Posición GPS

Trayectoria efectiva

Corrección de la trayectoria del IMU

Trayectoria IMU

El GPS proporciona la posición absoluta con una frecuencia de 2 Hz. El IMU proporciona una posición relativa y una orientación de cabeceo, aleteo y deriva con una frecuencia de 200 Hz La trayectoria proporcionada por el IMU se actualiza con la posición GPS. La trayectoria con post-proceso es interpola y se genera una posición y orientación con una frecuencia de 800 Hz (cada 1.2 ms)

Sistema POS (Posicionamiento y Orientación)

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Satélites GPS

Estación referencia GPS en el terreno

Sistema ADS

1

2

3 4 5

6

Sistema ADS80

1. Sensor SH81/SH82 con:

• Objetivo DO64

• IMU

2. Unidad de control CU80 con:

• Control POS posición y orientación

3. Sistema almacenamiento MM80

4. Interfaz operador OI40-GI40

5. Sistema navegación IPAS

6. Montura PAV80

Sistema Leica ADS 40 / 80

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Sistema Leica ADS 80

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Objetivo Telecéntrico

Plano focal con CCD, Filtros y Tricroide

Electrónica

Cámara Video

IMU

Sistema de control temperatura

Vidrio Protección frontal

Electrónica control ambiental

Compensación temperatura del objetivo

Sensor SH81/82

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Ángulo de barrido: 64°

Apertura relativa: 4

Rango espectral: 420-900 nm

Resolución ~ 130 lp/mm optimizado para CCD

Precisión 1 m

Estabilizado para un rango de temperatura y presión entre +10°C to +30°C

Mantiene la respuesta en los extremos del sensor

Diseño telecéntrico:

Objetivo DO64

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Objetivo Telecéntrico DO64 Objetivo convencional

Filtro

Espacio imagen Transmisión Filtro rojo

Transmisión Filtro rojo

Transmisión constante en todo el ángulo de campo

La transmisión no es homogénea en todo el formato

Espacio imagen

Filtro

Banda R Imagen

CCD CCD

Bar

rido

Bar

rido

Adecuado para teledetección No adecuado para teledetección

Banda R imagen

Objetivo DO64

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0

5000

10000

15000

0 1000 2000 3000

0

5000

10000

15000

0 1000 2000 3000

Altura vuelo 3,000 m GSD 25 cm

Reichstag, Berlin, 23 Abril 1999

Ventajas radiométricas:

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Sensor SH81/82

Sensor SH81 (con 4 sensores multiespectrales) Total: 8 sensores lineales CCD de 12000 píxeles (tamaño de píxel de 6.5 μm) 2 líneas individuales PAN 1 sensor doble PAN desplazados medio pixel 4 sensores espectrales: R, G, B, NIR Sensor SH82 (con 8 sensores multiespectrales, nadir y 16º Frontal) Total: 12 sensores lineales CCD de 12000 píxeles (tamaño de píxel de 6.5 μm) 2 sensores individuales PAN 1 sensor doble PAN desplazado medio pixel 8 sensores espectrales: 2xR, 2xG, 2xB, 2xNIR Rango espectral: PAN: 465-680 nm Rojo: 608-662 nm Verde: 533-587 nm Azul: 428-492 nm NIR: 833-887 nm Rango dinámico CCD: 12 bit Resolución A/D: 16 bits Canal de datos: 16 bits Sensibilidad: 4 veces mejor que SH40 Compresión de datos: Entre 2.5 y 3.6 x (10-12 bits)

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CCD lineal desplazado CCD lineal simple

Dos CCD lineales con 12K. Desplazados 1/2 pixel Un CCD lineal con 12K

20 cm barras

Siemens Star diámetro 8m

20 cm barras

50 cm barras

Siemens Star diámetro 8 m

50 cm barras

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Trichroid

SH-81 SH-82

Sensor lineal doble nadiral Ideal para MDS Solución más vendida

El sensor pancromático nadiral es sustituido por un sensor RGB y la posición del RGB 16º se coloca un IR, R, G Ideal para true ortos Ideal para CIR

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Beneficios de la asimetría

Elección de varios ángulos estereoscópicos 14.2°, 28.4°, 42.6°

Líneas pancromáticas desplazadas

Línea NIR Líneas RGB

Vista trasera Vista frontal 28.4° 14.2°

Plano Focal

Todos los canales RGB tienen el mismo ángulo de incidencia debido a un sistema de registro tricroide

Canal NIR próximo al nadir

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Es un sistema que integra un GNSS y un IMU

Se puede instalar en cualquier sensor y está diseñado especialmente para los ADS40/80

Permite el empleo de GPS y de GLONASS

Precisión orientación IMU, < 4" tras la corrección lineal

Frecuencia de lectura IMU 200 Hz

Sistema PAV80

Sistema IPAS20

Plataforma giroestabilizada con una rápida respuesta

Acepta diferencias pesos de cámara

Estabilización

Roll: -7º a +7º

Pitch: -8º a +6º

Drift: -30º a +30º

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Trichroid

CU40

MM40 Integrado con IPAS20

Alta velocidad de transferencia 130Mb/s

Resolución radiométrica de los datos comprimidos de 10-12 bits

Intervalo de registro mayor o igual a 1 ms

Modos: Formato propio ADS80, datos brutos, datos comprimidos

MM80 incorpora tecnología discos flash

364/768 Gb por pareja

768 Gb permite el registro de 11.4 horas de vuelo con 2.5ms de registro con 3 PAN+3MS

Peso: 2.5 kg

GSD= 3 cm => 90 kts GSD= 5 cm => 140 kts GSD= 7.5cm => 190 kts GSD= 10cm => 240 kts GSD= 15cm => 300 kts

Sistema CU80-MM80

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Configuración GSD

cm

Area

km 2

3 Pan 15 3,635

Resolución Normal 20 6,445

RGB-IR 30 14,430

50 39,655

3 Pan 15 8,395


30 32,955

50 89,350

1 Pan 15 6,325


3 MS 30 24,950

50 68,035

Trichroid

Superficie cubierta en función del GSD y tipo de imagen capturada, con 15% solape transversal y compresión de 1.25x. Espacio de almacenamiento considerado: 530 Gb.

PAN – Alta Resolución PAN – Resolución Normal

ConfiguraciónGSD

cm

Area

km 2

15 10,150

20 17,975

30 40,145

50 109,865

15 16,790

20 29,660

30 65,915

50 178,700

15 20,070

20 35,415

30 78,520

50 211,895

3 PAN (Alta Resol.) +

4 MS (RGB/IR)

3 PAN (Alta Resol.)

1 PAN (Alta Resol.) +

3 MS (RGB ó CIR)

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Trichroid

Pantalla LCD color de alto contraste sensible al tacto

Resolución: 1024 x 768 pixels

Sistema OI40

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Trichroid

DPW Post Proceso

Impresión

Sistema Archivos

Almacenamiento

DTM

Ortofotos

Cartografía

Actualización

Fotointerpretación

Análisis Imágenes

Clasificación

SIG

Nivel 0 – Datos brutos consisten en: Imágenes (TIFF y otros formatos) y datos de orientación procesados

Nivel 1 – Datos Rectificados consisten en: Imágenes estereoscópicas completamente corregidas e imágenes multiespectrales corregidas

Nivel 2 – Datos geocodificados consisten en: Ortofotografías pancromáticas y multiespectrales

Nivel 0 Nivel 1

Nivel 2

Canales espectrales simultáneos

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Trichroid

Diagrama de flujo con ADS40

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Trichroid


69



Trichroid


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Fecha: 17 Junio 2001

Altura vuelo: 4,900 ft. 1,500 m

Sensor: ADS40 SM-A

Tamaño pixel terreno: GSD 15 cm

Escala 1:35000 Escala 1:17500 Escala 1:8500 Escala 1:4500 Escala 1:2500 Escala 1:1250 Escala 1:625

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Sensor: ADS40 SM-A


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Azul 420 - 490 nm Verde 535 - 585 nm

Rojo 610 - 660 nm Infrarrojo 835 -885 nm



Sensor: ADS40 SM-A


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Sensor: ADS40 SM-A


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Fecha: Noviembre 2003

Altura de vuelo: 580 m


Se puede observar el tendido del cableado de los tranvías con GSD=6cm

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Fecha: Noviembre 2003

Altura de vuelo: 580 m


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Ejemplos de imágenes capturadas con ADS80 (GSD: 5cm)

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Bloque “Waldkrich”

4 pasadas (+ 2 pasadas transversales)

8 puntos de apoyo 2082 puntos de paso

o= 3.9 mm (0.6 píxeles) RMSpuntos de apoyo < 0.06m

Ejemplos de proyectos con ADS

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Proyecto PNOA «Castilla y León»:

Objetivo: Conseguir una imagen de calidad PNOA de GSD=0.5m para uso generalista con un coste inferior a 5 €/km2 y con un plazo de ejecución de 1 mes desde la captura de la imagen hasta la publicación de la orto.


Vuelo en dirección norte-sur. • Sin efecto “hot spot” en toma nadiral • Se mantiene el ángulo solar a lo largo de la pasada.

Mayor longitud de pasada (120 km). MEJOR EQUILIBRADO RADIOMÉTRICO

• Reducción drástica de recubrimientos • Recubrimiento transversal del 15% • Solo toma nadiral de cámara de barrido

REDUCCIÓN DE HORAS DE VUELO Y VOLUMEN DE DATOS

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Altura de vuelo máxima con un límite en 5.800m debido a la restricción de certificación de altímetro por Reduced Vertical Separation Minima. Empleo de georreferenciación directa

• Uso de GPS/INS de alta precisión. Procesado contra la Red GNSS de Castilla y León. • La calibración de Cámara+GNSS+INS es clave.

REDUCCIÓN DE PLAZOS Y COSTES CON PRECISIÓN CONTROLADA

Ortorrectificación directa en 4 bandas. • En un solo paso desde datos brutos tomados por la cámara hasta tiras de imagen ortorrectificadas. • Uso de Modelos Digitales de Elevación preexistentes

REDUCCIÓN DE PLAZOS Y VOLUMEN DE DATOS A PROCESAR. • Entrega de datos on-line (vía FTP).

AGILIDAD EN LA LABOR DE DIRECCIÓN TÉCNICA Y CONTROL DE CALIDAD

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Vuelo de prueba ADS40 1/9/2008. CIR (IrRG) Sur de Valladolid

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2ª fase: PNOA CyL 2009 Bloque Suroeste • Puesta en producción de la idea. • 2.703.310 ha de vuelo efectivo + Calibración sobre Zamadueñas (VA). • Contratista de Vuelo+Ortorectificación directa: Blom.

– Cámara Leica ADS80 SH82 – Avión Learjet 25 [Techo 15.000 m]

Precio de adjudicación 4,10 €/km2. Precio medio de tres licitantes 4,43 €/km2.

Plazos de ejecución: – Fecha de anuncio licitación: 20 de julio de 2009. – Fecha de adjudicación: 31 de julio. – Fecha de firma de contrato: 21 de agosto. – Fecha de inicio/fin del vuelo: 29 de agosto / 6 septiembre. – Fecha de entrega (FTP) de todas las ortofotos: 28 de septiembre

Precisión métrica del producto final: – Error Medio Cuadrático de 0,48m en X y 0,47 m en Y* [Exigencia PNOA 50: Mejor que 1,00 m] *Control realizado por contratista con 232 ptos. de chequeo. Control ITACyL en proceso.

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Problemas del proyecto • Dependencia de estaciones de referencia. No es problema real en España. • Reducido número de aviones capaces de volar a gran altura de forma eficiente y de cámaras de

barrido. • Criticidad de la calibración para buen corregistro entre bandas y georreferenciación sin AT. • En el flujo de trabajo actual hay que trabajar en altura elipsoidal. Es necesario convertir los MDE a

cota elipsoidal.

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Ventajas:

- Un solo objetivo y plano focal

- Sensor configurable en función de las necesidades del usuario

- Imágenes multiespectrales en resolución nativa (sin pansharpening)

- Se dispone de tres imágenes de toda la superficie cubierta

- Sensor nadiral con bajo desplazamiento debido al relieve (true orto)

- Buena continuidad de las imágenes

Inconvenientes:

- Falta de tradición en el empleo de sensores lineales

- Gran dependencia del GPS e IMU

- Necesidad de software específico (o adaptado)

Ventajas e inconvenientes de los sensores de barrido

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Características técnicas - Cámara Z)I DMC

• 4 cámaras pancromáticas de alta resolución • Tamaño final de la imagen: 7,680 x 13,824 pixels (12 m) • Ángulo de campo: 69.3° (y) x 42° (x) • Objetivo: 4 x f = 120mm/f:4.0 • 4 cámaras multiespectrales 3K x 2K: R, G, B, NIR • Sensibilidad espectral: B: 400-580nm G: 500-650nm R: 590-675nm NIR: 675-850 nm (alternativa): 740-850 nm • Tamaño final imágenes RGB o CIR: 7,680 x13,824 pixels • Objetivo: 4: x f = 25mm/f:4.0 • Obturador: 1/50 – 1/300 sec f/4-f/22 • Almacenamiento: SSD reemplazable (330 GB ~ 1,200 imágenes). • Cadencia máxima de disparo: 2.1 sec/image. • Resolución radiométrica: 12 bit (all cameras) • Altura máxima: 8,000 meters (no-presurizado) • Peso de la cámara: 88 kg • Peso de la montura: 48 kg

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La cámara DMC destaca por su sencillez de utilización:

-Las imágenes pancromáticas son generadas por la integración de las imágenes de las 4 cámaras a las que se eliminan las distorsiones y se ajustan a focal 120mm. Mediante una sencilla proyección al tener todas las imágenes el mismo centro de proyección.

-Se pueden emplear en cualquier sistema fotogramétrico sin ningún requisito de modelo.

-El procedimiento de orientación es el mismo que cualquier otro tipo de imágenes no es un sistema GPS dependiente.

-Incorpora un sistema TDI de retardo de la lectura necesario para compensar el movimiento de la imagen en el sensor matricial

CALIBRACIÓN:

En dos etapas: 1) Calibración de las cámaras -> Geometría de la cámara

2) Calibración de la plataforma -> Relación entre cámaras

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Sistema TDI

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Generación de imágenes

2D view of two camera heads

Camera heads

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Generación de imágenes

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Generación de imágenes (pan-sharpening)

Mosaico de imágenes • Se aplican los parámetros de calibración de la cámara • Comprobación de puntos de paso/enlace • Ajuste robusto • Proyección a una perspectiva virtual y fusión con color

compuesto.

4 imágenes solapadas

Punto de paso/enlace

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• La imagen integrada pancromática se reduce de tamaño hasta hacerla coincidir con la imagen color.

• Se realiza una búsqueda de puntos homólogos entre las banda verde y la pancromática (matching por mínimos cuadrados) y se obtienen los parámetros de proyección

• Las bandas roja y azul se correlacionan con la banda roja mediante el mismo procedimiento

• Se realiza la fusión de cada canal con la pancromática obteniendo imágenes coloreadas del tamaño de la pancromática

Generación de imágenes (pan-sharpening)

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Ejemplos de imágenes con la DMC

Vuelo de pruebas: Alemania Feb 2002

Altura de vuelo sobre el terreno = 150m

GSD = 1.5cm

Velocidad ~ 140 kts (70 m/s)

Tiempo de exposición = 1/100 s

Desplazamiento FMC ~ 50 pixeles

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Mantel a cuadros Tamaño del cuadro 5 cm

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Pancromática Color original Color Pan-sharpened

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Zona de test “Elchigen”

Se emplea para la calibración de las DMC y del sistema IMU

21 puntos de apoyo (medidos con GPS)

Altura de vuelo sobre el terreno= 1544m Escala de vuelo= 1/12870 GSD=15cm

3 pasadas E-W y 3 pasadas N-S (20 imágenes con solapes longitudinal y transversal de 60%)

o= 1.7 micras (0.14 pixel – 2.2 cm terreno)

Error en puntos de comprobación independientes: 3.6cm (X e Y) (0.23 pixel); 6cm (Z) (0.39 pixel)

Precisión media del MDT= 10cm

Zona de test “Vaihigen/Enz”

120 imágenes en 5 pasadas

Altura de vuelo sobre el terreno= 1210m Escala de vuelo= 1/8000 GSD=9.6cm

16 puntos de apoyo XYZ

o = 2.4 micras (0.2 pixel – 1.9 cm terreno)

Ajuste de bloque: 0.2 pixeles (2 veces mejor que las cámaras de película)

Ejemplo de proyectos con DMC

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Ejemplo de proyectos con DMC

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Objetivo: Análisis de las posibilidades de la DMC para la generación de productos cartográficos (MDE y orto) Trabajo realizado por HIFSA (http://www.hifsa.com) Características del vuelo: Escala de imagen: 1/25.000 Altura sobre el terreno: 3.000 m. f: 120 mm. Nº Pasadas: 7 Nº Fotos por pasada: 40 Nº total imágenes: 280 Recubrimiento longitudinal: 60% Recubrimiento transversal: 30% Base: 921 m Tamaño imagen digital: 13824 x 7680 pixeles (165.8 x 92.1 mm) Tamaño imagen terreno: 3456 x 1920 m Tamaño pixel: 12 micras GSD: 30 cm. Productos: Imágenes color real (36 bits= 3x12 bits; 3x4096 ND) Imágenes en falso color (CIR) (Infrarrojo, Rojo, Verde) Imágenes pancromático (12 bits) Datos de los centros de proyección DGPS

Ejemplo de proyectos con DMC (Zona 947)

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100




101



Orientación Interna: NO NECESARIA Orientación Externa: Información de partida: DGPS Nº modelos: 275 Nº de puntos de paso y enlace: 26810 (casi 100 por modelo) Precisión interna: 2.5 micras Precisión externa: 0.27m


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Modelo Digital de Elevaciones: Paso: 10 m Superficie: 267.5 Has/modelo Precisión Z: 0.7m


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Ortoimagen: Tamaño de pixel (GSD=30cm) Cartografía a escala 1:10000 Precisión: Planimétrica: mejor que 1m Radiometría: 36 bits (12 x 3 bits) PAN+RGB+IR Formato: TIFF (GeoTIFF) + TFW


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Ventajas:

- Diseño sencillo

- No requiere disponer de GPS

- Se puede emplear con cualquier tipo de software fotogramétrico

- Requiere utilizar TDI y 8 obturadores por cámara

Inconvenientes:

- Imágenes en color mediante pansharpening

- Imágenes en pancromático mediante proyección de las originales

Ventajas e inconvenientes de la cámara DMC

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Cámara Vexcel Ultracam-D

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Cámara Vexcel UltraCam

La empresa Vexcel ha sido adquirida en 2006 por Microsoft y en la actualidad Es la encargada del desarrollo de proyectos como Bing Maps, Photosynth, Virsual Earth, entre otros. Vexcel ha fabricado diferentes modelos de Ultracam: 2001: Ultracam-D 2007: Ultracam-X 2008: Ultracam-L (formato medio) Ultracam-Xp 2009: Ultracam-XpWA

Ultracam-XpWA

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Formación de las imágenes pancromáticas

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Se realiza de acuerdo con un esquema sintópico frente al modelo sincrónico de la DMC.

En este modelo las imágenes se obtienen cuando el sensor está situado en la posición correspondiente. De esta forma todas las imágenes han sido tomadas desde la misma posición y se obtiene una imagen equivalente que es posteriormente mosaicada.

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Ultracam-Xp (Xp-WA)

Es el modelo actual de Vexcel Ultracam de gran formato y sustituye a la Ultracam-X

El modelo aparece en 2008 y en 2009 aparece el modelo WA con menor focal y mayor ángulo de campo (Xp-WA)

Es la cámara digital con mayor formato en la actualidad (17310 X 11310 píxeles – 196 Mpix – 6 mm)

Las cámaras UltraCam representan el 42% del mercado actual (125 unidades vendidas) UltraCamD: 47 UltraCamX: 58 UltraCamXp: 16 UltraCamL: 4 Incorpora un sistema de almacenamiento que permite el almacenamiento de 6.600 imágenes por unidad y que pueden ser cambiadas en vuelo. Incorpora una relación de pan-sharpening 1:3, proporcionando una importante mejora en la calidad de las imágenes integradas. UltraCamXp UltraCam Xp Wide Angle Objetivo 100mm PAN Objetivo 70 mm PAN Objetivo 33mm RGB+NIR Objetivo 23 mm RGB+NIR Gran escala y altura de vuelo Gran escala y baja altura de vuelo

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Ultracam-Xp (Xp-WA)

La cámara obtiene las imágenes en color mediante un procedimiento de pan-sharpening.

Para la mejora de la imagen dispone de un sistema de retardo de la imagen (TDI) con un valor máximo de 50 píxeles.

Esta cámara se caracteriza por su gran anchura de banda:

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Ejemplos de imágenes de la Ultracam-Xp (Xp-WA)

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Ejemplos de imágenes de la Ultracam-XpWA – GSD=0.1m

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Procesamiento de imágenes UltraCam. Sistema UltraMap

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Ventajas:

• Coste menor que la Leica ADS80

• Anchura de barrido y sistema convencional de imágenes que permite software convencional

• Alta cadencia de disparo que permite grandes solapes y tamaño de pixel pequeño

Inconvenientes:

• Vexcel no tiene tradición en construcción de cámaras, aunque cuenta actualmente con el apoyo de Microsoft y con un 42% de la cuota del mercado entre sus diferentes modelos.

• Imágenes en color mediante pansharpening

Ventajas e inconvenientes de la Vexcel UltraCam

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Se trata de una opción con muchas expectativas, así en el último año los tres fabricantes principales de cámaras han lanzado modelos de formato medio (UltraCam Lp, Intergraph RMK-D, Leica RCD-105).

En todos los casos se trata de cámaras de formato matricial y de peso reducido.

Cámaras de formato medio

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Imágenes PAN de 11704x7920 píxeles (dan lugar a una imagen final de 92 Mpix) (64 Mpix – Ultracam-L)

Imágenes RGB-NIR 5320 x 3600 píxeles (dan lugar a una imagen de 20 Mpix) (relación pan-sharpening 1:2)

Cadencia de disparo de 2.5 s.

Sistema de compensación de movimiento de la imagen mediante TDI para PAN, RGB y NIR

La misma precisión geométrica que una UCXp y el mismo rango dinámico que una UCXp

Sistema de almacenamiento mediante discos de estado sólido (1 Tb = 2500 imágenes por SSD)

Se utiliza el mismo sistema de procesamiento que las cámaras UltraCam

Se utiliza un solo sistema que incorpora sensor, cálculo y almacenamiento. Peso: 55 kg. Consumo: 200 w

Ultracam Lp

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Ultracam Lp

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Ultracam Lp

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Intergraph RMK-D

Tamaño de la imagen: 5760 x 6400 píxeles (49.5º x 54.2º) y-x Tamaño de pixel: 7.2 mm Distancia focal: 45 mm GSD a altura de vuelo de 500 m: 8.0 cm Número de sensores: 4 Cadencia máxima de disparo: 1.1 s Imágenes en color a resolución nativa Resolución A/D resolution per pixel 12 bit 14 bit Incorpora FMC Rango dinámico: 71 dB Almacenamiento para 2000-4000 imágenes Peso: 59 kg Consumo: 350 w Altura máxima de operación: 8000 m (no presurizado) Temperatura de operación: 0ºC - 40°C (-20ºC componentes externos)

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Intergraph RMK-D

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Leica RCD-100

Tamaño de imagen: 7216 x 5412 píxeles (39 Mpix) Distancia focal: 35, 60 y 100 mm Sistema de captura simultánea de RGB y CIR Cadencia máxima de disparo de 2.2 sTiempo de exposición: 1/3649 s Almacenamiento mediante SSM intercambiable en vuelo Orientación directa mediante sistema Leica IPAS20 (pueden utilizarse otros IMU) Incorpora el controlador OC52 y GI40 Sometidas a calibración radiométrica y geométrica Imágenes finales libres de distorsión y radiométricamente corregidas Exactitud mejor que 1 pixel en x,y,z Peso: 65 kg (puede instalarse en PAV30 y PAV80)

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4.6 Calibración de cámaras digitales

La calibración de las cámaras es un aspecto fundamental para garantizar la calidad de la imagen (de la información capturada), los procesos de calibración han venido realizándose por los propios fabricantes de las cámaras (Zeiss, Leica), por organizaciones independientes (Bloom) o por organizaciones estatales (USGS). Los procedimientos de calibración de las cámaras de película no pueden ser utilizados en las cámaras digitales y han necesitado someterse a una profunda revisión y adaptación. Uno de los elementos a tener en cuenta que a diferencia de las cámaras de película, las cámaras digitales tienen diseños muy diferentes (sensores lineales, sensores de matriz, disparos sincrónicos, disparos sinópticos, etc.) y, por otro lado, es necesario el considerar matrices de muy diferente tamaño y tanto la componente radiométrica como la componente geométrica de las imágenes. Esto ha llevado al desarrollo de diversas iniciativas para la puesta en marcha de procedimientos de calibración internacionalmente aceptados como el EuroDAC2 de la EuroSDR y el USGS Plan for Quality Assurance of Digital Aerial Imagery, que actualmente coexisten con los propios procedimientos de los fabricantes de las cámaras.

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EuroDAC2

Es una iniciativa de la EuroSDR dentro de las actividades desarrolladas para la calibración y validación de cámaras digitales. Dentro de esta línea se han desarrollado dos actividades: • Digital Camera Calibración Network (2003-2007) • European Digital Airborne Camera Certificación - EuroDAC² (2006-actualidad)

El objetivo de EuroDAC² es el desarrollo e implementación de un proceso de certificación aceptado en todos los países europeos y desarrollado en colaboración con las agencias cartográficas, los fabricantes y diferentes centros de investigación.

La necesidad de este proyecto viene por la necesidad de contar con un proceso considerado como válido en toda europea y no a nivel de un determinado país.

Por otro lado se intenta evitar que se adopten otras metodologías (como el desarrollado por la USGS) por los países europeos, sin tener en cuenta las particularidades de los proyectos desarrollados en Europa.

También se señala que debe ser una iniciativa con una rápida puesta en marcha, y que debe tener un amplio apoyo por encima de las soluciones nacionales individuales.

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¿Por qué EuroDAC2?

Si bien se considera que los aspectos señalados por la USGS son válidos a nivel internacional es necesario tener en cuenta:

• Los diferentes requisitos de los proyectos de vuelo desarrollados en Europa en cuenta a extensión (menor tamaño), y precisión (más exigentes en resolución y exactitud).

• Necesidad de considerar diferentes clases de exactitud de las cámaras empleadas por los diferentes usuarios y aplicaciones en Europa.

• Necesidad de disponer una certificación europea que permita la movilidad de los servicios de las empresas en el mercado europeo.

• Se plantea la necesidad de una certificación individual frente a la certificación de cámara empleada en la USGS.

• La mayoría de las cámaras han sido desarrolladas en Europa: ADS40/80 (CH), DMC (D), UC-D/X/Xp/Lp (A), DiMAC (L), JAS-150 (D), HRSC (D), AIC-Rolleimetric (D), DigiCAM (D), IGN-Camera (F)

• Definir una solución propia que esté en sintonía con otras (Galileo GNSS), no se plantea como una competencia sino como un apoyo complementario a otras metodologías de calibración y validación.

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Fases de EuroDAC2

Fase Concepto

1 Evaluación de necesidades de usuarios/expectativas (Agencias Cartográficas)

2 Información de los fabricantes de cámaras (Fabricantes)

3 Definición del proceso EuroDAC² (Grupo de trabajo EuroDAC²)

4 Aceptación del proceso EuroDAC² (Agencias, Fabricantes, Empresas, Usuarios)

5 Implementación en Europa del proceso EuroDAC²

En la actualidad se han desarrollado diferentes reuniones. Toda la información está disponible en http://www.ifp.uni-stuttgart.de/eurosdr/index.html

http://www.ifp.uni-stuttgart.de/eurosdr/index.html




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USGS

El USGS es el organismo encargado de la calibración de las cámaras fotogramétricas en USA desde 1973. 2000: Necesidad de puesta en marcha de una laboratorio de calibración de cámaras digitales 2005: Reunión de trabajo del Inter-Agency Digital Image Working Group (IADIWG) compuesto por proveedores y clientes de imágenes, agencias estatales (14), etc. 2007: Laboratorio para calibración de cámaras de formato pequeño y mediano 2007: Se desarrolla el USGS Quality Assurance Plan for Digital Imagery que incide en 4 aspectos básicos: - Definir los requerimientos de los contratos y las especificaciones de los datos. - Definir los procesos y los criterios para validar los productos en función de los requerimientos - Definir los aspectos relativos a los sistemas para la producción de los datos (soft y hard) - Integración de los procesos en los sistemas productivos Los resultados actuales son: - Contract Guidelines for Digital Aerial Imagery - Sensor type certification - Certificación para los proveedores de datos - Acceptance Guidelines for Digital Aerial Data

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Normas DIN

Son las normas de la agencia de normalización alemana Han desarrollado en los últimos años una familia de normas (DIN 18740-Productos Fotogramétricos) que cuenta con 4 partes:

• Parte 1. Requerimientos para los vuelos cartográficos aéreos y para la fotografía analógica (Nov. 2001).

• Parte 2. Requerimientos para la digitalización de fotografía aérea (Feb. 2005). • Parte 3. Requerimientos para las ortofotografías (Oct. 2003). • Parte 4. Requerimientos para las cámaras aéreas digitales y las fotografías aéreas

digitales (Borrador, Feb. 2006). Incluye: Cámaras digitales aéreas Vuelos fotogramétricos digitales Imágenes áereas digitales

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Normas DIN

En lo que respecta a las cámaras se indica: requerimientos generales para la cámara y sus componentes calibración de cámara (geometría y radiometría) sensores para la determinación de la posición y la orientación “… la calidad relativa al producto de imagen debe ser documentado mediante un certificado del fabricante … el sistema de la cámara y sus subsistemas tienen que ser calibrados geométrica y radiométricamente … la calibración de la cámara tiene que se documentado mediante un certificado de calibración del fabricante … la validez de la calibración geométrica en el momento del vuelo debe ser comprobada mediante la realización de un vuelo de prueba (un año antes) o de una nueva calibración (dos años antes)… la precisión de la prueba de validación tiene que estar dentro de las especificaciones del certificado del fabricante (diferencia máxima permitida del 25%).”

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Ver certificado de calibración de la ADS80

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Situación actual y futura del mercado

Evolución de las ventas de cámaras digitales de gran formato (Leberl y Gruber, 2005):

Leica ADS40 Z/I DMC Vexcel Ultracam Total Anual Total Acumulado

2000 Presentación Presentación 0 0

2001 1 1 1

2002 5 5 6

2003 7 3 Presentación 10 16

2004 10 11 13 34 50

2005(Ene-May) 2 12 13 27 77

Total 25 26 26 77

De acuerdo con Büyüksalih (2005): Leica ADS 40: 27 Z/I Intergraph DMC: 22 Vexcel Ultracam-D: 19 (cifras de ventas acumuladas hasta Abril 2005)

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Distribución nacional de las cámaras ADS40 y DMC:

España: ADS40 (3), DMC (4), Ultracam (5?)

En 2005 se planteaba un aumento de ventas del 40% anual (según información de Applanix). Así era previsible unas ventas de 8-9 unidades ADS40 al año, que podrá aumentar a largo plazo hasta las 12-15 unidades (cifra similar a la de ventas de la RC30). Con estas cifras se planteaba que podrían existir un total de 80 cámaras en 2010.

El número total de cámaras previsto para 2010 era de 240, lo que suponía el 25% del mercado mundial de cámaras, si bien seguramente la cifra sea mayor al dejar de estar operativas algunas cámaras de película. En 2010, Vexcel ha vendido un total de 125 cámaras, Intergraph un total de 100 cámaras y Leica en torno a 75 cámaras?

En nuestro país se está registrando una fuerte tendencia a las nuevas cámaras con más de 10 unidades actualmente operativas (ICC, TASA, Azimut, HIFSA, Tracasa, Heligrafics,…). En la mayoría de los pliegos de trabajos fotogramétricos ya sólo se contempla la posibilidad de utilizar imágenes de cámara digital.

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Ventajas de las cámaras fotogramétricas digitales

Menor coste:

No requiere emplear consumibles (película, procesado fotográfico, …)

No requiere digitalización

No existe coste por duplicación

No existe coste adicional por mayor número de imágenes o color

Se eliminan los problemas de las películas IR color

Se reduce la necesidad de manipulación de las imágenes

El coste de la película y procesado representa entre el 13 y el 19% del proyecto.

El coste del escaneo de la película representa entre el 34 y el 52% del proyecto. Mejor calidad de imagen:

Imágenes en 12 bits/pixel. No existe ruido por el grano de la película

Mayor rango dinámico de las imágenes.

Posibilidad de adquisición simultánea de PAN, RGB e IR

Mejores resultados en la medidas automáticas por correlación (2.5 veces mejor)

Mejor sensibilidad espectral: más días y horas de vuelo en mala meteorología o iluminación

Mejor interpretabilidad

Mejores resultados en los procedimientos automáticos

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Mayor redundancia en todas las medidas:

Se pueden tomar más imágenes sin un coste extra importante

Mejores resultados en los procesos de generación de MDE

Menor presencia de áreas de oclusión en zonas urbanas

Mejor precisión geométrica:

No se producen deformaciones por el soporte de la imagen

No se requiere la orientación interna de las imágenes

Las copias no pierden calidad geométrica ni radiométrica

Las imágenes no presentan granularidad

La mejora del rango radiométrico se traduce en mejor calidad de las medidas Mejor proceso de trabajo:

La calidad de las imágenes se puede controlar en el propio vuelo

El proceso es más automático con menor intervención manual

Se mejora los procesos de interpretación (PAN, RGB, IR)

No es necesaria la gestión de las películas (ni la conservación)

Es posible plantear un catálogo totalmente informatizado (Intranet / Internet)

Se reduce el mantenimiento de las cámaras

Ventajas de las cámaras fotogramétricas digitales

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Análisis Económico

Coste asociado a la captura de una imagen (Cámara de Película, 20000 fotos/año) Depreciación anual de la cámara --- Mantenimiento anual de la cámara 5.000 $ Calibración 5.000 $ Compra de películas (20000 fotos) 80.000 $ Procesado de fotos (20000 fotos) 60.000 $ Digitalización (20000 fotos) 200.000 $ Coste asociados al archivo de fotogramas 1.500 $ Costes asociados al archivo de imágenes digitales 1.500 $ TOTAL 353.000 $ Total por imagen 18 $ Costes medios considerando costes actuales en Europa y USA Valores tomados de Leberl y Gruber (2005)

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Coste asociado a la captura de una imagen (Cámara Digital, 60000 imágenes/año) Depreciación anual de la cámara 80.000 $ Mantenimiento anual de la cámara 40.000 $ Seguro 10.000 $ Depreciación sistema procesado imágenes 4.000 $ Cintas almacenamiento imágenes (60000 fotos) 2.000 $ Depreciación sistema de catalogación imágenes digitales 30.000 $ Costes de vuelo añadidos (menor cobertura) 50.000 $ TOTAL 216.000 $ Total por imagen 4 $ Total por superficie equivalente al fotograma 11 $ Costes medios considerando costes actuales en Europa y USA Valores tomados de Leberl y Gruber (2005)


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Coste asociado al procesamiento fotogramétrico de imágenes (Cámara Película, 20000 imágenes/año) Depreciación anual de 7 restituidores fotogramétricos 70.000 $ Depreciación anual de 6 estacionales digitales 6.000 $ Edición manual (2 horas/imagen) 1.000.000 $ Restitución fotogramétrica (4 horas/imagen) 2.000.000 $ TOTAL 3.076.000 $ Total por imagen 150 $ Costes asociados a la generación de MDE, ortoimágenes y restitución 3D Valores tomados de Leberl y Gruber (2005)


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Coste asociado al procesamiento fotogramétrico de imágenes (Cámara Digital, 60000 imágenes/año, equivalentes a 20000 fotogramas/año) Depreciación de 6 estaciones de trabajo básicas 6.000 $ Edición manual (1 hora/imagen) 500.000 $ Depreciación para 13 estaciones de trabajo 6.000 $ Restitución 3D (2 horas/imagen) 1.000.000 $ TOTAL 1.512.000 $ Total por imagen 75 $ Costes asociados a la generación de MDE, ortoimágenes y restitución 3D Valores tomados de Leberl y Gruber (2005)


Documents

Plan de Comunicación Universidad de Jaén - ujaen.escoello.ujaen.es/Asignaturas/fotodigital/descargas/FD...Elementos básicos de diseño (OEEPE, 1994) • gran ángulo de campo y