Fotogrametría

La fotogrametría es la ciencia y la tecnología de obtener información confiable sobre los objetos físicos y el medio ambiente a través del proceso de registrar, medir e interpretar imágenes fotográficas y patrones de imágenes radiantes electromagnéticas y otros fenómenos. ^[1]

Fotografía aérea de baja altitud para uso en fotogrametría. Ubicación: Three Arch Bay, Laguna Beach, CA.

El término fotogrametría fue acuñado por el arquitecto prusiano Albrecht Meydenbauer, ^[2] que apareció en su artículo de 1867 "Die Photometrographie". ^[3]

Existen muchas variantes de fotogrametría. Un ejemplo es la extracción de medidas tridimensionales a partir de datos bidimensionales (es decir, imágenes); por ejemplo, la distancia entre dos puntos que se encuentran en un plano paralelo al plano de la imagen fotográfica se puede determinar midiendo su distancia en la imagen, si se conoce la escala de la imagen. Otro es la extracción de valores y rangos de color precisos que representan cantidades tales como albedo , reflexión especular , metalicidad u oclusión ambiental de fotografías de materiales con el propósito de realizar una representación basada en la física .

La fotogrametría de corto alcance se refiere a la recopilación de fotografías desde una distancia menor que la fotogrametría aérea (u orbital) tradicional. El análisis fotogramétrico puede aplicarse a una fotografía, o puede utilizar fotografías de alta velocidad y sensores remotos para detectar, medir y registrar campos de movimiento complejos en 2D y 3D mediante la introducción de mediciones y análisis de imágenes en modelos computacionales en un intento de estimar sucesivamente, con mayor precisión , los movimientos relativos reales en 3D.

Desde sus inicios con los estereoplotters utilizados para trazar curvas de nivel en mapas topográficos , ahora tiene una amplia gama de usos como sonar , radar y lidar .

Métodos

Un modelo de datos de fotogrametría ^[4]

La fotogrametría utiliza métodos de muchas disciplinas, incluida la óptica y la geometría proyectiva . La captura de imágenes digitales y el procesamiento fotogramétrico incluye varias etapas bien definidas, que permiten la generación de modelos digitales 2D o 3D del objeto como producto final. ^[5] El modelo de datos de la derecha muestra qué tipo de información puede entrar y salir de los métodos fotogramétricos.

Las coordenadas 3D definen las ubicaciones de los puntos del objeto en el espacio 3D . Las coordenadas de la imagen definen las ubicaciones de las imágenes de los puntos del objeto en la película o en un dispositivo de imágenes electrónico. La orientación exterior ^[6] de una cámara define su ubicación en el espacio y su dirección de visión. La orientación interior define los parámetros geométricos del proceso de formación de imágenes. Esta es principalmente la distancia focal de la lente, pero también puede incluir la descripción de las distorsiones de la lente. Otras observaciones adicionales juegan un papel importante: con las barras de escala , básicamente una distancia conocida de dos puntos en el espacio, o puntos fijos conocidos , se crea la conexión con las unidades de medición básicas.

Cada una de las cuatro variables principales puede ser una entrada o una salida de un método fotogramétrico.

Los algoritmos de fotogrametría normalmente intentan minimizar la suma de los cuadrados de los errores sobre las coordenadas y los desplazamientos relativos de los puntos de referencia. Esta minimización se conoce como ajuste de paquete y, a menudo, se realiza mediante el algoritmo de Levenberg-Marquardt .

Estereofotogrametría

Un caso especial, llamado estereofotogrametría , involucra la estimación de las coordenadas tridimensionales de puntos en un objeto empleando medidas hechas en dos o más imágenes fotográficas tomadas desde diferentes posiciones (ver estereoscopía ). Los puntos comunes se identifican en cada imagen. Se puede construir una línea de visión (o rayo) desde la ubicación de la cámara hasta el punto del objeto. Es la intersección de estos rayos ( triangulación ) lo que determina la ubicación tridimensional del punto. Algoritmos más sofisticados pueden explotar otra información sobre la escena que se conoce a priori , por ejemplo , simetrías , permitiendo en algunos casos reconstrucciones de coordenadas 3D desde una sola posición de cámara. La estereofotogrametría está surgiendo como una técnica de medición robusta sin contacto para determinar las características dinámicas y las formas modales de estructuras giratorias y no giratorias ^[7]^[8] . ^[9]^[10]

Integración

Los datos fotogramétricos se pueden complementar con datos de rango de otras técnicas. La fotogrametría es más precisa en la dirección xey, mientras que los datos de rango son generalmente más precisos en la dirección z ^{[ cita requerida ]} . Estos datos de rango pueden ser suministrados por técnicas como LiDAR , escáneres láser (usando tiempo de vuelo, triangulación o interferometría), digitalizadores de luz blanca y cualquier otra técnica que escanee un área y devuelva coordenadas x, y, z para múltiples puntos discretos (comúnmente llamadas " nubes de puntos "). Las fotos pueden definir claramente los bordes de los edificios cuando la huella de la nube de puntos no puede. Es beneficioso incorporar las ventajas de ambos sistemas e integrarlos para crear un mejor producto.

Se puede crear una visualización 3D georreferenciando las fotos aéreas ^[11]^[12] y los datos LiDAR en el mismo marco de referencia, ortorrectificando las fotos aéreas y luego colocando las imágenes ortorrectificadas en la parte superior de la cuadrícula LiDAR. También es posible crear modelos de terreno digitales y, por lo tanto, visualizaciones en 3D utilizando pares (o múltiplos) de fotografías aéreas o de satélite (por ejemplo , imágenes de satélite SPOT ). A continuación, se utilizan técnicas como la coincidencia estéreo adaptativa de mínimos cuadrados para producir una matriz densa de correspondencias que se transforman a través de un modelo de cámara para producir una matriz densa de datos x, y, z que se pueden utilizar para producir modelos digitales de terreno y productos de ortoimagen . Los sistemas que utilizan estas técnicas, por ejemplo, el sistema ITG, se desarrollaron en las décadas de 1980 y 1990, pero desde entonces han sido suplantados por LiDAR y enfoques basados en radar, aunque estas técnicas pueden seguir siendo útiles para derivar modelos de elevación a partir de fotografías aéreas o imágenes de satélite antiguas.