10 conceptos básicos que debe conocer para la fotogrametría
La fotogrametría es el proceso de medición con imágenes. Pueden ser imágenes capturadas con una amplia gama de dispositivos, como drones, aviones y cámaras de mano, por nombrar algunos. Estas imágenes se utilizan para generar modelos 2D y 3D precisos y exactos. Numerosas industrias pueden aprovechar estas reconstrucciones, desde la seguridad pública hasta las inspecciones industriales o la agricultura.
Las teorías y los conceptos que hay detrás de la fotogrametría pueden parecer complejos al principio, por lo que hemos creado una lista con las 10 cosas más importantes que creemos que debe saber para utilizar la fotogrametría. Son:
- Geometría
- Radiometría
- Triangulación
- Parámetros internos y externos
- Parámetros iniciales y calculados
- RTK Y PPK
- Sistema de coordenadas
- Puntos de enlace
- Distancia de muestreo del terreno
- Medición de volumen
Con esta lista, podrá comprender las ideas básicas de la fotogrametría, entender cómo funciona la tecnología y estar preparado para aplicarla en su propio campo.
Geometría
La geometría es un conjunto de características que utilizamos para definir el tamaño, la forma, la orientación y la posición de algo. Esta información puede reconstruirse y analizarse con un software de fotogrametría. ¿Y cómo funciona? Una fotografía capta la "colinealidad". La colinealidad, a nivel básico, significa que al menos tres puntos aparecen en la misma línea. Con la fotogrametría, consideramos que esa línea es un rayo de luz. Por tanto, en ese rayo de luz, o línea, habrá tres puntos fundamentales: un objeto, el punto que enfoca la cámara y la imagen de ese objeto en el sensor de la cámara.
Ahora, con el software adecuado, puedes interpretar cómo los puntos que se cruzan con un rayo de luz forman parte de una escena mayor que fue captada por la cámara. La longitud y el ángulo de la "línea" se ven afectados por la ubicación exacta de la cámara cuando se tomaron las fotos. El software de fotogrametría analiza el comportamiento de la luz y los elementos colineales para recrear la geometría de la escena. Para simplificar: nuestro software de fotogrametría (PIX4Dmapper, PIX4Dfields, PIX4Dmatic, PIX4Dcloud, PIX4Dinspect) utilizará los datos de la cámara y las propias fotos para generar una reconstrucción geométricamente precisa de un área de proyecto.
Radiometría
La radiometría es un método para analizar la radiación electromagnética. Es una forma de medir cómo la luz interactúa con diferentes objetos, incluyendo las longitudes de onda de energía que no son visibles para el ojo humano. ¿Y qué tiene que ver esto con la fotogrametría?
Cada vez que se mira un objeto, se ve la luz de determinados colores reflejada. Hay más colores de los que se pueden ver: sólo percibimos lo que nuestros ojos pueden detectar. Por ejemplo, cuando miras a las plantas, normalmente vas a ver un predominio del verde. La luz verde es reflejada por las plantas porque no la utilizan cuando absorben la energía del sol. Con la radiometría se puede medir cómo las plantas reflejan esa luz, así como las cantidades y variaciones de luz que no podemos ver a simple vista.
Para utilizar la radiometría en fotogrametría, se pueden emplear sensores y cámaras específicos que captan la luz del infrarrojo cercano, también conocidos como sensores multiespectrales. Estas cámaras analizan la luz de forma diferente a una cámara RGB (rojo-verde-azul) estándar. Los datos de estas cámaras especializadas pueden utilizarse para la fotogrametría agrícola. Si se pasan esos datos por fórmulas especializadas, se puede crear un índice de vegetación. Se trata de un mapa 2D de un cultivo o campo que analiza cómo las plantas reflejan la luz. La forma en que una planta refleja la luz le indicará su salud, su estado de crecimiento y si está bajo estrés antes de que pueda verlo con sus propios ojos. Gracias a este método de uso de drones y teledetección, los cultivadores pueden utilizar la fotogrametría para saber más sobre su cultivo de lo que puede ver el ojo humano.
Triangulación
Las fotos recogidas para la fotogrametría son 2D, y para muchos resultados -como los modelos digitales de superficie o las nubes de puntos- tenemos que convertir esos datos para que sean utilizables en 3D. La triangulación es la técnica para crear mediciones de puntos en 3D.
La triangulación también es utilizada por nuestros ojos. La idea es que las imágenes tomadas desde diferentes lugares pueden utilizarse para crear un modelo 3D comparando las diferencias entre ellas. Cada foto representa una línea de visión diferente, y éstas pueden corroborarse con otras fotos para encontrar intersecciones entre puntos. Como vimos con la colinealidad y la Geometría, se pueden utilizar estos datos para medir distancias, y añadiendo la superposición entre varias fotos, se puede utilizar la triangulación para crear un modelo 3D. Como resultado, el equipo de soporte de Pix4D recomienda que reúna fotos con la cantidad adecuada de solapamiento para asegurarse de que tiene suficientes datos para crear un modelo 3D que sea preciso y no tenga huecos.
Parámetros internos y externos
Ya hemos cubierto la ciencia básica detrás de cómo podemos convertir fotos en modelos 2D y 3D. Para aprovechar esta tecnología, es necesario contar con una herramienta de recogida de datos de fotogrametría adecuada, como un dron o una cámara.
Cada cámara tiene ciertas capacidades dentro de su diseño. Estas especificaciones afectan al funcionamiento de la cámara; por ejemplo, si tiene o no obturador. Los parámetros incluyen_
- Lente interna de la cámara
- Posición del centro de proyección de la cámara
- La matriz de rotación que define la orientación de la cámara
Algunos de estos parámetros son internos a la cámara (por ejemplo, el objetivo de la cámara) mientras que otros son externos, como la posición de la cámara cuando se toman las fotos. Al procesar las fotos con el software de fotogrametría, es necesario definir estos parámetros para asegurarse de que se tienen en cuenta durante el procesamiento. Esto garantiza la precisión de los resultados, ya que el software adaptará sus ajustes de procesamiento a la cámara utilizada.
Parámetros iniciales y calculados
Para asegurarnos de que podemos generar reconstrucciones precisas, necesitamos cierta información básica sobre el equipo utilizado para reconstruir la escena: la cámara (y, si procede, el dron). La cámara puede definirse mediante dos conjuntos de parámetros. En primer lugar, los parámetros internos, que tienen que ver con la geometría de la propia cámara. La forma en que la cámara interpreta la luz es específica de la cámara y afecta al procesamiento de las imágenes para una reconstrucción 3D. Por otro lado, los parámetros externos definen la posición y la orientación de la cámara en el momento de capturar las fotos.
En un mundo ideal, esa información estaría disponible desde el momento en que se captura una imagen a través de los metadatos, pero no siempre es precisa. Por ello, un software especializado en fotogrametría recopila todos los parámetros iniciales de un proyecto antes de procesarlo.
A continuación, el software optimizará esos parámetros o calculará un conjunto de parámetros que representen con mayor precisión la geometría, la posición y la orientación de la cámara. Se cambian los parámetros iniciales por los calculados. Estos cambios garantizarán la precisión de un proyecto. Cuanto más preciso sea un proyecto, más aplicaciones podrá utilizar. Si un modelo 3D tiene una precisión de unos pocos centímetros, puede alcanzar los estándares de la industria definidos por organismos de certificación, como Bureau Veritas, y utilizarse para grandes proyectos de construcción o topografía, o incluso en investigaciones legales de accidentes y reconstrucción de escenas de crímenes.
RTK Y PPK
Ya hemos mencionado la "precisión" unas cuantas veces. La precisión es una de las principales preocupaciones de la fotogrametría: ¿cómo asegurarse de que el modelo 3D creado es fiel a la realidad? Hay varios métodos para ello, y se basan en una geolocalización precisa, es decir, en la capacidad de determinar exactamente dónde se encuentra uno en la tierra.
El RTK (cinemática en tiempo real) y el PPK (cinemática post-procesamiento) son métodos para medir y registrar datos de geolocalización. Ambas son tecnologías de corrección GPS que recogen datos de localización, identifican errores y realizan correcciones durante o después del levantamiento.
El RTK tiene lugar durante una encuesta o un vuelo de dron. Un dron o una herramienta de recogida de datos, como el viDoc RTK Rover, tendrá un receptor GNSS RTK que recoge datos de los satélites y se conecta a una estación base local o a una red para recoger información geolocalizada durante la captura de imágenes. Estos datos se etiquetan en las fotos. Las posiciones de la cámara se calculan en tiempo real con referencia a una estación base local. Los cálculos se utilizan para corregir la posición de la cámara si no está registrada con precisión, lo que ayuda a que la precisión sea de dos o tres centímetros en horizontal y vertical.
El PPK funciona al completarse después de la recogida de datos y puede utilizarse en ausencia de hardware con capacidades RTK. El dron escribe las geocoordenadas en cada imagen basándose en el receptor GNSS de a bordo del dron. Al mismo tiempo, una unidad base (como una red CORS o una estación base GNSS) también registrará la información posicional. Estos datos se utilizan para determinar puntos y referencias de geolocalización. La PPK puede utilizarse si la RTK no es una opción o no hay puntos de enlace disponibles, como en las misiones de mapeo rápido o en las misiones de recuperación de desastres con drones.
Ambas técnicas tienen el propósito común de garantizar la exactitud de un proyecto manteniéndolo con una precisión de centímetros (si se hace correctamente). Existe un debate sobre si es mejor la PPK o la RTK, y suele depender del proyecto. Sea cual sea el que utilice, le ayudará a crear resultados profesionales que pueden utilizarse para aplicaciones del mundo real, como la topografía o la vigilancia del terreno.
Sistemas de coordenadas
Un sistema de coordenadas es una forma de organizar las líneas o curvas de referencia para definir ubicaciones en el espacio. Existen diferentes sistemas de coordenadas que se utilizan en todo el mundo, ya que algunos países tienen el suyo propio.
Una persona que utilice un software de procesamiento de fotogrametría necesita definir qué sistema de coordenadas está utilizando antes de procesar sus datos. De lo contrario, el software podría interpretar los datos de geolocalización de forma incorrecta y ofrecer mediciones inexactas o incluso distorsionar los resultados finales.
Los diferentes sistemas de coordenadas darán resultados ligeramente diferentes después del procesamiento debido a las variaciones entre los sistemas. Por ello, es importante saber qué sistema de coordenadas se utiliza al recopilar los datos, para poder definirlo en el software durante el procesamiento y obtener resultados que muestren correctamente dónde se encuentra, en lugar de confundir el lugar del proyecto con otro completamente distinto.
Puntos de unión
Un punto de enlace es un punto común a varias imágenes que puede utilizarse para conectarlas. Se trata de puntos de anclaje, una ubicación en la que la posición geográfica es absoluta. Hay varios nombres para los puntos de enlace (por ejemplo, puntos de control del terreno o puntos de control).
Los puntos de control del terreno, o GCP, son puntos con coordenadas conocidas. Se miden con precisión con un receptor GNSS RTK o PPK, o un equipo similar conocido como estación total. Los GCP se utilizan para localizar con precisión un proyecto y ofrecer una reconstrucción fiel a la realidad.
Los puntos de control son como los GCP, pero no georreferencian un proyecto. En cambio, se utilizan para evaluar la precisión geométrica del proyecto.
Con los GCP y los puntos de control, un topógrafo puede estar seguro de que sus resultados de fotogrametría están correctamente geolocalizados y de que las mediciones realizadas a partir del modelo 2D o 3D serán precisas.
Distancia de muestreo del terreno
En el tema de la exactitud está la distancia de muestreo del terreno, o GSD. La GSD es la distancia entre dos centros de píxeles adyacentes medida sobre el terreno. Es la forma de relacionar las distancias en la pantalla con las distancias en la realidad.
Cuanto mayor sea el valor de la GSD, menor será la resolución espacial de la imagen. Esto significa que tiene menos detalles.
Esto está muy bien si estás inspeccionando un paisaje enorme y quieres obtener una visión general de una zona. Sin embargo, si está buscando elementos más finos para una investigación de un accidente o una topografía detallada, es posible que desee una GSD más pequeña para poder buscar en el modelo de forma más exhaustiva.
La GSD viene determinada por la altura de vuelo y las especificaciones de la cámara, incluyendo la anchura de la imagen, la anchura del sensor y la distancia focal. Una GSD de 5 cm significa que un píxel de la imagen representa 5 cm en el suelo de forma lineal (lo que significa que muestra 25 centímetros cuadrados). Una GSD de 30 cm significa que un píxel equivale a 900 centímetros cuadrados (o 30 x 30 cm). La diferencia es enorme. Se puede conseguir una GSD más pequeña volando más cerca del suelo, pero el resultado será un conjunto de datos más grande y un mayor tiempo de procesamiento. Los fotogrametristas profesionales adaptarán su recogida de datos en función de la GSD que deseen.
Mediciones de volumen
Este puede ser un concepto familiar, a diferencia de otros que hemos enumerado. También puede ser uno de los más sencillos. Los volúmenes pueden medirse en función de la base de un objeto en comparación con su altura o profundidad. Pueden ser medidos con PIX4Dsurvey, PIX4Dcloud, y PIX4Dmapper. Se pueden recoger datos para medir volúmenes con el rover viDoc RTK o con un dron.
La medición de volúmenes con fotogrametría es utilizada por profesionales de la construcción que trabajan en proyectos de gestión de acopios, así como por topógrafos u operadores de seguridad pública que necesitan analizar el terreno. El uso de la fotogrametría para medir los acopios o los volúmenes ahorra tiempo y mejora la seguridad, ya que evita que el topógrafo tenga que caminar sobre un montón para medir el perfil del material. Se elimina la necesidad de utilizar equipos manuales y engorrosos, e incluso puede completarse con vuelos automatizados de drones y cargas automáticas de datos a PIX4Dcloud. Todo el proceso supone un ahorro de tiempo y dinero, con lo que el uso de la fotogrametría supone un retorno directo de la inversión.
Aprender más sobre la ciencia detrás de la fotogrametría
¡Enhorabuena por haber llegado hasta aquí! Algunos de los temas tratados en este blog son muy técnicos y pueden resultarle desconocidos si es nuevo en el sector. La fotogrametría es uno de los métodos más apasionantes de medición y análisis de datos. La buena noticia es que hay ayuda si la necesita - nuestra base de conocimientos de Pix4D en nuestro sitio de soporte está llena de información que informó este artículo, y nuestros expertos formadores también pueden proporcionar lecciones para las personas nuevas en la fotogrametría y el trabajo con Pix4D.
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