Pontificia universidad javeriana facultad de ingenieria carrera de ingenieria de sistemas



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II – MARCO TEÓRICO

  1. Marco Contextual


En la presente sección se muestran algunos trabajos relacionados con la generación de Modelos de Elevación Digital, así como aplicaciones realizadas a partir del uso de Vehículos no Tripulados UAV en busca de nuevo conocimiento haciendo uso de esta tecnología.
    1. Trabajo de Investigación 1

En el año 2006, el Laboratorio de Observación de la Tierra e Informática perteneciente a la Universidad de Norfolk USA realizo un estudio concerniente al mapeo de superficies en alta resolución, en busca de que el trabajo desarrollado se pueda utilizar en el mapeo de desastres naturales evaluando los parámetros exactos de calibración de las cámaras para la obtención de ortoimágenes con alta precisión.

Los parámetros que se tuvieron en cuenta para la calibración de las cámaras incorporadas en los UAVs fueron los siguientes:


  • Parámetros interiores de la cámara basados en los puntos de fuga de la geometría.

  • Calibración inicial en la alineación de pares estéreos de Marcos de Video.

  • Parámetros exteriores que se involucran en la generación de Marcos de Video. (Wu, Zhou, & Li, 2006)

En conclusión, de acuerdo a los parámetros de orientación escogidos para cada fotograma son determinantes para la calibración de los sistemas de video y fotografía del UAV, en busca de la obtención de una precisión mayor en los mosaicos orto rectificados, insumos importantes para los Sistemas de Información Geográficos.




1.2 Trabajo de Investigación 2

En el año 2013, el departamento de geo información de la Universidad Tecnológica de Malasia, publico el artículo “Digital Aerial Imagery of Unmanned Aerial Vehicle for Various Applications”, donde expone el uso y las aplicaciones de las imágenes aéreas digitales obtenidas por fotogrametría aérea.


La obtención de imágenes aéreas se puede realizar por medio del uso de cámaras digitales abordo de aeronaves ligeras, comúnmente estas imágenes son utilizadas para la producción de mapas topográficos y temáticos. Actualmente, existen dos alternativas para la obtención de imágenes digitales aéreas (DAI), la primera es utilizando Vehículos Aéreos no Tripulados (UAVs) que tienen adjuntas pequeñas cámaras digitales y la segunda alternativa como se mencionó anteriormente el uso de aeronaves ligeras.(Rathore, 2006)
El uso de sistemas UAV se ha propagado en diferentes aplicaciones tales como creación de mapas, aplicaciones industriales, sistemas de información geográficos (SIG) entre otros. Las imágenes obtenidas por los vuelos de UAV se utilizaron para producir Modelos de Elevación Digital (DEM) y OrtoFotos, con resultados excelentes y de alta precisión.
En los últimos años, el uso de UAV ha recibido un creciente interés como uno de los métodos más fiables para estudios de pendientes. En consecuencia, se han obtenido grandes avances en la modelación 3D de diferentes ambientes, los UAV han hecho posible el uso eficiente de las imágenes digitales aéreas para su visualización en 3D. El uso de estos sistemas ha permitido la obtención de modelos de elevación digital en corto tiempo con el uso de procedimientos adecuados.(Rathore, 2006)

Como conclusión, el estudio demostró que los sistemas de UAV son capaces de la adquisición de DAI con éxito y el producto puede ser producido con precisión dentro de poco tiempo. La metodología que se escogió en este estudio es útil y práctica para el mapeo de superficies de gran escala de área pequeña, teniendo en cuenta las variables como el presupuesto es limitado, además se puede emplear para diversas aplicaciones.



1.3 Trabajo de Investigación 3

En el año 2012, Indian Society of Remote Sensing público su artículo de investigación donde se aborda la estimación del ASTER Global DEM en terrenos con inclinación, donde se da un análisis completo de su rendimiento en estas condiciones topográficas.


Se define un modelo de elevación digital (DEM) como fuente inmensa de datos tridimensionales que revelan las características topográficas de cualquier región. El rendimiento de un DEM puede ser descrita por la precisión y la conformidad morfológica. Ambos dependen de la calidad del conjunto de datos, la técnica de producción utilizada y la rugosidad del terreno. El DEM mundial de ASTER (espacial avanzado de emisiones y reflexión radiométrica) fue lanzado a la utilización pública de forma gratuita en Junio de 2009. Abarca prácticamente el planeta, una de las ventajas más especiales es la fácil disponibilidad ASTER DEM Global (GDEM) es uno de los modelos del cual se obtienen más datos topográficos globales populares y considerables para aplicaciones científicas. Desde este punto de vista, el rendimiento de ASTER GDEM tiene que ser estimada para diferentes tipos de topografías. (Sefercik, 2012)
Utilizando datos de imágenes estéreo-ópticos espaciales, los DEM se pueden generar con un procesamiento más fácil en comparación con las etapas de procesamiento de interferometría de radar de apertura sintética tecnología (SAR), pero todavía hay algunos problemas. Los principales problemas son las condiciones meteorológicas y de luz. La imagen óptica depende directamente de las condiciones climáticas como la fotogrametría aérea. Las imágenes no deben contener las nubes (al menos el 80%) y, además, la elevación del sol durante la exposición deberían ser suficientes. (Sefercik, 2012)

En conclusión, las ventajas y desventajas del modelo de elevación digital ASTER se pudieron demostrar en el estudio realizado y posterior análisis de las condiciones que afecta la correcta precisión y exactitud del modelo. En dicho análisis se demostró que existe mayor exactitud en zonas donde la topografía del terreno no tiene mayores inclinaciones o cambios abruptos de la topografía del terreno.


  1. Marco Conceptual


En esta sección se abordaran los siguientes conceptos como UAV, captura de imágenes aéreas, fotogrametría, estructuras de datos, captura de datos y generación de modelos de elevación digital. Los conceptos de captura de imágenes y posterior procesamiento para la obtención de nubes de puntos son base para comprender la generación de superficies tridimensionales en búsqueda fundamental de la obtención del objetivo general del trabajo de grado.

2.1 Fotogrametría


La fotogrametría puede definirse como el arte, ciencia y tecnología cuyo fin es el de obtener información cuantitativa fiable relativa a objetos físicos y su entorno, mediante procesos de registro, medida e interpretación de imágenes fotográficas. (Lehmann, 1975)

La fotogrametría es la ciencia de la obtención de información fiable sobre las propiedades de las superficies y objetos sin contacto físico con los objetos, y de medir e interpretar esta información.[TSc05]


El nombre de "fotogrametría" se deriva de las tres palabras griego Phos o Phot que significa luz, gramma que significa carta o algo elaborado, y metrein, sustantivo de la medida. [TSc05]
En primer lugar, la fotogrametría se considera un cuadro negro. La entrada se caracteriza por la obtención de información fiable a través de procesos o de patrones de grabación de energía radiante electromagnética, predominantemente en forma de imágenes fotográficas. La salida, por otro lado, comprende productos fotogramétricos generados dentro de la caja negra, la Ilustración 2 representa la fotogrametría con un enfoque hacia los sistemas. Generalmente la entrada denominada adquisición de datos implica procedimientos e instrumentos fotogramétricos, en consecuencia, se obtienen salidas que son productos fotogramétricos. [TSc05]


Ilustración 2- Fotogrametría retratado como enfoque de sistemas
        1. 2.1.1 Adquisición de Datos


La adquisición de datos en la fotogrametría se ocupa de la obtención de información fiable sobre las propiedades de las superficies y objetos. Esto se logra sin contacto físico con los objetos, que es, en esencia, la diferencia más obvia de la topografía. La información recibida de forma remota se puede agrupar en cuatro categorías. [TSc05]

Información Geométrica implica la posición espacial y la forma de los objetos. Es la más importante fuente de información en la fotogrametría. [TSc05]

Información Física se refiere a propiedades de la radiación electromagnética, por ejemplo, radiación energética, longitud de onda y la polarización. [TSc05]

Información Semántica se relaciona con el significado de una imagen. Por lo general, se obtiene la interpretación de los datos grabados. [TSc05]

Información Temporal está relacionado con el cambio de un objeto en el tiempo, generalmente se obtiene comparando varias imágenes que fueron grabadas en diferentes momentos. [TSc05]

La Ilustración 3 presenta los objetos de percepción remota pueden ir desde planetas a porciones de la superficie de la tierra, a piezas industriales, edificios históricos o de los cuerpos humanos. El nombre genérico para los dispositivos de adquisición de datos es sensor, que consta de una óptica y sistema detector. El sensor está montado en una plataforma. Los sensores más típicos son cámaras donde el material fotográfico sirve como detectores. [TSc05]





Ilustración 3- Diferentes áreas de especialización de la fotogrametría, sus objetos y el sensor utilizado [TSc05]
        1. 2.1.2 Productos Fotogramétricos


Los productos fotogramétricos se dividen en tres categorías: productos fotográficos, resultados computacionales, y mapas. [TSc05]
          1. 2.1.2.1 Productos fotográficos

Los productos fotográficos son derivados de fotografías individuales o compuestos de fotografías superpuestas. Durante el tiempo de exposición, se forma una imagen latente que se desarrolla a un negativo. Al mismo tiempo diapositivas y copias en papel se producen. Las ampliaciones pueden ser muy útiles para el diseño o planificación de los estudios preliminares. Una mejor aproximación a un mapa son rectificaciones. Una rectificación del plano implica simplemente la inflexión y la inclinación del dispositivo de modo que será paralelo al suelo. Si el terreno tiene un relieve, entonces la fotografía rectificada todavía tiene errores. Sólo una fotografía diferencialmente rectificada, mejor conocida como ortofotos, es geométricamente idéntica con un mapa. [TSc05]

Los compuestos se utilizan con frecuencia como una primera base para los estudios de planificación general. Fotomosaicos son los más conocidos, pero compuestos con ortofotos, también se son llamados ortofotomapas, sobre todo ahora con la posibilidad de generarlas con los métodos de la fotogrametría digital. [TSc05]


          1. 2.1.2.2 Resultados Computacional

La triangulación aérea es una aplicación muy exitosa de la fotogrametría. Ofrece posiciones de puntos en 3-D, medidos en fotografías, en un control de tierra del sistema de coordenadas. [TSc05]

Perfiles y secciones transversales son productos típicos de diseños de carreteras, donde se calculan las cantidades de movimiento de tierras. Cálculos del inventario de pilas de carbón o depósitos minerales son otros ejemplos que pueden requerir perfil y datos de corte transversal. La forma más popular para representar partes de la superficie de la tierra es el DEM (Digital Elevation Model). Aquí, las elevaciones se miden en puntos de la rejilla regularmente espaciados. [TSc05]


          1. 2.1.2.3 Mapas

Los mapas son el producto más destacado de la fotogrametría. Se producen en varias escalas y grados de precisión. Mapas planimétricos contienen sólo la posición horizontal de las características del terreno mientras que los mapas topográficos incluyen datos de altura, por lo general en forma de curvas de nivel y cotas. Los mapas temáticos destacan una característica particular, por ejemplo, la red de transporte. [TSc05]
        1. 2.1.3 Procedimientos fotogramétricos e Instrumentos


En nuestro intento de obtener una comprensión general de la fotogrametría, adoptamos un enfoque de sistemas. Hasta ahora nos hemos ocupado de la entrada y la salida. Obviamente, la tarea de los procedimientos fotogramétricos es convertir la entrada a la salida deseada. Tomemos una fotografía aérea como una entrada típica y un mapa como una salida típica. Ahora, ¿cuáles son las principales diferencias entre los dos? En primer lugar, el sistema de proyección es diferente y una de las principales tareas en la fotogrametría es establecer las correspondientes transformaciones. Esto se logra por medios ópticos / mecánicos en fotogrametría analógica, o por programas de ordenador en la fotogrametría analítica. [TSc05]

Otra diferencia es la cantidad de datos. Para apreciar este comentario, y hacer una digresión por un momento y comprobar la cantidad de datos que contiene una fotografía aérea. Podemos acercarnos a este problema dividiendo continuamente la fotografía en cuatro partes. Después de un tiempo, los cuadrantes cada vez más pequeños alcanzan un tamaño que la información que contienen no es diferente. Un área tan pequeña se llama un pixel cuando la imagen se almacena en una computadora. Un píxel es, entonces, la unidad más pequeña de una imagen y su valor es la sombra gris de esa ubicación de la imagen en particular. Por lo general, el rango continuo de valores de gris se divide en 256 valores discretos, porque 1 byte es suficiente para almacenar un píxel. La experiencia nos dice que el tamaño de píxel más pequeño es de aproximadamente 5 micras. Considerando el tamaño de una fotografía (9 pulgadas o 22,8 cm) que tienen aproximadamente la mitad de un gigabyte (0.5 GB) de datos para una fotografía. Un mapa que representa la misma escena sólo tendrá unos pocos miles de bytes de datos. [TSc05]

En consecuencia, otra tarea importante es la reducción información. Los datos queremos representarlos en un mapa es explícito. Con esto queremos decir que todos los datos se etiquetan. Un punto o una línea tienen un atributo asociado que dice algo acerca del tipo y significado del punto o línea. Este no es el caso de una imagen; un píxel no tiene atributo asociado con él que nos diga que característica posee. Por lo tanto, la información relevante está disponible sólo implícitamente. Cantidades de información explícita para identificar y extraer las características que deben estar representados en el mapa. [TSc05]

Un rectificador es una especie de máquina de copia para hacer rectificaciones de avión. Con el fin de generar ortofotos, un proyector ortofotos se requiere. Un comparador es un instrumento de medición precisa, que le permite medir puntos en una diapositiva (foto coordenadas). Se utiliza principalmente en triangulación aérea. [TSc05]

Para medir las posiciones 3-D de puntos en un modelo estéreo. Se realiza la proyección central transformación a la proyección ortogonal de una manera analógica. Un plotter analítico establece la transformación computacionalmente. Ambos tipos de trazadores se utilizan principalmente para producir mapas, DEM y perfiles. [TSc05]

Una reciente adición a los instrumentos fotogramétricos es la estación de trabajo de copia software. Es el primer producto tangible de la fotogrametría digital. En consecuencia, se trata de imágenes digitales en lugar de fotografías. [TSc05]


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