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Curso 02430Técnico en fotogrametría para un SIG

catastral

Fotogrametría DigitalFrancisco García Cepeda

Enero 2011

francisco.gcepeda@upm.es

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� Técnica mediante la cual se obtiene información fiable de los objetos y su

entorno mediante el registro, medida e interpretación de imágenes

fotográficas u otros datos obtenidos a partir de técnicas basadas en

radiaciones electromagnéticas.

� Mediante el método general de la Fotogrametría se logra la transformación

de los objetos de la fotografía desde la proyección cónica a la ortogonal.

� RESTITUCIÓN. Última fase del método general de la FOTOGRAMETRÍA

que permite determinar la forma, dimensiones y posición en el espacio de

los objetos obteniendo las coordenadas 3D de los mismos.

� Puntos de apoyo. Orientación de los pares mediante al menos cuatro puntos

por par.

�Conceptos iniciales

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Fotografía

◊ Niepce (1765-1833)� Primer fotógrafo� Proceso “heliográfico”

◊ Daguerre (1787-1851)� Primer fotógrafo práctico� Daguerrotipo

◊ Dominique François Jean Arago (1786-1853)� Físico francés presentó la solución de Niepce y Daguerre a la Academia

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1825 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000

Fotogrametría Plana Fotogrametría Analógica Fotogrametría Digital

Implementación

DesarrolloFotogramétrico

DesarrolloTecnológico

Fotografía1839Niepce&Daguerre

Lausssedat 1851Fotos desde globo

Meydenbauer1858Fotos Arquitectura

Montgolfier 1783Globos

FotogrametríaTerrestre 1870

AeroplanoWhitehead 1901Hnos. Wright 1903

OrdenadorZuse 1941Aitken 1943

Sputnik 1958

Landsat 1972

Satélites de Alta ResoluciónFotogrametríaAnalítica 1899S. Finsterwalder

EstereocomparadorPulfrich 1901

EstereoautógrafoVon Orel 1908

Proyector de Gasser 1916

FotogrametríaAnalógica Terrestre

FotogrametríaAérea 1920+ Ortofotos 1954

OR-1-1976

Ortofotos digitales

Ortofotografías Lacmann 1930Ferber 1934

Solución analítica de ColinealidadSchmid 1953

Restituidor analítico Helava 1957

Correlador imágenesHobrough 1958

Ajuste por ModelosAckerman 1968

Ajuste por hacesD. Brown 1967

Planicomp 1976

Estaciones Fotogramétricas Digitales

Años

Correlación de imágenes

Desarrollos en Fotogrametría

De Gottfried Konecny

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Fotogrametría Plana (Arquitectura)

� Albrecht Meydenbauer (1834-1921)

� Levantamientos fotogramétricos de monumentos arquitectónicos en Alemania

� Se le atribuye la palabra Fotogrametría

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Reinhard Hugershoff (1882-1941)

Inventor del primer restituidor analógico en 1921:

Autocartógrafo

Desarrollo del Aerosimplex:Restituidor por proyección

Desarrollo del Aerocartógrafo

Fototeodolito

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Generaciones en Fotogrametría

2000

1950

1900

1850 Invención de la fotografía

Invención del aeroplano

Invención del ordenador

digital

analítica

analógica

1ªgeneración

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Avances en Imágenes

1. Fotos verticales analógicas desde 1915 (O.Messter)

2. Fotos oblicuas analógicas desde el Trimetrogon

3. Fotos verticales digitales cámaras digitales aéreas

4. Fotos oblicuas digitales Pictometry, Multivision

5. Imágenes satelite alta resolución Ikonos, Quickbird

6. Lidar (Airborne laser scanning)

7. Radar alta resolución Nextmap, Terrasar X

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Progresos en Fotogrametría

Mapas de línea convencionales desde 1926Cartografía CAD desde 1980SIG orientado a cartografía 2.5D desde 1990SIG orientado a cartografía 3D ¿futuro?Ortofoto desde 1955Ortofoto verdadera desde 2000

Imágenes de satélite GIS, Google Earth etc.Uso de imágenes mas que de mapas

Modelos de ciudades en3DVuelos virtualesLeica Virtual Explorer

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� Registro total y objetivo del objeto: En un instante se recoge toda la información

� Documentos de fácil manejo y conservación (más si cabe con la utilización de

imágenes digitales)

� Registro instantáneo (esto implica un rendimiento muy alto, es decir, mucha

información capturada en poco tiempo)

� Posibilidad de registro de objetos en movimiento (ejemplo: Glaciares)

� El punto de vista puede ser móvil (ejemplo: Fotogrametría aérea)

� Posibilidad de registro de objetos inaccesibles

� Es una medida indirecta: No se toca ni se perturba al objeto

•Importancia de la Fotogrametría

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Cámaras Digitales AéreasEl ideal

– Un sensor CCD , approx. 30.0002 pixeles(23 cm2 con 7 mm2 de tamaño de pixel)

De Toth (1999) de Heier (1999) de Fricker (2000)

La Realidad– competición: sensores de marcos sencillo y múltiple, de 3 líneas

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Cámaras digitales• La sustitución de cámaras aéreas de película comenzó en junio de 2000 con el anuncio del sensor linealADS-40 de LH-Systems (ahora Leica Geosystems) y del sensor matricial DMC de Z/I Imaging (Zeiss e Intergraph). En mayo de 2003 se introdujo la cámara (también sensor matricial) UltraCamD de Vexcell (hoy Microsoft Vexcell)

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Cámaras digitales• La metodología para la captura de datos puede ser:

– Sensor lineal:• Desarrollado a partir de los sistemas utilizados en satélites

• La estabilidad de la plataforma es la clave del éxito– Precisión en GPS y en el sistema inercial

– Sensor matricial:• Imitan el funcionamiento de sensores convencionales basados en película. • Menos sensible a las perturbaciones de plataforma

• Ambos sistemas utilizan la tecnología denominada TDI (Demora de Tiempo Integrada) en los CCD para la compensación del movimiento de imagen.

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Imagen

ADS40

sin

corregir

IMU

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Imagen ADS40 con IMU corregido

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Ortofoto Verdadera

Ortofoto Verdadera Ortofoto Rectificada empleando MDT y Modelo Ciudad 3D Rectificada empleando MDT

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Fotogrametría y Ordenadores

Generaciones Hardware Software Disciplinas Fotogramétricas

1era - tubos de vacío - Código máquina fotogrametría analítica- triangulación aérea- correlación- restituidor analítico2ª

- transistores- memoria

magnética

- lenguajes de alto nivel

- (FORTRAN, COBOL)

3ª

- memoria IC- miniordenadores- almacenamiento en

discos magnéticos

- tiempo compartido- sistemas

operativos- memoria virtual

4ª

- Microprocesadores, PC

- VLSI- redes

- lenguajes nuevos- (PASCAL,

MODULA)- IGS, DBMS

- fotogrametría asistidapor ordenador

5ª

- procesamientos paralelos

- arquitectura RISC- VHSIC- Almacenamiento en

discos ópticos

- software basado en conocimiento

- sistemas expertos- procesamiento en

lenguaje natural

fotogrametría digital- fotogrametría en

tiempo real

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S.I.RADIOMÉTRICO

GESTIÓN BBDD

EDICIÓN

ALMACENAMIENTO

REPRESENTACIÓN

ADQUISICIÓN

CONVERSIÓN

PROCESAMIENTO

ESTACIÓN

DIGITAL

Analog. I

Analog. I IAnalit. I

Analiticos I I

Analiticos I I I

Esquema

de

la

Instrumentación

Fotogramétrica

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Esquema del

entorno de la

Fotogrametría

digital

Escáner Cámara digital

Grabadora de película

trazador

monitor

Interfaz deusuario

ordenador discos

fotografía

Imagen digital

ortofoto mapa

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CLASIFICACIÓN Y TAREAS DE LOS PROCESOS FOTOGRAMÉTRICOS

CATEGORÍA PROCESOS, ALGORITMOS

TAREAS

Nivel Básico

Almacenamiento Acceso y presentación de imágenes

Manipulación de las imágenes digitales

Nivel Bajo

Unión de imágenes Extracción características

Orientaciones, Ortos Digitales, MDT,A.T.

Nivel Medio

Agrupación Segmentación imágenes

Reconstrucción de superficies y características

Nivel Alto

Comprensión de imágenes

Reconocimiento e Interpretación de imágenes

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Adquisición se ocupa de los diferentes caminos de obtención de imágenes; por ejemplo, utilizando cámaras digitales ó digitalizando fotografías analógicas. Almacenamiento y compresión tratan de las técnicas adecuadas para almacenar imágenes digitales que requieren grandes volúmenes de almacenamiento. Por ejemplo una fotografía digitalizada a un tamaño de pixel de 15 µm necesita 232 Mb. La compresión, almacenamiento y recuperación de las imágenes es de mucha importancia en un entorno de producción. Mejora y realce son técnicas que se usan para mejorar la apariencia visual de las imágenes ó para recuperar imágenes degradadas. Segmentación se ocupa del particionamiento de las imágenes en regiones ó áreas significativas. Visualización son técnicas que se utilizan para representar las imágenes en una variedad de medios, incluyendo monitores, impresoras y grabadoras de película.

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� Analógica.- Utiliza elementos analógicos: ópticos, mecánicos, para

orientar los pares . Elementos móviles mecánicos movidos por el operador

trasmiten los desplazamientos y generan un dibujo sobre el plano. El haz se

puede generar por proyección óptica o por proyección mecánica.

� Analógica asistida por ordenador- El mismo sistema analógico anterior

pero un sistema informático va recogiendo los movimientos de los ejes

móviles, codificándolos y almacenándolos en forma de coordenadas. El

resultado además del dibujo en el plano es la información digital de los

puntos dibujados.

� Digital.-Las imágenes analógicas (fotografías) son convertidas en

imágenes digitales a las que se aplican algoritmos de correlación

matemática que restablecen a partir de las coordenadas fotográficas las

coordenadas del terreno. Estas coordenadas del terreno se almacenan en

soporte magnético para su tratamiento posterior.

�TIPOS DE RESTITUCIÓN:

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Instrumentación Fotogramétrica

* Instrumentos Analógicos

- Reconstrucción por via óptica y/o mecánica de la geometría del modelo estereoscópico.

* Instrumentos Analíticos

- Miden las coordenadas imagen sobre fotografías usando métodos electro-ópticos ómecánicos y con la ayuda de la visión del operador

- Utilizan modelos matemáticos para calcular coordenadas 3D

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Instrumentación Fotogramétrica* Instrumentos Digitales

- Utilizan imágenes en formato digital- Usan técnicas matemáticas para encontrar puntos homólogos.

· En zonas difíciles la fusión tiene dificultades- La precisión es función de:

· El tamaño del pixel· No ha sobrepasado aún la precisión de los métodos analíticos

- Menor coste debido a la ausencia de elementos electro-mecánicos-ópticos.

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Instrumentación Fotogramétrica

* Digitalización

· Se refiere al proceso de convertir una imagen de tonos continuos de grises, en una representación digital, en la que hay un número discreto de niveles de gris.

· El tamaño del pixel es muy importante en la digitalización.

· Un método es usar un escáner para digitalizar una fotografía aérea.

· En algunos sensores la digitalización está implícita, como en satélites artificiales y cámaras digitales.

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El Muestreo consiste en tomar una serie de valores de la intensidad de la imagen cada cierto intervalo ∆x.Una vez obtenidos los valores se les asigna un valor discreto, normalmente entre 0 y 255 (cuantificación de 8 bits), por tanto:

La digitalización consiste en dos procesos:

Muestreo y Cuantificacióny

∆∆∆∆x

x

Digitalización

La Cuantificación es el número de bits por byte que tienen los pixeles de la imagen

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El tamaño del pixel se puede referir a:

i Las dimensiones de la cuadrícula de muestreo del escaner

i El tamaño del elemento físico del sensor de la cámara

i 7,5 µm, 15 µm, 25 µm, 40 µm son valores habituales de tamaño de pixel especialmente los dos intermedios. 600 dpi corresponde a cerca de 40 µm y corresponde a la resolución más alta para escáneres de sobremesa. Para escáneres fotogramétricos se necesitan resoluciones mayores.

i La distancia en el terreno entre los puntos de muestreo

i 1 m para imágenes satelitales de alta resolución (IKONOS, QUICK BIRD) y

i 5 m para SPOT y 30 m para LANDSAT

En realidad es imposible encontrar el valor de la intensidad exacto para el punto muestreado, es un valor obtenido a partir de una pequeña área de la imagen.

Digitalización

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Precisión

• El tamaño del pixel es decisivo a la hora de la precisión planimétrica. Habitualmente hay suficientes niveles de cuantificación por lo que el ruido puede ignorarse.

• Las fotocoordenadas de características bien definidas tales como líneas, señales ó marcas fiduciales se pueden obtener con valores planimétricos de 0,1 de pixel ó más

• Precisión altimétrica

– 0,1 a 0,2 ‰ de la altura de vuelo sigue siendo válida

– Para tamaños de pixel de 15 a 25 µm

• Los problemas aparecen en áreas de contraste ó textura pobre, como campos cultivados, carreteras, etc, no obstante se pueden atenuar con las facilidades de edición de las estaciones fotogramétricas digitales.

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Requerimientos hardware en Estaciones Digitales

• Pantalla de alta resolución (>1280x1024 pixeles, frecuencia >60Hz y posibilidad de visión estereoscópica)

• Buffer de gran capacidad para movimientos rápidos de imageno C.P.U. De gran potencia (>20 MIPS)o Sobreimpresión de datos vectoriales

• Archivos de datos para acceso directo y almacenamiento fijo

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Requerimientos Software de Estaciones Digitales

• Sistemas Operativos: UNIX ó Windows NT

• Interfaz de usuario: Xwindows con OSF/Motif ó WNT

• Lenguaje de programación: C, C++, Visual C ó Visual Basic

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Procesamiento de Imágenes en Fotogrametría Digital

• Objetivo : Implementación de métodos de

procesamiento digital de imágenes para la

provisión de procedimientos automáticos,

semi-automáticos e interactivos en

estaciones fotogramétricas digitales.

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Procesamiento de Imágenes en Fotogrametría Dig.Ejemplos :

• Calibración de escáner y Cámaras CCD

• Preprocesamiento de Imágenes (eliminación ruidos, realce, contraste, compresión de datos, etc.)

• Visualización en diferentes intervalos de resolución

• Localización de marcas fiduciales y O.I. Automática

• Correcciones por remuestreo

• Medición automática de MDT

• Segmentación y Clasificación de imágenes

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D

DD

AA

A/D D/A

D

D D

ImágenesTeledetección

EstaciónFot.Digital(DPW)

Plotteró

Filmadora

MapasOrtosEtc.

CADGIS, LISOTROS

ImágenesDigitales

ImágenesFotográficas

Escaner(Raster)

ENTRADAS SISTEMA FOTOGRAMETRICO DIGITAL SALIDAS

Esquema de una Estación Fotogramétrica Digital

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Monitor estéreo y consola

Emisor deInfrarrojos

Gafas Activas

CPU RAMTarjetaDiscos Duros

Ratón 3D

Componentes hardware

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Visión Estereoscópica

• Con dos pantallas y división de la imagen por espejos

• Por división en pantalla (p.e. DSP1, DVP)

• Por polarización activa ( Integraph, Zeiss SGI)

• Por polarización pasiva ( Tektronix, HAI 500, HAI 750)

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• VISIÓN ESTEREOSCÓPICA

• Indispensable en la mayoría de las aplicaciones

• SEPARACIÓN ESPACIAL

• SEPARACIÓN TEMPORAL

• SEPARACIÓN RADIOMÉTRICA(centelleo)

1. SEPARACIÓN ESPACIAL

Dos monitores o un monitor de pantalla partida + sistema óptico de observación (estereoscopio de espejos)

• 1 persona

Visión Estereoscópica

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Visión

estereos

cópica

por

oculares

y

espejos

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• SEPARACION TEMPORAL• Pantalla que presenta alternativamente ambas imágenes + polarización

• POLARIZACION PASIVA(Helava)– Pantalla estereoscópica (Z-screen), polariza la luz de forma sincronizada

– Observación GAFAS PASIVAS

– EMISOR controla la sincronización

• SEPARACIÓN RADIOMÉTRICA

• Anaglifos o polarización• POLARIZACIÓN ACTIVA

– Imagen derecha-líneas pares en un momento

– Imagen izquierda-líneas impares momento siguiente

– GAFAS ACTIVAS OBTURADOR ELECTRÓNICOgobernado por EMISOR INFRARROJO ó LASER

– VARIAS PERSONAS

Visión Estereoscópica

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Visión

estereoscó

pica por

pantalla

polarizada

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Visión

estereoscó

pica por

gafas

activas

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- No tienen componentes óptico-mecánicos de gran precisión

- Los dispositivos de medición no se desgastan

- No existe calibración instrumental

- No hay tratamiento manual de la imagen (revelado, secado,

ampliación...)

- Las imágenes son estables, no existe deformación por el tiempo

- Procesamiento de las imágenes automatizado en gran medida

- Interactividad muy elevada

- Adquisición de datos, proceso, edición, almacenamiento y

gestión en un solo sistema

- Integración “natural” en Sistemas de Información Geográficos

Propiedades de las EFD

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Tendencias y Perspectivas

• HW más eficaz y barato > 1000 MIPS• Procesadores de imágenes estandar en Estaciones dig.• Sistemas operativos : UNIX ó Windows NT, XP• Alto grado de automatización en:

» O.Interna,O. Relativa, Transferencia de puntos» Adquisición de datos y generación de MDT» Aerotriangulación y Generación de ortofotos

• Visión estereoscópica por polarización activa

• Integración de Estaciones digitales en S.I.G.

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Modo de trabajo1) Crear los ficheros necesarios para el funcionamiento de las aplicaciones:

adquisición y carga de las imágenes, puntos de apoyo, cámara, modelos, bloque, etc.

2) Para la observación correcta del modelo estereoscópico y la realización de los cálculos necesarios para las distintas aplicaciones, es necesario hacer:

i. Orientación interna por correlación de las marcas fiduciales.

ii. Orientación relativa por correlación de puntos homólogos.

iii. Aerotriangulación del bloque yiv. Orientación absoluta.

Al final de este paso todos los modelos del bloque han sido calculados y almacenados

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Modo de trabajo (cont.)

3) Para la captura de datos el operador elegirá el modelo a restituir y el

sistema presentará en pantalla de forma automática dicho modelo y

cargará los ficheros relacionados con él. Se pueden generar ahora, a

partir de las imágenes tridimensionales, los ficheros de puntos ó en

conexión con un SIG hacer una captura de datos vectoriales en su base

de datos gráfica.

En paralelo se pueden superponer los datos vectoriales a la imagen tridimensional de la pantalla para controlar mejor la restitución.

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Orientación Imagen- GPS/INS

Sensor DTM-Escaner Laser-InSAR

Imágenes-digital-multisensor-multitemporal-multiespectral

-individuales, pares, bloques, secuencias

Información colateral

EFD

Refinamiento de la orientación de la imagenGPS/INS + AAT

GIS

Vectores 3D geometríaDTM objetos topologíaImágenes

apariencia atributos

Geo DBMS

DTMn imágenesinterpolación

Ortoproyeccióngeorreferenciación

mosaicos

ActualizaciónImágenes mono/estéreointeractivo

Análisis datosSimulación Predicción

Presentación/visualización2D / 3Destático, dinámico

Esquema conceptual de integración entre EFD y SIG. La EFD queda reducida a realizar el refinamiento de la orientación de la imagen como un paso opcional de pre-proceso, el resto de funcionalidades es parte del SIG.

Integración EFD-SIG

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Instrumentación Fotogramétrica

* Orientación Interna

- Se necesita conocer la posición del punto principalen la imagen, especificado con relación a las marcas

fiduciales.

- La longitud focal de la cámara: f

- La función de distorsión

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Instrumentación Fotogramétrica

* Orientación Externa

- Se necesita conocer la posición de los fotogramas

en el sistema de referencia espacial elegido.

- El proceso se lleva a cabo por medio de:

· La Orientación Relativa

· La Orientación Absoluta

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Instrumentación Fotogramétrica

• Sistemas de Coordenadas

� Coordenadas pixel

· Foto-coordenadas. - Origen en el centro de colimación.

· Sistema de coordenadas imagen. - Origen en el centro de Proyección

· Sistema de Referencia Terretre- Origen en función del sistema elegido

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Estación de Fotogrametría Digital DIGI3D

Características principales:

• Movimiento de las imágenes suaveEl sistema mueve las imágenes manteniendo los índices centrados en la pantalla, y el movimiento de las imágenes es suave, permitiendo movernos por todo el modelo sin ninguna interrupción. La sensación del operador es la de estar sentado ante un restituidor analítico.

• Configuración de múltiples monitoresLa estación de Fotogrametría Digital Digi3D utiliza un ordenador con dos monitores. En uno de ellos se visualiza la información estereoscópica y en el otro se visualizan los menús, asistentes, vistas ortogonales y todo tipo de información.

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Características principales (cont.):

• Múltiples dispositivos de visualización 3DEstereóscopos de cualquier tipo Monitor ZScreen™CristalEyes™Eye3D SimulEyes, etc

• Múltiples dispositivos de entradaRatones Ratones 3D Manivelas de diferentes fabricantes (Rest2, Rest3, Rest4, TopoL, Diap, Altek, Sec-pc) JoySticks de fuerza, etc

• Múltiples formatos de archivos gráficosTIFF con y sin tiles BMP JPG Mister SID, ECW

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• Creación de fichero de cámaras fotogramétricas con

incorporación de los datos del certificado de calibración (focal,

coordenadas de las marcas fiduciales, distorsiones radiales,

esquema de medida de puntos de aerotriangulación...).

•Orientacion Interna (manual o automática por correlación).

Con ajuste de la trasformación Afín por mínimos cuadrados.

Obtención de los residuos del ajuste que se almacenan en

fichero ASCII con todos

los parámetros de la orientación.

Características principales (cont.):

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• Orientación Relativa (manual o automática por correlación).Cálculo de la orientación relativa mediante las ecuaciones de colinealidad dejando la cámara izquierda fija y obteniendo para la cámara derecha bz, by y los giros de κ, φ y ω.

El ajuste de las ecuaciones se realiza por mínimos cuadrados obteniéndose las paralajes residuales py.

En el sistema totalmente automático se emplean estimadores robustos para al detección de errores groseros.

Todos los parámetros de la orientación relativa se presentan en un fichero ASCII con el nombre del modelo y extensión .rel

Características principales (cont.):

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• Orientación Absoluta (manual con ayudas por correlación). El programa almacena las fotocoordenadas de todos los puntos que se miden en cada foto así como una instantánea de la imagen de la foto. Cuando se vuelve a necesitar medir ese punto en otro modelo el programa fijará una foto en las fotocoordenadas almacenadas y presentará la instantánea para recordar donde se midió y buscará el punto en la otra foto por correlación. A partir del segundo punto, el programa busca todos los puntos de apoyo que entren en el modelo, llevándonos a ellos para medirlos. El método de cálculo que se emplea, es obtener los siete parámetros de la orientación absoluta mediante la matriz de Rodríguez. Estos valores se toman como aproximados para introducirlos en la linealización de la matriz de Euler. Ajustándose el sistema de ecuaciones por mínimos cuadrados. Todos los resultados del ajuste se guardan en un fichero ASCII con el nombre del modelo y extensión .absTambién se crea un fichero con la orientación externa de cada foto para poder calcular la ortofoto digital.

Características principales (cont.):