1 LOS VUELOS FOTOGRAMÉTRICOS

La realización de un vuelo fotogramétrico requiere una planificación previa. Además de las condiciones meteorológicas (buena luminosidad, transparencia atmosférica, poca nubosidad…), deben tenerse en cuenta otros aspectos, como la altura del vuelo (que determinará la escala de las fotos), el número de pasadas, el número de fotos en cada pasada, el intervalo de tiempo entre fotogramas, el material, el área que será fotografiada, la hora más conveniente, al igual que el propósito del vuelo etc. Por ejemplo, si se quiere cartografiar formaciones vegetales es preferible elegir una hora en la que el sol esté alto, para evitar que las sombras dificulten la observación, y una época del año en la que las diferentes formaciones puedan distinguirse mejor. No obstante, un sol muy alto puede producir reflejos, sobre todo en superficies acuáticas; para ciertas aplicaciones (por ejemplo de tipo geológico o geomorfológico) las sombras suelen ser beneficiosas, buscándose además épocas del año en la vegetación no esté muy desarrollada (ausencia de hojas en los árboles).

Por ejemplo, en el caso de las imágenes del PNOA el periodo más propicio abarca desde 1 de mayo al 30 de septiembre, en horas en las que el sol se sitúa sobre el horizonte más de ≥40º grados sexagesimales, y con tiempo claro, sin nubes, niebla, bruma, etc…, pero evitando vuelos al mediodía en julio y agosto en días de calma (turbulencias y polvo en suspensión). En líneas generales, la época más adecuada para realizar un vuelo es primavera y otoño y la mejor hora el mediodía. Con ello se minimizan las sombras y los efectos de reflexión del sol en superficies de agua.

Una vez que se dispone del plan de vuelo, el avión debe realizar una serie de pasadas a baja velocidad y en paralelo, generalmente en dirección este-oeste (para permitir un mejor visionado de la foto, de las sombras y el relieve).

Figura

Fuente: IGN(https://pnoa.ign.es/pnoa-imagen/vuelo-fotogrametrico)

2 LAS CÁMARAS FOTOGRÁFICAS

Las cámaras fotográficas son los sensores más simples y antiguos utilizados para la detección remota de la superficie de la Tierra. Son sensores ópticos pasivos que utilizan una lente (o un sistema de lentes denominados colectivamente “óptica”) que obtienen una imagen casi instantánea. Las fotografías aéreas se realizan tradicionalmente con cámaras especiales llamadas cámaras fotogramétricas.

Figura

Las utilizadas en fotografía aérea son cámaras de alta resolución, automáticas y gran tamaño, ya que deben impresionar un cliché que suele tener unas dimensiones aproximadas de unos 23 por 23 cm. Debido a su tamaño y peso (entre 80 y 110 Kg) deben ser acopladas a aviones de tamaño medio-grande. Tienen un coste muy elevado.

Figura Fuente: Geomática (https://geomaticaes.com/que-es-la-geomatica/tecnologias-empleadas/camara-fotogrametria-aerea/)

El soporte de las imágenes tradicionales son las películas fotográficas. Estas películas son sensibles el espectro electromagnético cuya longitud de onda abarca desde los 0,3 μm a los 0,9 μm, cubriendo las bandas ultravioleta (UV), visible e infrarrojo cercano (NIR). El tipo más común de película es la pancromática, que produce imágenes en blanco y negro. Una imagen en blanco y negro registra la reflectividad del objeto fotografiado en una determinada región del espectro electromagnético. Esta puede ser la banda del visible (pancromáticas) o incluir el infrarrojo.

Las imágenes en color obtienen la reflectividad en diversas regiones del espectro y, posteriormente se combinan en una sola imagen asignando a cada banda un color, pueden obtenerse también solo para el visible o incluir infrarrojo.

La selección de la banda del espectro que se desea fotografiar se hace colocando un filtro delante del objetivo para que sólo deje pasar aquella parte del espectro que nos interesa. Los filtros también pueden utilizarse para resaltar unos colores sobre otros o para atenuar los efectos de la atmósfera en fotografía aérea de gran altura.

La fotografía ultravioleta no se usa mucho debido a la dispersión y absorción atmosférica que se produce en esta región del espectro. No obstante, también usa película pancromática, pero con un filtro para absorber y bloquear la energía visible, que así no llega a la película. Como resultado, solo se registra la reflectancia UV de los objetivos.

Por su parte, fotografía infrarroja en blanco y negro utiliza una película sensible a todo el rango de longitud de onda de 0,3 a 0,9 μm y es útil para detectar diferencias en la cubierta vegetal, debido a su sensibilidad a los infrarrojos.

La fotografía en color y color falso (o infrarrojos en color, CIR) implica el uso de una película de tres capas con cada capa sensible a diferentes rangos de luz. Para una fotografía en color normal, las capas son sensibles a la luz azul, verde y roja, al igual que nuestros ojos. Estas fotos se nos aparecen de la misma manera que nuestros ojos ven el entorno, ya que los colores se asemejan a los que nos parecerían “normales” (es decir, los árboles se ven verdes, etc.). En la fotografía infrarroja en color (CIR), las tres capas de emulsión son sensibles al verde, al rojo ya la parte fotográfica de la radiación infrarroja cercana, que se procesan para que aparezcan como azul, verde y rojo, respectivamente. En una fotografía en color falso, los objetivos con alta reflectancia en el infrarrojo cercano aparecen rojos, aquellos con una alta reflectancia roja aparecen verdes y aquellos con una alta reflectancia verde aparecen azules, lo que nos da una presentación “falsa” de los objetivos en relación con el color. normalmente percibimos que son.

Otro criterio es el tipo de película:

Fotografía aérea en blanco y negro de la bahía de Santander

Serie A (escala original aproximada 1:44.000, Army Map Service, USA; http://fototeca.cnig.es/).

Fotografía aérea en color de la bahía de Santander

Serie A (escala original aproximada 1:44.000, Army Map Service, USA; http://fototeca.cnig.es/).

Fotografía infrarroja

3 TIPOS DE FOTOGRAFÍAS AÉREAS

Los criterios para clasificar las fotografías aéreas son diversos.

Según el grado de inclinación o el ángulo de la toma existen dos tipos e fotografías:

Fotografía aérea con horizonte Santander. Archivo Fotográfico de la Dirección General de Turismo (1940-1992) (https://www.flickr.com)

Fotografía aérea con horizonte

Vista aérea. Santander. Archivo Fotográfico de la Dirección General de Turismo (1940-1992)

Tipos de fotografías aéreas según el ángulo de la toma: A, Fotografía oblicua alta; B, Fotografía oblicua baja; y C, Fotografía vertical

Esquema realizado por Alberto Díaz (https://biogeografia.net/fotografia.html)

  1. según la técnica empleada las fotografías aéreas se clasifican en:

4 LOS FOTOGRAMAS

Cuando lo fotografías son editadas suele añadirse la siguiente información en los márgenes (aunque varía en función del centro geográfico o la compañía que haya realizado las imágenes): En los márgenes de la fotografía

Identificación de la foto. Puede ser por indicación en primer lugar del número de rollo y después el número de fotograma; también indicando la hoja del mapa topográfico (generalmente a escala 1 :50.000) en el que se encuentra la foto, más un número de identificación.

Otra posibilidad es el número de banda (o pasada) más un número de fotograma. Además, puede aparecer un contador que indica un número de foto independiente del número de identificación.

Información sobre la cámara fotográfica. Básicamente tiene que aparecer la distancia focal de la cámara o separación entre la lente y el negativo expresada en mm. En ocasiones también se indica el número de serie y modelo de la cámara.

Otros datos de interés, que no siempre aparecen, son escala numérica aproximada de la foto, hoja de vuelo.

Esquema de un fotograma

5 CÁLCULOS NUMÉRICOS SOBRE FOTOGRAFÍAS AÉREAS

Como se ha dicho anteriormente existen dos tipos de fotografías: las fotografías aéreas convencionales (con proyección cónica) y las ortofotografías (con proyección plana).

Con ambas se pueden realizar operaciones, mediciones, análisis de localizaciones… es decir, todo tipo de cálculos fotogramétricos, y además realizar mapas, estudios biológicos, geológicos, edáficos, históricos, arqueológicos… Pero puesto que los dos tipos de fotografías tienen distintas proyecciones, los métodos a emplear son distintos.

A continuación se muestran algunos cálculos y aplicaciones en ambos tipos de fotografías, aunque actualmente ya no se suelen realizar medidas topográficas o estudios generales directamente sobre fotografías aéreas convencionales y utilizando estereoscopios, sino que normalmente se adquiere directamente la ortofotografía o se transforma la fotografía con proyección cónica en una fotografía con proyección plana, y se realizan todos los cálculos a partir de un visor geográfico o un sistema de información geográfica (SIG).

5.1 Cálculo de la altura del vuelo del avión:

Conocer la altura del vuelo del avión es necesaria para algunos cálculos fotogramétricos.

  • En algunas fotografías aéreas verticales suele estar indicado en el margen de la imagen, pero si se desconoce se puede calcular teniendo en cuenta la siguiente fórmula (en la que todos los valores deben estar en la misma unidad de medida): Altura del vuelo = distancia focal x fotoescala (el denominador de la escala de la foto)

Por ejemplo, si se quiere calcular la altura del vuelo en una fotografía que se ha realizado con una distancia focal de 150 mm y en la que la fotoescala es 1:20.000, se aplica la fórmula:

Altura = 150 x 20000 = 3000.000 mm (por lo tanto, el avión volaba a una altura 3000 metros mientras realizaba la foto).

  • En las ortofotografías o en imágenes aéreas de proyección plana no se puede calcular la altura del vuelo porque normalmente no se conoce la distancia focal de la fotografía.

5.2 Cálculo de la escala:

La escala es la relación de tamaño entre la imagen fotográfica y la realidad. Por ello, es un factor muy importante, que si no aparece en la imagen debe ser calculado. A diferencia de los mapas, una primera idea clave en el manejo de imágenes aéreas es que, la escala de las fotos es variable. Esto es debido, por un lado, a que las zonas de cumbres se encuentran más cerca del objetivo de la cámara que las zonas deprimidas y valles. Pero aun cuando la foto se tome de una superficie llana, la escala sigue siendo variable puesto que el centro de la foto (nadir) se encuentra más cerca de la cámara que los laterales, de manera que la escala va disminuyendo desde el centro hacia los bordes del fotograma. La escala aproximada de la fotografía aérea puede aparecer indicada en la información de los laterales del fotograma, o bien puede conocerse de antemano a qué escala general se realizó el vuelo. Las escalas habituales oscilan entre 1 :5.000 y 1 :40.000 siendo los valores más frecuentes en España, 1:33.000 y 1:18.000 . Si no se dispone de esta información, hay dos procedimientos para deducir la escala de una foto aérea:

  1. Mediante las relaciones que se establecen entre los triángulos semejantes que aparecen en la Figura 12.2. La relación que hay entre la distancia focal (df) de la cámara con que se tomó la fotografía y la altura de vuelo del avión sobre el terreno (H), es proporcional a la relación que hay entre el tamaño de la foto (o negativo) y la superficie fotografiada. Precisamente el cociente entre estas dos últimas variables es la escala: la relación entre una distancia cualquiera en la foto (su longitud total) y la longitud total del área fotografiada, de manera que:

Evidentemente la escala no va a ser constante, no sólo entre fotografías de un vuelo sino tampoco dentro de la misma fotografía, sino que va a depender de la altitud de cada punto. Si en el área fotografiada existen diferencias de altitud importantes, en necesario tener en cuenta su efecto sobre la escala.

  • En fotografías aéreas verticales existen varios métodos para determinar la escala sobre una fotografía aérea vertical, aunque hay que tener en cuenta que dentro de una misma fotografía la escala varía de unas áreas a otras (sobre todo si en la imagen hay un relieve muy acusado) debido a las distorsiones que produce la proyección cónica. Los dos métodos más utilizados son los siguientes:
  1. Teniendo en cuenta la relación entre la distancia focal de las lentes de la cámara y la altura del vuelo sobre el terreno, se puede usar la siguiente fórmula (usando las mismas unidades de medida):

Puesto que la altura focal es constante, y debe ser suministrada junto a la fotografía aérea, se puede calcular la escala dividiendo la altura de vuelo (que puede variar de un fotograma a otro) menos la altura del terreno entre la distancia focal.

E=(H-h)/f

A partir de esta y la altura de vuelo (H) puede calcularse la escala (E) de la fotografía resultante: E=H/f

Por ejemplo, si la altura de vuelo son 5000 m. y la distacia focal 125 mm la escala de la fotografía resultante será 1:40000.

Escala = distancia focal de la cámara / altura del vuelo sobre el plano del terreno

es decir:

Escala= distancia focal de la cámara / (altura del vuelo - altitud media del terreno)

  1. Se puede calcular midiendo la distancia entre dos puntos en la realidad y sobre la foto. Se pueden elegir elementos con medidas estándar (como las vías de los ferrocarriles, las piscinas olímpicas, algunos campos de deporte…). De esta forma se tendría que aplicar la siguiente fórmula (usando las mismas unidades de medida):

Escala = distancia entre 2 puntos en la realidad / distancia entre esos 2 puntos en la foto

Si la distancia entre los dos puntos es de 500 m (50.000 cm) y la distancia entre esos dos puntos en la fotografía es de 5 cm, la escala de la fotografía será 50000/50 = 5000/5 = 1000 1:10.000 o 1/10.000.

Este método permite dar un valor aproximado de la escala, pero solamente es válido para la zona de la foto en donde se encuentran los dos puntos de referencia.

  1. El siguiente método es similar al anterior, pero en él los valores de referencia se toman sobre un mapa o un plano con escala en donde se vea la zona que aparece en la fotografía. Para ello se eligen dos puntos identificables en el mapa y en la fotografía (la cúpula de una iglesia, la intersección entre dos carreteras…), que estén situados a la misma altitud, separados, y que la línea que los une pase por el punto principal de la fotografía.

Después, se aplica la siguiente fórmula (usando las mismas unidades de medida):

Escala de la foto = (distancia entre dos puntos medida en el mapa x escala del mapa) / distancia entre esos mismos puntos medida sobre la foto

Si la distancia entre los dos puntos en el mapa es de 140 mm, la escala del mapa es 1:25.000 y la distancia entre los dos puntos en la fotografía mide 70 mm, la escala de la fotografía o fotoescala será: 1:25.000 o 1/25.000. Al igual que en el método b, el valor de la escala sólo es exacta en la zona en donde están situados los puntos de referencia.

  1. Existe otro método más exacto que consiste en calcular la escala media de la fotografía, para ello se eligen tres puntos en el mapa (A, B y C) y en la fotografía aérea, de manera que formen un triángulo, más o menos equilátero, que abarque casi toda la imagen. Después, se calcula la escala aproximada de cada punto siguiendo el método “c” y se hace la media teniendo en cuenta la siguiente fórmula: Escala de la foto = (escalaAB + escala AC + escalaBC) / 3

Ejemplo del cálculo de la escala por el método del triángulo

  1. También existe otro método, similar al anterior, pero en vez de que los puntos formen un triángulo, dibujan una cruz. De esta forma, se realizan dos líneas, que pasen por el centro de la fotografía y que se cortan formando un ángulo recto, después se calculan las distancias de las líneas en el mapa y en la fotografía aérea, y se obtiene la escala media:

Escala de la foto = (escalaAB + escalaCD) / 2

Ejemplo del cálculo de la escala por el método en cruz

  • En ortofotografías o en imágenes aéreas de proyección plana normalmente no es necesario calcular la escala de la fotografía puesto que si se está empleando un programa SIG o un visor geográfico, y si la imagen ya está georreferenciada, la escala será calculada automáticamente por el programa. Si la imagen no está georreferenciada, se puede georreferenciar con un SIG fácilmente teniendo en cuenta unos puntos claves de la imagen de los que se conoce su posición exacta (como los vértices geodésicos). En este tipo de imágenes, al tener una proyección plana, la escala es uniforme.

5.3 Cálculo de distancias:

A partir de las fotografías aéreas (teniendo en cuenta la escala de la imagen) se puede calcular fácilmente cualquier distancia.

  • En las fotografías aéreas verticales o en pares estereoscópicos: la distancia de una línea recta se calcula multiplicando la distancia en la fotografía por el denominador de la escala de la fotografía, es decir si la imagen está a escala 1:25.000 (o 1/25.000), el denominador de la escala es 25.000. Distancia (en la realidad) = distancia en la foto x denominador de la escala Si un tramo recto de una carretera mide en la fotografía 5 cm y la escala es 1:30.000, se multiplica 5 por 30.000. Por lo tanto, el tramo de carretera medirá 150.000 cm, es decir 1.500 metros o 1,5 km. Si la distancia que se quiere calcular es sinuosa o irregular (como un tramo de una carretera con muchas curvas, un camino serpenteante, un sector de un río, el perímetro de un cultivo…) se pueden emplear varios métodos. Por un lado, se puede descomponer el tramo que se quiere calcular en varios tramos rectos, de tal forma que la longitud total del tramo será igual a la suma de todos los tramos parciales multiplicados por la escala de la fotografía. También se puede calcular con la ayuda de un hilo de coser o un pequeño cordel, con este método se superpone la cuerda sobre el tramo que se quiera medir, y después se multiplica la longitud de la parte de cuerda usada por la escala de la imagen. Por último, se puede emplear un curvímetro (analógico o digital), un aparato diseñado especialmente para este fin. Éste aparato posee una pequeña rueda que se debe rodar por encima del tramo que se quiere analizar y, seleccionando la escala, calcula automáticamente la longitud del tramo.

  • En las ortofotografías o en las imágenes aéreas de proyección plana: es mucho más fácil y preciso. Puesto que normalmente estas imágenes se analizan en un SIG o en visores geográficos, estos programas suelen tener una herramienta (que generalmente está representada con el dibujo de una regla) que permite medir distancias de manera sencilla (siempre que la imagen esté bien georeferenciada).

Símbolos para calcular distancias y superficies en el Iberpix (A), en el Sigpac (B) y en el GvSIG (C).

5.4 Cálculo de superficies:

  • En las fotografías aéreas verticales: para calcular el tamaño de un área hay que tener en cuenta si la superficie que se quiere medir tiene una forma regular o irregular.

Si el área tiene una forma regular (un cuadrado perfecto, un círculo, un rectángulo, un triángulo etc.) se debe medir en la foto los elementos que se requieren para calcular el área de forma tradicional (la base, el radio, la altura…) y transformar esas medidas en datos reales para después calcular el área en función de su forma.

Área del cuadrado = lado x lado = lado2 Área del círculo = π x (radio)2 Área del rectángulo = base x altura
Área del triángulo = (base x altura) / 2

Si el área tiene una forma compleja pero regular, se puede descomponer en distintas formas regulares (en varios triángulos, cuadrados…), y después se debe sumar el valor de todas las áreas.

Si el área tiene una forma irregular se puede medir su superficie con la ayuda de un planímetro. Si no se dispone de este aparato, se puede calcular el área con el método de la malla de puntos. Mediante este método primero se dibuja una malla regular de puntos en un papel transparente teniendo en cuenta que la distancia entre los puntos sea de medio centímetro o de un centímetro (en función de la precisión que se requiera). Después en la fotografía se marca el perímetro de la superficie que se quiera medir, se superpone la malla sobre la fotografía y se cuenta el número de puntos de la malla que se encuentran dentro del perímetro señalado. Finalmente se aplican las siguientes fórmulas (Fernández, 2000, Pacheco y Pozzobon, 2006): Si los puntos de la malla tienen una separación de medio centímetro se debe usar la fórmula:

o la fórmula (ambas son equivalentes):

Superficie = número de puntos x (denominador de la escala)2 x 10-8 x 1/4

Si los puntos de la malla tienen una separación de un centímetro se usa la fórmula:

o la fórmula (ambas son equivalentes):

Superficie = número de puntos x (denominador de la escala)2 x 10-8

De manera similar al método de la malla de puntos también se puede usar una plantilla milimetrada. Para ello, se calcula, teniendo en cuenta la escala, la superficie que corresponde a cada milímetro cuadrado, después se superpone la plantilla y se suman todos los cuadrados que están dentro del área que se quiere analizar.

  • En ortofotografías o imágenes aéreas de proyección plana: mediante los SIG o los visores geográficos se pueden medir las superficies fácilmente con una herramienta (que normalmente está representada con un dibujo de un polígono y una regla). De esta forma, se selecciona la herramienta y se van marcando los límites del área que se quiera medir hasta que se cierra el polígono, automáticamente el programa indicará el resultado de la medición.

Ejemplo del cálculo de la superficie mediante el método de la malla de puntos (izquierda) y realizando un polígono en un SIG o en un visor geográfico.

5.5 Cálculo de la altura de los objetos:

  • En las fotografías aéreas verticales se pueden usar los siguientes procedimientos o métodos para calcular la altura de los elementos que aparecen en la imagen:

  1. Método de sombras: se puede calcular la altura de los objetos teniendo en cuenta la sombra que proyectan sobre el terreno. Para ello, se deben usar sombras de la fotografía que aparezcan en terrenos llanos (puesto que las sombras que se proyectan en áreas accidentadas están distorsionadas) y se aplica la siguiente fórmula (Fernández, 2000): Altura = (H x s x tang(a)) / f en donde: H es la altura del vuelo; s es la longitud de la sombra; tang(a)) es la tangente del ángulo de incidencia solar; y f es la distancia focal.

  2. Método de sombras por comparación: se puede medir la sombra de un objeto que se conoce su altura y usar una regla de tres para medir las sombras de otros objetos. Es un método orientativo puesto que en las fotografías verticales hay pequeñas variaciones en las sombras y en el tamaño de los objetos en función de la posición de cada elemento en la fotografía.

  • En las ortofotografías o en imágenes aéreas de proyección plana se puede emplear el método de sombras por comparación (aunque no es muy efectivo).

6 FOTOINTERPRETACIÓN ESTEREOSCÓPICA

La visión en 3D con fotografías aéreas permiten una precisa y rápida identificación de elementos del terreno, pero a la hora de delimitar éstos no se suele pintar directamente sobre la foto ya que quedaría inutilizada para posteriores usos; aparte, siempre es conveniente dejar la posibilidad de poder borrar un trazo erróneo.

Cuando se va a trabajar durante mucho tiempo con imágenes en 3D mediante un estereoscopio de espejos, se consigue una menor fatiga ocultar si se fija la posición del par estereoscópico siguiendo los pasos que se describen a continuación.

Una vez colocado el papel (lado brillante del papel en contacto con el fotograma), la primera operación consiste en el dibujo de las marcas fiduciales o sucesivos entrantes y salientes que aparecen en los bordes del fotograma, lo que permite quitar el papel y volverlo a colocar sobre el fotograma en la misma posición original. Para la sujeción del papel al fotograma se puede recurrir a simples clips.

Paralaje y visión esteoroscópica

Cada uno de nuestros ojos actúan como una cámara que capta una imagen. Cada uno de los ojos adquiere una imagen ligeramente diferente y desplazada debido a los aproximadamente 64 mm de separación entre ellos. El resultado es que los objetos aparecen ligeramente desplazados sobre el fondo, este desplazamiento es transformado por el cerebro en una representación tridimensional ya que el desplazamiento será tanto mayor cuanto más alejado este el objeto del fondo.

Cada fotografía aérea vertical tiene que estar asociada con las fotos de alrededor, mostrando un solapamiento horizontal (también conocido como traslape o sobreposición lateral) que varía entre el 40% y el 60%, y un solapamiento vertical de entre el 20 y el 40%. Este solapamiento es imprescindible para asegurar la visión esteroscópica y para que las fotografías aéreas puedan ser transformadas en ortofotografías.

Normalmente los fotogramas que se manejan en cualquier trabajo relacionado con la gestión del territorio no se toman aislados, sino que son series que cubren un espacio bastante amplio. Una serie de fotogramas es el conjunto de fotogramas que cubren dicho espacio y que normalmente tienen un solapamiento longitudinal de un 50 o 60%, lo cual permite la visión esteoroscópica; y un solapamiento latitudinal de 20-30% para asegurar que no quede espacio por cubrir.

Si tenemos dos fotogramas consecutivos con, por ejemplo, un 60% de superposición; tenemos un área común a ambas fotografías en los que los objetos aparecen ligeramente desplazados respecto al fondo. Este desplazamiento será proporcional a la altura relativa del objeto respecto al fondo.

Si miramos ambos fotogramas a la distancia adecuada nuestro cerebro podrá reconstruir una imagen tridimensional. Sin embargo, esto resulta difícil y se facilita mediante el uso de estereóscopos.

Obtención de la línea de vuelo en los fotogramas.

En primer lugar, se identifican los puntos principales de cada fotograma. A continuación, se busca la ubicación de cada uno de ellos en el otro fotograma. De esta forma se obtienen cuatro puntos que forman la línea de vuelo que permite orientar el par de fotogramas correctamente.