ortofoto verdadera (true-orto)

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  • Las ortofotos fueron realizadas inicial-mente a partir de pelcula fotogrfica utili-zada para obtener imgenes mediantecmaras areas. Son por tanto uno de losproductos que se pueden obtener de lafotogrametra. Vamos a abordar a continua-cin la evolucin de la tecnologa fotogra-mtrica a modo de presentacin del estadoactual del arte.

    Como todas las tcnicas relacionadascon la imagen, la fotogrametra ha evolu-cionado de forma drstica desde las im-genes analgicas a las digitales. En elcampo de dicha tcnica, se ha pasado enunos aos desde las soluciones optico-mecnicas de tipo totalmente analgico alas analticas, que significaban la entradade la informtica (hardware + software)combinada con imgenes analgicas perola revolucin real aparece en estosmomentos actuales de la mano de la ima-gen digital.

    Las principales ventajas de las tcnicasdigitales son, por un lado la automatizacinde los procesos ya que desaparece la com-ponente ptico-mecnica + electrnica que

    son sustituidos por software y por la posi-bilidad de identificar puntos homlogos enlas imgenes, es decir de medir automtica-mente, casi sin intervencin humana,mediante los restituidores fotogramtricosdigitales. Potencia, por tanto las herra-mientas matemticas de la fotogrametraanaltica y de los procesos digitales de im-genes, abriendo la tcnica a la generacinde diferentes tipos de cartografas y repre-sentaciones tanto en 2D como en 3D.

    Evolucin histricade la fotogrametra

    Un buen punto de partida sera la defi-nicin aceptada hoy para la fotogrametra,segn la ASP (American Society of Photo-grammetry): La fotogrametra es el arte,ciencia y tecnologa que permite extraerinformacin exacta sobre objetos fsicos y loque les rodea a travs de procesos de graba-cin, medicin e interpretacin de imgenesfotogrficas.

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    Ortofoto verdadera (True-Ortho)y Ldar, el posible futurode la cartografa catastral urbana

    Luis Julin Santos PrezIngeniero Tcnico en Topografa

    Ingeniero en Geodesia y CartografaD.G. del Catastro. Madrid

    Abril 2005

  • Remontndonos a los orgenes de laciencia, Aristteles en el 330 a.C, acometiel fenmeno de la proyeccin ptica deimgenes, en su evolucin tuvieron unimportante papel matemticos como Lam-bert y Laussedat e inventores de la fotogra-fa como Daguerre. Es Laussedat quien esconsiderado Padre de la Fotogrametra yaque en 1859 invent un mtodo para deter-minar las coordenadas del objeto mediantela interseccin de rayos homlogos prove-nientes de un fototeodolito.

    Las etapas histricas de la fotogrametra(fig. 1) se entiende que son:

    1. Periodo inicial. Desde 1850 con elinvento y perfeccionamiento de la fotogra-fa hasta 1900. Se mejor mucho la emul-sin gelatinosa y se experiment con fotosareas mediante globos aerostticos ycometas.

    2. Periodo analgico. Desde 1900 hasta1960. Los tres hechos fundamentales en elcomienzo de esta etapa fueron la invencindel Avin (Hermanos Wright, 1903), la de laestereoscopa + ndice flotante (Pulfrich yStolze, 1900) y la posibilidad de obtenerortofotos a partir de fotos perspectivas(Sheimpflug, 1903). Las dos guerras mun-diales dieron un impulso gigantesco a estaciencia, tanto para tareas de reconocimientocomo de ejecucin de cartografa. Este perio-do analgico, se puede decir que an ennuestros das sigue persistiendo ya que enmuchas zonas del mundo se utiliza, debido asu simplicidad y economa as como a la cali-dad de los aparatos realizados a lo largo de suduracin. Hay que hacer constar que inclusoestos aparatos se han modernizado mediantecodificadores y ordenadores que permitenobtener un producto cartogrfico informati-zado a partir de tecnologa analgica.

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    LUIS JULIAN SANTOS PREZ

    Figura 1Evolucin histrica de la fotogrametra

  • 3. Periodo Analtico. El hito fundamen-tal que permite el desarrollo de esta nuevaetapa, es la aparicin y rpido desarrollo delos ordenadores. En el ao 1959 U.V. Hela-va invent el restituidor analtico. La rpi-da capacidad de clculo de los ordenadoressustituy a los componentes mecnicos yeliminaron las limitaciones pticas deforma que podan manejar cualquier tipode fotografa (area terrestre) y facilitar laaerotriangulacin.

    4. Periodo Digital. El desarrollo de lossemiconductores y de la microelectrnicaha permitido el desarrollo de la fotografadigital. Una foto digital, por tanto no es nims ni menos que una matriz matemtica(formada por celdas posiciones) en la quecada elemento tiene un valor de nivel degris de color, por tanto los ordenadoreslas manejan perfectamente. En un primermomento las fotos convencionales se esca-neaban para pasarlas a formato digital, hoyen da la evolucin tcnica permite que lascmaras digitales, sean directamente situa-das en el avin para evitar el posterior esca-neo y ganar precisin y velocidad. Si esto se

    une a la posibilidad de obtener las coorde-nadas del punto de toma con alta precisinmediante GPS en el avin y al sistema denavegacin inercial INS, las ventajas tcni-cas y econmicas son enormes.

    Por tanto la obtencin de ortofotos haido pasando por cada una de estas fases,beneficindose de los avances de cada unade las etapas.

    Ortofoto (analgica) yOrtoimagen (ortofoto digital)

    La fotografa convencional entre ellasla area es una proyeccin perspectiva ocnica; el proceso de elaboracin de ortoi-mgenes consiste en pasar de este tipo deperspectiva a una proyeccin ortogonal, esdecir con el punto de vista situado en elinfinito (rayos perspectivos paralelos). Esteproceso elimina tambin las deformacionesproducidas por inclinacin del eje de tomay las producidas por el relieve del terreno(fig. 2).

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    Figura 2Deformaciones por inclinacin y relieve

  • Para utilizar una foto area como unmapa, se han de eliminar estos tres efectos:

    El producido por el sistema de pro-yeccin.

    Los producidos por la inclinacin. Los producidos por el relieve del

    terreno (que daran varias escalasdiferentes, dependientes de la cota).

    La eliminacin de estos efectos se cono-ce como Rectificacin diferencial. Laortofotografa, como en otros aspectos de lafotogrametra, tambin necesita un vuelocon solape estereoscpico (un detalle delterreno est al menos en tres fotogramas)pero en este caso el solape ha de ser mayory pasar del 60% al 80 y al 90% para aspoder elegir la mejor fotografa a rectificar.

    En la actualidad las ortofotos analgicasestn siendo desplazadas por las ortofotosdigitales, ya que las primeras son ms com-plejas de obtener y de almacenar. El princi-pio consiste en crear a partir de un vuelofotogramtrico un documento que sepueda utilizar como un mapa, es decir quese puedan medir distancias y superficiessobre l, aplicando el sistema de Rectifica-cin diferencial.

    Ortofoto analgica.Rectificacin diferencial

    El sistema de generacin de ortofotosanalgicas consiste en formar un modelotridimensional ptico del terreno en unaparato de restitucin fotogramtrica. Si elterreno fuera completamente llano y hori-zontal y el eje de toma rigurosamente verti-cal, podramos emulsionar un papel foto-grfico con ese modelo y tendramos undocumento muy similar a una ortofoto y loque es ms, a un mapa. La imagen de laortofoto sera similar al terreno, con raznde semejanza f/H (siendo f la distancia focalde la cmara y H la altura de vuelo sobre elterreno en el momento de la toma).

    Pero el terreno no suele ser as, no eshorizontal ni llano, y menos en nuestropas. Por tanto si ese terreno lo descompo-nemos en elementos muy pequeosmediante una ventana mvil (elementosdiferenciales) cada uno tendra una inclina-cin y una escala (por estar a diferente alti-tud), eso se evitara alejando o acercando laproyeccin e inclinando dicha ventana.Esta es la idea bsica de la ortoproyeccin.El resumen de las operaciones sera:

    a. Recorrido continuo y automtico delmodelo mediante perfiles paralelosrecorridos por una pequea ventana,que el operador mantiene siempreapoyada en el terreno ptico 3D.

    b. Proyeccin y rectificacin automtica.c. Impresin simultnea de una pelcu-

    la, que una vez compuesta por todoslos perfiles y revelada dar lugar a laortofoto.

    En cuanto a la forma en que se corrigenlas causas de errror en lo que se refiere a lamtrica de la imagen fotogrfica, existentres mtodos para la generacin de fotoma-pas de menor a mayor precisin (estamoshablando de fotogrametra puramente ana-lgica, hoy da con la fotogrametra digitalesto est superado):

    Mosaicos fotogrficos. Se trata deuniones de fotografas areas directa-mente, a modo de puzle, no se aplicaninguna correccin y slo se toma laparte central de las fotos areas paradisminuir errores. (antiguas aplica-ciones militares).

    Rectificacin. Corrige slo el errordebido a la inclinacin del eje detoma, enderezando todo el fotograma.

    Ortoproyeccin. Este sistema, el mssofisticado, corrige los errores porinclinacin del eje de toma y relievedel terreno por unidades diferencia-les, que ensambladas, dan una ima-gen mtrica y fotogrfica del terreno.

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  • Es el nico mtodo riguroso de deobtencin de fotomapas, siendomejorado actualmente por la entradade la imagen digital.

    Introduccin a los usos catastralesde la TELEDETECCIN

    La definicin de teledeteccin (vocabloque es traduccin del trmino compuestoingles remote sensing) es la tcnica que per-mite adquirir imgenes de la superficieterrestre desde sensores instalados en plata-formas espaciales.

    Por tanto suponemos que entre la tierray el sensor existe una interaccin energtica(si es reflexin de la energa solar), quesera recogida por sensores pasivos, o un hazenergtico artificial si es por emisin propia(rdar, ldar,etc) caso en el que tendra-mos sensores activos. Tambin se necesitar,un sistema de transmisin de informacin alas estaciones terrestres en las que se van atratar los datos as obtenidos.

    Las imgenes normalmente utilizadasproceden de satlites artificiales y se utili-zan para realizar cartografa temtica,pudiendo obtener diversas escalas, sinpoder mejorar en la actualidad el 1:5.000,pero en muy pocos aos ser una tcnicade directa aplicacin en catastro ya queexisten empresas internacionales trabajan-do en obtener estos resultados. La aplica-cin directa sera la de obtener interpreta-ciones agronmicas (tipos de usos delsuelo) y por tanto profundizar en el cono-cimiento de los recursos naturales, oceano-grficos y medioambientales por un lado ypor otro realizar estudios de evolucin delos ncleos de poblacin a escalas mediasya que se cuenta con imgenes de unamisma zona cada poco tiempo (alta resolu-cin temporal). Sera por tanto una buenafuente de datos para actualizar la carto-grafa catastral rstica y urbana y si no paraactualizar s para indicar de forma rpida yeconmica donde actualizar.

    Las imgenes se obtienen a partir de laenerga que recogen los sensores situadosen las plataformas espaciales, bien reflejadadel Sol o bien emitida por ellas mismas.Esta energa se convierte en un conjunto devalores numricos (digital) que se envan alsistema de recepcin.

    La visualizacin de esta imagen se ha derealizar en un equipo que convierta la infor-macin de digital en analgica, de forma quese cree una imagen que presente anomalasen cuanto a la localizacin de los pxeles ysu valor radiomtrico (como en una fotodigital actual, est compuesta por celdas endisposicin matricial (pxel), cada una conun valor radiomtrico (nivel de gris color).Los millones de celdas sern los megapxelsde la imagen capturada.

    Estas imgenes han de corregirse geom-tricamente siguiendo una funcin matemti-ca para ponerla en proyeccin y georrefe-renciarse, es decir identificar objetos concoordenadas conocidas (puntos de control)para que la imagen tenga escala y puedagenerar un documento cartogrfico. Las pro-piedades de la imagen en teledeteccin son:

    a. Contraste. Diferencia de valor otono entre las reas ms claras y msoscuras de la imagen. Relacin entreel brillo de un objeto y el de suentorno.

    b. Brillo. Indica la medida de las varia-ciones de intensidad de radiacinelectromagntica captada por elsensor.

    c. Resolucin. Mide la habilidad de unsistema sensor para discriminar infor-macin dentro de la imagen.

    Resolucin Temporal. Indica eltiempo transcurrido entre elpaso del satlite por una zona enel momento t1 y el momento t2.

    Resolucin Radiomtrica. Da lacapacidad el sensor para discri-minar niveles de grises en cadauna de las bandas.

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

  • Resolucin Espacial. Indica launidad de informacin mspequea que se puede discrimi-nar en la imagen.

    Resolucin Espectral. Informadel ancho de las bandas y elnmero de ellas registradas porel sensor. Una banda espectral esuna seleccin de longitudes deonda con comportamientos elec-tro-magnticos similares. (Porejemplo si una cmara de lasvarias que un satlite porta, sededica a la banda del infrarrojotrmico, tendr un ancho debanda que ir desde las 10 a las100 micras de longitud de onda ).

    Antes hemos hablado de sensores, perostos van portados sobre plataformas, quesegn su movimiento se clasifican en geo-estacionarias si estn sincronizadas con elgiro terrestre situadas a gran altura (ms de20.000 km.) y observan siempre la mismazona o heliosncronas que giran a unavelocidad distinta a la de la tierra y siguenrbitas ms bajas (menos de 20.000 km.).

    Ortoimagen u ortofoto digital

    Hasta ahora hemos visto como la foto-grametra analgica se basaba en instru-mentacin ptico-mecnica y mtodosartesanales, la fotogrametra analticameda coordenadas de la foto de formaptico-mecnica, pero calculaba los proce-sos de forma matemtica gracias a los orde-nadores, sus mtodos eran semiautomti-cos. El gran salto de la fotogrametradigital es el empleo de fotografas digitales(matrices numricas), ya realizadas concmaras digitales (si no es as es necesarioescanear las imgenes analgicas y conver-tirlas en matrices numricas) y permitenuna muy alta automatizacin.

    Por tanto una imagen digital es unamatriz bidimensional (fig. 3) de niveles degris (o de valor de color) con elementos deinformacin mnima (pxels) que varan enfuncin de la posicin (fila-columna) queocupan dentro de la matriz (J. L. Lerma2002).

    Las imgenes digitales se forman a par-tir de un proceso de muestreo, llamadodigitalizacin. En l una zona pequea del

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    Figura 3Detalle del formato matricial de fotografa digital

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    sensor registra de forma directa la informa-cin correspondiente a una zona del mode-lo registrado. (ya sea escaneo adquisicinde la imagen mediante cmara digital).

    Cada casilla se denomina pxel y vienedefinido por su ndice pxel (i,j) (f,c), porsu posicin x,y en es sistema de coordena-das de la foto y por su nivel de gris(negro=0, blanco=255). El tamao delpxel se suele definir por el nmero de ellosque caben en una pulgada (2,54 mm.) por su tamao en terreno real.(un pxelpuede medir 20 micras de lado represen-tar, si la imagen es de escala 1:20.000, 20cm. en el terreno).

    Con la fotogrametra digital, aumenta laautomatizacin de los procesos, todos lossistemas ptico-mecnicos e incluso elec-trnicos han sido sustituidos por progra-mas informticos. El flujo de trabajo en foto-grametra digital est compuesto por lasfases que se detallarn posteriormente yque recoge el diagrama de la figura 4.

    A continuacin se describen detallada-mente cada una de las fases del proceso.

    Vuelo fotogramtricocon GPS + Apoyo cinemtico

    El verdadero salto tecnolgico, sera laobtencin de las imgenes digitales en elavin para evitar el largo proceso de esca-neo de las imgenes analgicas. En estosmomentos (finales del 2004) hay variasempresas que han conseguido fabricarcmaras digitales areas con la suficienteperfeccin como para evitar su posteriordigitalizacin. En Espaa existen varias yaadquiridas por organismos administrativosy por empresas privadas.

    El problema fundamental que no per-mita desarrollar cmaras digitales areasera la inestabilidad de la trayectoria delavin que provocaba movimientos y vibra-ciones del avin, esto produca complejosproblemas de rectificacin de las deforma-ciones de la imagen pero gracias a las nue-

    vas tecnologas sensor trilineal de barrido+ sistema inercial esto ha quedado supera-do, de forma que hoy en da, por ejemplo elsensor digital ADS40 de Leica (fig. 5), hastahace poco permita resoluciones de 15 cm.llegando ahora a los 5 cm., por lo que sehace perfectamente apto para ser empleadoen la obtencin de cartografa a gran escalay es aceptado para ser utilizado en grandesproyectos de ortofotografa.

    Hemos de tener en cuenta que paraconseguir altas resoluciones hay que captu-ra en vuelo, en un intervalo menor a 2segundos una matriz de 20.000x20.000pxels, esto da idea de la complejidad delproblema.

    Estas cmaras digitales han supuestouna revolucin ya que eliminan las fases derevelado y escaneo de negativos, lo quepermite una reduccin del tiempo necesa-rio entre el vuelo y el tratamiento fotogra-mtrico de las imgenes, lo que provocadirectamente una disminucin de los cos-tes as como de los tiempos de actualiza-cin de las cartografas.

    Este sensor ya ha sido ampliamente uti-lizado en EEUU, ejecutando con l ellevantamiento fotogramtrico para ortos de1m. del estado de Nebraska (230.000 km2)en tres meses, contratando para este ao100.000 km2 para el Departamento deAgricultura. Para ello, se han exigido unosrequisitos que pasan por exigir la mismaresolucin para la imagen color e infrarrojaque para la pancromtica (b&w). TambinRusia, ha adquirido dos sensores digitalespara elaborar su catastro tras el largo perio-do en que la propiedad privada no existi.En el resto de Europa se estn incorporan-do sensores digitales para el catastro agr-cola (ortofotos SIGPAC).

    Para no exponer slo las ventajas de lossensores digitales, podemos comentar suprecio aproximado de un milln de euros ytambin el tamao de los ficheros digitalesobtenidos. Por ejemplo si se escaneara conlas resoluciones previstas por el PlanNacional de Ortofotografa (IGN-Espaa),

  • cada imagen ocupara de 250 a 300 Mb;con las cmaras digitales, los tamaos ser-an menores, pero an as muy grandes, ms menos cien veces superiores a los queproduce una cmara digital domstica degama media.

    La ventaja de conectar la cmara a unreceptor GPS unido a un sistema de nave-gacin inercial como el INS (Inertial Nave-gation System) permite obtener varias ven-tajas:

    Planificacin del vuelo y navega-cin. Sin necesidad de salir de gabi-nete, sobre cartografa de la zona a

    volar, se determinan las coordenadastericas de los puntos de toma de lasimgenes (X,Y) y la altura de vuelo;tambin el horario de vuelo en fun-cin de las fechas, latitud, etc Unavez en vuelo, conectados a un recep-tor GPS, el software calcula continua-mente las diferencias entre la posi-cin real con la terica prevista ycorrige la trayectoria, consiguiendoprecisiones de 2 m. si se usa GPSdiferencial (correcciones diferencia-les radiodifundidas).El sistema gua al piloto a la zona, leda la geometra de las pasadas y reali-

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    Figura 4Diagrama de flujo de trabajo en fotogrametra digital

    1. Vuelo fotogramtricocon GPS + Apoyo Areo

    CinemticoCon cmara ANALGICA

    Escaneo de fotogramas

    Con cmara DIGITAL

    2. Medicin en fotografas digitales

    3. Aerotriangulacin Digital

    4. Obtencin del MODELO DIGITALDEL TERRENO (MDT) automticamente

    (correlacin

    MODELO DIGITALDE SUPERFICIES(MDS) con edicinde operador LIDAR

    5. Rectificacin Diferencial

    6. ORTOFOTO DIGITAL

    IMAGEN DIGITAL

    7. ORTOFOTOVERDADERA

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    za los disparos de las imgenes enfuncin de las coordenadas de inicioy fin de pasada, de los recubrimientosy de la posicin del avin en cadapasada.

    Obtencin de las coordenadas de lospuntos de toma. Cuando la cmaradispara (el avin puede llevar unav=250 km/h) sta emite una seales enlas que que se registra el tiempo GPSexacto del momento del disparo.Como el tiempo GPS se registra cada0,5 cada 1 segundo para esosmomentos tenemos coordenadas X,Y,Zexactas en gabinete se interpola parahallar la posicin exacta del punto detoma de cada disparo.

    Apoyo areo cinemtico. Al deter-minar en vuelo las coordenadas delos puntos de toma, disminuye sen-siblemente la cantidad de apoyoterrestre necesario para aerotriangu-

    lar (puntos de apoyo tomados encampo por topografa clsica GPS)y automatiza los procesos posterio-res. Para realizar este tipo de apoyo,se necesita: Cmara fotogramtrica con cone-

    xin al receptor GPS del avin. Receptor GPS en la aeronave, que

    registre datos cada 0,5 seg. Ascomo conocer la posicin relativacon alta precisin del centro pti-co de la cmara con respecto a laantena GPS.

    Receptor GPS de referencia ensuelo situado a menos de 500 km.del avin (para emitir correccionesdiferenciales).

    Puntos de control en el suelo encada esquina del bloque de fotos(muchos menos que si no existierael GPS en avin) para transformaral sistema geodsico nacional.

    Figura 5. Sensor digital ADS40. Cortesa de Leica Geosystems.

  • De esta forma se potencia la eficacia dela aerotriangulacin, reduciendo conside-rablemente el nmero de puntos de con-trol, teniendo las posiciones de la cmaraen el momento del disparo y usndolascomo observaciones adicionales en el cl-culo de la aerotriangulacin mediante elsoftware adecuado. (A. Gmez 1999).

    La medicin en el procesofotogramtrico digital

    En este momento del proceso y en otroscobra gran importancia la medicin auto-mtica en fotogrametra digital. Todas lamediciones en fotogrametra analgica yanaltica se hacan mediante el sistema demarca flotante el modelo virtual 3D queformaba el aparato fotogramtrico, erarecorrido por un ndice (a modo de peque-o globo) que el operador iba posando enel terreno y recorriendo todo lo que se que-ra dibujar curvas de nivel si siempresigue la misma cota detalles planimtri-cos definiendo as de forma contnua lospuntos homlogos de ambos fotogramas.

    En fotogrametra digital surge el conceptode medicin automtica mediante identifica-cin de imgenes homlogas (image mat-ching). Se basa en complejas tcnicas de reco-nocimiento de patrones mediante el barridode una determinada rea de las imgenes.

    En lneas generales se trata de encontrarde forma automtica la imagen homlogaen un fotograma de la determinada en elotro. (Una misma imagen aparece en dosfotogramas contiguos, tomada desde dospuntos diferentes a lo largo de la trayecto-ria del avin). Se ha de partir de estarsituados en las mismas zonas de bsqueda.

    Los sistemas de reconocimiento de im-genes (correspondencia) en los que se basaeste proceso son:

    1. SBM (symbolic based matching) (delingles, to match.- emparejar). Se basaen propiedades topolgicas (de proxi-

    midad, forma, etc) definidas enBBDD con descripciones de objetospara identificiar imgenes homlogas.

    2. ABM (area based matching). Esta esla famosa correlacin. Se estudiauna ventana de pxeles de zonassimilares en ambas imgenes inten-tando correlar el origen y el destinovalorando los niveles radiomtricosde cada pxel de la imagen (nivel degris de cada pxel). El nivel de preci-sin de la correlacin se estima pormnimos cuadrados. Es el sistemams extensamente utilizado.

    3. FBM (feature based matching). Lasventanas de imagen y destino sonagrupaciones de pxeles que repre-sentan formas (caractersticas) comopuntos, lneas, etc

    Aerotriangulacin

    La aerotriangulacin es la tcnica foto-gramtrica que permite determinar las coor-denadas de los puntos de enlace entre pasa-das y modelos as como los parmetros deorientacin exterior (relativa y absoluta) decada uno de los modelos fotogramtricos, apartir de un mnimo nmero de puntos deapoyo tomados en el campo y ayudados demediciones hechas en los fotogramas.

    La aerotriangulacin digital es el proce-so que ms fcilmente se puede automati-zar de todos los que componen el flujo detrabajo fotogramtrico digital.

    Las ventajas de la aerotriangulacindigital son el gran nivel de automatismodel proceso, su velocidad de ejecucin (4minutos por foto), alta precisin y econo-ma. Tras obtener la orientacin interna yexterna de cada foto, se podrn visualizaren estacin de trabajo digital de forma este-reoscpica (3D) y obtener cartografa.

    Las fases de la aerotriangulacin digitalson:

    Definicin del bloque de fotos que hade cubrir la zona a cartografiar.

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  • Medicin automtica de los puntosde control (con leve ayuda humana). Eleccin de los puntos. Numeracin de los puntos. Transferencia de los puntos a las

    fotos anexas. Medicin de coordenadas instru-

    mentales de los puntos. Clculo y compensacin.

    Obtencin del Modelo Digitaldel Terreno (MDT)

    En las fases anteriores se ha abordado larealizacin de la orientacin del modelo 3Dy la aerotriangulacin de todo el bloque.Un paso fundamental para la obtencin deortofotos es la obtencin del MDT. Este sepude obtener manualmente estableciendouna red de puntos con coordenadas X,Y,Zconocidas, mediante la continua interven-cin del operador , pero no es lo usual,dado que el proceso es fcilmente automa-tizable, mediante tcnicas de correspon-dencia automtica de imgenes valindo-nos de los sistemas de correlacinautomtica (encontrar en una foto el deta-lle seleccionado de la anterior).

    Otra forma de obtener el correspondien-te MDT es mediante el escaneado lser (laserscanning LIDAR), valindonos de losgrandes avances en esta tcnica, que es elobjeto de la segunda parte de este artculo.

    La denominacin ms genrica de estosmodelos es la de MDE (Modelo Digital deElevaciones), de los cuales un caso parti-cular es el MDT que describe la superficiedel terreno, sin considerar lo que sobre lexiste. Son un conjunto de datos (coorde-nadas X e Y de puntos) de las que se extra-pola la coordenada Z en funcin de las Zde su alrededor. Est compuesto por unamalla regular irregular con caractersti-cas diferenciadas al que se aade las lneasde cambio de pendiente. Un caso particu-lar del MDT es el Modelo Digital de Edifi-cios (en ingls DBM Digital BuildingModel) que representa la superficie 3D deobjetos y detalles realizados por el hombreque estn situados sobre el MDT (edificiosy estructuras).

    El modelo que completa la relacin es elModelo Digital de Superficies, (DSM Digi-tal Surface Model) (ver cuadro 1) que es elms completo de todos ya que envuelve ymodela por completo la superficie 3D deuna zona (vegetacin, edificios, mobiliariourbano, terreno, etc).

    Por tanto de un MDS podemos obtenerun MDT eliminando todo lo que sobresaleo penetra en el terreno (J. L. Lerma 2002).

    Una vez elegido el tipo de modelo quehemos de utilizar, pongamos el ms senci-llo, el MDT, basndonos en la identificacinautomtica de puntos homlogos en ambasfotos, y conocidos de la anterior fase lasorientaciones de los modelos 3D, calcula-mos automticamente, de forma analtica laZ del terreno. El paso siguiente sera definirla cuadrcula (paso), precisin altimtricade la misma, escala de la foto y mtodo decaptura. Mediante el mtodo elegido, pri-mero el operador define las lneas de ruptu-ra y cambios de pendiente, y luego median-te las tcnicas comentadas FBM ABMpartiendo de la seleccin de un detalle en laimagen original, se identifica el mismo en laimagen homloga, se aplican ecuaciones decolinealidad y se obtiene la Z del terreno.

    Este proceso se repite en todas las zonasdel modelo 3D y a partir de estos puntos se

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    Figura 6Representacin de Modelo Digital

    del Terreno

  • interpola una superficie del terreno paraobtener la cuadrcula de puntos final.

    Este mtodo es uno de los utilizados,pero como ya se adelant la tendenciaactual es el uso del sistema LIDAR, por loque un input para la rectificacin de im-genes areas es el modelo de elevacin. Laforma tradicional de corregir la geometrade la imagen es mediante el uso de unmodelo de suelo desnudo raso. (MDT).El resultado de este tipo de rectificacin esaceptable para aplicaciones a pequea esca-la, sin embargo, las imgenes a gran escalasufren del hecho de que los objetos en 3Dtienen una tendencia.

    Los objetos en 3D no estn representadosde forma geomtricamente correcta, ya quesus alturas no estn tomadas en cuenta. En elcaso de edificios, los desplazamientos de susencuentros con el suelo (pies) y tejados esextremadamente inadecuado, cuando, porejemplo, se mezclan las imgenes con otrainformacin geogrficamente correcta.

    En el pasado, la informacin 3D de losobjetos era extrada frecuentemente slo delos objetos relevantes, tales como edifi-cios, puentes, etcLos objetos tales comorboles, coches, y otros irrelevantes, noeran considerados ya que era demasiadotrabajo determinar sus alturas.

    El escner lser aerotransportado, es unmedio para generar un modelo completo 3Dde la superficie. Un LIDAR DSM (modelodigital de superficies obtenido por LIDARaerotransportado) forma la base ideal parauna rectificacin muy perfecta, suponiendoque ambas escalas y resoluciones de las im-

    genes y de los datos de elevacin del LIDARestn armonizados (U. Lohr 2002)

    Utilizacin del sistema LIDARpara crear Modelos digitales

    Una vez orientado el par estereoscpicoel siguiente paso para la obtencin de la orto-foto verdadera (true-ortho), sera conocercon la mayor precisin posible el relieve delterreno, su forma topogrfica, para poderadaptar a l, de esa forma el par estereosc-pico y realizar las correcciones diferenciales,que conviertan en la fotografa area en undocumento cartogrfico que permita obtenermediciones fidedignas sobre l.

    Tradicionalmente el modelo digital delterreno (MDT) se obtena mediante corre-lacin del par estereoscpico. Es decir unavez situado el par estereoscpico en lamisma posicin relativa con respecto alobjeto (orientacin relativa), reproducien-do los parmetros fotogrficos de toma(orientacin interna), y nivelado y escaladoel modelo formado (orientacin absoluta),los artilugios matemticos desarrollados enel moderno software son capaces de ircorrelando los puntos homlogos, es decir,posndose sobre el modelo 3D formado deforma automtica y en tiempo real.

    Esto permite ir registrando las cotas(coordenada Z) de todos los puntos del terre-no, normalmente mediante una cuadrculapredefinida incorporando a ella los puntosque el operador seleccione para definir mejorlas lneas importantes del terreno (una eleva-cin, un borde de talud, etc). Si hablamos

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    LUIS JULIAN SANTOS PREZ

    Cuadro 1Modelo Digital de Superficies

    Nivel de detalle Tipo de modelo Siglas espaol Siglas ingls

    1 (mximo) Modelo Digital de Superficies M.D.S. D.S.M.

    2 (medio) Modelo Digital de Edificios M.D.Ed. D.B.M.

    3 (mnimo) Modelo Digital del Terreno ( de Elevaciones) M.D.T. (M.D.E.) D.T.M. (D.S.M.)

  • de cartografa urbana, sera necesarioaumentar en gran manera la precisin de estared, aparte de obtener puntos en el terreno,sera necesario, dar puntos de cota en losencuentros de los edificios con el terreno yen la parte superior de los mismo, para asdefinir un modelo 3D urbano en el que apa-rezcan todas las volumetras de los edificios.

    Este conocimiento de la forma del terre-no as obtenido, adolece de diversas fuentesde error, sobre todo en la posicin mal elegi-da de los puntos para los fines buscados. Lallegada de un sistema de captacin de datossobre el terreno como el LIDAR, en los lti-mos aos de la dcada de los 90 ha venido acambiar de forma radical esta visin de losproblemas que nos ataen y ha supuestouna verdadera revolucin para las cienciascartogrficas y para la ingeniera.

    Descripcin del sistema LIDAR

    Las siglas LIDAR, significan LIghtDetection And Ranging. Consiste en unsensor lser transportado en avin queobtiene un modelo digital del terreno(MDT) por telemetra lser. Es decir, midede forma extraordinariamente rpida y pre-cisa distancias desde la posicin del sensorhasta el objeto, en nuestro caso (areo)desde el sensor aerotransportado hasta elsuelo, representando hasta los ms peque-os detalles de su superficie. Tambin sepuede situar el sensor en el suelo y tendra-mos un sistema similar.

    a. Orgenes

    A modo de breve pincelada, la base enla que se funda el sistema es la medida dedistancias mediante lser. Esto se ha venidousando desde hace tres dcadas en los apa-ratos de medida electrnica de distancias,de forma que un distancimetro electro-magntico emita un rayo lser de luz novisible que se reflejaba en un prisma reflec-

    tor situado en el otro extremo de la distan-cia a medir. Conociendo la velocidad de laluz y midiendo el nmero entero de longi-tudes de onda as como la porcin no ente-ra, se calculaba la distancia con una preci-sin de pocos milmetros por km.

    Este sistema tiene el mismo fundamen-to, pero en este caso el haz lser es muycondensado y visible (de hecho no sepuede usar en determinados lugares habita-dos en determinadas frecuencias por siincide en los ojos de alguna persona) ymide cientos de distancias por minuto.

    Si el sensor lo situamos en tierra en vezde en un avin, tenemos el sistema demedida lser escner terrestre, con elmismo fundamento. En este caso crea unmodelo tridimensional perfecto con perfec-ta definicin, del objeto a estudiar. Cadauno de los puntos de la imagen tiene coor-denadas X,Y,Z de alta precisin en funcinde la distancia a la que se encuentre elmodelo (Fig. 7).

    El origen del sistema es doble, por unlado se necesitaba una mquina que pudie-ra entrar en lugares de alta contaminacinnuclear fugas en centrales nucleares tele-dirigido y que construyera un modelo per-fecto, por ejemplo del interior del reactor.Por otro lado el ejrcito de USA buscaba un

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    Figura 7Levantamiento de puente en 3D

    por lser scanner

  • vehculo militar no tripulado (carro decombate) que fuera tomando datos entiempo del real del terreno por el que sefuera moviendo y comparndolo con lacartografa digital que transportaba, deforma que mediante inteligencia artificial,tomara decisiones sobre la ruta a seguir ylograra sobrevivir a eventuales ataques.Estos dos objetivos vinieron a dar con laidea del lser escner.

    En el caso del sistema LDAR aero-transportado, el modelo del suelo as for-mado posee un alto nivel de precisin, deforma que podemos conocer las coorde-nadas X,Y,Z de cualquier puntos de susuperficie (figs. 8). Para ello tenemos quetener en nuestro poder las coordenadasde los puntos que el avin va recorriendoen su trayectoria de levantamiento, cosaque hoy en da es posible gracias al siste-ma GPS que nos da las coordenadas delpunto de toma con gran precisin basn-dose en la poscin conocido de al menostres satlites de la constelacin y a la pla-taforma giroestabilizada IMU que aportala posicin del punto de toma en losmomentos de prdida de seal del siste-ma GPS.

    b. Fundamentos

    Por tanto, con el sitema LIDAR se midela distancia del avin (sensor) al suelomediante un barrido contnuo, conociendoel tiempo de retorno de un pulso lser(eco) basado en los principios de la MED(Medida Electrnica de Distancias).

    Se necesita conocer la posicin del sen-sor en el sistema de referencia WGS84mediante GPS diferencial (se necesita unreceptor GPS en tierra que enve al avincorrecciones diferenciales) y la orientacindel sensor por la plataforma giroestabiliza-da IMU (Unidad de Medida Inercial) com-puesta por una triada de acelermetros ygirscopos en las direcciones de los ejescoordenados 3D. Tambin es necesarioconocer la refraccin del rayo lser paraaplicar las correcciones correspondientes alas distancias medidas y as tener constan-cia de la precisin y fiabilidad de los datosadquiridos.

    La captura del rayo lser reflejado (eco)se basa en la luz difusa reflejada en todasdirecciones por los objetos:

    Slo una mnima parte de la luz inci-dente vuelve al receptor.

    Materiales como el asfalto (negro)apenas refleja nada.

    Materiales de gran reflectividad(espejo) como agua en calma aleja-dos de la vertical del avin puedenhacer que el rayo se pierda y noregrese al sensor ya que se refleja enuna sla direccin.

    Los mltiples reflejos de los rayos lser,cada uno con su intensidad propia se crean ogeneran al incidir el pulso lser en los distin-tos puntos de los objetos (rboles, edificios,etc) ( Fig. 9). ecos en todas direcciones.Todas las superficies reflectoras, dentro de lahuella del lser, generan la onda de retorno.

    Los puntos recogidos, (patrn de esca-neo del terreno), pueden conformar bienuna red regular bien seguir patrones sinu-

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    LUIS JULIAN SANTOS PREZ

    Figura 8Esquema sistema LDAR

  • soidales. En cualquier caso no distinguenlas caractersticas del terreno, es decir nodefinen los cambios de pendiente u otrosdetalles. En cualquier caso obtendramosuna nube de puntos con X,Y,Z, de losmismos en WGS 84.

    Un anlisis ms sofisticado de la seal(Figs. 10) de retorno nos da informacinadicional

    multiples ecos da la altura de rboles y objetos

    bajo ellos intensidad del eco

    ayuda a la fotointerpretacin

    En la figura podemos apreciar la dife-rencia entre los ecos, en un terreno sin ele-mentos verticales (suelo desnudo) tendrun solo eco, pero si exiten edificios vege-tacin, esos ecos sern mltiples, de formaque podremos discriminar entre ellos,seleccionando los que nos convengan y eli-minando los otros. Por ejemplo, si selec-cionamos un primer eco en un bosque ten-dremos la representacin de las zonas msaltas de la cobertura vegetal (copas de losrboles), si tomamos el 2 se nos represen-tarn las ramas medias y si slo el 3,obtendremos el suelo sin cobertura vegetal.

    Por tanto, la imagen que nos muestra lafigura 11 cmo sera la representacin quese obtendra del terreno y los elementossituados sobre l.

    Como hemos visto ms arriba, podemosseleccionar qu eco (reflexin del rayo) nosinteresa. Si seleccionamos el primer eco

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    Figura 9El lser incide en una superficiey se refleja en todas direcciones

    Figura 10Diferentes ecos producidos

    por un elemento vertical (rbol)

    Figura 11Obtencin de ecos

  • (parte ms alta de edificios y vegetacin y elltimo (suelo) obtenemos un perfecto mode-lo digital de superficies tridimensional, conX,Y,Z de cada uno de los miles de puntos quelo componen. Sus aplicaciones, son tantasque se dejan a la libre imaginacin del lector.

    Aunque no sea de aplicacin en catastro,es de gran importancia la aplicacin hidro-lgica de los datos LIDAR. La aplicacin deDTMs derivados de un levantamientoLIDAR (Lser escner) produce enormesventajas para modelizar reas con riesgo deinundaciones. Con el fin de encontrar losrequerimientos de la alta precisin quepiden los hidrlogos, son necesarias cuida-dosas aplicaciones de tecnologa avanzadaen el campo de los DTM. Hay que conside-rar, especialmente los siguientes puntos:

    Datos de escner lser aerotranspor-tados y georreferenciados.

    Interpolacin de DTMs teniendo enconsideracin la informacin de laslneas de ruptura, extradas automti-camente de los datos del lser escnerpor medio de artilugios matemticos.

    Modelos derivados de edificios y devegetacin, que sirven para tomaren consideracin superficies rugo-sas influenciadas por la escorren-ta evitando as que existan datosque falseen la informacin hidrol-gica.

    Precisin de las cotas obtenidas delos DTM del escner lser y precisinen la posicin del los lmites de lasreas inundadas, que fueron predi-chos por las riadas.

    Uno de los productos ms importanteses la previsin de reas inundadas en casode crecida para evitar daos humanos ymateriales con la suficiente antelacin.

    Valindose de la gran precisin del sis-tema LIDAR, tanto en planimetra como enaltimetra, se puede incluso determinar laprofundidad del agua en las zonas inunda-das (curvas batimtricas) (K.Kraus 2002).

    c. Precisin del sistema LIDAR

    Fuentes del error posicional (x,y,z).Las principales fuentes del error posi-

    cional en el proceso de toma de datos deLIDAR estn asociadas con:

    1. El equipo GPS a bordo del avin,para definir las coordenadas delpunto de cada toma.

    2. La unidad de navegacin inercial(IMU) para estimar la posicin entrelos puntos fijos de GPS (puede serun desplazamiento largo).

    3. La unidad de medida inercial (IMU)para monitorizar la direccin en laque apunta el lser.

    En lneas generales, el error horizontal(x,y) es mucho mayor que el error vertical(z). Valorar la precisin horizontal de lasobservaciones ldar es problemtico. Lamayora de los lser usados en los sensorescomerciales de ldar son similares y tienenuna divergencia (dimetro de la base delcono que forma cada rayo lser) de entre0.2 a 0.33 m. Esta divergencia en lo querespecta al ngulo de escner y altura devuelo define la huella (footprint) del ldar(tpicamente entre 0.24 a 0.60 m.). Lashuellas pequeas son ms adecuadas parapasar entre huecos de la cubierta vegetal.

    Cmo clasificar los errores en los pun-tos ldar

    Un pulso ldar sencillo es emitido haciauna superficie (terreno) alrededor de10.000 a 70.000 veces por segundo. Lamayora de los sensores ldar graban laenerga devuelta en forma de onda de ml-tiples pulsos. Entonces slo se identificanalgunos retornos (por ejemplo 4 5). Enalgunos casos la magnitud del pulso tam-bin se graba (intensidad). A partir de estegrupo de retornos de ldar se usan mtodosautomticos y manuales para identificar

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    LUIS JULIAN SANTOS PREZ

  • etiquetar cada retorno como un retorno desuelo, de vegetacin , de edificio,u otro. Mediante este proceso se puede eli-minar la capa que se desee para filtrarinformacin. Un operador humano anali-zar el grupo de candidatos de retornos desuelo para mejorar la precisin de la cata-logacin de puntos. El analista humanovisualizar reas pequeas como una nubetridimensional de puntos ldar superpuestaa una ortofoto digital. As, el proceso de eti-quetado se va adaptando de forma local ysubjetiva.

    Fuentes cartogrficas de error

    Una caracterstica bien conocida delerror de las cotas observadas para la carto-grafa del terreno es la relacin con la pen-diente del mismo (Maling 1989). El mxi-mo valor del error de elevacin es unafuncin de la pendiente del terreno.

    Por ejemplo, el error de cota introduci-do para un punto con 100 cm. de errorhorizontal en una pendiente de un 10 %puede aumentar a +- 18 cm.

    Algunos estudios anteriores en carto-grafa topogrfica han demostrado la rela-cin entre la densidad de puntos observa-dos y la precisin del DEM derivado.Cuando la densidad de puntos observadoscrece, la precisin del DEM resultante tam-bin crece.

    Valoraciones empricas de los erroresldar. Resumen de fuentes de error.

    Los modelos digitales de elevaciones(DEM) producidos a partir de observacio-nes ldar, se crean desde retornos de losrayos lser desde el suelo. Estas cotas desuelo derivadas de ldar, contienen erro-res de tres fuentes:

    Errores de cota del sistema de medi-da del sensor.

    Errores horizontales del sistema demedida del sensor.

    Errores del proceso de etiquetadoprocedente de identificar un retornode suelo confundindolo con otrotipo de retorno (parte superior de lacubierta vegetal, vegetacin interme-dia, tejados de edificios).

    El estado de Carolina del Norte, estrecogiendo actualmente datos ldar aero-transportados para cartografiar su territo-rio. Los datos ldar se recogieron con unespaciamiento de 4.5 m. La precisin verti-cal para sus datos es de 20 cm. para conda-dos costeros, compuestos principalmentepor terreno llano y de 25 cm. para conda-dos del interior, compuestos por terrenoondulado con colinas. Para estas zonas deCarolina del Norte, la precisin total basa-da en el 95% RMSE (error medio cuadrti-co) calculado, fue de 15,15 cm. en cota.

    La peculiaridad de este estudio era quelos datos ldar se tomaron en condicionesde rboles con hojas (verano). Este estudioencontr que la precisin era significativa-mente diferente en funcin de las cobertu-ras de suelo. El error en cota con los datosldar alcanz desde los 33 cm. (hierbacorta) hasta los 153 cm. con matorral.

    El error en la medida de la cota de unpunto ldar es de carcter acumulativo pro-ducido por varios factores. El error hori-zontal es una funcin de los mismo facto-res pero a menudo dominados por la alturade vuelo. El error horizontal a menudo secuantifica en 1/1.000 de la altura de vuelosobre el suelo. Es decir si se vuela a unaaltura ordinaria de 3.300 pies (1.000 m.) Elerror de posicin en planimetra (x,y)puede oscilar alrededor de 100 cm. El errorhorizontal introducir errores de elevacinadicionales

    La comprobacin de resultados consistien comparar los puntos ldar obtenidos conlos mismo puntos, pero levantados topogr-ficamente en el terreno mediante GPS dealta precisin. Basndose en el error obser-

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

  • vado de los puntos ldar levantados topogr-ficamente, el error para todos el conjunto dedatos fue de 21.1 cm. (RMSE) en planime-tra. El error de cota (RMSE) va de 17,2 a25.9 cm entre las diferentes categoras deusos del suelo. Los errores ms bajos seobservaron en puntos bajo el bosque de hojaperenne, pavimento y hierba alta. El bosquede hoja caduca y los arbustos y rboles bajosmostraron los errores ms altos(de 25,9 a23.3 cm respectivamente).

    En la actualidad los equipos han mejo-rado mucho y en la figura 12 se pueden

    apreciar los errores en funcin de la alturade vuelo, y del FOV (Field of View) del sis-tema. [FOV es el ngulo de abertura delbarrido del terreno]

    En resumen, los errores vienen muyinfluenciados por los componentes del sis-tema de posicionamiento. El error GPS esrelativamente constante en toda la opera-cin. Los errores de IMU y codificadorangular aumentan con la altura de vuelo yla divergencia respecto a la vertical. Enbreve se podrn obtener precisiones X,Y,Zcon un RMSE mejores que 10 cm.

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    Figura 12Errores verticales y horizontales en funcin del campo de visin del LDAR

    d. Generacin de Modelos Digitales de Ele-vaciones (DEM). Mtodos convencionales

    Superficie terrestre. Todo tipo deformas de estructuras y vegetacin,objetos artificiales (puentes, carrete-ras,etc), superficies temporales.

    Definicin del modelo. Aquellaspartes de la superficie terrestre quetienen que ser representadas en elmodelo. Abstraccin, idealizacinde la superficie terrestre. Paso de lasuperficie fsica a la superficie mate-mtica.

  • (varios millones) en muy poco tiempo, conuna gran precisin en XYZ (10-15 cm).Adems tienen muy poca importancia lassensibilidad a condiciones de iluminacin(da y noche) y ambientales (calima, humo,etc.) y es de rpida obtencin.

    Se pueden determinar tanto la altura deedificios (volumetra con poca o nula revi-sin de campo) y de vegetacin gracias a losmltiples ecos. Se puede obtener una clasifi-cacin de usos del suelo trabajando con elparmetro intensidad que proporciona elsistema y por ltimo se puede combinar conuna cmara digital de pequeo formato paraobtener ortofotos (ms con fines de fotoin-terpretacin que mtricos). Por tanto elLIDAR puede sustituir a la Fotogrametraconvencional en aquellas aplicaciones querequieren gran precisin con un esfuerzoinferior al requerido en Fotogrametra clsi-ca sobre todo en zonas limitadas, dada lagran cantidad de puntos medidos. Este es elcaso de los modelos urbanos, pero tambinde cuencas hidrogrficas y reas inundables,costas, gestin de obras lineales y corredoresy evaluacin de daos en desastres.

    Adems ofrece alguna posibilidad deutilizacin en aplicaciones fuera del alcan-ce de la Fotogrametra, ya que gracias a lacapacidad multi-eco (o multirretorno) per-mite determinar la altura de objetos que nocubren totalmente el suelo sobre el queestn situados (determinados tipos de lser(verde) pueden penetrar varios metros enel agua). Por ello puede ofrecer grandesbeneficios en el tema forestal (altura derboles y MDT en zonas de rboles conhojas) y en lneas de alta tensin (modeli-zacin de catenarias).

    g. Postproceso de los datos LIDAR

    Una vez obtenidos los datos de retorno apartir de las emisiones de lser, hay que rea-lizar una serie de operaciones en gabinetecon esa ingente cantidad de informacin deforma que las fases del postproceso son:

    Topografa. Medicin de puntos dis-cretos y estructuras lineales que defi-nan la superficie del modelo.

    Modelo Digital de Elevaciones. Des-cripcin matemtica de la superficieque define el modelo, mediante pun-tos discretos, estructuras lineales yalgoritmos de interpolacin apropia-dos a partir de modelos fotogramtri-cos 3D formados en aparatos restitui-dores.

    e. Generacin de Modelos Digitales delTerreno por LIDAR

    f. Modelos Digitales de Ciudades(Modelos Urbanos)

    Los modelos digitales de ciudades sonuno de los productos directos LIDAR degran aplicacin en los catastros. Facilitan,gracias a la gran precisin de ldar combi-nado con algoritmos matemticos de reco-nocimientos de formas, planos de ciudadesen tres dimensiones de rigurosa precisinplani-altimtrica. Bien es verdad que es unproducto no econmico debido a que laedicin humana es hoy por hoy todavanecesaria, pero en breve ir disminuyendo.

    Con este sistema, se obtienen, a partirde un vuelo, gran densidad de puntos

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    Superficie Terrestre

    Vuelo para levantamiento

    ModeloDigital

    delTerreno

    ModeloDigital

    de Super-ficie

    ModeloDigital

    deCiudades

    Nuevasaplica-ciones

    Procesamiento de los datos

  • Proceso de datos GPS/INS: Determi-nacin de posicin y ngulos de acti-tud del avin.

    Obtencin de nube de puntos XYZ. Filtrado y clasificacin. Obtencin de datos en formatos

    estndar.

    El principal problema que presenta elpostproceso de datos LIDAR es el granvolumen de puntos a manejar (10-100millones de puntos). Se requiere filtrar lanube de puntos para poder pasar a un sis-tema CAD, aqu es necesaria la interven-cin humana para evitar errores y repeti-ciones.

    h. Situacin actual del mercado LIDAR enel mundo

    En la actualidad slo existen dos fabri-cantes comerciales: Leica Geosystems yOptech. Exiten, eso s, fabricantes artesa-nales que manufacturan equipos para usopropio o alquiler y servicios. Optech fue elprimer fabricante en serie por lo tanto esel extendido, pero con el ritmo actual deventas, Leica Geosystems igualar la cuotade Optech en poco tiempo. ms de unao. En cuanto a equipos funcionando,han pasado, en todo el mundo de 41 en elao 2.000 a 110 en los principios del2.005.

    Mtodos de produccin de ortofotosdigitales y ortofotos verdaderas(true-orto) y su aplicacin en el catastro

    La acepcin de true-ortho (ortofoto ver-dadera (O.V.)) enfatiza el concepto anteriorde ortoimagen y se asigna a la ortoimagenque representa toda su imagen en proyec-cin ortogonal. Este concepto es utpicopuesto que siempre existen pequeos obje-tos (rboles, arbustos, farolas, etc) ograndes edificios, vegetacin e infraestruc-tura (puentes) que no estn correctamentemodelados ni cartografiados. En la prcti-ca, las ortoimgenes convencionales pre-sentan desplazados (en direccin radial) lasimgenes de los objetos excluidos delmodelo, mientras que las O.V. corrigen adi-cionalmente la situacin de los objetosgrandes, tanto artificiales como naturales(vegetacin) (J. L. Lerma 2002).

    Por tanto la O.V. se presenta como unnuevo sistema, revolucionario y preciso, paraelaborar Cartografa Catastral Urbana conplenas garantas de capturar toda la informa-cin interesante para los fines del Catastroprecisin planimtrica, volumetra de edifi-cios, actualizacin rpida, etc.

    Hasta ahora las ortos de gran escala(500, 1000 y 2000) de ciudades han usadoMDTs as como algoritmos y procedimien-tos estndar que producen los siguientesproblemas:

    1. Desplazamientos y ocultamientosque hacen difcil sobreimponerinformacin vectorial para propsi-tos de actualizacin de cartografa.

    2. La ortorrectificacin es parcialmenteimprecisa geomtricamente y/oincompleta (los edificios se distor-sionan y se mueven de su localiza-cin verdadera debido a que noestn modelados en el DTM).

    Usando Modelos Digitales de Superficie(MDS) y considerando reas ocultas esposible generar O.V. que no tengan los pro-

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    LUIS JULIAN SANTOS PREZ

    Figura 13. Estudio volumtrico de mina a cielo abierto.

  • blemas mencionados. Como vimos, un pri-mer paso, en el campo de la ortoproyeccindigital fue el uso de MDT (Modelos Digita-les del Terreno) para generar ortos, pero elproblema era que los MDT modelan lasuperficie del terreno sin objetos humanos.

    La clave es utilizar Modelos Digitalesde Superficies (MDSs), es decir un MDTpero con la captura de los datos que repre-senten todos los objetos que hay sobre l,sean humanos (edificios, carreteras, puen-tes, etc) naturales (vegetacin). Lasortofotos generadas con estos modelossuperan las anteriores deficiencias que sur-jan los siguientes problemas:

    a. Las ocultaciones que ocurren en lasimgenes simples se tienen querellenar con la combinacin de lainformacin situada en varias ortosadyacentes. Pero a menudo no todaslas reas ocultas se pueden completarpor falta de recubrimientos.

    b. Los tejados tienen que ser modeladosde la forma correcta, ya que de otraforma estn distorsionados en lasortofotos o se muestran con bordesdentados. Modelar todo tipo de teja-dos con precisin y en detalle, puede

    ser complicado si el clculo es auto-mtico se dispone de poco tiempo.

    a. Generacin de ortofotos verdaderas

    La generacin de true ortos tiene que con-siderar la proyeccin ortogonal con un MDS,la deteccin de reas ocultas y el relleno de lasmismas se har tomando las partes de imagenperdidas de las ortos conlindantes.

    a.1. Proyeccin ortogonal con MDS

    Partiendo de la base que la imagenfuente est correctamente georreferencia-da, la ortoproyeccin es tan precisa como elmodelo de superficie (MDT) que tienedebajo. Lo importante es contar un unbuen MDS, si es as, los objetos humanossern proyectados a su verdadera posicingeomtrica. Veamos el esquema de la orto-proyeccin con un MDS (Fig. 15), que esuna proyeccin ortogonal.

    El problema es que las reas ocultas porlos objetos humanos no son visibles en laimagen. En la figura 16 el tejado del edificiotambin cubre el rea de ocultacin en la

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    Figura 14. Imagen Izqda. Ortofoto tradicional. Es visible la fachada del edificio y la perspectiva hace que se oculte lacalle opuesta. Imagen Dcha. Ortofoto verdadera, no se ven las fachadas y s las calles

  • imagen area original. Si tales reas no sondetectadas por el software de rectificacin laortoproyeccin la rellenar exactamente concontenido de la imagen, pero de la mismaimagen. Esto entonces crea el llamado efec-to fantasma (ghosting effect). La ortofoto dela figura 17 muestra tal efecto. Podemosapreciar esa duplicacin en todos los edifi-cios altos imgen central, aparece la cum-brera del edificio sin realizar en l la rectifi-cacin y simultneamente la rectificada.

    a.2. Deteccin de reas ocultas

    Con el fin de superar tales efectos fan-tasma hay que detectar las reas ocultas.Esto se hace considerando la lnea de vistadesde el centro de proyeccin a un puntoespecfico del objeto del MDS. Con unaimagen fuente y un MDS es posible marcarlas reas de ocultacin en la ortofoto.

    a.3. Relleno de las reas ocultas

    Combinando informacin de la imagenoriginal con otra obtenida de varias imge-nes fuente adyacentes, es posible rellenarlas reas ocultas.

    Con un MDS e imgenes fuente conrecubrimiento desde diferentes vistas (porejemplo un bloque de imgenes areas) unopuede generar ortofotos con recubrimientoy obtener las zonas ocultas en una desde lasotras. Fusionndo las reas con recubri-miento, todas las partes de esas reas quesean visibles en una de las ortofotos se pue-den rellenar con informacin real de la ima-gen. Este proceso debe ser muy inteligenteya que se han de considerar todas las im-genes con sus diferentes radiometras(intensidades luminosas), las lneas de cos-tura (uniones de las piezas del puzzle) setienen que encontrar y disimular automti-camente y las ortofotos se tienen que fusio-nar de forma que ms tarde no sea posiblever que el conjunto final est formado por

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    LUIS JULIAN SANTOS PREZ

    Figura 15Esquema de proyeccin true-ortho con un MDS

    Figura 16rea de oclusin en imagen izqda. Se puederellenar usando contenidos de imagen dcha.

  • contenidos que provienen de varias imge-nes. De otra forma el mosaico parecera untapiz hecho de recortes.

    Una ortofoto basada en un DSM y conlas reas ocultas reemplazadas (fusionadas)

    es conocido como Ortofoto verdadera. Esverdadera debido a que los objetoshumanos son verdaderamente proyectados(edificios) en la direccin paralela y per-pendicular sobre el plano de la ortofoto

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    ORTOFOTO VERDADERA (TRUE-ORTHO) Y LDAR, EL POSIBLE FUTURO DE LA CARTOGRAFA CATASTRAL URBANA

    En la imagen derecha (Fig. 17) pode-mos apreciar que los edificios se repre-sentan con una proyeccin perfectamen-te ortogonal (no se ven sus fachadas niestn distorsionados ni dejan reas ocul-tas). Las reas que antes estaban ocultasahora estn completamente cubiertas coninformacin real obtenida de las imge-nes adyacentes.

    ConclusionesComo hemos visto, la ortofoto sigue

    siendo una gran herramienta para los usoscatastrales en el mbito rstico. La irrup-cin del la ortofoto verdadera en combi-nacin con el sitema LDAR, puede supo-ner que esta tcnica entre de formadefinitiva tambin en el mbito urbano. Lainformacin que suministra una ortofotoverdadera (Fig. 18), es infinitamente msrica que la de la cartografa convencional

    y no deja zonas ocultas adems de conser-var los edificios una proyeccin perfecta-mente ortogonal.

    Figura 17. Izquierda. - Orto convencional (Existen zonas ocultas). Centro.- Paso intermedio (se aprecia el efectofantasma). Derecha.- Orto verdadera ya corregida (reas ocultas rellenas con informacin de ortos adyacentes)

    Figura 18. Ortofoto verdadera de rea central de una ciudad

  • El modelo digital de ciudad que esnecesario para la elaboracin de O.V. sepuede obtener con gran facilidad gracias ala tecnologa LDAR que suministra unaingente cantidad de puntos con coordena-das X,Y,Z de alta precisin. Por tanto ten-dremos la informacin altimtrica necesa-ria para describir la volumetra de losedificios (adems de vegetacin, mobiliariourbano, etc). Pudindose utilizar, tras laedicin correspondiente para conocer conprecisin los edificios, como inventario ymultitud de otras aplicaciones.

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    LUIS JULIAN SANTOS PREZ