Reconocimientos aéreos – Fotogrametría y Sistema de

información geográfica – SIG

1. Reconocimientos aéreos – fotogrametría

Hay dos formas de levantar mapas a partir de fuentes primarias. Una de ellas es el

levantamiento sobre el terreno y la otra los reconocimientos aéreos, es decir hacer

mediciones a partir de fotografías aéreas. Los puntos determinados en fotografías aéreas

sobrepuestas pueden transformarse en posiciones en un mapa, ya sea utilizando medios

mecánicos análogos o mediante el uso de técnicas matemáticas.

El principio de la fotogrametría aérea se basa en un avión que avanza disparando fotos

consecutivas, cada cierto intervalo. La fotogrametría se ha convertido en una de las

principales formas de incorporar información a un mapa o a un sistema SIG (Sistema de

Información Geográfica), debido al buen compromiso que mantiene este método entre

coste económico, velocidad de ejecución y precisión.

Para ello se utilizan fotogramas aéreos de eje vertical tomados desde un avión

sobrevolando la zona de estudio. Posteriormente, y tras diversos trabajos topográficos de

campo que se comentan posteriormente, esas imágenes servirán para trazar mapas.

La implementación de la fotogrametría en mapas se podría resumir en cuatro fases:

I. Realización del vuelo fotogramétrico

Consiste en sobrevolar el territorio con un avión, y tomar fotografías de eje

vertical, recubriendo el territorio con fotogramas que se solapen tanto longitudinal

como transversalmente.

Como norma general, estos solapes suelen ser del 60% en el eje longitudinal y del

20% en el eje transversal, aunque dependiendo de la utilidad del vuelo estos

porcentajes pueden variar notablemente. Las fotografías consecutivas tienen que

tener zonas comunes entre sí.

Las fotografías aéreas resultantes de un vuelo fotogramétrico no tienen una escala

exacta, al ser el resultado de una perspectiva cónica y por el efecto ondulante del

terreno. Así, cada punto dentro de una foto tiene su propia escala, dependiendo

del lugar con respecto al centro de la foto y de la altura del terreno. No obstante, sí

puede hablarse de una escala media de los fotogramas, que aunque no exacta es

aproximada. Esta escala media mantiene una estrecha relación con los conceptos

distancia focal y altura media del vuelo, de la forma:

fH

= 1E

Dónde:

f=Distancia focal.

H=Altura media del vuelo.

E = Denominador de escala.

Esta expresión básica en fotogrametría es fundamental a la hora de planear un

vuelo. Dependiendo de la focal de la cámara que se vaya a utilizar y de la escala

media de los fotogramas que se desee obtener, hay que volar a una altura u otra

Los fotogramas resultantes de un vuelo fotogramétrico deben contener, además

de la información gráfica del territorio de análisis, la siguiente información:

a) Organismo contratante del vuelo.

b) Empresa que realiza el vuelo.

c) Zona del vuelo.

d) Fecha.

e) Hora.

f) Escala aproximada de los fotogramas.

g) Número de pasada.

h) Número de foto.

i) Información sobre la cámara métrica (distancia focal, modelo).

j) Marcas fiduciales (marcas ubicadas en las esquinas de la foto que son la

referencia para calcular el centro geométrico de la misma. Son un

elemento imprescindible para la posterior restitución).

k) nivel para comprobar la verticalidad del fotograma.

l) Altímetro, con indicación de la altura aproximada sobre el nivel del mar.

II. Visión estereoscópica

Cuando se ven los objetos en relieve se debe a que los dos ojos del ser humano

proporcionan al mismo tiempo dos visuales del mismo objeto, desde dos puntos

de vista ligeramente distintos que intersectan. Estas dos imágenes son mezcladas

en el cerebro, y como consecuencia puede apreciarse una tercera dimensión.

Este principio de estereoscopía natural sirve también a la cartografía para poder

extraer la tercera dimensión a partir de imágenes bidimensionales. En realidad, lo

que se hace en un vuelo fotogramétrico es sustituir el trabajo de los ojos por el de

una cámara métrica que va en instalada el avión, y sustituir la distancia

interpupilar por la distancia entre disparos consecutivos.

Posteriormente, aparatos denominados estereoscopios (además de los

restituidores de los que después se habla) permiten ver las imágenes. Si

sustituimos lo que ven los ojos por lo que 've' la cámara métrica a bordo del avión,

la estereoscopía también da lugar a imágenes en tres dimensiones. Para que se

pueda reproducir el mecanismo de la estereoscopía, se deben cumplir dos

condiciones esenciales: que cada ojo (o cámara) vea sólo la perspectiva que le

corresponde, y que las visuales tengan intersección entre sí. Con respecto a este

último requisito, la intersección se produce cuando los fotogramas tienen zonas en

común, por lo cual resulta indispensable el llamado 'recubrimiento'

estereoscópico.

No obstante, un solo fotograma también contiene cierta información

tridimensional limitada, que podemos extraer utilizando el punto de fuga de las

verticales de la perspectiva, el punto de fuga de las sombras, y el ángulo de

elevación del sol sobre el horizonte; a este procedimiento de explotar esta

información tridimensional limitada con el uso de una sola foto se le conoce como

'explotación métrica' de un fotograma aislado, siendo un procedimiento que se

utiliza más en el ámbito de la fotointerpretación que en el de la cartografía

propiamente dicha.

La incorporación de una segunda perspectiva de la misma zona incrementa

notablemente la información tridimensional, con la incorporación del concepto de

'par estereoscópico' (dos fotografías consecutivas).

Entre fotografías consecutivas que contienen objetos comunes, se pueden medir

paralajes, los cuales se pueden definir como el desplazamiento aparente en la

posición de un objeto fijo causado por el movimiento de la cámara métrica en el

avión durante el vuelo.

La evaluación de estos paralajes es la base de la fotogrametría de eje vertical. He

aquí su fundamento geométrico:

Dónde:

A = Punto evaluado en el terreno.

01 = Disparo foto 1

02 = Disparo foto 2.

a1 = Punto representado en la fotografía 1.

a2 = Punto representado en la fotografía 2.

ZA = Distancia vertical entre el punto evaluado del terreno y el plano del vuelo.

B = Distancia recorrida por el avión entre dos disparos consecutivos.

f = focal de la cámara métrica.

PA = Paralaje del punto evaluado (a medir sobre la fotografía).

Los triángulos A 01 02 y 02 a1' a2 son semejantes, luego:

Z Af

= BPA→Z A=

B . fPA

En consecuencia, si se evalúan paralajes de puntos con elevación desconocida

junto con paralajes de puntos con elevación conocida, se puede evaluar el desnivel

existente.

Estos puntos conocidos se obtienen de los trabajos de apoyo en campo, que son la

segunda etapa de la secuencia de trabajo.

III. Apoyo topográfico del vuelo y Aerotriangulación

Consiste en realizar un trabajo de campo en el que utilizando diversos métodos e

instrumental topográfico se procede a identificar en términos de coordenadas X Y

Z varios puntos sobre el terreno.

A los puntos identificados se les denomina puntos de apoyo, que más tarde en la

fase de restitución servirán de base para dotar de coordenadas al resto de

elementos presentes en cada par estereoscópico.

A partir de la observación de puntos con coordenadas bien conocidas, como

pueden ser las redes de vértices geodésicos, se aplican diversos métodos

topográficos (cuyo estudio no es objeto del presente artículo) que permiten

conocer las coordenadas de los puntos que hemos seleccionado para que nos

sirvan de apoyo.

El número de puntos de apoyo es variable en función del tipo y precisión del

trabajo, así como del uso de técnicas de asistencia al apoyo con la

aerotriangulación.

IV. Restitución

La restitución es la última etapa dentro de la secuencia de trabajo en

fotogrametría. En ella se junta todo el trabajo anterior (vuelo y apoyo) para trazar

los mapas propiamente dichos.

La restitución consiste en la formación de forma muy precisa de los pares

estereoscópicos en un proceso que se denomina orientación de imágenes, y en la

extracción posterior de los elementos contenidos en ellas mediante unos aparatos

llamados estereo-restituidores.

La tecnología de restitución ha evolucionado de los primeros restituidores

analógicos a los analíticos y por fin a los de última generación digital, que en

realidad ya no son más que un ordenador con el software adecuado.

Mientras los analógicos y los analíticos se basaban en los negativos de las fotos

para realizar el proceso de restitución, los digitales realizan una copia digital de las

fotos (escaneado) que divide en millones de puntos (píxels) la foto.

Esta tecnología fotogramétrica totalmente digital presenta dos incrementos de la

efectividad muy importantes frente a la tecnología de restituidores analíticos:

Por un lado, la extracción de la orografía y la formación de modelos

digitales del terreno está altamente automatizada y se realiza de forma

mucho más rápida.

Por otro lado, la tecnología digital presenta grandes mejoras a la hora de

formar ortofotos.

Al igual que en el caso de los últimos restituidores analíticos, los digitales obtienen

la geometría de la restitución directamente en formato digital, con lo cual la

incorporación a los Sistemas de Información Geográfica no precisa de ningún paso

de digitalización adicional. Como ya se ha señalado anteriormente, la

fotogrametría es una de las principales formas de incorporar información a un

Sistema de Información Geográfica.

No obstante, hay que tener en cuenta que se trata de una metodología sujeta a

ciertas restricciones de precisión; así, para levantamientos de una gran precisión

(normalmente en el ámbito de la ingeniería civil) la resolución que la fotogrametría

proporciona -sobre todo en el eje Z- no es suficiente, debiendo en esos casos

recurrir a otros métodos más precisos como la topografía clásica (teodolitos,

triangulación).

2. Sistema de información geográfica – SIG

Un sistema de información geográfica (también conocido con los acrónimos SIG en español

o GIS en inglés) es un conjunto de herramientas que integra y relaciona diversos

componentes (usuarios, hardware, software, procesos) que permiten la organización,

almacenamiento, manipulación, análisis y modelización de grandes cantidades de datos

procedentes del mundo real que están vinculados a una referencia espacial, facilitando la

incorporación de aspectos sociales-culturales, económicos y ambientales que conducen a

la toma de decisiones de una manera más eficaz.

En el sentido más estricto, es cualquier sistema de información capaz de integrar,

almacenar, editar, analizar, compartir y mostrar la información geográficamente

referenciada. En un sentido más genérico, los SIG son herramientas que permiten a los

usuarios crear consultas interactivas, analizar la información espacial, editar datos,

mapas y presentar los resultados de todas estas operaciones.

I. Funcionamiento

El SIG funciona como una base de datos con información geográfica (datos

alfanuméricos) que se encuentra asociada por un identificador común a los

objetos gráficos de los mapas digitales. De esta forma, señalando un objeto se

conocen sus atributos e, inversamente, preguntando por un registro de la base de

datos se puede saber su localización en la cartografía.

La razón fundamental para utilizar un SIG es la gestión de información espacial. El

sistema permite separar la información en diferentes capas temáticas y las

almacena independientemente, permitiendo trabajar con ellas de manera rápida y

sencilla, facilitando al profesional la posibilidad de relacionar la información

existente a través de la topología de los objetos, con el fin de generar otra nueva

que no podríamos obtener de otra forma.

Las principales cuestiones que puede resolver un sistema de información

geográfica, ordenadas de menor a mayor complejidad, son:

a) Localización: preguntar por las características de un lugar concreto.

b) Condición: el cumplimiento o no de unas condiciones impuestas al

sistema.

c) Tendencia: comparación entre situaciones temporales o espaciales

distintas de alguna característica.

d) Rutas: cálculo de rutas óptimas entre dos o más puntos.

e) Pautas: detección de pautas espaciales.

f) Modelos: generación de modelos a partir de fenómenos o actuaciones

simuladas.

Ejemplo de como un SIG puede mostrar la información en capas

temáticas para realizar análisis complejos.

II. Técnicas utilizadas en los sistemas de información geográfica

a. La creación de datos

Las modernas tecnologías SIG trabajan con información digital, para la cual

existen varios métodos utilizados en la creación de datos digitales. El

método más utilizado es la digitalización, donde a partir de un mapa

impreso o con información tomada en campo se transfiere a un medio

digital por el empleo de un programa de Diseño Asistido por

Ordenador (DAO o CAD) con capacidades de georeferenciación.

Dada la amplia disponibilidad de imágenes orto-rectificadas (tanto de

satélite y como aéreas), la digitalización por esta vía se está convirtiendo en

la principal fuente de extracción de datos geográficos. Esta forma de

digitalización implica la búsqueda de datos geográficos directamente en las

imágenes aéreas en lugar del método tradicional de la localización de

formas geográficas sobre un tablero de digitalización.

b. La representación de los datos

Los datos SIG representan los objetos del mundo real (carreteras, el uso del

suelo, altitudes). Los objetos del mundo real se pueden dividir en dos

abstracciones: objetos discretos (una casa) y continuos (cantidad de lluvia

caída, una elevación). Existen dos formas de almacenar los datos en un

SIG: raster y vectorial.

Los SIG que se centran en el manejo de datos en formato vectorial son más

populares en el mercado. No obstante, los SIG raster son muy utilizados en

estudios que requieran la generación de capas continuas, necesarias en

fenómenos no discretos; también en estudios medioambientales donde no

se requiere una excesiva precisión espacial (contaminación atmosférica,

distribución de temperaturas, localización de especies marinas, análisis

geológicos, etc.).

b.1) Raster

Un tipo de datos raster es, en esencia, cualquier tipo de imagen digital

representada en mallas. El modelo de SIG raster o de retícula se centra

en las propiedades del espacio más que en la precisión de la

localización. Divide el espacio en celdas regulares donde cada una de

ellas representa un único valor. Se trata de un modelo de datos muy

adecuado para la representación de variables continuas en el espacio.

Interpretación cartográfica vectorial (izquierda) y raster (derecha) de elementos geográficos.

b.2)Vectorial

En un SIG, las características geográficas se expresan con frecuencia

como vectores, manteniendo las características geométricas de las

figuras.

En los datos vectoriales, el interés de las representaciones se centra en

la precisión de la localización de los elementos geográficos sobre el

espacio y donde los fenómenos a representar son discretos, es decir, de

límites definidos. Cada una de estas geometrías está vinculada a una fila

en una base de datos que describe sus atributos. Por ejemplo, una base

de datos que describe los lagos puede contener datos sobre

la batimetría de estos, la calidad del agua o el nivel de contaminación.

Esta información puede ser utilizada para crear un mapa que describa

un atributo particular contenido en la base de datos. Los lagos pueden

tener un rango de colores en función del nivel de contaminación.

Además, las diferentes geometrías de los elementos también pueden

ser comparadas. Así, por ejemplo, el SIG puede ser usado para

identificar aquellos pozos (geometría de puntos) que están en torno a 2

kilómetros de un lago (geometría de polígonos) y que tienen un alto

nivel de contaminación.

Para modelar digitalmente las entidades del mundo real se utilizan tres

elementos geométricos: el punto, la línea y elpolígono.9

Puntos

Los puntos se utilizan para las entidades geográficas que mejor

pueden ser expresadas por un único punto de referencia. En otras

palabras: la simple ubicación. Por ejemplo, las localizaciones de los

pozos, picos de elevaciones o puntos de interés. Los puntos

transmiten la menor cantidad de información de estos tipos de

archivo y no son posibles las mediciones. También se pueden

utilizar para representar zonas a una escala pequeña. Por ejemplo,

las ciudades en un mapa del mundo estarán representadas por

puntos en lugar de polígonos.

Líneas o polilíneas

Las líneas unidimensionales o polilíneas son usadas para rasgos

lineales como ríos, caminos, ferrocarriles, rastros, líneas

topográficas o curvas de nivel. De igual forma que en las entidades

puntuales, en pequeñas escalas pueden ser utilizados para

representar polígonos. En los elementos lineales puede medirse la

distancia.

Polígonos

Los polígonos bidimensionales se utilizan para representar

elementos geográficos que cubren un área particular de la

superficie de la tierra. Estas entidades pueden representar lagos,

límites de parques naturales, edificios, provincias, o los usos del

suelo, por ejemplo. Los polígonos transmiten la mayor cantidad de

información en archivos con datos vectoriales y en ellos se pueden

medir el perímetro y el área.

c. Software SIG

La información geográfica puede ser consultada, transferida, transformada,

superpuesta, procesada y mostradas utilizando numerosas aplicaciones de

software. Dentro de la industria empresas comerciales

como ESRI, Intergraph, MapInfo, Bentley

Systems, Autodesk o Smallworld ofrecen un completo conjunto de

aplicaciones. Los gobiernos suelen optar por modificaciones ad-hoc de

programas SIG, productos de código abierto o software especializado que

responda a una necesidad bien definida.

Originalmente hasta finales de los 90, cuando los datos del SIG se

localizaban principalmente en grandes ordenadores y se utilizan para

mantener registros internos, el software era un producto independiente. Sin

embargo con el cada vez mayor acceso a Internet/Intranet y a la demanda

de datos geográficos distribuidos, el software SIG ha cambiado

gradualmente su perspectiva hacia la distribución de datos a través de

redes. Los SIG que en la actualidad se comercializan son combinaciones de

varias aplicaciones interoperables y APIs.

Hoy por hoy dentro del software SIG se distingue a menudo siete grandes

tipos de programas informáticos:

I. SIG de escritorio. Son aquellos que se utilizan para crear, editar,

administrar, analizar y visualizar los datos geográficos. A veces se

clasifican en tres subcategorías según su funcionalidad:

a) Visor SIG. Suelen ser software sencillos que permiten desplegar

información geográfica a través de una ventana que funciona

como visor y donde se pueden agregar varias capas de

información.

b) Editor SIG. Es aquel software SIG orientado principalmente al

tratamiento previo de la información geográfica para su posterior

análisis. Antes de introducir datos a un SIG es necesario

prepararlos para su uso en este tipo de sistemas. Se requiere

transformar datos en bruto o heredados de otros sistemas en un

formato utilizable por el software SIG.

c) SIG de análisis. Disponen de funcionalidades de análisis espacial

y modelización cartográfica de procesos.

II. Sistemas de gestión de bases de datos espaciales o

geográficas (SGBD espacial).

Se emplean para almacenar la información geográfica, pero a

menudo también proporcionan la funcionalidad de análisis y

manipulación de los datos. Una base de datos geográfica o espacial

es una base de datos con extensiones que dan soporte de objetos

geográficos permitiendo el almacenamiento, indexación, consulta y

manipulación de información geográfica y datos espaciales. Si bien

algunas de estas bases de datos geográficas están implementadas

para permitir también el uso de funciones de geoprocesamiento, el

principal beneficio de estas se centra en la capacidades que ofrecen

en el almacenamiento de datos especialmente georrefenciados.

Algunas de estas capacidades incluyen un fácil acceso a este tipo de

información mediante el uso de estándares de acceso a bases de

datos como los controladores ODBC, la capacidad de unir o vincular

fácilmente tablas de datos o la posibilidad de generar una

indexación y agrupación de datos espaciales, por ejemplo.

III. Servidores cartográficos. Se utilizan para distribuir mapas a través

de Internet (véase también los estándares de normas Open

Geospatial Consortium WFS y WMS).

IV. Servidores SIG. Proporcionan básicamente la misma funcionalidad

que los SIG de escritorio pero permiten acceder a estas utilidades de

geoprocesamiento a través de una red informática.

V. Clientes web SIG. Permiten la visualización de datos y acceder a

funcionalidades de análisis y consulta de servidores SIG a través de

Internet o intranet. Generalmente se distingue entre cliente ligero y

pesado. Los clientes ligeros (por ejemplo, un navegador web para

visualizar mapas de Google) sólo proporcionan una funcionalidad de

visualización y consulta, mientras que los clientes pesados (por

ejemplo, Google Earth o un SIG de escritorio) a menudo

proporcionan herramientas adicionales para la edición de datos,

análisis y visualización.

VI. Bibliotecas y extensiones espaciales. Proporcionan características

adicionales que no forman parte fundamental del programa ya que

pueden no ser requeridas por un usuario medio de este tipo de

software. Estas nuevas funcionalidades pueden ser herramientas

para el análisis espacial (por ejemplo, SEXTANTE), herramientas para

la lectura de formatos de datos específicos (por

ejemplo, GDAL/OGR), herramientas para la correcta visualización

cartográfica de los datos geográficos (por ejemplo, PROJ4),

herramientas para funciones geométricas fundamentales (JTS), o

para la implementación de las especificaciones del Open Geospatial

Consortium (por ejemplo, GeoTools).

VII. SIG móviles. Se usan para la recogida de datos en campo a través

de dispositivos móviles (PDA, teléfonos inteligentes, tabletas, etc.).

Con la adopción generalizada por parte de estos de dispositivos de

localización GPS integrados, el software SIG permite utilizarlos para

la captura y manejo de datos en campo. En el pasado la recogida de

datos en campo destinados a sistemas de información geográfica se

realizaba mediante la señalización de la información geográfica en

un mapa de papel y, a continuación, se volcaba esa información a

formato digital una vez de vuelta frente al ordenador. Hoy en día a

través de la utilización de dispositivos móviles los datos geográficos

pueden ser capturados directamente mediante levantamientos de

información en trabajo de campo.

3. Bibliografía

http://www.catalonia.org/cartografia/Clase_07/Fotogrametria/

Fotogrametria_index.html

http://diraf.fap.mil.pe/#!?page_id=766

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_informaci%C3%B3n_geogr

%C3%A1fica