Fotogrametría

La fotogrametría es la ciencia y la tecnología de obtener información fiable sobre objetos físicos y el entorno mediante el proceso de registro, medición e interpretación de imágenes fotográficas y patrones de imágenes radiantes electromagnéticas y otros fenómenos. ^{[ 1 ]}

Si bien la invención del método se atribuye a Aimé Laussedat , ^{[ 2 ]} el término "fotogrametría" fue acuñado por el arquitecto alemán Albrecht Meydenbauer , ^{[ 3 ]} que apareció en su artículo de 1867 "Die Photometrographie". ^{[ 4 ]}

Existen muchas variantes de fotogrametría. Un ejemplo es la extracción de mediciones tridimensionales a partir de datos bidimensionales (es decir, imágenes); por ejemplo, la distancia entre dos puntos situados en un plano paralelo al plano de la imagen fotográfica se puede determinar midiendo su distancia en la imagen, si se conoce la escala de la misma. Otro ejemplo es la extracción de rangos y valores de color precisos que representan magnitudes como el albedo , la reflexión especular , la metalicidad o la oclusión ambiental a partir de fotografías de materiales para la renderización basada en la física .

La fotogrametría de corto alcance se refiere a la recopilación de fotografías tomadas a una distancia menor que la de la fotogrametría aérea (u orbital) tradicional. El análisis fotogramétrico puede aplicarse a una sola fotografía o bien utilizar fotografía de alta velocidad y teledetección para detectar, medir y registrar campos de movimiento complejos en 2D y 3D, introduciendo las mediciones y el análisis de imágenes en modelos computacionales con el fin de estimar progresivamente, con mayor precisión, los movimientos relativos reales en 3D.

Desde sus inicios con los estereoplotters utilizados para trazar curvas de nivel en mapas topográficos , ahora tiene una gama muy amplia de usos, como el sonar , el radar y el lidar .

La fotogrametría utiliza métodos de diversas disciplinas, como la óptica y la geometría proyectiva . La captura de imágenes digitales y el procesamiento fotogramétrico incluyen varias etapas bien definidas que permiten generar modelos digitales 2D o 3D del objeto como producto final. ^{[ 6 ]} El modelo de datos de la derecha muestra el tipo de información que puede ingresar y obtenerse mediante los métodos fotogramétricos.

Las coordenadas 3D definen la ubicación de los puntos del objeto en el espacio 3D . Las coordenadas de la imagen definen la ubicación de las imágenes de los puntos del objeto en la película o en un dispositivo de imagen electrónico. La orientación externa ^{[ 7 ]} de una cámara define su ubicación en el espacio y su dirección de visión. La orientación interna define los parámetros geométricos del proceso de imagen. Esto es principalmente la distancia focal del objetivo, pero también puede incluir la descripción de las distorsiones del objetivo. Otras observaciones adicionales juegan un papel importante: con las barras de escala , básicamente una distancia conocida entre dos puntos en el espacio, o puntos fijos conocidos , se crea la conexión con las unidades de medida básicas.

Cada una de las cuatro variables principales puede ser una entrada o una salida de un método fotogramétrico.

Los algoritmos de fotogrametría suelen intentar minimizar la suma de los cuadrados de los errores sobre las coordenadas y los desplazamientos relativos de los puntos de referencia. Esta minimización se conoce como ajuste de haces y a menudo se realiza mediante el algoritmo de Levenberg-Marquardt .

Los datos fotogramétricos pueden complementarse con datos de distancia obtenidos mediante otras técnicas. La fotogrametría es más precisa en las direcciones x e y, mientras que los datos de distancia suelen ser más precisos en la dirección z . Estos datos de distancia pueden provenir de técnicas como LiDAR , escáneres láser (que utilizan tiempo de vuelo , triangulación o interferometría ), digitalizadores de luz blanca y cualquier otra técnica que escanee un área y devuelva coordenadas x, y, z para múltiples puntos discretos (comúnmente denominados " nubes de puntos "). Las fotografías pueden definir claramente los bordes de los edificios cuando la nube de puntos no lo permite. Es beneficioso incorporar las ventajas de ambos sistemas e integrarlos para crear un producto superior.

Se puede crear una visualización 3D georreferenciando las fotos aéreas ^{[ 13 ] [ 14 ]} y los datos LiDAR en el mismo marco de referencia, ortorrectificando las fotos aéreas y luego superponiendo las imágenes ortorrectificadas sobre la cuadrícula LiDAR. También es posible crear modelos digitales del terreno y, por lo tanto, visualizaciones 3D utilizando pares (o múltiplos) de fotografías aéreas o satelitales (por ejemplo, imágenes satelitales SPOT ). Luego se utilizan técnicas como la correspondencia estéreo adaptativa de mínimos cuadrados para producir una matriz densa de correspondencias que se transforman a través de un modelo de cámara para producir una matriz densa de datos x, y, z que se puede utilizar para producir modelos digitales del terreno y productos de ortoimágenes . Los sistemas que utilizan estas técnicas, por ejemplo el sistema ITG, se desarrollaron en las décadas de 1980 y 1990, pero desde entonces han sido reemplazados por enfoques basados ​​en LiDAR y radar, aunque estas técnicas aún pueden ser útiles para derivar modelos de elevación a partir de fotografías aéreas o imágenes satelitales antiguas.

La fotogrametría se utiliza en campos como la cartografía topográfica , la arquitectura , la cinematografía , la ingeniería , la fabricación , el control de calidad , la investigación policial , el patrimonio cultural y la geología . Los arqueólogos la emplean para elaborar rápidamente planos de yacimientos grandes o complejos, y los meteorólogos la utilizan para determinar la velocidad del viento de los tornados cuando no se pueden obtener datos meteorológicos objetivos.

También se utiliza para combinar acción real con imágenes generadas por computadora en la postproducción de películas ; Matrix es un buen ejemplo del uso de la fotogrametría en el cine (se proporcionan detalles en los extras del DVD). La fotogrametría se utilizó ampliamente para crear elementos ambientales fotorrealistas para videojuegos, incluyendo The Vanishing of Ethan Carter y Star Wars Battlefront de EA DICE . ^{[ 15 ]} El personaje principal del juego Hellblade: Senua's Sacrifice se derivó de modelos de captura de movimiento fotogramétricos tomados de la actriz Melina Juergens. ^{[ 16 ]}

La fotogrametría también se emplea comúnmente en la ingeniería de colisiones, especialmente en automóviles. Cuando se produce un litigio por un accidente y los ingenieros necesitan determinar la deformación exacta del vehículo, es frecuente que hayan transcurrido varios años y la única evidencia disponible sean las fotografías del lugar del accidente tomadas por la policía. La fotogrametría se utiliza para determinar la magnitud de la deformación del automóvil en cuestión, la cual se relaciona con la cantidad de energía necesaria para producirla. Esta energía puede utilizarse para obtener información importante sobre el accidente (como la velocidad en el momento del impacto).

Esta tecnología también se utiliza para la inspección de objetos e infraestructuras sumergidas, gracias a su capacidad para producir modelos 3D georreferenciados precisos. Las aplicaciones de la fotogrametría submarina son numerosas en el sector de la energía marina, incluyendo el monitoreo de la integridad de las cimentaciones de turbinas eólicas marinas, la evaluación del desgaste de las cadenas de anclaje, la inspección de sistemas de protección y enterramiento de cables y la evaluación general de estructuras marinas. También desempeña un papel cada vez más importante en la ingeniería civil marítima y fluvial, particularmente para la inspección de muelles portuarios, diques, presas y otras estructuras hidráulicas. Al proporcionar datos métricos fiables y reproducibles, la fotogrametría submarina mejora el monitoreo de cambios estructurales, optimiza las operaciones de mantenimiento y reduce los costos asociados con las intervenciones en entornos subacuáticos. ^{[ 17 ]}

Arqueología

Demostrando el vínculo entre la ortofotocartografía y la arqueología , ^{[ 21 ]} se utilizaron fotografías aéreas históricas para ayudar a desarrollar una reconstrucción de la misión Ventura que guió las excavaciones de las paredes de la estructura.

La fotogrametría se ha utilizado en la restauración de arte digital , particularmente para la reconstrucción virtual de esculturas y monumentos históricos destruidos durante movimientos iconoclastas . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

La fotografía aérea se ha aplicado ampliamente para mapear restos superficiales y afloramientos de excavaciones en sitios arqueológicos. Las plataformas sugeridas para capturar estas fotografías han incluido: globos de guerra de la Primera Guerra Mundial; ^{[ 25 ]} globos meteorológicos de goma; ^{[ 26 ]} cometas ; ^{[ 26 ] [ 27 ]} plataformas de madera, estructuras metálicas, construidas sobre un afloramiento de excavación; ^{[ 26 ]} escaleras, tanto solas como unidas con postes o tablones; escaleras de tres patas; postes de una y varias secciones; ^{[ 28 ] [ 29 ]} bípodes; ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} trípodes; ^{[ 34 ]} tetrápodos, ^{[ 35 ] [ 36 ]} y camiones con cesta elevadora ("plataformas elevadoras"). ^{[ 37 ]}

Se han utilizado fotografías digitales aéreas, tomadas con la mano y casi al nadir, junto con sistemas de información geográfica ( SIG ) para registrar los afloramientos de las excavaciones. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

La fotogrametría se utiliza cada vez más en la arqueología marítima debido a la relativa facilidad de mapeo de sitios en comparación con los métodos tradicionales, lo que permite la creación de mapas 3D que pueden ser renderizados en realidad virtual . ^{[ 43 ]}

Un estudio reciente aplicó fotogrametría de alta resolución en combinación con escaneo 3D y análisis morfométrico cuantitativo para comparar máscaras funerarias grecorromanas, lo que permitió la reidentificación de fragmentos y la atribución de procedencia arqueológica dentro de las colecciones de museos. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

Existen numerosos paquetes de software para fotogrametría; consulte la comparativa de software de fotogrametría .

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• Historia de la fotogrametría
• Descripción general de la fotogrametría en el sitio web de Imágenes del Patrimonio Cultural.