LA PELÍCULA FOTOGRÁFICA

Es evidente que la calidad final de la imagen viene directamente condicionada por las propiedades de la película fotográfica en cuanto a granularidad y concentración de la emulsión, poder de resolución y sensitometría.

La estructura de la película está formada por un soporte de poliéster de 0.1 mm de espesor sobre el cual está la emulsión, una mezcla de cristales de bromuro de plata e ioduro de plata suspendidos en gelatina. Debajo del soporte hay una capa denominada antihalo que impide que por efecto de reflexiones en el soporte se formen zonas muy iluminadas. Es de capital importancia que la película forme un conjunto no deformable en cuanto a forma y dimensiones por efecto de humedad o temperatura.

El poder de resolución o poder separador de una película es el número de líneas que podemos distinguir en un milímetro. Se suelen utilizar películas del orden de 75 líneas por milímetro.

La emulsión se acumula en lo que se denomina grano, de tal forma que el tamaño de este grano es lo que le da la principal característica a la película. Películas de grano grueso serán rápidas (necesitarán tiempos de exposición cortos) y tendrán una resolución o poder separador pequeños. Por el contrario, películas con grano fino producirán una imagen con mayor resolución, pero serán lentas (necesitarán tiempos de exposición largos. Esto produce una contradicción en fotogrametría aérea: los tiempos de exposición han de ser cortos para no producir desplazamientos de imagen debidos a la velocidad del avión, pero sin embargo, se requiere una gran resolución de imagen, por lo que es necesario llegar a un compromiso entre ambos factores. El tamaño del grano oscila entre medio y dos micrones. La granularidad mide el tamaño del grano por medio de un microdensitómetro.

La velocidad de una emulsión se mide por lo que se denomina su curva característica, que muestra las variaciones de densidad en función de los logaritmos de ciertas características de toma: duración de la exposición, iluminación y exposición. En fotogrametría aérea se utilizan emulsiones de gran velocidad, ya que las exposiciones han de ser cortas y la luz, escasa. Cada emulsión tendrá su familia de curvas características para diferentes tiempos de revelado. La escala más utilizada para su denominación es la ASA (American Standar Association).

En cuanto a la sensibilidad que tiene la emulsión o respuesta frente a diferentes radiaciones, podemos clasificarlas en:

• Ortocromáticas: sensibles al rojo y al violeta (hasta 0.6 micras de longitud de onda). 
• Pancromáticas: sensibles a todo el espectro visible (máximos en violeta, rojo y amarillo). 
• Infrarrojos: sensibles hasta el infrarrojo, normalmente al cercano o próximo (hasta 1.5 micras de longitud de onda).

Normalmente se utilizan emulsiones en blanco y negro, ya que tienen mayor contraste para su posterior tratamiento, aunque los fotogramas en color tienen mayores posibilidades en cuanto a fotointerpretación de elementos. También la combinación filtro-película ofrece un mayor interés en fotointerpretación para fenómenos localizados en una determinada zona espectral.

LA CÁMARA FOTOGRAMÉTRICA

Un objetivo fotográfico es un sistema óptico centrado, formado por una serie de lentes o dioptrios con sus centros alineados. Sin embargo, no existe objetivo fotográfico ideal, no transforma un haz cónico de rayos que entran en el sistema en otro de salida en sentido estricto. Por esto se dice que el sistema no es estigmático, la imagen de un punto formada sobre el plano focal o plano imagen se formará en una zona de estigmatismo aproximado. En general, cualquier deformación en la imagen del punto objeto se denomina aberración.

Se puede comprender por tanto que en una fotografía donde la finalidad fundamental es medir
objetos, el objetivo es el elemento más importante de las cámaras fotogramétricas y el cual tiene
que estar perfectamente corregido de imperfecciones. Asímismo, las lentes que forman el
conjunto óptico han de estar perfectamente alineadas para formar lo que se denomina sistema
óptico centrado, el cual forma una imagen perfecta en el plano focal (imagen nítida y
geométricamente correcta).

Se denomina distancia focal f a la distancia en un sistema óptico entre el centro de proyección y
el plano imagen o focal (donde se coloca el negativo). La variación de esta distancia nos da la
escala de una fotografía, así como el campo de imagen que se va a fotografiar.

Se denomina centro de proyección al punto O (centro del objetivo) y punto principal al punto intersección del plano focal con el eje principal.

El campo de imagen se mide como el ángulo bajo el cual se ve nítida la imagen en cada distancia focal. Un ejemplo de la denominación de los objetivos en función de la variación de estos elementos podría ser:

En fotogrametría aérea se suele usar un objetivo granangular.

Este ángulo se define como el que contiene una semidiagonal del fotograma desde el centro de proyección, de tal forma que para una fotografía estándar en fotogrametría de 23 x 23 cm (parte útil), el campo de imagen sería:

En una cámara fotográfica, la limitación de entrada de rayos se hace con el diafragma , el cual se puede considerar una abertura circular centrada en el eje del sistema, la cual permite trabajar en una zona de estigmatismo aproximado. Se coloca entre las lentes del objetivo, de tal forma que limita el diámetro de entrada al objetivo. Se denomina 2ρ a la abertura útil del objetivo. El diámetro útil se suele dar a través del número N, que cumple la relación:

Al diafragmar (variar 2ρ) se controla la cantidad de luz que entra en el objetivo, de tal forma que cuando N es pequeño, la abertura útil es mayor. El número N sigue la progresión 1, √2, (√2)^2, (√2)^3,..., (√2)^9. El N=1 correspondería a la abertura máxima.

El obturador es el mecanismo que abre y cierra en fracciones de segundo la entrada de luz al objetivo. El tiempo que permanece abierto el obturador se denomina tiempo de exposición. La apertura de unas laminillas de cierre entre las lentes del objetivo permiten tiempos de exposición de la película desde 1/100 hasta 1/1500 segundos en fotogrametría aérea, en la que los tiempos de exposición han de ser bajos para evitar desplazamientos de imagen debido a la velocidad del avión y las vibraciones.

El filtro es el elemento exterior del objetivo, el cual básicamente es un cristal apropiado que cumple varias funciones. En primer lugar, reducir el efecto de luz difusa atmosférica, difundida por partículas atmosféricas que no deja pasar la luz procedente de partes en sombra. Por otro lado, contribuye a la distribución uniforme de la luz por todo el plano focal, a la vez que protege a las lentes principales del objetivo. En fotogrametría aérea, los filtros hacen que no sea necesario el uso del diafragma (función de atenuación del exceso de luz).

Todo este conjunto de lentes, diafragma, filtros y obturador constituyen en una cámara aérea lo que se denomina cono exterior o simplemente objetivo.

El cono interior es el espacio comprendido entre el conjunto anterior y el plano focal, que es donde se forma la imagen. En el plano focal, lógicamente, se coloca la película a impresionar y además de la imagen, se impresionan una serie de datos marginales en cada fotograma, variables según la cámara, que pueden ser:

• Marcas fiduciales: marcas fundamentales en las esquinas y en el medio de los bordesque como veremos posteriormente, son esenciales para determinar la geometría del fotograma.
• Altímetro: registra la altura de vuelo del avión.
• Nivel esférico: proporciona información aproximada de la inclinación del eje principal en el momento de la toma.
• Número y tipo de cámara.
• Distancia focal del objetivo.
• Fecha y hora de la fotografía.
• Número de fotografía (4 dígitos) dada correlativamente por un sistema contador a medida que avanza la película.
• Información adicional: espacio para anotar otros códigos, lo más normal es la zona o denominación del proyecto. 

Es fundamental para evitar distorsiones geométricas y ópticas que la película en el plano focal se encuentre perfectamente plana. Esto se consigue, además de por la presión de una plancha que sujeta la película contra el marco, por un sistema con una bomba de vacío de aire. Un pequeño motor hace la secuencia completa de la toma fotográfica: desconecta el sistema de vacío, hace avanzar la película, conecta el sistema de vacío, ilumina los sistemas de información marginal en el plano focal, abre el obturador y lo cierra.

En el almacén se aloja la película, normalmente de tipo rollo, con capacidad para almacenar películas de 120 a 150 metros. Con el formato estándar de 23 cm, un rollo de 120 metros permite casi 500 exposiciones.

Existen otros muchos mecanismos adicionales, como un compensador de movimiento de imagen, que produce un pequeño movimiento de la película en la dirección del vuelo (pero en sentido contrario) para compensar el movimiento de imagen debido al del avión. En alturas de vuelo pequeñas su función es más importante. La montura de la cámara con el fuselaje está realizada a través de un sistema amortiguador de vibraciones y suspendida de tal forma que permita giros en torno a tres ejes principales, de tal forma que el operador tiene la posibilidad de orientar o retocar la horizontalidad de la cámara en todo momento.

El visor permite al operador ver en cada momento la imagen del terreno a fotografiar y un intervalómetro hace que automáticamente la cámara vaya disparando en función del recubrimiento longitudinal (fracción de imagen común en una fotografía y la siguiente) que se haya seleccionado.

El exposímetro tiene como función seleccionar la velocidad de obturación y abertura del diafragma en función de la luz disponible y la sensibilidad de la emulsión, de una manera automática, al igual que se realiza en cualquier cámara fotográfica convencional.

La georreferenciación en lo posible del centro de proyección fotográfico se realizaba antiguamente con aparatos auxiliares de navegación, pero actualmente, en cualquier vuelo fotogramétrico de cierta magnitud, estos datos se registran con Sistemas de Posicionamiento Global GPS y sensores inerciales INS (Inertial Navigation System). Posteriormente veremos para qué sirven estos datos y cómo se tratan.

En cuanto a los aviones fotogramétricos que se emplean, deben de cumplir unas características especiales en cuanto a estabilidad, velocidad reducida (en pequeñas alturas de vuelo, 200 km/hora), gran autonomía, buen acondicionamiento de los equipos fotogramétricos, etc. La tripulación suele estar formada por el piloto, un navegante que controla la ejecución del vuelo con respecto a un plan trazado y el fotógrafo.

INTRODUCCIÓN AL PROBLEMA FUNDAMENTAL DE LA FOTOGRAMETRÍA

La recontrucción geométrica de un objeto a partir de una fotografía aérea se plantea inicialmente como un problema geométrico de reconstrucción de rayos homólogos (que van a un mismo punto) desde dos puntos de vista diferentes.

Dado un haz de rayos perspectivos Γ y un conjunto de semirrectas SA, SB, SC... Desde un punto de vista S, la reconstrucción de los puntos A, B, C... del objeto Σ sólo se puede llevar a cabo geométricamente conociendo las distancias a estos puntos. Lógicamente, no es el caso de la fotogrametría, ya que no se pueden medir esas distancias, sólo se dispone de imágenes. En estecaso sólo se puede realizar mediante la intersección de rayos homólogos desde otro punto de vista (en nuestro caso, dos fotogramas).

Este proceso se realiza en fotogrametría en cuatro pasos bien diferenciados:

1. La determinación del haz perspectivo por sus datos internos, conocer la forma del haz. En el caso de una fotografía, saber la distancia focal y otros parámetros: Orientación Interna.
2. Determinación de la posición relativa de un haz respecto a otro, de tal forma que las intersecciones de puntos homólogos en la fotografía determinen los puntos del objeto: Orientación Relativa.
3. Colocación y escalado de todo el conjunto rígido en un sistema de coordenadas terreno: Orientación Absoluta.
4. Determinación e identificación de pares de rayos homólogos y los puntos del objeto o terreno: Restitución. 

Estos cuatro pasos constituyen el método general de la Fotogrametría.

INTRODUCCIÓN

Actualmente, cualquier cartografía, así como los levantamientos topográficos de una cierta
magnitud, son realizados con técnicas de fotogrametría, a partir de fotografías aéreas. Si bien el
concepto está implícitamente ligado a la producción de cartografía, comprende un ámbito de
aplicación más amplio y se puede dividir en numerosas ramas que abarcan desde la
Fotointerpretación hasta la Teledetección.

Una definición más actualizada que nos da la Sociedad Americana de Fotogrametría y
Teledetección (ASPRS) es “el arte, ciencia y tecnología para la obtención de medidas fiables
de objetos físicos y su entorno, a través de grabación, medida e interpretación de imágenes y
patrones de energía electromagnética radiante y otros fenómenos”. Esta última definición es
más amplia, abarcando técnicas modernas, y eliminando casi las diferencias existentes entre la
Fotogrametría y la Teledetección.

En cualquier caso podemos decir que la Fotogrametría es la ciencia que nos permite, a partir de
fotografías ya sea aéreas o terrestres, obtener las medidas del objeto fotografiado.

La Fotogrametría va ligada a los avances de la ciencia. El inicio empieza con el descubrimiento
de la fotografía en el año 1839 por parte de Arago, perfeccionada por Niepce y Daguerre.
Posteriormente, en el año 1850, Laussedat aprovecha la fotografía para realizar planos
topográficos, diseñando y haciendo construir el primer fototeodolito, dando a esta técnica el
nombre de metrofotografía .

En 1859 el arquitecto alemán Meydenbauer utiliza intersecciones a partir de fotografías para el
levantamiento de edificios. A esta técnica la denominó fotogrametría, proviniendo de aquí el
nombre.

En 1901 Pulfrich inventa el estereocomparador, resolviendo la identificación de puntos
homólogos mediante la utilización de la visión estereoscópica. A raíz de este descubrimiento
Von Orel construye el primer aparato de restitución, que permitía el trazado de curvas de nivel
continuas.

Todos los desarrollos realizados anteriormente fueron aplicados a la fotogrametría terrestre,
pero con la aparición de los aviones, en 1909 se realizan las primeras fotografías aéreas desde
avión (se había hecho anteriormente desde globos aerostáticos), produciéndose su desarrollo a
partir de 1920.

La fotogrametría aérea es más compleja que la terrestre, ya que no se sabe ni la posición ni
orientación de la cámara en el momento del disparo. El primero en resolver el problema de las
orientaciones de la cámara fue Von Gruber en 1924, produciéndose el desarrollo de la
fotogrametría analógica.

Con el desarrollo de los ordenadores, hacia 1960, se produce el inicio de la fotogrametría
analítica, apareciendo el restituidor analítico, creado por el Finlandés Helava, cuyo punto álgido
se alcanza en 1980. La diferencia fundamental entre un restituidor analógico y uno analítico, es
que en el analógico los procesos de orientación se realizaban mediante métodos ópticos y
mecánicos, mientras que en los analíticos se hacen mediante procesos en un ordenador.

En la transición entre ambos restituidores aparecieron unos que se denominaron semianalíticos,
que eran aparatos analógicos a los que se les añadieron unos sensores que captaban las
coordenadas terreno, y eran enviadas a un sistema CAD que permitía dibujar y almacenar datos.

Finalmente, en los años 90 aparecen los primeros restituidores digitales con el desarrollo de la
informática y las posibilidades de rapidez de proceso para la orientación en tiempo real de
imágenes digitales. El desarrollo de la fotogrametría digital se debe fundamentalmente al
desarrollo de los ordenadores, discos duros de gran almacenamiento, tarjetas gráficas que
manejan imágenes grandes, compresión y tratamiento de imágenes digitales, etc.

La etapa actual en la que nos encontramos es una toma fotográfica convencional sobre película
y un tratamiento posterior sobre imagen digital procedente del escaneado de la convencional
(fotogrametría digital, pero no en el proceso de toma). Se empiezan a usar cámaras digitales
aerotransportadas, multiespectrales y combinación de sensores de teledetección con técnicas de
fotogrametría digital para cartografía, si bien su uso actualmente no está generalizado.

El futuro cartográfico de la fotogrametría es el uso de cámaras digitales aerotransportadas y la
fotografía desde satélite (actualmente existen satélites que comercializan imágenes con
resoluciones de hasta 0,6 m por píxel).

[Una curiosidad: Google Earth y Street View de GMaps emplean en gran medida la fotogrametría]