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 GUACAMAYA

GrUpo de Adquisición con mara Multiespectral Automatizada Y Aerotransportada

 

Resumen.En este documento se presentan las propuestas de ingeniería para el desarrollo de una cámara digital multiespectral aerotransportada destinada al reconocimiento y el estudio remoto del territorio con fines pacíficos. El grupo de adquisición consta de una cámara digital de 12.7 Mpix montada en una plataforma estabilizada, para poder así compensar las oscilaciones causadas por la turbulencia y el viento que normalmente ocurren durante el vuelo. La cámara proporciona información en tres canales (RGB) y es operada desde una computadora portátil que se encarga de programar y ejecutar la secuencia de exposiciones, el almacenamiento de las imágenes y su pre-procesamiento. La cámara también dispone de tres ópticas (objetivos), de tal manera que se pueden abarcar amplias porciones de terreno con diferentes resoluciones. Una de las ventajas del grupo de adquisición, es la posibilidad de emplear cámaras digitales de gran formato (39 Mpix) sin realizar cambios mayores del sistema.

Antecedentes. La aerofotogrametría, y en la actualidad la percepción remota desde el espacio, es una de las técnicas más avanzada y refinada para la medición precisa del territorio desde el aire. Ésta ha hecho posible, por citar un ejemplo, la representación tridimensional del terreno a partir de pares de fotografías aéreas (estereofotografía). Usualmente, se emplea una cámara fotográfica de gran formato, es decir con película de 16 ´ 20 cm2 o mayor, normalmente en blanco y negro, colocada dentro de una aeronave. La cámara se coloca sobre una plataforma estabilizada que compensa las oscilaciones de la aeronave durante el vuelo. De esta manera, se asegura que el eje óptico de la cámara coincida con el Nadir del lugar. Además, la plataforma permite también compensar el avance normal del avión en el momento de la exposición (Forward Motion Compensation o FMC).

Históricamente, la firma alemana Carl Zeiss ha producido cámaras y ópticas para aerofotogrametría durante más de cuarenta años. Su modelo más famoso, el RMK TOP, sigue siendo una referencia mundial. Sin embargo, debido al auge de la fotografía digital y a la creciente escasez de películas, también la fotografía aérea está dando el salto tecnológico hacia las herramientas digitales. Esto, sin duda, conlleva ventajas significativas. Por ejemplo, el formato digital de la imagen permite su procesamiento directo, sin la necesidad de los lentos y costosos (y a veces imprecisos) procesos de digitalización. Las imágenes pueden ser duplicadas y distribuidas sin pérdida de información (degradación).

El potencial actual del procesamiento digital de las imágenes permite analizar las aerofotografías con fines diversos: topografía, catastro, reconocimiento de zona de desastre y zonas de alto riesgo, recursos naturales y conservación ambiental, son algunos de los tópicos de estudio que se abren ante las técnicas de adquisición digital.




Cámara y Grupos Ópticos
. Es evidente que la ventaja principal de la película fotográfica, cuando la comparamos con los sensores digitales, es su tamaño. En la actualidad, es posible encontrar, con relativa facilidad, sensores electrónicos de unos 10 cm2. Sin embargo, la película de una cámara aérea puede alcanzar unos 300 cm2. Ello implica una cobertura mayor del terreno con una excelente resolución. Por otro lado, las películas son usualmente poco sensibles y, si se quiere una cobertura multiespectral, es necesario el uso de varios filtros e imágenes por cada campo. Las cámaras digitales comunes, por el contrario, poseen sensores del orden de unos 3 cm2, pero proporcionan naturalmente una cobertura multiespectral con una sola imagen. Entre las cámaras digitales disponibles en el mercado, sólo el fabricante Canon produce aquellas llamadas ´Full Frame´, es decir, con un sensor del tamaño de una diapositiva de 35mm (este formato es considerablemente superior al de los otros modelos comunes). De ellas, la Canon EOS 5D posee la mejor relación precio-calidad en su categoría. A continuación, se indican las características principales de esta cámara.

 

 

 

Fabricante              Canon
Modelo                   EOS 5D
Sensor                   CMOS
Canales                  RGB
Matriz                   4368 ´ 2912 píxeles (12.7 Mpix)
Tamaño sensor      36 ´ 24 mm2
Tamaño píxel         8.2 ´ 8.2 mm2
Conversión AD      12 bits por canal
Sensibilidad ISO    50 a 3200

 

 

 

Los tres canales RGB muestran la siguiente respuesta espectral.

RESPUESTA ESPECTRAL

GUACAMAYA empleará tres ópticas diferentes: un objetivo de 28mm f/2.8, uno de  50mm f/1.4 y uno de 100mm f/2. La distorsión óptica y la aberración cromática, eventualmente presentes en estos objetivos, serán determinadas mediante pruebas en el laboratorio. En la siguiente tabla se indican las características de cobertura y resolución en el terreno.

 

 Objetivo Cobertura @ 1000m de altitud Resolución teórica @ 1000m de altitud
28mm
 1300 ´ 860 m2 30 cm
50mm  720 ´ 480 m2 16 cm
100 mm 360 ´ 240 m2 8 cm

La principal características de los tres grupos ópticos es su luminosidad elevada, la cual permite la adquisición de imágenes con unos tiempos de obturación muy breves (<1/1000 s). Esto hace prácticamente innecesario el uso del FMC, ya que, considerando una velocidad típica durante el vuelo de unos 300 Km/h,  1/1000 s corresponde a 8 cm en el terreno, comparable con la mejor resolución teórica indicada en la tabla anterior.

 

 

Vista general de GUACAMAYA


 

Cabezal Estabilizado. La necesidad de colocar el grupo de adquisición en una plataforma estabilizada surge de los continuos e inevitables movimientos de la aeronave, causados por la turbulencia y el viento, que pueden desviar del Nadir el eje de visión de la cámara. De los seis grados de libertad permitidos, las rotaciones, a saber, el cabeceo, el balanceo y la guiñada, deben ser compensadas para poder georreferenciar las imágenes con precisión y alcanzar la coincidencia en las áreas de solapamiento. Los  desplazamientos (laterales y altura) se determinan gracias al sistema de posicionamiento global, bien sea independiente, adosado al grupo de adquisición, o al de la aeronave.
En la práctica, la estabilización del grupo de adquisición se lleva a cabo mediante el uso de giroestabilizadores (giróscopos). GUACAMAYA emplea tres de éstos, dispuestos ortogonalmente entre si, los cuales generan la inercia suficiente para compensar las rotaciones. Además, el grupo de adquisición se encuentra suspendido sobre una base amortiguada con la finalidad de extinguir las vibraciones producidas por los motores de la aeronave y que son transmitidas a la estructura por el fuselaje. Aun cuando los giroestabilizadores se encuentran disponibles en el mercado, estimamos que el diseño y la fabricación de los mismos en la Fundación Instituto de Ingeniería puede resultar interesante y atractivo, por tratarse de una fuente potencial de tecnología aplicable a otros campos.

Software de Adquisición.  Las cámaras digitales permiten un amplio control sobre la  adquisición de datos. En particular, la cámara propuesta para este proyecto está provista de un software original, suministrado por el fabricante, que permite el control total, de manera remota, de todas las funciones de la cámara desde un computador portátil. Esto facilita enormemente la programación de las secuencias de exposición durante el vuelo, de acuerdo a la altura, la velocidad de la aeronave y al solapamiento deseado entre dos imágenes consecutivas.
   
La conexión cámara-PC se establece vía cable USB o mediante conexión inalámbrica con el módulo WFT-E1. Las imágenes pueden guardarse en diferentes formatos. Sin embargo, sólo el formato RAW permite aprovechar totalmente los 12 bits (por canal) de información. De ser necesario, en la modalidad RAW la adquisición puede realizarse a una velocidad máxima de 3 cuadros por segundo, con la posibilidad de almacenar hasta 17 cuadros en el buffer interno de la cámara.
   
La imagen RAW es posteriormente convertida mediante técnicas de procesamiento digital. Con el uso de software especializado, es posible corregir tanto las distorsiones de los diferentes grupos ópticos como la eventual aberración cromática. El CIDA posee una amplia experiencia en el uso de software para el procesamiento y el análisis de imágenes astronómicas (IRAF, IDL, etc.), que igualmente podrían ser empleada en las imágenes obtenidas con GUACAMAYA.

 

Vista interna de GUACAMAYA

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


GUACAMAYA en posición para cambiar ópticas

Georreferenciación. Si bien la adquisición de imágenes de excelente calidad es un requisito fundamental para el reconocimiento aéreo del terreno, la ubicación del mismo en un sistema de coordenadas representa un parámetro indispensable y de gran importancia.  La georreferenciación de las imágenes permite determinar la latitud y la longitud geográfica de los puntos de interés. En ciertos casos, cuando las imágenes son tomadas con un solapamiento uniforme, es posible también conocer las elevaciones verticales sobre el terreno empleando las técnicas de triangulación (estereofotografía).

Para llevar a cabo la georreferenciación, es indispensable conocer con precisión la posición (X,Y,Z) de la aeronave en el momento de tomar la imagen. Gracias a ello, y luego de asegurar que el eje óptico de GUACAMAYA coincida con el Nadir del lugar de observación, es posible establecer la relación de escala y punto cero entre las imágenes y el terreno.

Existen, en la práctica, dos posibilidades: una es la de dotar a GUACAMAYA de un módulo GPS (conexión USB), la otra es la de acceder al sistema de coordenadas interno de la aeronave para la lectura de los parámetros de posición en el momento de la adquisición. En la actualidad, es posible encontrar comercialmente dispositivos GPS portátiles con una precisión de pocos metros. En el ámbito de la presente propuesta, desconocemos las incertidumbres del sistema de posicionamiento global disponible en la aeronave.   

 

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