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Novedades en el cálculo de orientaciones absolutas

Gráfico mostrando los sistemas geocéntrico y topocéntrico

El cálculo de orientaciones absolutas en Digi3D.NET se puede realizar en tres sistemas de coordenadas distintos:

En un sistema local.
En un sistema topocéntrico.
En un sistema geocéntrico.

La orientación absoluta es una transformación matemática bidireccional que transforma una coordenada A (o coordenada Terreno) en una coordenada B (o coordenada Modelo) mediante un Helmert de 7 parámetros (consiste en aplicar un factor de escala único en los tres ejes, una rotación y una traslación). Cuando hacemos una orientación absoluta en Digi3D.NET en un modelo fotogramétrico, consideramos A una coordenada de los puntos de apoyo y B una coordenada medida en la ventana fotogramétrica. Si la ventana fotogramétrica tiene cargado un modelo de cámara cónica al que le acabamos de hacer una orientación relativa, estas coordenadas serán del tipo (X foto, Y foto, -focal) y si la ventana tiene cargado un modelo satelital por ejemplo estas coordenadas serán del tipo (Latitud, Longitud, Altitud (elipsoidal)).

Esta transformación es únicamente un escalado, giro y traslación, por lo que no se realiza ninguna transformación de sistema de coordenadas, lo que significa que las coordenadas A (o terreno) medidas deben estar en el mismo sistema de coordenadas que las coordenadas B (o modelo) medidas a la hora de realizar el cálculo de la orientación absoluta.

El problema es que en ocasiones no coinciden los sistemas de coordenadas de las coordenadas de los puntos de apoyo y el de la ventana fotogramétrica sobre la que estamos midiendo.

El nuevo cuadro de diálogo de selección de archivo de puntos de apoyo solicita al usuario el sistema de coordenadas de referencia de los puntos de apoyo.

Si hacemos una orientación absoluta en una imagen satelital, las coordenadas A (o terreno) del punto de apoyo que estamos midiendo estarán en el sistema de coordenadas de referencia que indiquemos al cargar el archivo de puntos de apoyo, sin embargo las coordenadas B (o modelo) que generamos al digitalizar el punto estarán en el sistema de coordenadas de la imagen satelital, que son coordenadas geográficas en WGS 84.

Por lo tanto Digi3D.NET tiene que localizar un sistema de coordenadas de referencia común para realizar la transformación Helmert de 7 parámetros. A este sistema vamos a denominarlo sistema intermedio.

Veamos los pasos que sigue Digi3D.NET para transformar una coordenada Terreno a Modelo con una determinada orientación absoluta:

Terreno -> Sistema intermedio -> Helmert de 7 parámetros -> Modelo

y al revés:

Modelo -> Sistema intermedio -> Helmert de 7 parámetros -> Terreno

Como puedes comprobar el Helmert de 7 parámetros siempre se realiza en el sistema intermedio.

Selección del sistema Intermedio

Vamos a ver ahora el criterio que sigue Digi3D.NET para decidir y crear el sistema intermedio. Esta decisión se toma en función de los sistemas de coordenadas de la ventana fotogramétrica y de los puntos de apoyo:

Sistema de coordenadas de la ventana fotogramétrica	Sistema de coordenadas de los puntos de apoyo	Sistema intermedio resultante
Desconocido	Desconocido	El sistema intermedio es un sistema desconocido. Las operaciones Terreno<->Sistema intermedio y Sistema intermedio<->Modelo no realizan ninguna transformación. Al hacer una orientación absoluta en estas condiciones, se considera que la tierra es plana y por lo tanto los cálculos no se ven afectados por proyección, curvatura ni factor de escala. Este es el caso en el que se calculaban las orientaciones absolutas con las versiones Digi3D 2000, Digi3D 2002, Digi3D 2005 y Digi3D 2007 (en este caso, si se seleccionaba como sistema de coordenadas rectangular a la hora de medir la orientación absoluta).
Desconocido	Sistema de coordenadas conocido, como por ejemplo WGS 84 o ETRS89 / UTM Zone 30N	Este es el típico caso del modelo de cámara cónica en el que hemos realizado una orientación relativa (por lo tanto las coordenadas modelo en el fotocentro de la cámara izquierda serán (0,0,-focal) y en el que realizamos una orientación absoluta con puntos de apoyo en un determinado sistema de coordenadas de referencia. En este caso Digi3D.NET crea un sistema de coordenadas topocéntrico, que es un sistema cartesiano 3D que tiene tres ejes perpendiculares (U, V y W) cuyo origen es tangente a la tierra en un determinado punto. El eje U está orientado con el este, el V con el norte y el W crece según la regla de la mano derecha. Es el sistema de color azul en la imagen que aparece al comienzo de este post. Se considera como origen del sistema topocéntrico las coordenadas geocéntricas del primer punto medido (Digi3D.NET transforma las coordenadas del punto de apoyo del primer punto medido a geocéntricas para poder realizar esta operación).
Sistema de coordenadas conocido, como por ejemplo WGS 84 o ETRS89 / UTM Zone 30N	Desconocido	Esta situación se da por ejemplo si en la ventana fotogramétrica tenemos una imagen satelital y queremos hacer una orientación con puntos de apoyo locales o desconocidos. En este caso Digi3D.NET crea un sistema de coordenadas topocéntrico, que es un sistema cartesiano 3D que tiene tres ejes perpendiculares (U, V y W) cuyo origen es tangente a la tierra en un determinado punto. El eje U está orientado con el este, el V con el norte y el W crece según la regla de la mano derecha. Es el sistema de color azul en la imagen que aparece al comienzo de este post. Se considera como origen del sistema topocéntrico las coordenadas geocéntricas del primer punto medido (Digi3D.NET transforma las coordenadas del punto medido en la ventana fotogramétrica a geocéntricas para poder realizar esta operación).
Sistema de coordenadas conocido, como por ejemplo WGS 84 o ETRS89 / UTM Zone 30N	Sistema de coordenadas conocido, como por ejemplo WGS 84 o ETRS89 / UTM Zone 30N	En este caso podrías pensar que no es necesario realizar ninguna transformación, pero si, pues los sistemas podrían no ser ortogonales. Si en ambas ventanas tenemos WGS 84 por ejemplo, las unidades medidas son ángulos y no coordenadas. No podemos realizar una orientación absoluta para ajustar ángulos. Por lo tanto la orientación absoluta se calcula en coordenadas geocéntricas. Es el sistema de color rojo en la imagen que aparece antes de esta tabla. Para realizar el cálculo se transforman las coordenadas de los puntos de apoyo a coordenadas geocéntricas (por lo tanto se tiene en cuenta la proyección si el sistema de coordenadas de los puntos de apoyo es proyectado, como ETRS89 / UTM Zone 30N, la curvatura de la tierra y el factor de escala. Lo mismo se hace para las coordenadas medidas en la ventana fotogramétrica y por último se realiza el Helmert de 7 parámetros en el sistema geocéntrico. Este es el sistema ideal, pues se tiene en consideración las distintas proyecciones tanto de los puntos de apoyo por un lado como la del sistema de la ventana fotogramétrica por otro.

¿Cómo seleccionamos el sistema de coordenadas de referencia en la ventana fotogramétrica?

Léete la entrada Cambios en los sistemas de coordenadas de referencia de los sensores.

¿Dónde y cuándo se tienen en cuenta estas transformaciones?

Supongamos que la ventana de dibujo está mostrando los vectores en un sistema de coordenadas A, y que la ventana fotogramétrica tiene asignado un sistema de coordenadas B.

Si no hay ninguna orientación absoluta de por medio, Digi3D.NET a la hora de proyectar vectores en la ventana fotogramétrica, tan solo tiene que transformar las coordenadas de los vectores del sistema de coordenadas A al sistema de coordenadas B. Cuando el usuario desplaza la ventana fotogramétrica (mediante el ratón o topomouse o manivelas), ésta le envía las coordenadas a la ventana de dibujo transformándolas previamente del sistema B al sistema A.

Si hay una orientación absoluta de por medio, la orientación absoluta tiene su propio sistema de coordenadas de referencia, que podría ser C,
de modo que la transformación Ventana de dibujo -> Ventana fotogramétrica sigue los siguientes pasos:

Sistema A -> Sistema C -> Sistema B.

Y al revés, cuando la ventana fotogramétrica tiene que informarle a la ventana de dibujo de una coordenada, transforma la coordenada siguiendo los siguientes pasos:

Sistema B -> Sistema C -> Sistema A.

¿Cómo puedo saber el sistema de coordenadas que tiene asignada la orientación absoluta?

Puedes utilizar la opción del menú Ventana fotogramétrica/Ver información. Esto hará que aparezca en el panel de resultados el sistema de coordenadas de referencia asignado a la orientación y a la ventana fotogramétrica.

Cargando ortofotos en DigiNG.NET

DigiNG.NET considera a las ortofotos como un tipo más de archivos de referencia, de modo que podemos cargar una ortofoto mediante la orden CARGA_F (o mediante el menú Archivo/Cargar archivo de referencia…, o pulsando el botón corresponeidnte en la barra de herramientas del panel acoplable Archivos de dibujo) y se descargan con la orden DEJAR (o mediante el menú Archivo/Descargar archivo de referencia… o mediante la opción Descargar este archivo del menú contextual que aparece al hacer clic con el botón derecho del ratón en el nombre de la ortofoto en el panel Archivos de dibujo).

Las órdenes CARGA_RASTER y DEJAR_RASTER han pasado a mejor vida, de modo que no podemos utilizarlas en DigiNG.NET.

Condiciones para poder cargar una ortofoto

DigiNG.NET nos va a permitir cargar ortofotos siempre que se cumplan tres requisitos:a capaz de reconocer el formato de la imagen y siempre que sepa localizar la georeferenciación de la ortofoto.

Que se reconozca la extensión de la imagen.
Que se pueda localizar la geo-referenciación de la imagen.
Que el sistema de coordenadas asignado a la ventana de dibujo sea el mismo que el sistema de coordenadas de la imagen.

Formatos de imagen reconocidos por DigiNG.NET

DigiNG.NET permite cargar imágenes de los siguientes formatos:

Tipo de imagen	Extensión del archivo
Imágenes en formato TIFF	.tif
Imágenes en formato ECW	.ecw
Imágenes en formato JPEG 2000	.jp2
Imágenes en formato MrSID	.sid
Imágenes en formato JPEG	.jpg
Imágenes en formato BMP	.bmp

Geo-referenciación

La ortofoto tiene que estar geo-referenciada, lo que significa que en algún sitio tiene que aparecer información que le haga saber al programa la posición de la imagen así como su orientación y tamaño.

La geo-referenciación consiste en informar de las coordenadas de las cuatro esquinas de la imagen (o la coordenada del primer pixel de la imagen así como su tamaño y orientación), y del sistema de coordenadas de referencia al que está referida esa coordenada/s.

Algunos formatos de imagen permiten almacenar la geo-referenciación de la imagen dentro del propio archivo, como un metadato.

Los formatos que admiten esa posibilidad son los siguientes:

Archivos TIFF (que cuando tienen posicionamiento se denominan GeoTIFF)
Archivos ECW
Archivos JPEG 2000
Archivos MrSID

El resto de formatos de imagen, como son JPEG, BMP no permiten almacenar en la propia imagen la geo-referenciación.

Si la imagen no tiene almacenada internamente información de geo-referenciación (bien porque el formato no lo permite -como por ejemplo .bmp- o porque sencillamente no tiene esa información) se intentará localizar un archivo World File.

El archivo World File se intentará localizar en el mismo directorio que la imagen, con el mismo nombre que esta, pero con una extensión que dependerá de la extensión de la imagen.

Existe un convenio para dar nombre a la extensión de los archivos World File, y consiste en que el archivo World File tenga la extensión formada por el primer y tercer carácter de la extensión de la imagen al que se le concatena una «w» al final (la w es de World).

A continuación tienes una tabla que define las extensiones de los archivos World File que va a intentar cargar DigiNG.NET si la imagen no tiene geo-referenciación:

Tipo de imagen	Extensión del archivo World File
Imágenes en formato TIFF (.tif)	.tfw
Imágenes en formato ECW (.ecw)	.eww
Imágenes en formato JPEG 2000 (.jp2)	.j2w
Imágenes en formato MrSID (.sid)	.sdw
Imágenes en formato JPEG (.jpg)	.jg2
Imágenes en formato BMP (.bmp)	.bpw

El inconveniente que tiene el archivo World File es que no especifica el sistema de coordenadas sobre el que está definida la coordenada del centro del primer pixel, y como DigiNG.NET requiere ese dato, en el caso de que la geo-referenciación se extraiga de un archivo World File se va a intentar obtener de un archivo Shapefile Projection Format.

Este es un archivo con extensión .prj que define el sistema de coordenadas sobre el cual está referida la coordenada del archivo World File.
DigiNG.NET intentará localizar ese archivo en el mismo directorio que la imagen y con el mismo nombre, pero siempre con la extensión .prj.

Si no se localiza este archivo, se considerará que la coordenada está referida a un sistema de coordenadas de referencia local.

Una característica muy importante a la hora de cargar la ortofoto es que DigiNG.NET únicamente nos permitirá cargar una ortofoto si su sistema de coordenadas asociado coincide con el activo en la ventana de dibujo. Esto es muy importante: Si estamos visualizando un archivo en proyectadas (por ejemplo ETRS89/UTM Zona 30N) e intentamos cargar una ortofoto en geográficas DigiNG.NET no nos lo va a permitir, y nos mostrará un cuadro de error indicándonos que tenemos que cambiar el sistema de coordenadas de la ventana de dibujo para poder cargar esa ortofoto.

Una vez cargada la ortofoto, esta aparecerá como un archivo más en el panel de Archivos de dibujo.
Si desplegamos la flecha a la izquierda del nombre de la ortofoto, aparecerán las opciones de visualización de la ortofoto:

Si cambiamos la propiedad Visible a falso, la ortofoto dejará de visualizarse.
Si cambiamos el valor de Opacidad podremos hacer que la ortofoto se visualice transparente (esta opción nos puede venir bien si tenemos varias ortofotos cargadas con solape). Si ponemos aquí un valor 0 la imagen será totalmente transparente y si poner 255 (que es el valor por defecto) será completamente opaca.
Si cambiamos el valor de Tipo de interpolación se modificará la forma en la que se muestran los píxeles al alejar la ortofoto o al acercarla. Si seleccionamos la opción Bilineal al acercarnos nos dará la falsa sensación de que la imagen tiene más resolución. Si seleccionamos Vecino más próximo veremos el píxel.

Sistema de coordenadas de la ventana de dibujo

Digi3D 2011 permite que indiquemos la proyección en la que se mostrarán los vectores en la ventana de dibujo.

Para ello, disponemos del campo Sistema de coordenadas horizontal de la ventana de dibujo, en el cuadro de diálogo Nuevo Proyecto, en la pestaña Archivo de Dibujo.

El sistema de coordenadas que seleccionemos indicará la proyección que utilizará el programa para mostrar los vectores en la ventana de dibujo.

Si pulsamos el botón de los tres puntos, aparecerá el cuadro de diálogo Sistema de coordenadas horizontal de la ventana de dibujo que nos permitirá por un lado indicar que queremos que la ventana de dibujo herede el sistema de coordenadas horizontal del primer archivo cargado y por otro nos permitirá seleccionar un sistema de coordenadas de referencia de los que hayamos memorizado previamente.

Si no tenemos ninguno memorizado, siempre podremos localizar uno de entre los enumerados en la base de datos EPSG (incluida con la instalación del programa) pulsando el botón Buscar… y a continuación en Memorizar o pegar una cadena Well Known Text en el campo habilitado para ello y pulsar el botón Memorizar.

Podemos seleccionar tanto sistemas de coordenadas proyectados como geográficos. Cada sistema de coordenadas tiene unas unidades asociadas, de modo que si seleccionamos el sistema de coordenadas proyectado NAD27 / Alaska Albers las unidades de trabajo serán pies americanos, y si seleccionamos ETRS89 / UTM Zone 30N las unidades de trabajo serán metros.

Si seleccionamos un sistema de coordenadas de referencia geográfico, el programa utilizará la proyección Plate Carrée, que básicamente consiste en convertir la tierra en un plano en el que las longitudes crecen hacia el oeste (tomando como origen el meridiano de Greenwich) y las latitudes hacia el norte (tomando como origen el ecuador). Las unidades en los sistemas de coordenadas geográficos son angulares, de modo que las coordenadas que visualizaremos serán Latitud/Longitud en la mayoría de los sistemas de coordenadas geográficos. Si realizamos medidas Digi3D 2011 intentará en la medida de lo posible calcularlas en metros utilizando el método de Sodano (problema inverso de la geodesia) para distancias o utilizando una proyección estereográfica con centro en el centro de la entidad y proyectando la entidad sobre ese plano para cálculos de áreas. En este caso las unidades serán siempre metros.

A pesar de sus limitaciones (medidas y áreas imprecisos) es posible que nos veamos forzados a seleccionar un sistema de coordenadas de referencia geográfico para la ventana de dibujo ya que ciertos importadores, como el importador de Web Map Service o el importador de ortofotos, únicamente nos permitirán cargar archivos si la ventana de dibujo está en un sistema de coordenadas de referencia compatible con el del archivo de dibujo a cargar. Hay muchos servidores Web Map Service que únicamente publican información en el sistema de coordenadas de referencia geográfico WGS84, de modo que si queremos conectarnos con estos servidores tendremos forzosamente que seleccionar WGS84 como sistema de coordenadas horizontal para la ventana de dibujo.

Por último, si queremos saber el sistema de coordenadas de referencia asignado a la ventana de dibujo (tanto si lo hemos indicado implícitamente como si se ha heredado del archivo de dibujo cargado) podemos hacer clic en el botón que sigue a las coordenadas en la barra de herramientas Coordenadas.

A continuación un vídeo en el que se muestra esta funcionalidad

Asignando un sistema de coordenadas de referencia a un archivo de dibujo nuevo

Digi3D 2011 ahora permite indicar los sistemas de coordenadas de referencia horizontales y verticales en el que estarán referidas las coordenadas de las entidades que se almacenen en un archivo de dibujo nuevo.

Si creamos un archivo de dibujo nuevo, en función de su extensión el programa nos permitirá indicar los dos sistemas de coordenadas de referencia. Digo en función de la extensión pues ciertos formatos de archivo de dibujo no son configurables pues llevan uno asociado de forma implícita, como es el formato .kml de Google Earth, que lleva asociado implícitamente el sistema de coordenadas geográfico WGS 84.

En la siguiente captura puedes ver un recorte de la sección Parámetros de importación/exportación del cuadro de diálogo Nuevo Proyecto, en la pestaña Archivo de dibujo.

Puedes comprobar que el programa pregunta tanto por el sistema de coordenadas horizontal como por el vertical que se asociarán al archivo de dibujo creado.

Si el archivo de dibujo ya existe, el programa hará caso omiso de los parámetros que indiquemos aquí, pues el sistema de coordenadas asociado a un archivo de dibujo es inamovible, ¡incluso si no tiene ninguno asociado!.

Si pulsamos para cambiar un sistema de coordenadas, aparecerá el cuadro de diálogo Sistema de coordenadas horizontal o Vertical, en función del sistema de coordenadas de referencia que estemos seleccionando.

Este cuadro de diálogo nos permite por un lado indicar que el sistema de coordenadas es desconocido pulsando el cuadro de arriba del todo y por otro lado, si conocemos el sistema de coordenadas, nos permite seleccionar uno de la lista de sistemas de coordenadas memorizados.

Si hacemos clic en alguno de los sistemas de coordenadas de referencia memorizados, el programa nos mostrará en la parte inferior del cuadro una cadena Well Known Text que representa el sistema de coordenadas de referencia seleccionado.

Si dispones de archivos ESRI Shapefile con un archivo .prj asociado, siempre puedes importarlo pulsando el botón Importar o abrirlo con un bloc que notas, copiar su contenido y pegarlo en esta ventana, pues los archivos .prj no son más que cadenas Well Known Text que definen proyecciones.

Si el sistema de coordenadas de referencia que estás intentando localizar no está memorizado en la ventana Sistemas de coordenadas de referencia memorizados ni dispones de ninguna cadena Well Known Text con el sistema de coordenadas, siempre puedes pulsar el botón Buscar….

El programa mostrará el cuadro de diálogo Buscar sistema de coordenadas de referencia horizontal o vertical, que nos permitirá buscar un sistema de coordenadas de referencia de entre los enumerados en la base de datos EPSG Geodetic Parameter Dataset, que es una base de datos con parámetros estandarizados de todos los sistemas de coordenadas imaginables.

Si aceptamos el cuadro de diálogo, se modificará la cadena Well Known Text del cuadro de diálogo anterior. Si queremos memorizar el sistema de coordenadas siempre podemos pulsar el botón Memorizar, y si queremos eliminar algún sistema de coordenadas de la lista de sistemas de coordenadas memorizados, tan solo tendremos que seleccionarlo y pulsar el botón Eliminar.

Una vez cargado el archivo de dibujo podemos comprobar su sistema de coordenadas de referencia asociado mediante una de las dos opciones que aparecen en el menú contextual que aparece al hacer clic con el botón derecho del ratón en el nombre del archivo en el panel archivos de dibujo.

El programa mostrará el sistema de coordenadas horizonta/vertical asociado al archivo de dibujo si es que lo tiene o una ventana indicando si el archivo de dibujo no tiene asociado un sistema de coordenadas de referncia.

A continuación tienes un vídeo donde se muestra esto en la práctica.

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