vRecientemente, en conversación con los miembros de ANEA, hablábamos sobre un cliente que requería una cámara aérea digital de gran formato en su proceso de licitación. Un colega declaró categóricamente que su empresa sí tenía un equipo de este tipo, ya que su cámara presentaba una resolución de 100 megapíxeles – Mpix. ¡Tuve que estar respetuosamente en desacuerdo! Aunque un sensor con esta resolución ya ha sido considerado de gran formato, hoy en día existen cámaras con más de 100 Mpix en algunos smartphones, que, en este caso, están muy lejos de ser considerados de gran formato. Sin embargo, en aerofotogrametría, distinguir entre formato mediano y grande no es una tarea fácil.
La expresión “gran formato” tiene su origen en la fotografía convencional, se incorporó a la fotogrametría en la época de las cámaras analógicas y estaba relacionado con el tamaño de la foto o negativo de la imagen. Las cámaras aéreas con un marco de 23 x 23 cm se consideraban de gran formato. Cuando aparecieron los primeros sensores digitales aerotransportados, todos se consideraban de gran formato, aunque ninguno alcanzaba resolución a la altura de las mejores cámaras aéreas analógicas de la época. Algunos años después, el mercado se vio invadido por cámaras de menor costo, menor tamaño y menos recursos tecnológicos: las llamadas cámaras aéreas digitales de mediano formato, que operaban principalmente junto a sensores LiDAR y para el mapeo de corredores. Según el Dr. Michael Cramer *, profesor de la Universidad de Stuttgart, hoy en día, una cámara aerofotogramétrica que proporcione imágenes de unos 400 Mpix debe considerarse de gran formato, ya que esta resolución es totalmente comparable con una imagen obtenida por las últimas cámaras aéreas de película y posteriormente digitalizada o escaneada.
En 2002, la empresa Z/I Imaging Corporation – una fusión de la alemana Carl Zeiss y la estadounidense Intergraph – lanzó su primera cámara aérea digital de gran formato: la DMC. Era una cámara aérea digital de cuadro, con cuatro sensores CCD multiespectrales con resolución de 6 megapíxeles, cuatro sensores pancromáticos de 28 megapíxeles y ocho lentes, que, después de un procesamiento fino, presentaba una imagen final con resolución de 104 megapíxeles. En 2021, la cámara de gran formato Leica DMC-III, la evolución del DMC del extinto Z/I, ahora con cinco sensores CMOS y cinco lentes, es capaz de entregar imágenes multiespectrales con resolución de 375 megapíxeles.
Aunque la frontera entre mediano y gran formato no está muy bien definida, según el Dr. Cramer, el mediano formato normalmente involucra solo un sensor apuntando al nadir, sin la adición de otros sensores para aumentar la huella, y, incluso, sin la presencia de sensores o cabezales adicionales para la información de color. Por lo tanto, la vista nadiral generalmente presenta el patrón de Bayer para obtener una imagen en color. El filtro Bayer, matriz o patrón es un recurso matricial a través del cual solo se usa un sensor, CCD o CMOS, para recolectar la imagen RGB, donde el 25% de los píxeles registran la banda roja, el 50% registran la banda verde y el 25% registran la banda azul, formando así la imagen RGB. El profesor Cramer también explica que, a diferencia de una cámara aerotransportada de mediano formato, una de gran formato tiene sensores de nadir adicionales por dos razones principales. Primero, para aumentar la huella utilizando varias subimágenes adyacentes que componen una imagen con mayor cobertura. La segunda razón es reunir sensores adicionales para registrar distintas bandas espectrales y, por lo tanto, recopilar imágenes de mejor calidad radiométrica, mostrando la real y tan deseada separación de color.
En el mercado brasileño, hoy existen tres principales marcas activas de cámaras aéreas: Hexagon-Leica, Vexcel, y PhaseOne. La suiza Leica Geosystems AG presenta en su sitio web el sensor MFC150 como mediano formato, y produce imágenes de 150 megapíxeles. La austriaca Vexcel Imaging GmbH comercializa varias cámaras de gran formato, incluida la UltraCam Eagle Mark-III de 450 megapíxeles. La danesa PhaseOne A/S solo considera su sensor iXM-RS 280F de 280 megapíxeles como de gran formato. Su segundo mejor modelo, iXU-RS1900, un poco más simple y que también muestra dos sensores y dos lentes que producen una imagen de 190 Mpix, se considera de mediano formato.
Notablemente, aunque es una característica importante, la cantidad de píxeles en la huella no es la única característica que determina si una cámara aérea es de gran formato o no. En 2003, la cámara Vexcel UltraCam D, precursora de la UltraCam Eagle y sin duda considerada de gran formato en ese momento, solo proporcionaba imágenes de 86 Mpix. Si solo tenemos en cuenta la cantidad de píxeles, el gran formato de hoy puede ser el mediano formato de mañana y el pequeño formato del futuro.
Otra característica evidente es la diferencia de peso que se debe llevar a bordo. Un sistema de gran formato, sensor de cabeza y periféricos, puede ser diez veces más pesado que uno de mediano formato. La imagen de la derecha ilustra bien la diferencia de tamaño entre un sensor de gran formato y uno de mediano formato – el cabezal sensor SH100 del Leica ADS100 y la cámara RCD30: uno con 48 kg y otro con 4 kg, ambos del mismo fabricante y operados por ESTEIO. Los términos pequeño, mediano y gran formato ** han sido durante mucho tiempo parte del léxico de muchos usuarios, fotogrametristas así como de aficionados, y es poco probable que desaparezcan. Sin embargo, para evitar errores de interpretación al especificar o requerir el “formato” de una cámara aérea, se deben agregar algunas características mínimas deseadas.
Parece correcto afirmar que la definición aerofotogramétrica de gran formato cambia con el tiempo, y será siempre la huella “más grande” disponible en el mercado, que lleva incorporando cámaras y sensores digitales de gran formato desde el año 2000. Varios de ellos siguen en funcionamiento y proporcionan imágenes de muy alta calidad geométrica y radiométrica. Su calidad, precisión, rendimiento y resolución no son solo el resultado de los miles de píxeles, sino también, y a veces principalmente, por los recursos tecnológicos adicionales asociados a los sensores de imagen CCD o CMOS.
Una duda común por parte de varios contratantes brasileños es en qué tipo de trabajo podría ser lo suficiente usar una cámara de mediano formato y dónde sería imprescindible el gran formato. Una vez más, esa pregunta no tiene una respuesta fácil. Lo que se puede decir es que, por regla general, la imagen obtenida por un sensor de gran formato siempre será mejor que la de uno de mediano formato y, ésta, mejor que la de uno de pequeño formato. Sin embargo, muchos otros elementos deben tenerse en cuenta, como el plazo de operación, el costo estimado considerando los pasos adicionales, la precisión geométrica y, principalmente, la calidad radiométrica, etc. Cabe mencionar que en áreas más extensas, es común que las imágenes realizadas con cámaras de gran formato sean menos costosas que realizadas con cámaras de mediano formato, y que, además, en el caso de un mayor costo si se considera otros beneficios puede aún conservar una mejor relación costo-beneficio.
ESTEIO, a lo largo de sus más de 50 años en el mercado, ha adquirido y operado una variedad de sensores aerofotogramétricos, de los cuales cuatro son cámaras digitales de mediano formato, seis cámaras analógicas y tres sensores digitales de gran formato. Su adquisición más reciente fue el Leica ADS100. ADS es un acrónimo de Airborne Digital Sensor, y las versiones 100 y 120 forman parte de la quinta generación de esta línea de sensores, lanzada en 2001 con el ADS40. El Leica ADS100 es uno de los sensores más modernos disponibles en el mercado, con más de 120 kg de la más alta tecnología a bordo, principalmente con los siguientes recursos:
- Trece sensores lineales para imágenes continuas con 20.000 píxeles transversales a la línea de vuelo. Tres líneas de sensores para la banda roja, cuatro líneas para la banda verde, tres líneas para la banda azul y tres líneas para la banda espectral del infrarrojo cercano;
- Grabación simultánea de 4 distintas bandas: rojo, verde, azul y el infrarrojo cercano (R = 619-651 nm, G = 525-585 nm, B = 435-495 nm y NIR = 808-882 nm), correlacionado con el uso de 3 filtros tetrachroid y sin el uso del recurso de pan-sharpening (amostreo RGB sobre píxeles pancromáticos), que es común en las cámaras digitales de cuadro;
- Sensores con la novedosa TDI (Time Delay Integration), la alternativa digital de la muy conocida compensación mecánica de movimiento hacia adelante (FMC);
- Tres vistas R, G, B y NIR, hacia anterior con 19 °, nadir con 0 ° y posterior con 26 °, creando simultáneamente una línea de imagen nadir y dos oblicuas;
- Tres pares estereoscópicos por línea o franja de vuelo;
- Único lente telecéntrico con compensación térmica y de presión, diseñado y fabricado exclusivamente para uso fotogramétrico y por uno de los mejores fabricantes de lentes del mundo – la lente telecéntrica aporta importantes ganancias de calidad en la imagen;
- Plataforma giroestabilizadora de alto rendimiento con control adaptativo PAV100-HP, responsable por la correcta estabilización del sensor durante el vuelo y, con la posibilidad de uso compartido con el cono SH120, el sensor láser, el sensor batimétrico, el sistema oblicuo o cámaras de mediano formato;
- Capacidad de memoria de 2,4 Terabytes e intercambiable durante el vuelo;
- Capacidad de obtener imágenes con hasta 3 cm de resolución espacial (GSD);
- Sistema inercial de alto rendimiento, software eficiente para la gestión de vuelos, etc..
Dado que la imagen es continua – característica del sensor lineal también conocido como pushbroom –, el nuevo sensor Leica ADS100 de ESTEIO es capaz de capturar imágenes nadir de 20.000 píxeles por una cantidad de píxeles que solo está limitada por el tiempo de vuelo. En respuesta a la frecuente pregunta sobre cuál es la resolución en megapíxeles del sensor ADS100, se puede decir lo siguiente: a pesar de que la resolución de megapíxeles es una característica exclusiva de las cámaras de cuadro, si imaginamos una imagen cuadrada, como las grabadas por cámaras analógicas, tendremos una resolución equivalente a 400 Mpix; si imaginamos una imagen de 3×4 lograremos 553 Mpix; y si tenemos en cuenta el tamaño real de la imagen, escena o franja, también conocida como alfombra o “capa de píxeles” – ver primera imagen de este artículo –, podemos lograr miles de megapíxeles o varios gigapíxeles dependiendo de la velocidad del avión y del GSD.
Por lo tanto, el ADS100 es un excelente representante de los sensores actuales de gran formato disponibles en este restringido y selecto mercado de sensores digitales aéreos.
*El Dr. Michael Cramer es ingeniero, investigador, profesor y director del Grupo de Investigación de Sistemas Fotogramétricos del Instituto de Fotogrametría de la Universidad de Stuttgart, en Alemania. En una conversación personal por correo electrónico: valther@esteio.com.br en Feb. 19, 2021.
** Los términos formato pequeño, mediano y grande forman parte de la historia de la fotografía. Aunque las cámaras digitales han superado a las analógicas, éstas siguen existiendo, pero son utilizadas por un pequeño número de aficionados a la fotografía convencional. Las cámaras de gran formato fueron las primeras en aparecer, tenían varios tamaños de fotogramas, el más pequeño era de 4 x 5 pulgadas, este tamaño de película se vende en hojas y existe desde 1830. Las cámaras de formato pequeño utilizan rollo de película y principalmente el estándar 135, lanzado en 1934 por Kodak, con un tamaño de fotograma de 24 x 36 mm o menos. La cámara de mediano formato, originalmente, utilizaba el conocido rollo de película 120, disponible desde 1901, con fotogramas normalmente de 60 mm por 45 o 60 mm. En la transición a la era digital, los “back-ends” de mediano formato se han diseñado con dimensiones suficientemente pequeñas como para utilizar lentes originalmente diseñados para usar con película “120”. Por supuesto, hoy en día, incluso las lentes se rediseñan para adaptarse a las características especiales de los planos focales digitales, pero la nomenclatura persiste. Contribución recibida por correo electrónico de Ron Roth de Hexagon-Leica USA.
Valther Xavier Aguiar es ingeniero cartógrafo, Director Técnico de ESTEIO Engenharia e Aerolevantamentos S.A. y Presidente de ANEA – Asociación Nacional de empresas de Aerolevantamientos. valther@esteio.com.br, www.esteio.com.br, Abril/21
