Geomatyka-modelowanie przestrzenne środowiska

Celem przedmiotu jest zdobycie przez studenta kompetencji w zakresie samodzielnej realizacji projektów z zakresu analiz przestrzennych i modelowania w tym przetwarzania i klasyfikacji obrazów teledetekcyjnych, modeli wysokościowych, aktualizacji systemów GIS oraz analiz dynamiki zmian zachodzących w klasach pokrycia terenu na podstawie opracowania obrazów lotniczych i satelitarnych.

Program wykładów obejmuje także problematykę przeprowadzania analiz przestrzennych typu: 3-D (modele terenu i modelowanie powierzchni) i 4-D (analizy czasoprzestrzenne) obszarów chronionych i miast przy wykorzystani narzędzi do symulacji i zautomatyzowanych analiz.

Ważnym problemem poruszanym w trakcie realizacji przedmiotu jest analiza zmian klas pokrycia terenu w oparciu o geodane pochodzące z zobrazowań teledetekcyjnych oraz programu CORINE LC 2000 a także z map topograficznych i pomiarów bezpośrednich GPS.

Tematyka wykładów:

1. Definicja numerycznych modeli wysokościowych: NMT, NMPT, zNMPT. Źródła danych i metody generowania modeli aproksymujących przebieg terenu oraz obiektów 3D na terenie. Pomiary naziemne (tachimetria, GNSS, naziemny skaning laserowy (ang. TLS), mobilny skaning laserowy (MMS), fotogrametria naziemna, przetwarzanie danych z PZGiK – mapy hipsometryczne (rzeźba; automatyzacja procesu). Zdalne metody: fotogrametria lotnicza (kamery cyfrowe, stereomatchingu), lotnicze skanowanie laserowe (ang. Airborne Laser Scanning) – chmura punktów, filtracja, generowanie klas i modeli, produkty przetwarzania; zobrazowania satelitarne w trybie stereo (VHRS); altimetria z użyciem lasera - laserowe skanowanie satelitarne (ang. SSL); sensory radarowe; interferometria radarowa (TerraSarX, TanDEM-X). Projekt ISOK – nowe dane referencyjne dla Polski, SLS - GEDI, IceSAT2.

Metody wizualizacji rzeźby terenu (mapy hipsometryczne, cieniowanie reliefu – hillshade, modele 2,5D oraz 3D). Model warstwicowy, model TIN: diagramy Vornoi, Poligony Thiessena. Edycja modelu TIN: linie szkieletowe, nieciągłości, pikiety (ang. mass points), linie ograniczające interpolację. Model rastrowy - struktura i właściwości NMT w postaci GRID Esri. Modele globalne: ASTER Global DEM, SRTM i inne – dokładność i dostępność, charakterystyka modeli.

2. Analizy przestrzenne GIS na rastrowym modelu danych. Struktura danych typy GRID. Wizualizacja rastra, VAT, edycja histogramu, progowanie. Struktura obrazów rastrowych (ortofotomap satelitarnych i lotniczych, wielospektralnych danych): GeoTIFF oraz TFW, wartości pikseli w kanałach spektralnych. Analizy rastrowe: funkcje lokalne (reklasyfikacja, cross-tabulacja, statystyki, algebra map). Funkcje sąsiedztwa: focal statistic i block statistic. Grupowanie graniczących pikseli w regiony. Strefowanie pikseli (ang. zones) . Geometria dla stref (ang. zonal geometry) . Funkcje globalne – analizy odległości (dystansu i alokacji i kierunku Euklidesowego). Geostatystyka. Interpolacja danych przestrzennych (funkcje nieliniowe; metody opróbowania terenu badań: metoda regularna, losowa, losowa stratyfikacyjna, preferencyjna, izoliniowa itp.). Algorytmy interpolacyjne w oprogramowaniu ArcGIS, QGIS.

Analizy topograficzne oraz modelowanie hydrologiczne. Atrybuty topograficzne podstawowe i wtórne. Algorytmy - zasada działania dla określania wartości pikseli, analizy spadku, ekspozycji, krzywizny planarnej stoku (konwergencja, dywergencja) oraz wertykalnej. Indeksy: TWI – Topograficzny Indeks Wilgotności, Indeks Siły Spływu – SPI; Współczynnik zdolności transportowania osadu – LS, model zagrożenia gleb erozją USLE; solar radiation – SRAD. Modelowanie hydrologiczne GIS: założenia, potrzeby, dane. Przygotowanie procesu modelowania, edycja danych i modeli NMT, kierunki spływu (ang. flow direction), algorytm D8, Rho8. Mapa akumulacji (ang. flow accumulation) i segmentacji cieków. Mapa zlewni – aplikacja Arc Hydro Tools. Części wód. Dyrektywa Wodna, Dyrektywa Powodziowa. Projekt ISOK.

3. Teledetekcja lotnicza i satelitarna. Podstawy rejestracji, promieniowanie elektormagnetyczne – właściwości, kanały spektralne, rozdzielczości, okno atmosferyczne, krzywa spektrostrefowa, barwa - kodowanie. Przetwarzanie i klasyfikacja obrazów teledetekcyjnych. Typy klasyfikacji: pikselowa (podstawowe algorytmy klasyfikacji nadzorowane j i nienadzorowanej) i obiektowa analiza obrazu (OBIA). Analizy wielo-czasowe zmian pokrycia terenu (ang. change detection) – CORINE Land Cover – projekty UE . Rejestracja i georeferencja obrazów.

Charakterystyka sensorów optycznych i mikrofalowych (TanDEM X). Wysokorozdzielcze systemy obrazowania satelitarnego; WorldView -1 , WorldView -2,3,4; GeoEye-1, Pleiades, RapdiEye, Planet, SPOT5, IKONOS, QucikBird, EROS, KOMPSAT-2 i inne . Aplikacje środowiskowe. Obrazowanie hiperspektralne – AISA. Indeksy roślinności: NDVI. Bezzałogowe systemy obrazowania - UAV (przykłady zastosowań w leśnictwie i ochronie przyrody).

4. Internet GIS. Dyrektywa INSPIRE. Ustawa o Infrastrukturze Informacji Przestrzennej (SDI). Serwisy, normy ISO, standardy. Metadane. Geoportal.gov.pl – funkcjonalność, interoperacyjność, serwisy i usługi. Przykłady serwisów mapowych WMS i WFS w Polsce i na świecie z zakresu środowiska. Uruchamianie serwisów w oprogramowaniu GIS Desktop.

Tematyka ćwiczeń:

1. Wprowadzenie do teledetekcji. Pozyskanie danych satelitarnych, metody wyszukiwania danych, zamawiania, pozyskiwania. Wprowadzenie do podstaw obsługi oprogramowania ILWIS.

2. Klasyfikacja nadzorowana zobrazowań teledetekcyjnych Landsat TM. Pola treningowe - AOI. Analiza histogramów, krzywych spektralnych dla pól treningowych. Algorytmy klasyfikacyjne.

3. Analiza zmian klas pokrycia terenu w krajobrazie. Kartowanie klasy pokrycia terenu – pozyskanie danych tematycznych z map topograficznych oraz z baz danych programu CORINE LC 2000 i 2006 (EEA).

4. Ocena możliwości wykorzystania danych teledetekcyjnych w ochronie przyrody.

Adamczyk J., Będkowski K.. 2005. Metody cyfrowe w teledetekcji. Wydawnictwo SGGW. Warszawa

Clevers J. 2000. RS – Digital Lectures http://www.geoinformatie.nl/courses/ grs20306/lectures/introduction.htm

Longley P. A., Goodchild M. F., Maguire D. J., Rhind D. W., 2006. GIS. Teoria i praktyka. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa

ESRI. 1996. Using ArcView GIS. Using ArcView Spatial Analyst. Using ArcView 3D Analyst

Gaździcki J. 1990. Systemy Informacji Przestrzennej. PPWK, Warszawa-Wrocław

Kraak M. J., Ormeling F. 1998. Kartografia - wizualizacja danych przestrzennych. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa

Praca Zbiorowa 2000. Systemy Informacji Przestrzennej w Lasach Państwowych. Lasy Państwowe – Warszawa (pod redakcją K. Okła)

Sitek Z. 1997. Wprowadzenie do teledetekcji lotniczej i satelitarnej. AGH – Kraków

Student w czasie kursu poznaje zasady pozyskiwania geodanych referencyjnych oraz przeprowadzania analiz przestrzennych GIS. Uzyskuje wiedzę pozwalająca na samodzielną realizację takich zagadnień jak aktualizacja baz danych geometrycznych i opisowych (LMN, GIS w Parkach Narodowych) w oparciu o pomiary bezpośrednie, materiały kartograficzne, obrazy satelitarne, zdjęcia lotnicze, ortofotomapy i inne geodane udostępniane jako efekt Dyrektywy KE - INSPIRE.

Wykład (60% waga oceny końcowej):

sprawdzian wiedzy, test wielokrotnego wyboru

Ćwiczenia laboratoryjne (40% waga ocena koncowa):

sprawdzian umiejętności: wykonania zadania obliczeniowego, analitycznego, czynności

zaliczenie projektu (indywidualne)

ocena zaangażowania w dyskusji, umiejętności podsumowania, wartościowania