Podstawy geomatyki

Celem przedmiotu jest wprowadzenie słuchacza do współczesnego zakresu technologii geoinformacyjnych. Geomatyka rozumiana jest współcześnie jako zintegrowane ze sobą technologie z zakresu: geodezji, GNSS, kartografii cyfrowej, fotogrametrii, teledetekcji satelitarnej, skanowania laserowego (LiDAR), GIS czy technologii internetowych, będących medium udostępniania informacji przestrzennej. Istotą kursu jest zapoznanie studenta ze specyfiką pozyskiwania geodanych przestrzennych oraz ich przetwarzania, zarządzania nimi, analizowania, wizualizacji, modelowania i udostępniania. Kurs obejmuje problemy dostępu do zasobów danych przestrzennych oraz integracji geodanych i realizacji projektów środowiskowych w zakresie GIS. Praktyczny wymiar kursu dotyczy także opanowania podstawowych umiejętności posługiwania się programem komputerowym ArcGIS (Esri) do samodzielnej realizacji projektów GIS orazcyfrowej stacji fotogrametrycznej VSD-AGH w zakresie pozyskiwania tematycznych danych typu 3D.

Tematyka wykładów:

1. Wprowadzenie do Geomatyki.

Definicje i pojęcia związane z technologiami geoinformacyjnymi. Założenia Dyrektywy INSPIRE w zakresie Insfrastruktury Informacji Przestrzennej. Historia i typy systemów GIS. Moduły zasilania i przetwarzania geodanych. Źróła i typy materiałów kartograficznych. Przegląd oprogramowania GIS.

2. Modele danych GIS.

Definicja: encji, obiektu i symboli w systemach GIS. Cechy danych w systemach GIS. Zasady architektuty i funkcjonowania modeli: rastrowego i wektorowego na przykładzie oprogramowania ArcGIS Esri. Topologia warstw wektorowych.

3. Bazy danych w systemach GIS

Definicja bazy danych. Cechy, architektura i typy baz danych. Relacyjna baza danych jako podstawowy typ w systemach geoinformacyjnych. Hurtownie danych. Technologie WebGIS, internet GIS. Relacje w domenach geometrycznych i opisowych (atrybutowa). Schemat funkcjonowania współczesnego systemu GIS na poziomie jednostki administracyjnej (powiat, województwo) lub parku narodowego.

4. Analizy przestrzenne GIS

Wprowadzenie do modelowania przetrzennego. Podstawowe operatory występujące w analizach przestrzennych. Metody interpolacji danych punktowych do generowania powierzchni aproksymujących wartości atrybutów. Metody : IDW, Spline, Trend, Krieg). Numeryczne modele: NMT, NMPT, zNMPT. Charakterystyka modeli: TIN oraz GRID. Analizy przesztrzenne typu 2,5 oraz 3D.

5. Podstawy kartografii i systemy GNSS (GPS).

Spsoby okreslania pozycji (geokodowanie) obiektów przestrzennych. Systemy odniesień. Odwzorowania kartograficzne. Państwowe układy współrzędnych oraz globalne rozwiązania (PUWG 1992, 2000, WGS84) oraz przegląd archiwalnych map i układów współrzędnych (mapy WIG, PUWG 1965, 1942 i inne). Wprowadzenie do zasad funkcjonowania Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnej (GNSS). Przegląd istniejących (NAVSTAR-GPS, GLONASS) i planowanych systemów (COMPASS, Galileo). Architektura systemu NAVSTAR-GPS. Segmenty systemu NAVSTAR. Zasada i tryby pomiaru odbiornikami GPS. Korekcja różnicowa. System EUPOS-ASG.

6. Skanowanie laserowe (LIDAR = Light Detection And Ranging).

Wprowadzenie do technologii naziemnego (TLS), lotniczego (ALS) oraz satelitarnego (SLS) skanowania laserowego. Podstawowe pojęcia, typy skanerów, metoda pomiaru odległosci, formaty danych, modelowanie.

7. Wprowadzenie do fotogrametrii analogowej i cyforwej.

Materiały fotolotnicze: typy, określenie skali. Przeglą kamer lotniczych (analogowei cyfrowe). Obserwacje steroskopowe pary zdjęć lotniczych. Urządzenia do fotogrametrycznego opracowania zdjęć lotniczych w technologii 3D. Parametry wykonywania zdjęć lotniczych. Orientacja zdjęć i stereogramów. Ortofotografia i ortofotomapa lotnicza. Zasoby danych (PZGiK, CODGiK, WODGiK)

8. Fotointerpretacja obrazu

Cechy pośrednie i bezpośrednie obrazu. Proces fotointerpretacji obrazów (zdjęc lotniczych i satelitarnych). Barwne spektrostrefowe zdjęcia lotnicze CIR (ang. Color InfraRed): budowa filmu, zasada generowania barw, interpretacja oraz ich rola w kartowaniu poszczególnych typów zbiorowisk roślinnych i monitoringu środowiska.

Tematyka ćwiczeń:

1. Wprowadzenie do podstaw obsługi oprogramowania ArcGIS Esri.

Przegląd modułów: ArcCatalog, ArcMap, ArcToolbox. Plik Shape File Esri - podstawowy format danych wektorowych. Ogólne zasady przygotowania kompozycji mapowej (skala, kompilacja mapy, legenda, wydruk).

2. Wprowadzanie danych do systemu GIS

Tworzenie warstwy wektorowej i definiowanie jej właściwości. Wektoryzacja ekranowa zasięgów klas pokrycia terenu (ang. Land Cover = LC) na podstawie zeskanowanych obrazów map topograficznych (1:10.000 oraz 1:25.000).

3. Edycja danych wektorowych (format SHAPE File Esri).

Nadawanie atrybutów pozyskanym obiektom typu 2D (poligony; klasy obiektów LC). Zarządanie i edycja bazy danych - selekcja rekordów, sortowanie wierszy, obliczanie wartości atrybutów w poszczegółnych polach. Utworzenie relacji między tabelami baz danych geometrycnzych i opisowych.

4. Wektorowy model danych GIS.

Prowadzenie analiz przestrzennych GIS na danych wektorowych: nakładanie poligonów, agregacja, część wspólna, przycinanie, usuwanie, buforowanie linii, punktu i poligonu.

5. Rastrowy model danych GIS.

Podsatwowe właściwości modelu rastrowego GRID Esri. Zamaina formatów wektorowych na rastrowe. Zmiany atrybutów (wartości komórek GRID; recalculate). Prowadzenie analiz przestrzennych GIS na danych rastrowych - algebra map (Map calculator) w środowisku ArcMap ArcGIS. "

6. Modelowanie danych przestrzennych - interpolacja.

Charakterystyka wybranych metod interpolacji danych w środowisku ArcGIS. Przeprowadzenie interpolacji danych punktowych do postaci powierzchni aproksymującej przestrzeny rozkład wartości metodą IDW (ang. Inverse Distance Weighted).

7. Numeryczny Model Terenu (NMT).

Generowanie Numerycznego Modelu Terenu (ang. DTM; Digital Terrain Model) na podstawie zwektoryzowanych linii warstwicowych z mapy hipsometrycznej. Typy modeli TIN oraz GRID. Etapy generowania TIN, uszczegóławianie modelu, linie nieciągłości, wzmacnianie dokłądności modelu poprzez jego edycję. Wizualizacja danych NMT w trybie 2,5D (cieniowanie, ang. Hillshading). Generowanie Numerycznego Modelu Powierzchni Terenu na bazie danych fotogrametrycznych.

8. Analizy przestrzenne typu 3D.

Przeprowadzenie analiz przestrzennych typu 3D na podstawie warstw: NMT oraz NMPT. Wykonanie mapy spadków, ekspozycji oraz podstawoiwe analizy widoczności.

9. Podstawy systemów GNSS.

Wprowadznie do budowy odbiornika kartograficznego dGPS. Pomiar dGPS (krekcja różnicowa - post processing) w terenie. Funkcjonalności odbiorników GPS. Prezentacja odbiorników turystycznych GPS, loggery, trackery, GeoTagowanie zdjęć cyfrowych. Rejestraja w ASG-EUPOS.

10. Skanowanie laserowe (LiDAR).

Prezentacja technologii lotniczego i naziemnego skaningu laserowego. Wizualizcja chmur punktów w oprogramowaniu Fugro Viewer (wysokości bezwzględne, liczba odbić intensywność, klasy, NMT, NMPT). Pomiary wysokości obiektów w krajobrazie (drzewa, domy, konstukcje). Integracja danych LiDAR oraz ortofotomapy i warstw GIS.

11. Wprowadzenie do fotogrametrii - I

Przegląd materiałów fotolotniczych (analogowych i cyfrowych; RGB i CIR), okęślanie skali zdjęć lotniczych na podsatwie odczytu wysokości i stałej kamery, określanie parametrów lotu (kierunek, pokrycie podłużne i poprzeczne, czas nalotu), planowanie misji nalotu fotogrametrycznego.

12. Wprowadzenie do fotogrametrii - II

Wprowadzenie do stereoskowych obserwacji zdjęć lotniczych. Orientacje zdjęć i stereogramów: wewnętrzna, wzajemna i bezwzględna (EO). Obserwacje stereoskopowe.

13. Fotogrametria cyfrowa - I

Wprowadzenie do obsługi cyfrowej stacji fotogrametrycznej VSD-AGH. Obserwacje stereoskopowe. Semonstracja funkcjonalności stacji fotogrametrycznej DEPHOS. Zdjęcia z kamey cyfrowej (kompozycje CIR oraz RGB).

14. Fotogrametria cyfrowa - II

Zasady wykonywania stereodigitalizacji modeli 3D z użyciem fotogrametrycznej stacji cyfrowej VSD/DEPHOS

15. Fotogrametria cyfrowa - III

Kartowanie klas pokrycia terenu z wykorzystaniem archiwalnych obrazów fotolotniczych CIR dla obszaru Gorców. Fotointerpretacja zasięgu i uszkodzeń lasów, użytkowania rolniczego, sukcesji zbiorowisk roślinnych o charakterze leśnym na polanach, infrastruktury (zabudowa, drogi, bacówki, ruiny), erozji itp. Eksport warstw wektorowych (DXF) do programu ArcGIS.

1. Paul A. Longley, Michael F. Goodchild, David J. Maguire, David W. Rhind., 2006. GIS. Teoria i praktyka. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa.

2. Ciołkosz A., Miszalski J., Olędzki R., 1999. Interpretacja zdjęć lotniczych. Wydawnictwa Naukowe PWN.

3. Davis. E.D., 2004. GIS dla każdego. ESRI Polska. Wydanie polskie. Warszawa

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

5. Kurczyński Z., Preuss R., 2004. Podstawy fotogrametrii. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

6. Litwin L., Myrda G., 2006. Systemy Informacji Geograficznej. Zarządzanie danymi przestrzennymi w GIS, SIP, SIT, LIS. Helion

7. Narkiewicz J., 2003. GPS. Globalny System Pozycyjny. Budowa, działanie, zastosowanie. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności

8. Burrrough P.A., 1996. Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. Clarendon Press. Oxford

9. Wójcik S., 1989. Zdjęcia lotnicze. PPWK. Warszawa-Wrocław

10. Geomatyka w Lasach Państwowych. Red. K. Okła. Warszawa 2010

Student zna podstawowe założenia architektury funkcjonowania Systemów Informacji Przestrzennej (SIP/GIS) oraz sposoby pozyskiwania, przechowywania, zarządzania, przetwarzania i udostępniania geodanych. Zna charakterystykę różnych układów współrzędnych geodezyjnych i możliwości transformacji danych przestrzennych w środowisku GIS. Posiada podstawową wiedzę z zakresu typów modeli danych GIS i prowadzenia analiz przestrzennych na geodanych. Jest w stanie scharakteryzować współczesne zasady funkcjonowania systemów GNSS i możliwe tryby pomiaru GPS (pomiar autonomiczny oraz dGPS) . Zna podstawy teoretyczne cyforwej fotogrametrii lotniczej, optyczne właściwości obiektów rejestrowanych na zdjęciach lotniczych oraz poszczególne produkty przetwarzania zobrazowań lotniczych.

Po realizacji przedmiotu student potrafi przygotować i zrealizować projekt GIS w zakresie danych wektorowych i rastrowych. Obsługuje różne typy odbiorników GPS (GNSS) w trybie pomiaru i nawigacji. Analizuje chmury punktów z lotniczego skaningu laserowego dokonując pomiaru wybranych elementu krajobrazu.Oblicza charakterystyki zdjeć lotniczych i nalotu fotogrametrycznego. Analizuje możliwości korzystania z opracowań fotogrametrycznych dla celów architektury krajobrazu. Dokonuje stereodigitalizacji 3D z użyciem cyfrowej stacji fotogrametrycznej. Zna możliwości pozyskania nowych materiałów źródłowych z zasobów geodezyjnych i kartograficznych (ortofotomapy cyfrowe, dane GIS).

Sprawdzian wiedzy w postaci testu wielokrotnego wyboru.

Sprawdzian umiejętności: zaliczenie projektu (indywidualne), wykonanie zadania praktycznego, rozwiązanie zadania problemowego, test wielokrotnego wyboru