Modelowanie przestrzenne w leśnictwie

Celem prowadzonego przedmiotu jest zdobycie kompetencji w zakresie samodzielnej realizacji projektów z zakresu przetwarzania i klasyfikacji obrazów teledetekcyjnych, 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 Lasów Państwowych i Parków Narodowych (zmiany lesistości) 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:

Wykłady 8 godz.

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:

Ćwiczenia laboratoryjne 10 godz.

1.Wykorzystanie Numerycznego Modelu Terenu (typy modeli: TIN oraz GRID) w leśnictwie i ochronie przyrody. Możliwości pozyskania danych referencyjnych z zasobu PZGiK oraz WODGiK. Generowanie NMT, NMPT, edycja modelu.

Analiza jakości modeli pozyskiwanych z różnych źródeł: mapy topograficzne, modele TIN/GRID, LPIS 2001-03, misja SRTM (ITED) oraz LiDAR ALS (DTM, DSM). Praca w środowisku ArcGIS Esri.

2. Analizy przestrzenne GIS typu 3D bazujące na modelach: NMT oraz NMPT. Analiza spadków, ekspozycji, wyznaczanie charakterystycznych linii topograficznych, analizy widoczności w krajobrazie. Reklasyfikacja danych.

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

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

5. 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). Ocena możliwości wykorzystania danych teledetekcyjnych w ochronie przyrody.

Literatura:

Podstawowa

"1. Będkowski K. 2011. Las w rastrowym modelu danych przestrzennych. 2011

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

3.Kędzierski M. 2016. Zobrazowania satelitarne. Zastosowanie w fotosceneriach symulatorów lotniczych. WAT"

Uzupełniająca

"1. Bujakiewicz A., Preuss R. 2016. Wieloźródłowe dane fotogrametryczne do tworzenia 3D modeli miast. Politechnika Koszalińska

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

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

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.

WIEDZA - zna i rozumie:

LES_MPL_W1 Definiuje numeryczne modele wysokościowe: NMT, NMPT oraz zNMPT. Zna źródła geodanych wysokościowych (np. GUGiK, USGS) i metody generowania modeli do aproksymacji przebiegu terenu i innych obiektów (np. okapu drzewostanu). Jest w stanie scharakteryzować metody wizualizacji rzeźby terenu. Zna charakterystykę modelu warstwicowego, modelu TIN oraz modelu rastrowego GRID. Jest w stanie opisać modele globalne: ASTER Global DEM, SRTM i inne – oraz ich dokładność i dostępność, a także charakterystyki dokładnościowe. LES2_W01 LES2_W02 LES2_W03 RL

LES_MPL_W2 Zna analizy przestrzenne GIS na rastrowym modelu danych. Zna strukturę danych typu GRID, umie prowadzić analizy rastrowe, grupowania graniczących pikseli w regiony, strefowania pikseli (ang. zones), geometrii dla stref (ang. zonal geometry), funkcje globalne – analizy odległości. Zna pojęcia z zakresu geostatystyki, tj. interpolacje danych przestrzennych. Jest w stanie charakteryzować cel i przebieg analiz topograficznych oraz modelowania hydrologicznego, oraz rozróżnia atrybuty topograficzne podstawowe i wtórne. Zna algorytmy implementowane w celu określania wartości wysokości pikseli, analizy spadku, ekspozycji, krzywizny planarnej stoku (konwergencja, dywergencja) oraz wertykalnej. Potrafi opisać indeksy: Topograficzny Indeks Wilgotności (TWI); Indeks Siły Spływu (SPI); Współczynnik zdolności transportowania osadu (LS), model zagrożenia gleb erozją (RUSLE); model nasłonecznienia Solar Radiation (SRAD). Zna zagadnienia z zakresu modelowania hydrologicznego GIS. LES2_W01 LES2_W02 LES2_W03 RL

LES_MPL_W3 Zna tematykę teledetekcji lotniczej i satelitarnej - podstawy rejestracji, promieniowanie elektromagnetyczne – właściwości, kanały spektralne, rozdzielczości, okno atmosferyczne, krzywa spektrostrefowa, barwa - kodowanie. Charakteryzuje problematykę przetwarzania i klasyfikacji obrazów teledetekcyjnych. Typy klasyfikacji: pikselowa (podstawowe algorytmy klasyfikacji nadzorowane j i nienadzorowanej) i obiektowa analiza obrazu (GEOBIA). 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 , WV-2, WV-3 oraz WV-4 +( IKONS , QuickBird), GeoEye-1, Pleiades, RapdiEye, SPOT5, EROS, KOMPSAT-2, Planet Scope, SkySAT i inne . Aplikacje środowiskowe. Obrazowanie hiperspektralne roślinności(np. AISA). Wskaźniki roślinne (np.: NDVI, NDRE). Bezzałogowe Statki Powietrzne (BSP) - przykłady zastosowań w leśnictwie i ochronie przyrody. LES2_W01 LES2_W02 LES2_W03 RL

UMIEJĘTNOŚCI - potrafi:

LES_MPL_U1 Potrafi utworzyć Numeryczny Model Terenu. Analizuje jakość NMT pozyskanych z równych źródeł: mapy topograficzne (kalibracja, wektoryzacja), LPIS 2001-03, SRTM (ITED, ASTER oraz LIDAR (DTM, DSM). LES2_U01 LES2_U02 LES2_U04 LES2_U05 LES2_U06 RL

LES_MPL_U2 Wykonuje analizy przestrzenne 3D bazujące na NMT oraz NMPT- analizy spadków, ekspozycji, objętości koron drzew. Wyznacza charakterystyczne linie topograficzne i analizy widoczności. Wskazuje możliwości wykorzystania analiz przestrzennych 3D w gospodarce leśnej i ochronie środowiska. LES2_U01 LES2_U02 LES2_U04 LES2_U05 LES2_U07 RL

LES_MPL_U3 Potrafi wyszukać i pozyskać dane satelitarne. Potrafi wykonać analizy histogramów, krzywych spektralnych dla pól treningowych. Dokonuje klasyfikacji zobrazowań teledetekcyjnych z zastosowaniem rożnych algorytmów klasyfikacyjnych. Potrafi ocenić wyniki klasyfikacji. Wskazuje możliwości wykorzystania danych teledetekcyjnych w ocenie i ochronie zasobów leśnych. LES2_U01 LES2_U02 LES2_U04 LES2_U05 LES2_U08 RL

LES_MPL_U4 Analizuje zmiany w krajobrazie i ich możliwy wpływ na gospodarkę leśną i środowisko. Potrafi pozyskać informacje z zakresu kategorii pokrycia terenu – pozyskanie danych tematycznych z map topograficznych, z programu CORINE LC. LES2_U01 LES2_U02 LES2_U04 LES2_U05 LES2_U09 RL

KOMPETENCJE SPOŁECZNE - jest gotów do:

LES_MPL_K1 Krytycznej oceny i dyskusji wartości poznawczej i praktycznej współczesnej wiedzy oraz krytycznej oceny siebie, zespołów, w których pracuje. LES2_K01 LES2_K02 RL

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

"Przygotowanie indywidualnego projektu, sprawdzian umiejętności- wykonanie zadania praktycznego i demonstracja praktycznych umiejętności