Analiza i modelowanie danych geodezyjnych

niestacjonarne

II stopnia

W 20/+, C 12/+, L 12/+, godziny bezkontaktowe 56

Matematyka - znajomość zagadnień algebry liniowej i podstaw analizy matematycznej. Numerycznych metody opracowań geodezyjnych - praktyczna umiejętność stosowania podstawowych algorytmów metod numerycznych. Rachunek wyrównawczy - umiejętność konstruowania układów równań obserwacyjnych.

Dyscyplina naukowa studiów prowadzonych w WAT

dr hab. inż. Krzysztof Kroszczyński, dr inż. Jerzy Saczuk

Przedmiot dotyczy praktycznego wykorzystania metod modelowania i analiz obserwacji geodezyjnych. Obejmuje modelowanie pól skalarnych wektorowych stosowanych w analizie kalibracji mapy numerycznej, nieliniowej transformacji współrzędnych, kalibracji rastra, składowych pola wektorowego przemieszczeń. Przedmiot: dostarcza informacji o wybranych elementach programowania obiektowego w języku Java, omawia zintegrowane narzędzia IDE wspomagające proces programowania aplikacji w wersji konsolowej i GUI, Aplety, MIDlety, aplikacje na Android; umożliwia opracowanie kartograficznej aplikacji na urządzenia mobilne tworzenia formularzy dla określenia cech wyświetlanej mapy i prezentacji mapy, funkcji wyliczającej adres arkusza na serwerze bitmapowym, funkcji wyświetlania map rastrowych z użyciem lokalnych plików graficznych, funkcji ładowania mapy z Internetu

Wykłady/metody dydaktyczne: Wykłady są realizowane konwencjonalnie (metodą podającą), problemowo i konwersatoryjnie.

Tematy zajęć:

1. Model parametryczny z zakłóceniem losowym. Algorytm. Ocena dopasowania modelu. Przestrzenne modele prognostyczne. Idea metody kolokacji. Kolokacja metodą najmniejszych kwadratów. Metoda predykcji liniowej (optymalnej interpolacji). Macierz kowariancji błędu modelu. Aktualizacja prognozy. Metoda geostatyczna: kriging prosty, zwykły, uniwersalny, 2 godz.

2. Modele liniowe powierzchniowe i przestrzenne. Algorytmy. Układy równań obserwacyjnych. Analiza błędów parametrów modeli. Rekurencyjna aktualizacja parametrów modeli w wyniku dodatkowych pomiarów wartości pola oraz pomiarów gradientów, 2 godz.

3. Modele globalnej i lokalnej interpolacji i aproksymacji pól skalarnych i wektorowych danych dla siatek nieregularnych przestrzennie, (dwu, trójliniowa, powierzchni wielomianowych, odwrotnych odległości – Sheparda, minimalnej krzywizny, tesselacji, triangulacji - TIN, naturalnego sąsiedztwa, powierzchni ruchomych - wielomianu ruchomego). Przykłady wykorzystania metod w konstrukcji mapy numerycznej, analizie obrazów, modelowaniu powierzchni – NMT.

4. Modele wyrównawcze transformacji współrzędnych płaskich 2D metod: Helmerta, afinicznej, wielomianowej, projekcyjnej,... Estymacja parametrów transformacji. Analiza dokładności transformacji. (2 godz.). Transformacje współrzędnych przestrzennych 3D. Tensor transformacji. Zniekształcenia odwzorowawcze. Postransformacyjna korekta prof. Hausbrandta, (2 godz).

5. Metoda wyrównania uwikłanego. Model wyrównawczy zadania transformacji przy znanych błędach współrzędnych w obu układach. Model wyrównawczy przy opracowaniu zadania transformacji przy znanych błędach współrzędnych w jednym układzie. Wpływ modelu wyrównawczego na estymowane wartości parametrów transformacji. Sprawdzian (2 godz.).

6. Programowanie obiektowe. Pojęcia: klasa, obiekt, metoda, pole. Języki programowania obiektowego. Obiektowy język Java. Cechy języka: przenośność na poziomie kodu źródłowego i kodu skompilowanego, 2 godz.

7. Elementy środowiska Java: kompilator, interpreter. Zintegrowane narzędzia IDE wspomagające proces programowania w języku Java. Typy aplikacji: programu autonomiczne w wersji konsolowej i GUI, Aplety, MIDlety, aplikacje na Android, 2 godz.

8. Składnia języka Java: typy, literały, operatory i wyrażenia, in-strukcje.

9. Programowanie z typami. Klasy opakowujące, 2 godz.

10. Proces tworzenia programu: tekst źródłowy, kompilacja, maszyna wirtualna. Korzystanie z narzędzi zintegrowanych – IDE, 2 godz.

Ćwiczenia/metody dydaktyczne: ćwiczenia obliczeniowe – prowadzone w formie tradycyjnej (kreda-tablica), oraz problemowej – studenci samodzielnie rozwiązują wybrane zadania modelowania i analizy geodezyjnych.

Tematy zajęć:

1. Przykłady realizacji skryptowej (Scilab, Octave) modelu parametrycznego z zakłóceniem losowym. Skrypty algorytmów obliczeniowych metod krigingu prostego, zwykłego, uniwersalnego. Algorytm wyznaczania warriogramu, dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów wybranej postaci analitycznej funkcji kowariancji, 2 godz.

2. Przykłady obliczeniowe: skrypty (Scilab, Octave) algorytmów modeli liniowych powierzchniowych i przestrzennych, 2 godz.

3. Przykłady obliczeniowe modeli globalnej i lokalnej interpolacji i aproksymacji pól skalarnych i wektorowych danych dla siatek nieregularnych przestrzennie. Realizacje algorytmów metod: wielomianowych, odwrotnych odległości – Sheparda, minimalnej krzywizny, wielomianu ruchomego,2 godz.

4. Przykłady obliczeniowe rozwiązywania układów wyrównawczych modeli transformacji współrzędnych płaskich 2D. Przykład wy-znaczenia analitycznego parametrów modelu Helmerta. Zasto-sowanie bibliotek narzędziowych języków skryptowych Octave, Scilab w zadaniach transformacji i analizie dokładności transformacji - Geodetic_Transformations_Toolbox, Geode-tic_Toolbox, 2 godz.

5. Algorytmy transformacji współrzędnych przestrzennych 3D. Analiza zniekształceń odwzorowawczych – zadanie własne. Postransformacyjna korekta prof. Hausbrandta, (2 godz).

6. Badanie wpływu modelu wyrównawczego (modelu stochastycznego) na estymowane wartości parametrów transformacji - model przy znanych błędach współrzędnych w obu układach, przy znanych błędach współrzędnych w jednym układzie, (2 godz).

Laboratorium/metody dydaktyczne - prowadzone w formie ćwiczeń laboratoryjnych. Studenci samodzielnie lub w grupach dwuosobowych konstruują aplikacje przetwarzania i analizy danych kartograficznych w środowisku IDE.

Tematy zajęć:

1. Budowa programu „konsolowego” z użyciem standardowego edytora i wsadowej kompilacji. Opracowanie programu konsolowego z wykorzystaniem zintegrowanego narzędzia IDE, 2 godz.

2. Opracowanie kartograficznej aplikacji na urządzenia mobilne. Założenie projektu w środowisku IDE, 2 godz.

3. Stworzenie formularzy dla określenia cech wyświetlanej mapy i prezentacji mapy, 2 godz.

4. Definicja cech arkusza mapy (skala, obszar). Opracowanie funkcji wyliczającej adres arkusza na serwerze bitmapowym, 2 godz.

5. Opracowanie funkcji wyświetlania map rastrowych z użyciem lokalnych plików graficznych, 2 godz.

6. Opracowanie funkcji ładowania mapy z Internetu. Integracja funkcji i weryfikacja poprawności pracy programu, 2 godz.

Bilans godzin bezkontaktowych

- Przygotowanie do ćwiczeń obliczeniowych 10 godz.

- Przygotowanie sprawozdań z wydanych tematów ćwiczeń 10 godz.

- Przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych 10 godz.

- Przygotowanie sprawozdań z laboratorium 10 godz.

- Przygotowanie do zaliczenia przedmiotu 16 godz.

Podstawowa:

E. Osada, Transformacje, georeferencja i rektyfikacja map i obrazów, 2009

E. Osada, Analiza, wyrównanie i modelowanie geodanych, AR Wrocław, 1998

Uzupełniająca:

E. Osada, Geodezja (Podręcznik elektroniczny w Mathcadzie), 2002

Hengl, A practical Guide to Geostatistical Mapping (http://spatia analyst.net/book/system/files/Hengl_2009_GEOSTATe2c1w.pdf).

Ken Arnold, James Gosling, Java TM

Android SDK (http://developer.android.com/sdk/)

uzupełniająca:

G. Strang , K. Borre, Linear Algebra, Geodesy, and GPS, Wellesley-Cambridge Press, 1998

Ł. Machura, Analiza szeregów czasowych, http://el.us.edu.pl/ekonofizyka/index.php/ Analiza Szeregów Czasowych/Techniki analizy szeregów czasowych

D. Kincaid, W. Cheney, Analiza numeryczna, WNT, Warszawa, 2005 ISBN: 83-204-3078-

Engineering Statistics Handbook, http://www.itl.nist.gov/div898/handbook/

K. Kroszczyński. Materiały (dostępne w wersji elektronicznej).

J. Saczuk. Materiały (dostępne w wersji elektronicznej).

W1/ Ma pogłębioną wiedzę z zakresu matematyki, metod numerycznych i innych obszarów właściwych dla kierunku geodezja i kartografia przydatną w opracowaniu danych geodezyjnych, formułowaniu i rozwiązywaniu zadań z zakresu geodezji i kartografii. Posiada wiedzę z zakresu wykorzystania algorytmów bibliotek funkcji języków skryptowych Octave, Scilab. /G2A_W01

W2/ Ma wiedzę dotyczącą praktycznych umiejętność stosowania metod analiz i modelowania danych geodezyjnych. Ma wiedzę dotyczącą programowania i wykorzystywania bibliotek algorytmów funkcji języków skryptowych - Scilab, Octave do opracowania, przetwarzania i analizy danych obserwacji geodezyjnych. / G2A_W04

U1/ Potrafi przygotować opracowanie wyników przeprowadzanych analiz danych geodezyjnych i geofizycznych, w tym streszczenia i podsumowania w języku ang./ G2A_U03, G2A_U06

U2/ Potrafi planować i przeprowadzać symulacje komputerowe związane z analizą danych geodezyjnych i geofizycznych, interpretować uzyskane wyniki i wyciągać wnioski./ G2A_U08

U3/ Potrafi wykorzystać do formułowania i rozwiązywania zadań inżynierskich i prostych problemów badawczych metody analityczne oraz symulacyjne, posiada umiejętność programowania w językach skryptowych / G2A_U09

U4/ Potrafi formułować i testować hipotezy związane z problemami inżynierskimi i prostymi problemami badawczymi w zakresie geodezji i kartografii./ G2A_U11

U5/ Potrafi ocenić przydatność i możliwość wykorzystania nowych osiągnięć (technik i technologii) w zakresie kierunku geodezja i kartografia./ G2A_U12

K1/ Potrafi współdziałać i pracować w grupie, ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną oraz gotowość podporządkowania się zasadom pracy w zespole i ponoszenia odpowiedzialności za wspólnie realizowane zadania/ G2A_K03

Przedmiot zaliczany jest na podstawie: zaliczenia na ocenę przeprowadzanego w formie pisemnej i ustnej.

Warunkiem dopuszczenia do zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie pozytywnych oceny z ćwiczeń i laboratoriów.

Wykłady

Efekty W1, W2 – są sprawdzane są sprawdzane podczas zaliczenia pisemnego i ustnego przedmiotu.

Zaliczenie prowadzone są w postaci pytań teoretycznych i proble-mowych sprawdzających wiedzę wyuczoną oraz poznane metody analizy danych geodezyjnych. Pytania obejmują zakres tematyki kolejnych wykładów oraz mają charakter otwarty. Efekty uznaje się za osiągnięte, jeśli student uzyska minimum 60% punktów. Gradacja ocen:

<60-65 %) – dostateczny

<65–75 %) – dostateczny plus

<75-85%) – dobry

<85-95%) – dobry plus

<95-100%> – bardzo dobry

Ćwiczenia

Podczas ćwiczeń audytoryjnych są sprawdzane efekty U1, U2, U3, U4, U5.

Warunkiem zaliczenia ćwiczeń jest: rozwiązanie wskazanych przez prowadzącego zadań dotyczących metod analizy pomiarów i obserwacji geodezyjnych, zdanie sprawozdań z wykonanych prac oraz zaliczenie sprawdzianów kontrolnych.

Efekty oceniane łącznie uznaje się za osiągnięte, jeśli student pozytywnie odpowiedział na pytania sprawdzające zadawane podczas zajęć i poprawnie wykonał wszystkie zadania wraz z prawidłowo wykonanymi sprawozdaniami uzasadniającymi dobór metod, analiz danych oraz poprawnie wyciągniętymi wnioskami. Wytyczne do wykonania zadań podaje prowadzący zajęcia.

Kryteria oceniania:

3.0 – formalnie poprawne wykonanie zadań;

3.5 – dodatkowo student potrafi odpowiedzieć na pytania wyjaśniające dotyczące wykonania zadań;

4.0 – jw. oraz student potrafi wyjaśnić, dlaczego wybrał konkretne rozwiązanie;

4.5 – jw. oraz student potrafi podać rozwiązanie alternatywne i krytycznie ocenić uzyskane wyniki;

5.0 – jw. oraz student potrafi opisowo i graficznie poprawnie udokumentować wykonanie zadania.

Laboratorium

Podczas zajęć laboratoryjnych sprawdzane są efekty U1, U2, U3, U4, U5, K1.

Efekty U1,U2, U3, U4, U5 – są sprawdzane w trakcie realizacji zadań i na podstawie wykonanych ćwiczeń laboratoryjnych.

Efekt K1 - jest sprawdzany w trakcie realizacji zadań i na podstawie opracowanych sprawozdań.

Warunkiem zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych jest samodzielne (grupowe) wykonanie wskazanych przez prowadzącego zadań i przygotowanie sprawozdań z wykonanych prac oraz zaliczenie sprawdzianów kontrolnych.

Efekty oceniane łącznie uznaje się za osiągnięte, jeśli student pozytywnie odpowiedział na pytania sprawdzające zadawane podczas zajęć i poprawnie wykonał wszystkie zadania wraz z prawidłowo wykonanymi sprawozdaniami uzasadniającymi dobór metod, analiz danych oraz poprawnie wyciągniętymi wnioskami. Wytyczne do wykonania zadań podaje prowadzący zajęcia.

Kryteria oceniania:

3.0 – formalnie poprawne wykonanie zadań;

3.5 – dodatkowo student potrafi odpowiedzieć na pytania wyjaśniające dotyczące wykonania zadań;

4.0 – jw. oraz student potrafi wyjaśnić, dlaczego wybrał konkretne rozwiązanie;

4.5 – jw. oraz student potrafi podać rozwiązanie alternatywne i krytycznie ocenić uzyskane wyniki;

5.0 – jw. oraz student potrafi opisowo i graficznie poprawnie udokumentować wykonanie zadania.