Geodezja podstawowa i astronomia geodezyjna II

stacjonarne

I stopnia

sem. II: W 16/+, C 14/+, godziny bezkontaktowe: 20

sem. III: W 14/+, C 16/+, godziny bezkontaktowe: 45

sem. IV: W 16/x, C 14/+, godziny bezkontaktowe: 20

geografia fizyczna i gospodarcza: rozwój i struktura środowiska przyrodniczego na Ziemi, budowa geologiczna Ziemi, atmosfera, hydrosfera;

podstawy nauk o Ziemi: geometria Ziemi (kształt i rozmiar), kinematyka i dynamika Ziemi;

fizyka: prawa dynamiki Newtona, pole grawitacyjne, dynamika i kinematyka bryły sztywnej, pole elektromagnetyczne, teoria potencjału;

matematyka: rachunek różniczkowy i całkowy, pole skalarne i wektorowe

dyscyplina naukowa studiów prowadzonych w WAT

prof. dr hab. inż. Ireneusz Winnicki

dr hab. inż. Janusz Bogusz, prof. WAT

prof. dr hab. Marcin Barlik

Geometria elipsoidy. Redukcja elementów sieci geod. na elipsoidę odniesienia i płaszczyznę odwzorowania. Układy współrzędnych płaskich. Polska podstawowa osnowa geometryczna: osnowa trójwymiarowa 3D. System odniesienia GRS’80. System i układ odniesienia, ziemskie i niebieskie układy odniesienia. Dynamika ruchu obiegowego i obrotowego Ziemi. Parametry ruchu obrotowego Ziemi. Zjawiska powodujące zmiany współrzędnych równikowych. Czas słoneczny i gwiazdowy. Zadanie dwóch ciał w przestrzeni. Rola astronomii geodezyjnej w geodezji współczesnej. Elementy teorii potencjału. Zmiany pola siły ciężkości w czasie. Metody pomiaru przyspieszenia siły ciężkości, grawimetry statyczne i dynamiczne, pomiary absolutne i względne. Redukcje i anomalie grawimetryczne. Teorie Stokesa i Mołodeńskiego figury Ziemi, potencjał zakłócający, odchylenia pionu, wzory Vening-Meinesza. Wyznaczanie figury Ziemi metodami grawimetrycznymi. Systemy wysokości. Niwelacja precyzyjna. Systemy wysokości.

Wykłady /metody dydaktyczne: Wykłady są realizowane metodą podającą w postaci encyklopedycznej wiedzy z wykorzystaniem środków audiowizualnych. W czasie wykładów prowadzone są dyskusje (metoda konwersatoryjna i interaktywna).

Tematy kolejnych zajęć:

Semestr II:

1. Wprowadzenie do geodezji podstawowej: kształt Ziemi, powierzchnie odniesienia, zadania geodezji, siła ciężkości, powierzchnie poziome, linie pionu, pojęcie wysokości. Geometria elipsoidy obrotowej: podstawowe związki, współrzędne geodezyjne.

2. Geometria elipsoidy: układy współrzędnych na elipsoidzie, promienie krzywizny, szerokość geocentryczna i zredukowana, równanie parametryczne elipsoidy obrotowej, linia geodezyjna.

3. Geometria elipsoidy obrotowej: przekroje normalne, linia geodezyjna, trójkąty geodezyjne, przenoszenie współrzędnych.

4. Redukcja elementów sieci geodezyjnej na elipsoidę odniesienia i płaszczyznę odwzorowania: rodzaje odwzorowań, odwzorowanie Gaussa- Krugera, redukcja długości i kierunków, zbieżność południków, skala odwzorowania, kąty kierunkowe, przeliczanie współrzędnych do sąsiednich pasów odwzorowawczych.

5. Transformacje współrzędnych przestrzennych (Helmerta-Hristova, quasiafiniczna, 7-parametrowa Bursy-Wolfa): transformacje pomiędzy układami tej samej oraz dowolnej elipsoidy, ogólne zasady przeliczania współrzędnych pomiędzy państwowymi układami „1965” a „1992” i „2000”.

6. Polska podstawowa osnowa geometryczna: osnowa trójwy-miarowa 3D (EUREF-POL, POLREF, WSSG, ASG-PL), osnowa dwuwymiarowa 2D (klasyczna pozioma sieć kątowo-liniowa), charakterystyka, sprzęt, technologia pomiaru, dokładność. Osnowa wysokościowa: kolejne realizacje układu Kronsztadt: „1960”, „1986” i „2006”.

7. Pole normalne siły ciężkości, sferoida normalna, elipsoida ekwipotencjalna, przyspieszenie normalne na elipsoidzie i ponad elipsoidą, gradient przyspieszenia. Wysokości elipsoidalne. System odniesienia GRS80.

Semestr III:

1. Wstęp. Definicja i podział astronomii. Podstawowe definicje astronomii sferycznej. Układy współrzędnych stosowane w astronomii (ekliptyczny, równikowy, godzinny, horyzontalny, geograficzny). System i układ odniesienia, ziemskie (ITRF) i niebieskie (ICRF) układy odniesienia.

2. Dynamika ruchu obiegowego i obrotowego Ziemi. Parametry ruchu obrotowego Ziemi.

3. Zjawiska powodujące zmiany współrzędnych równikowych: precesja, nutacja, ruch bieguna, paralaksa, aberracja, refrakcja astronomiczna.

4. Czas słoneczny i czas gwiazdowy, czas GPS, rodzaje czasu uniwersalnego. Rola czasu w geodezji.

5. Zadanie dwóch ciał w przestrzeni. Prawa Keplera. Rodzaje orbit.

6. Rola astronomii geodezyjnej w geodezji współczesnej i w realizacji układu quasi-inercjalnego.

Semestr IV:

1. Modele pola siły ciężkości Ziemi. Elementy teorii potencjału. Zmiany pola siły ciężkości w czasie.

2. Pole normalne siły ciężkości i powiązanie z polem rzeczywistym. Geoida. System odniesienia GRS’80.

3. Metody pomiaru przyspieszenia siły ciężkości, grawimetry statyczne i dynamiczne, pomiary absolutne i względne.

4. Redukcje i anomalie grawimetryczne.

5. Teoria Stokes'a figury Ziemi, potencjał zakłócający, odchylenia pionu, wzory Vening-Meinesza. Wyznaczanie figury Ziemi metodami grawimetrycznymi.

6. Teoria Mołodeńskiego: telluroida, quasi-geoida.

7. Systemy wysokości: liczba i cecha geopotencjalna, wysokości geopotencjalne, dynamiczne, ortometryczne, normalne.

Ćwiczenia /metody dydaktyczne: Ćwiczenia są realizowane w formie zajęć audytoryjnych realizowanych w salach dydaktycznych. Studenci samodzielnie wykonują obliczenia związane z geodezją podstawową i astronomią geodezyjną.

Tematy kolejnych zajęć:

Semestr II:

1. Metody obliczeń trójkątów geodezyjnych. Ćwiczenie: rozwiązywanie trójkątów geodezyjnych na elipsoidzie WGS-84.

2. Obliczanie współrzędnych na powierzchni elipsoidy obrotowej: metoda Clarke’a, całkowania numerycznego Kivioja i średniej szerokości Gaussa. Ćwiczenie: przeniesienie współrzędnych geodezyjnych na elipsoidzie WGS-84 - zadanie wprost metodą Clarke’a, zadanie odwrotne metodą średniej szerokości Gaussa.

3. Odwzorowanie Gaussa-Krugera – ogólna charakterystyka. Wyliczenie redukcji odwzorowawczych odwzorowania Gaussa-Krugera.

4. Układy współrzędnych płaskich: „1942”, „1965”, „GUGiK 1980”, UTM, „1992”, „2000”.

5. Państwowe układy „1992” i „2000” – krótka charakterystyka. Redukcje obserwacji geodezyjnych (kierunków i odległości) na płaszczyznę układu 2000.

6. Przeliczenie współrzędnych XYZ na h i odwrotne. Trans-formacja współrzędnych w układzie „1965” do układu „2000”.

7. Transformacje współrzędnych przestrzennych (Helmerta-Hristova, quasiafiniczna, 7-parametrowa Bursy-Wolfa). Ćwiczenie: Transformacja współrzędnych pomiędzy państwowymi układami współrzędnych „1992” i „2000”.

Semestr III:

1. Pojęcia podstawowe astronomii geodezyjnej, trójkąty sferyczne, podstawy trygonometrii sferycznej. Ćwiczenie: rozwiązywanie trójkątów sferycznych.

2. Transformacje układów sferycznych. Ćwiczenie: transformacja współrzędnych godzinnych na horyzontalne i odwrotnie (transformacja przez obroty).

3. Zjawiska ruchu dobowego, efemerydy. Ćwiczenie: zjawiska ruchu dobowego dla wybranych gwiazd.

4. Interpolacja w astronomii geodezyjnej. Ćwiczenie: wyliczenie równikowych współrzędnych pozornych na moment obserwacji.

5. Czas słoneczny i czas gwiazdowy. Związek długości geograficznej i czasu. Ćwiczenie: przeliczenie czasów.

6. Transformacja elementów orbit na układ ortokartezjański. Ćwiczenie: azymut i wysokość satelity nad horyzontem na podstawie elementów orbit.

7. Elementy orbity keplerowskiej a pole grawitacyjne Ziemi. Ćwiczenie: zasady rządzące ruchem sztucznych satelitów Ziemi.

Semestr IV:

1. Potencjał grawitacyjny brył geometrycznych. Ćwiczenie: Potencjał płaskiej i sferycznej warstwy pojedynczej, kuli, stożka, walca.

2. Pole normalne siły ciężkości. Ćwiczenie: obliczanie parametrów dynamicznych i geometrycznych elipsoidy obrotowej.

3. Metodyka pomiarów grawimetrami. Ćwiczenie: opracowanie pomiarów przęsła grawimetrycznego.

4. Redukcje i anomalie grawimetryczne. Ćwiczenie: obliczenie redukcji i anomalii wolnopowietrznej, Bouguera, Poincarego-Preya.

5. Systemy wysokości. Ćwiczenie: przeliczanie wysokości i przewyższeń.

6. Niwelacja precyzyjna. Ćwiczenie: wyliczenie poprawek do pomiarów niwelacyjnych.

7. Metody pomiarów niwelacyjnych. Ćwiczenie: pomiar przewyższenia za pomocą precyzyjnego niwelatora klasycznego.

Bilans godzin bezkontaktowych:

semestr II:

• przygotowanie do ćwiczeń rachunkowych: 5 h;

• opracowanie sprawozdań z ćwiczeń: 2 h;

• przygotowanie do sprawdzianów kontrolnych: 3 h;

• przygotowanie do zaliczenia wykładów: 10 h.

semestr III:

• przygotowanie do ćwiczeń rachunkowych: 13 h;

• opracowanie sprawozdań z ćwiczeń: 6 h;

• przygotowanie do sprawdzianów kontrolnych: 6 h;

• przygotowanie do zaliczenia wykładów: 20 h.

semestr IV:

• przygotowanie do ćwiczeń rachunkowych: 3 h;

• opracowanie sprawozdań z ćwiczeń: 2 h;

• przygotowanie do sprawdzianów kontrolnych: 3 h;

• przygotowanie do egzaminu: 12 h.

Podstawowa:

 J. Balcerzak, J. Panasiuk: Wprowadzenie do kartografii matematycznej., Oficyna Wydawnicza Pol. Warszawskiej, Warszawa 2005.

 M. Barlik, A. Pachuta: Geodezja fizyczna i grawimetria geodezyjna. Teoria i praktyka., Oficyna Wydawnicza Pol. War-szawskiej, Warszawa 2007.

 K. Czarnecki: Geodezja współczesna w zarysie. Wydawnictwo Wiedza i Życie, Warszawa 1997, 2010.

 I. Gajderowicz: Odwzorowania kartograficzne. Podstawy., Wydawnictwo UWM, Olsztyn 2009.

 R. Hlibowicki (pod redakcją): Geodezja wyższa i astronomia geodezyjna. PWN, Warszawa 1981.

 B. Hofmann-Wellenhof, H. Moritz: Physical Geodesy, second edition., Springer-Verlag, Wien 2006.

 E. Osada: Geodezja, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.

 J. Rogowski, M. Kłęk: Geodezja wyższa i astronomia geodezyjna. cz. I. Wydawnictwo Uczelni Warszawskiej im. Marii Skłodowskiej-Curie, Warszawa 2007.

 W. Szpunar: Podstawy geodezji wyższej, PPWK, Warszawa 1982.

 J. Śledziński – Geodezja satelitarna. PPWK, Warszawa 1978.

Uzupełniająca:

 K. M. Borkowski, Algorytmy zamiany współrzędnych kartezjańskich na elipsoidalne., Geodezja i Kartografia, XLI, 3-4 (1992), s. 203-212.

 K. M. Borkowski, Accurate algorithms to transform geocentric to geodetic coordinates., Bulletin Géodésique, Volume 63, Number 1, 1989, pp. 50-56.

 K. R. Britting, Inertial Navigation Systems Analysis., MSL MIT, Artech House 2010.

 M. Bursa, The theory for the determination of the non-parallelism of the minor axis of the reference ellipsoid and the inertial polar axis of the Earth, and the planes of the initial astronomic and geodetic meridians from the observation of artificial Earth satellites. Studia Geophysica et Geodetica, 1962, 6:209-214.

 B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasle, GNSS Global Navigation Satellite Systems., Springer-Verlag, Wien 2008.

 R. Kadaj: Wytyczne techniczne G - 1.10. Formuły odwzoro-wawcze i parametry układów współrzędnych., GUGiK, Warszawa 2001.

 R. Kadaj: Polskie układy współrzędnych, formuły transforma-cyjne, algorytmy i programy, Rzeszów 2002, (www.geonet.net.pl).

 L. A. Kivioja: Computation of geodetic direct and indirect problems by computers accumulating increments from geodetic line elements., Bulletin Géodésique, Volume 99, Number 1 / March, 1971.

 B. Kołaczek: Astronomia sferyczna z ćwiczeniami. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1976.

 P. Laskowski: Is Newton's iteration faster than simple iteration for transformation between geocentric and geodetic coordinates?, Journal of Geodesy, Volume 65, Number 1, 1991, March.

W1/ Ma uporządkowaną, podbudowaną teoretycznie wiedzę ogólną obejmującą kluczowe zagadnienia z zakresu geodezji pod-stawowej i astronomii geodezyjnej. Zna współczesne metody badania i modelowania kształtu i właściwości fizycznych Ziemi, obserwacji ich zmian w czasie. / G2A_W03.

W2/ Ma szczegółową wiedzę związaną z wybranymi zagadnieniami z zakresu geodezji podstawowej i astronomii geodezyjnej, zna metody badania kształtu Ziemi, ma szczegółową wiedzą na temat systemów wysokości i ich zastosowania w geodezji.

/ G2A_W04.

W3/ Ma podstawową wiedzę o cyklu życia urządzeń, obiektów i systemów technicznych wykorzystywanych w badaniu kształtu Ziemi i określaniu jej kształtu geometrycznego. / G1A_W06.

W4/ Zna podstawowe metody, techniki, narzędzia i materiały stosowane przy rozwiązywaniu prostych zadań inżynierskich z zakresu modelowania quasi-geoidy i precyzyjnego wyznaczania przewyższeń. / G1A_W07.

U1/ Potrafi posługiwać się technikami informacyjno-komunikacyjnymi właściwymi do realizacji zadań typowych dla działalności inżynierskiej w geodezji i kartografii. / G1A_U07.

U2/ Potrafi wykorzystać do formułowania i rozwiązywania zadań inżynierskich metody analityczne, symulacyjne oraz eksperymentalne. / G1A_U09.

U3/ Potrafi dokonać identyfikacji i sformułować specyfikację prostych zadań inżynierskich o charakterze praktycznym, w szczególności związanych z zagadnieniami precyzyjnych pomiarów wysokościowych. / G1A_U14.

U4/ Potrafi - zgodnie z zadaną specyfikacją - zaprojektować oraz zrealizować proste zadanie pomiarowe używając właściwych metod, technik i narzędzi pomiarowych. / G1A_U16.

K1/ Rozumie potrzebę uczenia się przez całe życie; zna możliwości dokształcania się, podnoszenia kompetencji zawodowych, osobistych i społecznych; potrafi inspirować i organizować proces uczenia się innych osób. / G1A_K01.

Wykłady:

Przedmiot zaliczany jest na podstawie zaliczenia wykładów (semestry II i III) oraz egzaminu (semestr IV) w formie pisemnej, a warunkiem przystąpienia jest uprzednie zaliczenie ćwiczeń. Pytania obejmują zakres tematyki kolejnych wykładów i mają charakter otwarty. W czasie egzaminu sprawdzane są efekty W1, W2, W3 i W4. Efekty uznaje się za osiągnięte, jeśli student uzyska minimum 60% punktów z zaliczenia pisemnego. Kryterium formułowania ocen jest następujące:

<60% – 2.0;

<60-65%) – 3.0;

<65–75%) – 3.5;

<75-85%) – 4.0;

<85-95%) – 4.5;

<95-100%> – 5.0.

Ćwiczenia:

Warunkiem zaliczenia jest: obecność na zajęciach, samodzielne wy-konanie wskazanych przez prowadzącego zadań oraz przygotowanie sprawozdań z wykonanych prac oraz zaliczenie sprawdzianu kontrolnego. Efekty (U1, U2, U3 i U4) oceniane łącznie uznaje się za osiągnięte, jeśli student: uczęszczał na zajęcia, poprawnie wykonał wszystkie ćwiczenia rachunkowe i zaliczył sprawdzian pisemny. W czasie wspólnych dyskusji realizowany jest efekt K1.

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 kry-tycznie ocenić uzyskane wyniki;

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