Analiza i modelowanie danych geodezyjnych

stacjonarne

II stopnia

W 30/+, C 14/+, L 16+,godziny bezkontaktowe 40

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.

2. Metoda predykcji liniowej (optymalnej interpolacji). Macierz kowariancji błędu modelu. Aktualizacja prognozy. Metoda geostatyczna: kriging prosty, zwykły, uniwersalny, 2 godz.

3. 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.

4. 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.

5. Modele wyrównawcze transformacji współrzędnych płaskich 2D metod: Helmerta, afinicznej, wielomianowej, projekcyjnej,... Estymacja parametrów transformacji. Analiza dokładności transformacji, 2 godz.

6. Transformacje współrzędnych przestrzennych 3D. Tensor trans-formacji. Zniekształcenia odwzorowawcze. Postransformacyjna korekta prof. Hausbrandta, 2 godz.

7. 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, 2 godz.

8. Wybrane metody analizy stacjonarnych i niestacjonarnych danych pomiarowych, 2 godz.

9. Programowanie obiektowe. Pojęcia: klasa, obiekt, metoda, pole. Języki programowania obiektowego, 2 godz.

10. Obiektowy język Java. Cechy języka: przenośność na poziomie kodu źródłowego i kodu skompilowanego, 2 godz.

11. 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.

12. Składnia języka Java: typy, literały, operatory i wyrażenia, instrukcje.

13. Programowanie z typami. Klasy opakowujące, 4 godz.

14. 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. Algorytm poszukiwania planu optymalnego eksperymentu (algorytm Fedorova), 2 godz.

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

4. 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.

5. Przykłady obliczeniowe rozwiązywania układów wyrównawczych modeli transformacji współrzędnych płaskich 2D. Przykład wyznaczenia analitycznego parametrów modelu Helmerta. Zastosowanie bibliotek narzędziowych języków skryptowych Octave, Scilab w zadaniach transformacji i analizie dokładności transformacji - Geodetic_Transformations_Toolbox, Geodetic_Toolbox, 2 godz.

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

7. 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).

8. Wybrane metody analizy stacjonarnych i niestacjonarnych danych pomiarowych. Interpretacja przekształceń Fouriera i falkowego. Sprawdzian (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, 2 godz.

2. Opracowanie programu konsolowego z wykorzystaniem zintegrowanego narzędzia IDE, 2 godz.

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

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

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

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

7. Opracowanie funkcji ładowania mapy z Internetu. Integracja funkcji i weryfikacja poprawności pracy programu, 4 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.

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.