LOOM.02.016

Ruumiandmete analüüs

5 EAP
44 tundi auditoorset tööd ja 86 tundi iseseisvat tööd (sh e-õpe)
1.-16.õ-n.
seminariettekanne, eksam

Kursuse sihtrühmad

I. Geograafia magistriõppe kohustuslik üldkursus.

II. Geoinformaatika ja kartograafia eriala profileeriv kursus.

III. Valikainena soovitatav ka teiste erialade magistri-või doktoriõppe neile ruumiandmete kasutajatele, kellel on olemas algteadmised GISidest.

Kursuse eesmärgid

Anda süstemaatiline ülevaade kaasaegsetest ruumiandmete analüüsi meetoditest ning sooritada rida praktilisi harjutusi valitud meetodite paremaks omandamiseks ja kasutuskogemuse saamiseks.

Kursuse lühikirjeldus

Õppekursuse teoreetilises osas antakse ülevaade geograafilisest ruumikäsitlusest ja selle modelleerimise geoinformaatikas kasutatavatest võtetest, mis tuginevad erinevatele arvutigeomeetria algoritmidele ning geostatistika meetoditele. Selle õppimiseks kasutatakse peamiselt iseseisva töö e‑õppe põhiseid võtteid, mida toetab auditoorne töö (2. – 14. õppenädalal).
Praktikumides tutvutakse mõnede tüüpiliste ülesannete lahendamise võimalustega, kasutades tarkvarasid Idrisi Andes Edition ja ArcGIS 9.3 niisuguseid versioone ja lisandeid, mida iga üliõpilane saab kasutada oma sülearvutis. Oma arvuti on soovitatav nii praktikumides (arvutiklassis) kui ka seminarides osalemiseks (kus analüüsime ka praktilisi ülesandeid).
Sõltuvalt sihtrühmast on osade ülesannete lahendamine fakultatiivne (kuigi lõpphinde osas kindlasti positiivselt mõjuv).
Iseseisva töö oluliseks osaks on ühe ruumiandmete analüüsi valitud teemaga (analüüsimeetodi(te) või rakendusvaldkonnaga) iseseisev põhjalikum tutvumine, mille põhjal koostatakse referaat (esitlus). Referaadid on kaasõppuritele kättesaadavad e-õppe keskkonnas, osa neist kantakse ette seminarides (15. ja 16. õ-n.). Igaühel tuleb ka retsenseerida üht kaasüliõpilase referaati.

E-õpe

MOODLE keskkonnas. Kursusele sisenemiseks on vajalik võti, mis kõigile õigeaegselt registreerunutele saadetakse ÕISis olevale meiliaadressile.
Kõik erijuhtumid tuleks lahendada kokkuleppel õppejõuga.

Oodatavad õpitulemid

Kuna kursusel osalejad on erinevate ootuste ja lähteoskustega (õppetöö realiteetidest tingituna), siis on ka tulemused eeldatavasti erinevad. Uus õpiväljunditel põhinev hindamissüsteem nõuab ainealaste ja üldiste pädevuste (käesoleval juhul näiteks arvutioskused) tervikhindamist kursuse lõpus, mis tähendab, et samale rajajoonele jõudmiseks tuleks eri kohast startinutel läbida erinev vahemaa. Kompromissina formaalse ja sisulise lähenemise vahel olen praegu ette näinud erinevad õpitulemused erinevatele sihtrühmadele:

I. Geograafia magistriõppe kohustuslik üldkursus:
Eeldatakse geoinformaatika, kartograafia ja matemaatika baasteadmisi geograafia bakalaureuse õppekava tasemel.
Õppeaine edukalt läbinud geograafiaüliõpilane omab süstemaatilist ülevaadet ruumiandmete analüüsi põhilistest ideedest ning lihtsamatest meetoditest tüüpiliste ülesannete lahendamisel. Tal on niisuguste ülesannete praktilise lahendamise kogemus levinuma GIS-tarkvaraga.

II. Geoinformaatika ja kartograafia eriala profileeriv kursus
Geoinformaatikale ja kartograafiale spetsialiseeruv üliõpilane, kellelt (lisaks eeltoodule) eeldatakse praktikumides kasutatava tarkvara korralikku tundmist, peaks suutma selgitada ka ruumiandmete analüüsi põhiliste ideede matemaatilist tausta. Ta on praktiseerinud ka selliste ülesannete lahendamisega, kus tulemused sõltuvad oluliselt lähteparameetrite valikust, ning suudab sisuliselt analüüsida saadud lahendusi. Tunneb ja oskab vajalikke abimaterjale kasutada sel määral, et pakkuda erinevate probleemülesannete võimalikke lahenduskäike.

III. Valikkursus mittegeograafidele
Eeldatakse, et kursusel osaleja on motiveeritud oma erialaga seotud ruumiandmeid kasutama ning omab algteadmisi GISidest (doktoriõppe tasemel mõeldav ka nende paralleelne omandamine).
Kursuse edukalt läbinu teab ruumiandmete analüüsi põhimõisteid ja -ideid ning omab süstemaatilist ülevaadet neist meetoditest, mida kasutatakse tema uurimisvaldkonnas. Tal on ruumiandmete analüüsi levinumate ülesannete praktilise lahendamise kogemus valitud GIS-tarkvaraga. Ta suudab oma erialaülesande asetada geoinformaatika üldisemasse konteksti ning on teinud sellekohase ettekande.

Lõpphinde kujunemine

I ja II sihtrühm: 50% teooriaeksam, 20% referaat; 30% aktiivsus seminarides (referaadi retsenseerimine, arutelud) ja e-õppes (foorumid).
III sihtrühm: 40% teooriaeksam; 40% referaat; 20% aktiivsus seminarides (referaadi retsenseerimine, arutelud) ja e-õppes (foorumid).
Puudulik (F) teooriaeksam ei võimalda kasinast (E) paremat lõpphinnet!

Teooriaeksamile pääsemise tingimused

Ettenähtud praktiliste harjutuste sooritamine ja referaadi esitamine.

Teooriaeksami hindamismeetodid ja ‑kriteeriumid

Kirjalik eksamitöö eeltoodud tingimuste õigeaegselt täitnutele ja suuline vestlus järeleksami(te)l lähtuvad mõlemad õppematerjalides toodud kontrollküsimustest ja -ülesannetest
Hindamine on kvalitatiivne, aluseks alljärgnev skaala:
E – üliõpilane üldiselt orienteerub ruumiandmete analüüsi peamistes meetodites ja mõistetes (aine programmi tasemel), kuid selgitustes esineb olulisi vigu; ta suudab kirjeldada vähemalt ühe lihtsa (s.o. tüübilt praktikumides ja seminarides käsitletud, kuid juhtumina uue) ülesande lahendamise käiku;

D – üliõpilane orienteerub ruumiandmete analüüsi peamistes meetodites ja mõistetes (aine programmi tasemel), tegemata nende selgitamisel jämedaid vigu; ta suudab kirjeldada lihtsate (s.o. tüübilt praktikumides ja seminarides käsitletud, kuid juhtumina uute) ülesannete lahendamise käiku;

C – üliõpilane orienteerub ruumiandmete analüüsi meetodites ja mõistetes, kuid detailides esineb mõningaid vigu; ta suudab vastata enamikule probleemilt õppematerjalidele tuginevate, kuid juhtumina uudsete ülesannete lahendamise käiku puudutavatele küsimustele;

B – üliõpilane orienteerub ruumiandmete analüüsi meetodites ja mõistetes ning suudab neid kasutada probleemilt õppematerjalidele tuginevate, kuid juhtumina uudsete ülesannete lahenduskäikude selgitamisel;

A – lisaks "väga heale" tasemele suudab üliõpilane kas
a) esitada originaalseid, õppematerjalides toodut loovalt edasi arendavaid lahendusi või
b) olla oma vastustes teistest selgelt eristuvas liidergrupis (esiletõstmist vääriv)

PROGRAMM

I SISSEJUHATUS

Kursuse eesmärk, sisu ja struktuur. Kirjandus. Tarkvara.
Andmeanalüüsi erinevad käsitlused. Matemaatika ja matemaatilised meetodid. Kvantitatiivgeograafia, arvutigeograafia (computer geography) ja arvutusgeograafia (geocomputation).
Eukleidiline ja mitteeuklidiline ruum. Mudelruum ja selle meetrika. Kaugus. Mõõtkava. Topoloogia. Geomeetrilised teisendused.
Ruumiandmed ja nende spetsiifika. Dimensionaalsus ja mõõtkavalisus. Diskreetne ja pidev lähenemisviis; geo-objektid kui hägused hulgad. Ruumiandmete mudelid.

II RUUMIANDMETE GEOMEETRIA

Arvutusgeomeetria tüüpülesanded. Algoritmi efektiivsus. Geomeetriline otsing. Joonte lôikumine. Punkt polügonis. Polügonide pindala. Polügoni tsentroid ja skelett.
Polügonide kattuvusülesanded vektor- ja rastermudeli korral. Boole'i kaardid ja loogilised tehted nendega. Kaardialgebra (kitsamas mõttes) ja kaardikalkulaatorid. Kontekst- ja kaugusoperaatorid. Kartograafiline modelleerimine kui kaardialgebra laiemas mõttes.
Joone generaliseerimine. Ruumiline silumine (filtrid). DEM, selle tulempinnad ja -jooned. TIN, selle loomisalgoritmid, kasutus. Thiesseni polügonid, nende loomisalgoritmid, kasutus.
Võrgustikud ja teevaliku ülesanded nendes. Lühima tee leidmine. Kaubareisija ülesande erinevad variandid ja nende lahendamise võimalused.
Kuju ja tekstuuri analüüs. Kompaktsusel põhinevad mõõdud. Määramatusel põhinevad mõõdud. Naabrusindeksid. Ideaalsed fraktalid ja nende dimensiooni määramine. Mõõtude normeerimine ja süntees. Tarkvaralised võimalused kuju ja tekstuuri analüüsiks.

III RUUMIANDMETE STATISTIKA

Geostatistika (ruumiliste andmete statistika) lähtealused. Autokorrelatsioon ja ruumiline autokorrelatsioon. Korrelogrammid ja variogrammid, nende struktuur. Statistilised fraktalid ja nende dimensiooni mõõtmine.
Ruumiline interpolatsiooni eeldused ja kasutatavad meetodid. Kriging, selle alaliigid. Areaalide interpoleerimine.
Trendpinnad, nende kirjeldamine polünoomide ja Fourier' ridadega. Jääkpinnad. Koolutamine. Fourier' teisendus.
Punktimustrid, nende kirjeldamise, võrdlemise ja analüüsi meetodid. Punktimustrite genereerimine. Territoriaalne representatiivsus.
Seosed ruumiliste nähtuste vahel. Positsioonilised ja mittepositsioonilised kooskõlakordajad. Punktimustrite kovariatsioon. Ruumiline regressioon.
Rühmitamismeetodid ruumiandmete korral. Klasteranalüüs. Kujundite äratundmine. Faktoranalüüs, selle R- ja Q-skeemid.
Aegruumilised read, nende analüüs ja genereerimine. Aegruumilise rea faktoranalüüs. Markovi ahelad. Rakk-automaat.
Tarkvaralised võimalused ruumiandmete statistiliseks analüüsiks.

IV RUUMIANDMETE GEOGRAAFIA

Aja ja ruumi üldiste käsitluste areng kui alus vastavate geograafiliste käsitluste arengule. Geograafiline ruum, selle kogemuslikud (experiential) ja formaalsed mudelid. Teoreetiliste mudelite roll geograafias.
Gravitatsioonimudel ja teised ruumilise interaktsiooni mudelid. Keskuskohtade teooria. Ruumilise leviku mudelid. Perkolatsiooniteooria.
Neutraalsed maastikumudelid. Maastikusimulaatorid. Aineringe mudelid ja protsessisimulaatorid. Virtuaalreaalsus.

Õppekirjandus

Põhiline:
Roosaare, J. Ruumiandmete analüüsi kursuse materjalid. Paiknevad e-õppe keskkonnas.

o Viited erinevatele õpikutele, kust saab käsitletud aine kohta põhjalikumalt lugeda või kus on hea ülevaade põhimõistetest (oluline sihtrühmale III), on toodud eelnimetatud materjalides.

Iseseisvaks tööks:

Remm, K. Ruumiliste loodusandmete statistiline analüüs. Käsikiri Tartu Ülikooli geograafia instituudis [soovitavalt uusim versioon, mis saadav pdf-failidena sisevõrgus].
"Ruumiandmete analüüsi kursuse materjalides" osundatud teosed vastavalt valitud seminariteemale.

Praktilised tööd
(praktikumide juhendid ja andmefailid on kättesaadavad õppekeskkonnas MOODLE)

Kõigile kohustuslikud:

1. Ruumilised päringud vektor- ja rasterandmetest (sissejuhatavad harjutused IDRISI-ga),
eeldatav ajakulu 2–3 tundi.

2. Temaatiliste kaartide koostamine ruumiandmetest (sissejuhatavad harjutused ArcGIS-iga),
eeldatav ajakulu 2–3 tundi.

3. Kaardialgebra ja kartograafiline modelleerimine,
eeldatav ajakulu 2–3 tundi.

Valikulised (I – valida vähemalt kaks alljärgnevaist):

4. Digitaalse kõrgusmudeli koostamine ja analüüs;
kohustuslik II, eeldatav ajakulu 6 tundi.

5. Transpordivõrgustiku analüüs,
kohustuslik II, eeldatav ajakulu 2–3 tundi.

6. Geostatistiline modelleerimine,
kohustuslik II, eeldatav ajakulu 4–6 tundi.

7. Rahvastiku raskuskese ja selle muutumine ajas,
eeldatav ajakulu 2–3 tundi.

8. Hüpsomeetrilise kõvera koostamine,
eeldatav ajakulu 2–3 tundi.

9. Aegruumilise rea analüüs
kohustuslik II, soovitav III; aeg [selgitamisel].

13.08.2010