• Veröffentlichungsdatum: 29.06.9200
  • – Letztes Update: 29.06.2021

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Virtual Reality

Friedrich Teichmann

Das Institut für militärisches Geowesen entwickelt die 3D-Karten für den virtuellen Raum ständig weiter. Zahlreiche Daten werden eingepflegt und ergänzen die 3D-Modelle mit unterschiedlichen Funktionen wie dem Auslesen der Hangneigung oder der Möglichkeit, taktische Zeichen zu platzieren. Die für die Geländebeurteilung wesentlichen Daten sind mit den Werkzeugen zur digitalen Geo-Analyse bedienerfreundlich abzurufen.

„Die Karte ist das wichtigste Führungsmittel des Kommandanten.“ Diese Aussage ist nicht nur ein schöner Leitsatz, sondern basiert auch auf den Erfahrungen der Kriegsgeschichte in den Dimensionen Gefechtstechnik, Taktik, Operation bis zur Strategie. Auch wird die Aussage „Ohne Raumverständnis keine erfolgreiche Führung“,durch historische Beispiele seit Beginn der Aufzeichnungen durch Herodot, Thukydides und Xenophon bestätigt. Die primäre Aufgabe des MilGeo-Dienstes des Institutes für militärisches Geowesen (IMG) ist es daher, für das Österreichische Bundesheer (ÖBH) die benötigten Kartenwerke zu produzieren. Die analogen und digitalen geografischen Daten, die das IMG entwickelt und produziert, decken primär den Informationsbedarf des Bundesministeriums für Landesverteidigung, seiner nachgeordneten Dienststellen und darüber hinaus den des staatlichen Krisenmanagements ab. In Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen werden die zivil-militärischen Einheitskartenserien 1:50 000, 1:250 000 und 1:500 000 (abgekürzt 50k, 250k und 500k) als Kernelement und Grundlage für die nationalen Sicherheitsorganisationen erstellt.

Sonderkarten

Das Herstellen von Karten ist nicht nur auf die Basisserien 50k, 250k und 500k beschränkt. Kontinuierlich werden diese ergänzt, erweitert und den Einsatzkonzepten angepasst. Dazu gibt es eine Reihe von Spezialkarten und thematischen Geo-Produkten für den Inlands- und Auslandseinsatz. Ein Beispiel für eine an aktuelle Szenarien angepasste Karte ist die Sonderkarte Österreich, im Maßstab 1:300 000, mit den politischen Bezirken und den militärischen Liegenschaften. Sie wurde für die aktuellen Einsätze des ÖBH in der COVID-19-Pandemie erstellt.

 

Weiterentwicklungen

Das IMG unterstützt den Einsatz des ÖBH nicht nur mit verschiedenen nationalen Kartenserien oder Sonderproduktionen (siehe dazu Digital ergänzt Analog), sondern in immer höherem Ausmaß auch die modernen Waffen-, Einsatz-, Führungs- und Simulationssysteme (WEFS). Alle WEFS sowohl der Land- als auch der Luftstreitkräfte verlangen für einen erfolgreichen Betrieb und/oder zur Einsatzvorbereitung die entsprechenden Geo-Daten wie Rasterdaten, Vektordaten, Geländemodelle oder spezielle Koordinaten wie Wegpunkte (Waypoints). Die rasch fortschreitende Digitalisierung der WEFS hat zu einer massiven Erhöhung der Anzahl von Kunden und Systemen für Geo-Daten im ÖBH geführt. Durch die Veränderung der Einsätze (Schlagwort „hybride Bedrohung“) sind folgende Entwicklungslinien für einen modernen und potenten MilGeo-Dienstleister als Ergänzung zu den bisherigen Produkten unbedingt weiter zu verfolgen:

  • höhere Auflösung (besser als 1:50 000);
  • schneller und näher beim Bedarfsträger;
  • attraktive und intuitive visuelle Gestaltungen;
  • einfache Nutzung;
  • Produkte mit der „Dritten Dimension“ – 3D;
  • virtuelle Realität bzw. virtuelle Analyse des Geo-Raumes.

Parallel zur Digitalisierung des Gefechtsfeldes stieg auch der Bedarf an Geo-Daten für die verschiedenen WEFS. Der hohe Bestand an qualifizierten Geo-Daten ermöglicht 3D-Modelle mit Analysetools und bietet Informationen zu Geländeklassifikation, Hangneigung, Sichtbarkeitsanalyse oder Befahrbarkeitsanalyse („cross country movement“). Der aktuell modernste Entwicklungspfad sind die virtuelle Realität (VR) und die digitale Analyse des Raumes, genannt digitale Geo-Analyse (MilGeoVA).

Speziell die neuesten vier Entwicklungen (von Geo-Daten für WEFS über Multi-Spektral zu 3D und milGeoVA) verlangen eine professionelle digitale Geo-Daten-Haltung. Die Geo-Daten sind der „Treibstoff“ für die digitalen Anwendungen und bedeuten im Umkehrschluss: keine digitalen Geo-Daten, keine modernen Produkte oder Services! Diese Geo-Daten müssen kompatibel für nationale und internationale Zusammenarbeit sein, einen besonders hohen Grad der „Korrektheit“ aufweisen (Qualitätssicherung) und einem Aktualisierungszyklus unterliegen (niemand will eine veraltete Karte verwenden). Sie müssen nach militärischen Sicherheitskriterien geschützt, aber gleichzeitig für unterschiedliche Prozesse verfügbar sein.

Erstellen von Virtual Reality

Die virtuelle Geo-Analyse durchläuft, vereinfacht aufgezählt, die nachfolgenden Prozesse vom Erstellen bis zum Betrieb:

  • Definitionsphase;
  • Geo-Datenaufbereitung;
  • Modellberechnung;
  • Überspielung ins VR-Ausgabegerät;
  • Betrieb der virtuellen Geo-Analyse;
  • Lessons Learned/Lessons Identified.

In der Definitionsphase werden ähnlich wie beim 3D-Modell in enger Abstimmung mit dem Bedarfsträger der geografische Raum, die benötigten kartografischen Zusatzinformationen, die Funktionalitäten des Systems, die konkreten Funktionen, die Nutzer sowie der erwartete Mehrwehrt besprochen, analysiert und optimal vorbereitet. Wie bei allen gängigen GIS-Projekten (GIS – Geografisches Informationssystem) ist der erste Arbeitsschritt die (Geo-)Datenaufbereitung. Abhängig vom Ausschnitt bzw. Maßstab werden neben den Orthofotos und/oder den Satellitenbildern insbesondere die digitalen Höhenmodelle mit weiteren kartografischen Features wie Koordinatennetz oder Points of Interest (POI) aufbereitet. Für hochauflösende Modelle werden zusätzlich genaue Gebäudepläne wie Kataster oder Baukörpermodelle als Vektordaten mitintegriert. Das Verdichten der geo-referenzierten Daten durch MilGeo-Experten mit zusätzlichen Daten (terrestrisch oder luftgebunden) ist bisweilen notwendig. Die Lagegenauigkeit und Kohärenz der verschiedenen Datensätze (z. B. geodätisches Datum oder Projektion) müssen besonders beachtet und gegebenenfalls entsprechend umgerechnet werden.

Digitales Höhenmodell

Das digitale Höhenmodell (DHM) steht als Oberbegriff für das digitale Geländemodell (DGM) und das digitale Oberflächenmodell (DOM). Das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen schreibt: „Das digitale Geländehöhenmodell (DGM) beschreibt die Erdoberfläche (natürlicher Boden, ohne Bewuchs) in Form von Punktmengen, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet und in Lage und Höhe georeferenziert sind. Zusätzliche Geländestrukturen wie Bruchlinien, Formenlinien und markante Einzelpunkte ergänzen den regelmäßigen Höhenraster und liefern detaillierte Informationen über die Topografie Österreichs. Aus dem digitalen Geländehöhenmodell wird ein Raster mit einer wählbaren Rasterweite interpoliert. Dieser Höhenraster dient zur Berechnung von Orthophotos und für verschiedenste Formen der Geländedarstellung. Das digitale Oberflächenmodell (DOM) beschreibt die Erdoberfläche samt allen darauf befindlichen Objekten in Form von Punktmengen, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet und in Lage und Höhe georeferenziert sind. Im Unterschied zum digitalen Geländemodell (DGM) wird somit die Vegetations- und Bebauungsoberfläche dargestellt.“

Abhängig vom Geländeausschnitt und dem Szenario (z. B. ländliches Gebiet versus städtischer Bereich) werden entweder das DGM oder das DOM für die Modellierung verwendet. Die digitale Zusammenführung und Modellerstellung erfolgt in einer Kombination von herkömmlicher Kartografie- und GIS-Software (z. B. GlobalMapper, ArcGIS und AgiSoft) sowie kostengünstigen Open-Source-Tools wie Blender GIS oder QGIS Plugins. Speziell dieser Arbeitsschritt wurde durch die mehrjährige Forschungskooperation des IMG mit dem Zentrum für Virtual Reality und Visualisierung Forschungs-GmbH (VRVis) wissenschaftlich optimal untersucht, analysiert, beurteilt und aufbereitet. Es werden auch mehrere Eigenentwicklungen (Software) des IMG in der Prozesskette eingesetzt.

VR-Hardwarekomponenten

Das System besteht aus einer Recheneinheit (Computer mit designierter Software wie SteamVR), zwei Türmen mit Sensoren, mit denen ein ca. vier mal vier Meter Raum digital „aufgespannt“ wird, sowie den beiden Hand-Controllern und dem Headset. Damit auch außerhalb der VR befindliche Personen (Personen ohne Headset) der Analyse bzw. den Überlegungen des Kommandanten im VR-System folgen können, hat sich das „Mitschauen“ durch eine synchrone Projektion des VR-Bildes bewährt. Die Hardwarekomponenten der derzeit am IMG verwendeten und einsatzbereiten digitalen Geo-Analyse (milGeoVA) sind bewusst hoch mobil gehalten. Das System soll rasch verlegbar sein und den taktisch sowie operativ führenden Kommanden bei der Lagebeurteilung zur Verfügung stehen.

Betrieb und Analyse-Tools

Bevor das VR-System einsatzbereit ist, müssen zuerst die Sensoren durch das MilGeo-Team justiert und der digitale Raum elektronisch „vermessen“ werden; das erfolgt mit einer Kalibrierungssoftware. Danach werden das jeweils gewünschte geografische Modell durch den Experten in das System in der Recheneinheit geladen (als Software wird z. B. SteamVR eingesetzt) und die Funktionalitäten des Controllers getestet.

Die letzten Schritte sind die Einweisung des Nutzers in die Funktionen des Steuergerätes und das Aufsetzen des Headsets. Die körperlichen Auswirkungen bei der Benutzung des VR-Systems sind nicht zu unterschätzen und können bei ungeübten oder unvorbereiteten Nutzern zu Unsicherheit und Schwindelgefühl führen. Andererseits finden sich Personen, die mit Gaming-Software vertraut sind, rasch zurecht und können schon nach einer kurzen Einweisung die vielen Funktionalitäten des Systems optimal nützen.

Das derzeit am IMG eingesetzte VR-System ermöglicht folgende drei Beobachtermodi:

  • Flugmodus (mit der Vogelperspektive soll die Sicht eines Hubschrauberfluges oder einer Drohne vermittelt werden);
  • Miniaturansicht (Standardansicht – der militärische „Sandkasten“ zur Geländeanalyse);
  • VR-Sicht (Ego-Perspektive für lebensnahe Darstellung).

Abhängig von der Fragestellung der Geo-Analyse kann zwischen diesen drei Beobachtermodi jederzeit gewechselt werden. Die verfügbaren Funktionen, die mit dem Controller angesteuert werden, inkludieren:

  • Messen von Distanzen im Gelände;
  • Sichtbarkeitsanalyse, ausgehend vom Standort des Avatars;
  • Hangneigungsanalyse;
  • Dom/Kuppel zum Einschätzen von Entfernungen, ausgehend vom Standort des Avatars;
  • Setzen von taktischen Zeichen;
  • Erstellen und Speichern von Screenshots.

 

Fazit

Die besonderen Vorteile der digitalen Geo-Analyse (milGeoVA) sind

  • moderne Unterstützung der Geländeanalyse bei der Lagebeurteilung,
  • signifikanter Beitrag zur Informationsüberlegenheit (Information Superiority) und
  • Unterstützung einer zeitgemäßen Erstellung eines „grafischen/geografischen“ Planes der Durchführung im virtuellen Raum.

Die milGeoVA ermöglicht eine Geländebeurteilung, falls keine Begehung vor Ort möglich ist oder aus taktischen Gründen zu diesem Zeitpunkt nicht stattfinden soll. Aktuell wird am IMG die digitale Geo-Analyse als Teil der Kommanden- oder Stabsberatung u. a. mit dem Forschungspartner (VRVis) und den Endnutzern wie Brigaden und Bataillonen weiterentwickelt und optimiert. Die Optimierung zeigt sich etwa durch die Möglichkeit, einen grafischen Plan der Durchführung zu erstellen, einer verbesserten Export-Funktion und der Interaktion mit einem außenstehenden Operateur. Der derzeitige Stand für diese neue Fähigkeitserweiterung am IMG ist „Proof of Concept“ (ist das Konzept, das die prinzipielle Durchführbarkeit eines Vorhabens belegt) und der Demonstrator ist in Betrieb. Die neuen Fähigkeiten – 3D-Darstellung und digitale Analyse – müssen von der Entwicklungsstufe „Demonstrator“ in den Regelbetrieb übergeführt werden, um dieses Service den Einheiten des ÖBH zur Einsatzvorbereitung bzw. als Force Provider zur Verfügung stellen zu können. Dazu sind noch diverse organisatorische Schritte notwendig; insbesondere die Schaffung von designierten Arbeitsplätzen für zusätzliche Spezialisten. Das IMG bringt durch die Digitalisierung beeindruckende neue Services hervor, die der Organisation zeitgemäße virtuelle Produkte zur Verfügung stellt.

Brigadier Mag. Dr. Friedrich Teichmann, MSc MAS; Leiter des Institutes für militärisches Geowesen am IKT&CySihZ.

 

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