Design and development of an immersive collaborative geographical environment for tactical decision-making

Abstract

Die Planung strategischer Militäreinsätze im Zuge einer Stabsübung ist ein strukturierter und komplexer Prozess an dem interdisziplinäre ExpertInnen mit unterschiedlichen Zielsetzungen beteiligt sind. Ein entscheidender Teil des Entscheidungsprozesses bei geografischen Planungsaufgaben ist das räumliche Verständnis des Einsatzgeländes und der umliegenden Infrastruktur zur Vorbereitung von Weisungsbefugten und deren Einsatzkräften vor Ort. Analoge Planungswerkzeuge für die Stabsübung sind Geländemodelle, Sandkästen und Landkarten aus Papier und digitale Pendants sind Geografische Informationssysteme (GIS). Ein Nachteil von traditionellen Werkzeugen zur taktischen und strategische Geländeanalyse ist die fehlende, intuitive Übertragung von räumlichem Verständnis von geografischen Strukturen für Sichtbarkeitsberechnungen, Höhenbeurteilung und Entfernungsmessung.Immersive, virtuelle, geografische Umgebungen (VGEs) bieten vorteilhafte Perspektiven für eine rasche Entscheidungsfindung und Analyse von Geländestrukturen. 2D-Monitore liefern einen 2D-Eindruck einer reduzierten 3D-Umgebung, während immersive Head-Mounted Displays (HMDs) Tiefeninformationen transportieren. Darüber hinaus unterstützen digitale Planungstools die Zusammenarbeit über die Ferne durch die Bereitstellung eines virtuellen Arbeitsraums für den Planungsprozess. Ein virtueller Arbeitsraum erlaubt die Speicherung von Planungsarbeit, Visualisierung eines gemeinsamen mentalen Konzepts der Planarbeit und erhöhtes Benutzerengagement.In dieser Arbeit untersuchen wir, wie die Vorteile immersiver, virtueller Umgebungen für die taktische Planung von Missionen und Entscheidungsfindung genutzt, und die Einschränkungen aktueller analoger und digitaler Planungswerkzeuge überwunden werden können. Wir konzipieren und implementieren eine kollaborative Umgebung in der virtuellen Realität (VR) basierend auf Anforderungen, die wir aus Beobachtungen einer Militärstabsübung und Durchführung von unstrukturierten Interviews mit Fachberatern des österreichischen Instituts für militärisches Geowesen (IMG) abgeleitet haben.Der zentrale Beitrag dieser Arbeit ist der Entwurf, die Implementierung und die Evaluierung einer VR Anwendung, welches die Entscheidungsfindung und taktische Planungsprozesse in einer Militärstabsübung unterstützt. Die Entwicklung unseres Prototyps stellt eine Fallstudie für vergleichbare Planungsprozesse in anderen Domänen dar, beispielsweise Weltraummissionen oder Katastrophenschutzmanagement.

Planning tactical and strategical military operations is a well-structured and complex process and involves interdisciplinary expertise. A crucial part of the decision-making process of planning tasks that contains geographical data, is familiarizing professionals with the terrain and surrounding infrastructure. This is commonly operated by analog planning tools such as terrain models, sand tables, and standard 2D paper maps. The shortcoming of traditional equipment for tactical analysis is the lack of intuitive transfer of spatial relationships and geographical structures for visibility tasks and height judgment of ground elements. Immersive Virtual Geographical Environments (VGEs) provide advantageous perspectives for rapid decision-making and reasoning in spatial structures. 2D displays offer a 2D impression of a reduced 3D environment, while immersive displays transfer true depth information. Further, digital planning tools support remote collaboration using a virtual task space for the planning process. A virtual task space has several benefits compared to analog equivalents, such as the option to save planning states, visualize a common mental concept, no physical boundaries, and increased engagement.In this thesis, we set out to investigate how to utilize the benefits of immersive virtual spaces for tactical planning and decision-making in the context of a military staff exercise, to overcome the limitations of current analog and 2D digital planning tools. We design and implement a collaborative Virtual Reality (VR) prototype based on requirements derived from observations of an on-site military staff training and unstructured interviews with consultants from the Austrian Institute for Military Geography (IMG). The key contribution of this thesis is the design, implementation, and evaluation of a VR prototype that supports the decision-making and mission planning for officers in training and commanders during a military staff training. The development of our prototype represents a case study for comparable planning tasks in other domains, such as space missions or disaster prevention management.