Masterarbeit: Augmented Reality Applikation mit ArcGIS Runtime SDK entwickeln

Jetzt beginnt eine neue Ära der Gebäude, Stadt und Landschaftsplanung. Vieles wird in die digitale Welt verlagert – in einen digitalen Zwilling. Ursina Boos programmierte während ihrer Masterarbeit eine Augmented Reality App für die digitale Stadtplanung der Zukunft. Ihr Ziel war es die Unterschiede zu traditionellen Entscheidungshilfen aufzuzeigen. Von der Visualisierung über die Interpretation bis zur Entscheidung verglich sie den Nutzen der erweiterten Realität. Im Gastbeitrag gibt Ursina spannende Einblicke in die Ergebnisse ihrer Abschlussarbeit.

Augmented Reality in der Stadtplanung

Die fortschreitende Urbanisierung führt dazu, dass die Bauaktivität hoch bleibt. Oftmals werden Bürgerinnen und Bürger in die Planung von Bauten mit einbezogen. Das Vorstellen von geplanten Gebäuden ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe. Baugespanne, welche das zukünftige Bauvolumen anzeigen oder gezeichnete 2D bzw. 3D Visualisierungen, geben oft kein vollständiges Bild eines geplanten Bauprojektes ab. Daher werden neue Visualisierungsmethoden für die Darstellung von geplanten Bauten benötigt. Eine Möglichkeit ist, Augmented Reality (AR) für diesen Zweck zu verwenden.

Augmented Reality ermöglicht es den Nutzenden, das Gebäude vor Ort aus verschiedenen Perspektiven, zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten in der Originalgrösse zu betrachten. Somit wird ermöglicht, dass die betrachtenden Personen sich ein besseres Bild vom geplanten Projekt machen können.

Im Rahmen meiner Masterarbeit an der Universität Zürich habe ich eine Augmented Reality Applikation entwickelt, welche ein geplantes Schulhaus in der Stadt Zürich visualisiert. Das virtuelle Schulhaus war in drei Levels of Detail (LOD siehe Abbildung 1) vorhanden. Ich untersuchte zum einen inwiefern sich die Eignung von traditionellen Baugespannen, welche in der Schweiz verwendet werden, um Bauprojekte bekanntzugeben, von der Eignung einer AR Applikation unterscheidet. Zum anderen wollte ich herausfinden, welches LOD sich am besten für eine Visualisierung in einer AR Applikation eignet. Folgenden Forschungsfragen bin ich nachgegangen:

1. How suitable is an AR application for visualising new building projects in an understandable and realistic way to assist decision-making compared to construction spans?
2. How difficult is it for users to interpret the visualization of a building project in an AR application correctly?
3. What is the most effective degree of abstraction for visualizing a planned building project in an AR application?

Basierend auf meinen Erkenntnissen soll die Auswahl geeigneter LODs zukünftiger Bauprojekte in AR Applikationen erleichtert werden.

Methodik

Um diese Fragen zu beantworten, habe ich eine Studie mit 30 Teilnehmenden anhand von zwei verschiedenen Bauprojekten in unterschiedlichen Planungsstadien im Süden der Stadt Zürich durchgeführt.

Die 30 Teilnehmenden wurden in drei Gruppen aufgeteilt. Jeder der drei Gruppen wurde nur eines der drei LODs gezeigt. Die Teilnehmenden mussten Schätzungsaufgaben mit den beiden untersuchten Visualisierungsmethoden lösen. Anschliessend mussten sie die Eignung der beiden Methoden in einem Fragebogen bewerten.

Prototyp AR Applikation

Das zu bauende Schulhaus habe ich mittels Augmented Reality visualisiert. Dafür entwickelte ich eine AR Applikation für iOS Geräte mit Swift und ARKit3 von Apple. Das ARKit3 Toolkit unterstützt das Tracking von Bewegungen über die Kamera(s) des Geräts, das Erkennen von Ebenen (plane detection), Tiefenabtastung (depth sensing) und die Schätzung bzw. Wahrnehmung von Licht.

Um die drei LODs des Gebäudes in die Applikation zu integrieren, verwendete ich die ArcGIS Runtime SDK for iOS (v. 100.7.0) und das ArcGIS Runtime Toolkit. Mit der ArcGIS Runtime SDK können 2D- und 3D-Kartenanwendungen entwickelt werden. Diese Applikationen können sowohl auf online Inhalte (z. B. auf ArcGIS Online oder ArcGIS Enterprise), wie auch auf offline Packages auf den mobilen Geräten zugreifen. Diese Inhalte können in einer Karte oder Szene dargestellt werden. Weiter ermöglicht die ArcGIS Runtime SDK, dass auf verschiedenste ArcGIS Location Services (z. B. Routing, Basemaps etc.) zugegriffen werden kann (mehr Infos hier).

Das virtuelle Schulhaus habe ich anhand von einer World-Scale Szene in der Applikation dargestellt. Das heisst, das Schulhaus wird in einem 1:1 Massstab in der Applikation dargestellt (Abbildung 4). Die Applikation verfügt über verschiedenste Funktionen, um die Szene zu kalibrieren.

Die Szene basiert auf dem swissALTI3D Höhenmodell von swisstopo. Für die Kalibrierung habe ich die World Imagery Basemap, die in ArcGIS Online verfügbar ist, hinzugefügt. Weiter habe ich die drei LODs des virtuellen Bauprojekts der Szene hinzugefügt. Diese Daten wurden mir von der Stadt Zürich zur Verfügung gestellt.

Umfrage

Um qualitatives Feedback zu den Visualisierungsmethoden von den Teilnehmenden zu erhalten, habe ich einen Fragebogen mit ArcGIS Survey123 erstellt. Mit dem Webeditor können schnell intuitive Fragebögen erstellt werden.

Für die Datenerfassung habe ich das erstellte Survey mittels ArcGIS Survey123 App auf ein iPad heruntergeladen, damit die Daten offline erfasst werden konnten.

Der Fragebogen beinhaltet 21 Fragen, welche in folgende Fragen unterteilt sind: allgemeine Fragen zur Visualisierung, Genauigkeit der Visualisierung, Vergleich der Visualisierungsmethoden «Baugespann» und «AR» und Partizipation bzw. persönliche Meinung zum Projekt.

Durchführung der Studie

Die Studie startete beim Bahnhof im Studiengebiet. Die Teilnehmenden wurden über das Ziel der Studie und Hintergrundinformationen zum geplanten Schulhaus informiert. Als nächstes mussten die Teilnehmenden einen Fragebogen ausfüllen, in welchem sie Angaben zu ihrem demografischen Hintergrund und Vorkenntnissen geben mussten. Anschliessend wurden die Teilnehmenden zum ersten Bauprojekt (Abbildung 6, C) geführt. An diesem Ort war das Projekt P1 mit Baugespannen ausgesteckt. Die Teilnehmenden mussten die Höhe der Baugespanne und die Anzahl zu bauenden Gebäude schätzen.

Nach diesen ersten zwei Schätzungsaufgaben wurden die Teilnehmenden zum zweiten Bauprojekt, P2 geführt (Abbildung 6, I). Dieses Bauprojekt wurde den Teilnehmenden mit der AR Applikation gezeigt. Auch hier wurden sie aufgefordert, einige Schätzaufgaben zu lösen. Es wurde nach der Höhe, Länge und Breite des Gebäudes gefragt. Für die letzten zwei Aufgaben mussten die Teilnehmenden auf einem Luftbild abschätzen, welche Gebäude in Zukunft von Standort II (Abbildung 6) aus nicht mehr sichtbar sind. Weiter mussten die Teilnehmenden abschätzen, ob das Bauprojekt P1 zukünftig von Standort II durch das Bauprojekt P2 verdeckt wird.

Nachdem die Teilnehmenden alle Aufgaben gelöst hatten, durften sie frei mit der AR Applikation um die geplante Bauzone laufen. Anschliessend mussten sie einen Fragebogen mit Fragen zu den beiden Visualisierungsmethoden ausfüllen.

Ergebnisse der Studie

Das erste Ziel meiner Masterarbeit war herauszufinden, wie geeignet AR als Visualisierungsmethode für ein Bauprojekt ist und welches Level of Detail dafür am geeignetsten ist. Im Vergleich der Visualisierungsmethoden AR versus Baugespanne bewerteten die Teilnehmenden den Nutzen von Baugespannen relativ tief. Der Nutzen von AR wurde höher bewertet. Es konnten jedoch keine statistischen Unterschiede zwischen den drei LODs gefunden werden. Personen, denen LOD 1 oder LOD 2 zugewiesen war, wünschten sich jedoch mehr externe Strukturen wie Fassadenelemente und Fenster. Daher ist zu empfehlen, dass externe Strukturen visualisiert werden. Denn diese Strukturen helfen, dass man sich ein zukünftiges Gebäude besser vorstellen kann. Der Nutzen der beiden Visualisierungsmethoden kommt gemäss den Studienteilnehmenden jedoch auf den Kontext an. Baugespanne eignen sich besser als Vorankündigung. Augmented Reality kann jedoch als Kommunikationsmittel für Details zum Design des Projektes verwendet werden.

Das zweite Ziel meiner Masterarbeit war die Interpretationsschwierigkeiten der AR Visualisierung zu erfassen. Die Teilnehmenden gaben im Fragebogen an, dass die Visualisierung relativ einfach zu interpretieren ist. Die Interpretationsschwierigkeit wurde auch mit verschiedenen Schätzungsaufgaben gemessen. Personen, die LOD 1 oder LOD 2 verwendet haben, schnitten im Schnitt schlechter ab.

Das dritte Ziel dieser Masterarbeit war, zu evaluieren welches das effektivste LOD für die Visualisierung von einem Bauprojekt ist. Je nachdem in welcher Planungsphase sich das Bauprojekt befindet, wird empfohlen, ein unterschiedliches LOD zu verwenden. Ein weniger detailliertes LOD kann den Betrachtenden den Eindruck geben, dass das Bauprojekt noch in der Planungsphase ist und Änderungen noch angebracht werden können. Ein detaillierteres LOD gibt jedoch den Eindruck, dass nicht mehr viel geändert werden kann und eignet sich daher für spätere Planungsphasen, wenn Behörden eine endgültige Entscheidung treffen wollen.

Welches Fazit ziehe ich daraus?

Grundsätzlich kann die Bereitschaft bei Public Participation Initiativen teilzunehmen, über die Verfügbarkeit von einer AR Applikation erhöht werden. Eine weitere Informationsquelle für Entscheidungen, beispielsweise in Hinsicht auf eine Volksabstimmung, kann über die Integration von AR zur Verfügung gestellt werden.

Zukünftige Studien sollten untersuchen, was für langfristige Auswirkungen die Nutzung solcher AR Applikationen in Public Participation Prozessen hat. Es soll untersucht werden, ob die Antworten der Teilnehmenden in dieser Studie durch den Neuheitseffekt, dass sie eine solche AR Applikation zum ersten Mal gesehen haben, beeinflusst wurden. Weiter sollte in zukünftigen Studien untersucht werden, ob andere Faktoren, wie beispielsweise das Alter, einen Einfluss auf die wahrgenommene Eignung von AR haben.

Abschliessend kann gesagt werden, dass sich die ArcGIS Plattform für die Entwicklung von Apps, Erstellung von Fragebögen sowie Datenaufbereitung und -bereitstellung bei Masterarbeiten sehr eignet. Die einzelnen Komponenten der Plattform sind einfach zu bedienen, miteinander verbunden und offen zu anderen Schnittstellen (z. B. R, Python). Das heisst, man hat einen zentralen Ort (i.e., ArcGIS Online oder ArcGIS Portal) für die Daten und kann mit verschiedensten Apps und APIs darauf zugreifen.

Nützliche Ressourcen

Willst du selbst eine native Applikation entwickeln? Hier einige Links als Starthilfe für die Entwicklung für iOS Applikationen:

• Wenn du Livebeispiele ausprobieren möchtest, kannst du die Sample Viewer App aus dem App Store herunterladen.
• Den Code zu den Beispielanwendungen findest du auf GitHub.
• Hier gibt es Schritt-für-Schritt Tutorials.
• Hier findest du Beispielcode für die Appentwicklung mit der ArcGIS Runtime SDK.
• Hier findest du die ArcGIS Runtime SDK for iOS API Reference

NB: Die ArcGIS Runtime SDK gibt es nicht nur für iOS sondern auch für Android, .Net, Qt und Java.

Willst du mehr über meine Masterarbeit erfahren? Der Fachartikel zu dieser Arbeit, das im Journal of Location Based Services veröffentlicht wurde und die Masterarbeit findest du unten.

Zur Autorin

Ursina Boos studierte Geografie und Informatik and der Universität Zürich. Bereits während des Bachelors hat sie bei Esri Schweiz AG im technischen Support gearbeitet. Nach ihrem Master in GIS wirkt sie nun als Sales Engineer bei Esri Schweiz AG mit.

Habt ihr Fragen zum Thema? Meldet euch bei uns: education@esri.de / education@esri.ch

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