Virtual und Augmented Reality sind das „next big thing“. In Verbindung mit BIM und Visualisierungssoftware eröffnen die neuen Technologie vielversprechende Möglichkeiten auch in der Bau- und Infrastrukturplanung. Steht die GIS-Branche vor einer Renaissance oder verpasst sie den Absprung in die Zukunft?
Ein Bauherr steht vor der Baustelle und überprüft vor Beginn der Arbeiten auf seinem Tablet das virtuelle 3D-Modell des Gebäudes, das sich auf dem kleinen Bildschirm nahtlos in die Bauumgebung einfügt. Ein Mitarbeiter des Planungsbüros lässt sich unterdessen den Verlauf der Wasser-, Gas- und Stromleitungen der Baustelle auf seine AR-Brille projizieren. Nach Beginn der Bauarbeiten spazieren Konstrukteure mit AR-Brillen durch das virtuelle Modell des unfertigen Gebäudes, begutachten die komplexen Konstruktionselemente in Originalgröße und aktualisieren die Maße. Was wie Science Fiction klingt, könnte schon bald Alltag auf deutschen Baustellen sein – davon scheint zumindest die GIS Branche überzeugt zu sein.
Denn Virtual Reality Konzepte haben seit letztem Jahr einen regelrechten Boom erfahren. Laut einer aktuellen Studie von Deloitte, Fraunhofer Fit und Bitcom sollen Deutsche Unternehmen bereits im Jahr 2020 knapp 850 Millionen Euro in Virtual und Mixed Reality Lösungen investieren. Die Baubranche ist begeistert von den neuen Visualisierungs- und Planungsmöglichkeiten. Durch Fortschritte in Building Information Modeling (BIM) können Unternehmen mittlerweile koordinierte und intelligente virtuelle Modelle erstellen, mit denen sich bereits vor Baubeginn mögliche Probleme visualisieren lassen. Virtual und Augmented Reality sollen nun darauf aufbauen und die Lücke zwischen der realen Welt auf der Baustelle und der virtuellen Welt des BIM-Modells schließen. So zeigten zahlreiche Größen der Bauindustrie bereits auf der INTERGEO und der ersten BIM-World in München letztes Jahr, verschiedenste Anwendungsszenarien für professionelle Augmented Reality Technologien in der Stadtplanung oder bei Energieversorgern.
Bei all dem Enthusiasmus stellt sich allerdings die Frage, ob gerade die deutsche GIS-Branche in der Lage ist, ihre Planungsprozesse auch zeitnah und effizient an die neuen Technologien anzupassen und ihre Geschäftsmodelle entsprechend umzustellen – und zwar bevor der Hype beendet und die Positionen am Markt geklärt sind.
Unterschiedliche Realitäten
Bereits bei der Begriffsbestimmung gibt es Unklarheiten. So begegnen einem Augmented Reality (AR), Mixed Reality (MR) und Virtual Reality (VR) häufig als austauschbare Konzepte. Dabei unterscheiden sich diese teils grundlegend bei Anwendung, Hardware und Einsatzgebieten. Allen gemein ist der Einsatz von Head Mounted Displays (HMD), auf dem Kopf getragenen visuellen Ausgabegeräten, die Bilder entweder auf einem augennahen Bildschirm präsentieren oder sie direkt auf die Netzhaut projizieren. Bei der Virtuellen Realität (VR) wird der Nutzer mittels HMD in eine künstliche, computergenerierte dreidimensionale Umgebung versetzt. Durch diese sogenannte Immersion taucht der Nutzer vollständig in die virtuelle Welt ein. Eine solche Technologie kommt bereits bei der nicht interaktiven und nicht standortbezogenen Betrachtung von 3D Stadtmodellen oder virtuellen Gebäudeplänen zum Einsatz. Bei der Erweiterten -(AR) und Gemischen Realität (MR) hingegen wird die echte Welt nicht ausgeblendet, sondern meist mittels AR/MR Brillen um virtuelle Komponenten erweitert. Werden diese Komponenten auch noch mit Geodaten kombiniert, sind beispielsweise Planer, Architekten und Bauherren in der Lage, virtuelle Gebäudemodelle vor Ort von allen Seiten und auch mit mehreren Personen gleichzeitig zu betrachten. Zudem ist es möglich, neben HMDs auch Tablets oder Smartphones für AR-Anwendungen zu nutzen, indem diese Geräte ins Blickfeld gehalten werden.
AR Konzepte im Einsatz
Bild: tmeier1964/pixabay
Der Einsatz von AR oder MR-Hardware unterstützt bereits heute Mitarbeiter im technischen Außendienst bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten. Der Wartungsservice MAX von thyssenkrupp beispielsweise setzt seit Ende letzten Jahres für die Wartung seiner Aufzüge die HoloLens von Microsoft ein. Auch auf der Internationalen Raumstation ISS kommt die Hololens bei Wartung und Reparatur zum Einsatz. Im sogenannten Remote-Expert-Modus können dort Ingenieure am Boden über Bildübertragung quasi mit den Augen der Astronauten sehen und diese bei Wartungsarbeiten und Experimenten effizient unterstützen. AR/MR könnte in Zukunft aber auch bei Fertigungsprozessen eingesetzt werden und durch Einblenden von Zusatzinformationen Produktionsabläufe verbessern. So hat Airbus bereits Smart Glasses eingesetzt, um die Monteure beim punktgenauen Einbau von Kabineneinrichtungen im A330 unterstützen und so die Zeit für die Markierung der Einbauorte zu reduzieren.
Planungswerkzeuge „BIM–ready”
Grundlage für den Erfolg von AR/MR und VR-Konzepten in der GIS-Branche ist die Verbesserung und Weiterentwicklung von Sensorik, Rechenleistung sowie der Algorithmik in der Bildverarbeitung und Computer Vision. Eine besondere Herausforderung stellt zudem die effiziente und präzise Verknüpfung mit den entsprechenden Geodaten dar, weshalb man sich besonders im Forschungsumfeld auf diese Bereiche konzentriert. Zudem hängt der Erfolg stark von der verfügbaren Software, Hardware und den Planungswerkzeugen ab. In Kombination mit BIM könnte der Einsatz virtueller Realitäten in der Entwurfs-, Planungs- und Konstruktionsphase eine neue und interessante Dimension erhalten. Und während sich BIM langsam aber sicher zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Bau- und Infrastrukturplanung entwickelt, wachsen gleichermaßen die Anforderungen an die entsprechenden Planungswerkzeuge. An erster Stelle stehen hier die gebräuchlichen CAD-Programme. Wurden sie zuvor meist von Architekten in der Entwurfs-, Baueingabe-, Werk- und Detailplanung eingesetzt, sollen sie heute auch Funktionen für die Erstellung, Bearbeitung sowie den Im- und Export von BIM-Bauteilen, die Auswertung von Sachdaten, die Kontrolle von Modellen auf Kollisionen, Plausibilität und Konsistenz oder die Berechnung beinhalten – und das möglichst transparent und in Echtzeit. „BIM-ready“ ist das Stichwort. Wird das BIM-fähige CAD-Modell erst einmal mit unterschiedlichen Parametern verknüpft, so lässt es sich beispielsweise via 4D-Simulation für die Visualisierung und Planung des kompletten Bauablaufs nutzen. Die 5D-Simulation ermöglicht darüber hinaus eine Berücksichtigung von Mengen, Baukosten und Ressourcen, wie etwa Baustoffe, Maschinen oder Personal. In Kombination mit VR, AR oder MR Technologien sollen Bau-, Montage- und Wartungsschritte, Funktionsabfolgen, Licht- oder Platzverhältnisse schließlich virtuell „erlebbar“ werden.
Software für Visualisierung
Glaubt man dem Werbevideo von Microsoft Hololens von 2015, könnte AR/MR-Technologie in Verbindung mit CAD-Programmen in Zukunft auch interaktiv genutzt werden. Das heißt, der Nutzer kann direkt in das virtuelle 3D-Modell eingreifen, es verändern und anpassen. Momentan kommen allerdings selbst die besten MR-Brillen und Haptik-Systeme nicht an die Präzision und Effizienz der Arbeit mit CAD Programmen am PC heran. Deshalb konzentrieren sich Software-Unternehmen wie Robotic Eyes hauptsächlich auf die reine Visualisierung virtueller Elemente und Gebäude. Das erst 2016 gegründete österreichische Startup hat sich auf die Entwicklung hochwertiger, individueller MR-Visualisierungssoftware für Unternehmen in der Bauindustrie spezialisiert und hat seine MR-Lösungen auf der BIM-World erstmals vorgestellt. Die Robotic Eyes Software ermöglicht die dreidimensionale, maßstabsgetreue Visualisierung von Gebäuden, Bauwerken oder Möbeln in Echtzeit. Zurzeit entwickelt das Unternehmen außerdem eine kommerzielle Software für Architekten und Planer, die im Frühjahr 2017 vorgestellt werden soll.
Civil 3D sowie BricsCAD. Die speziellen Anforderungen für Straße, Bahn und Straßenbahn
werden komplett abgedeckt. Die intuitive Benutzeroberfläche ermöglicht
bereits nach kurzer Zeit ein wirtschaftliches Arbeiten. Grunderwerb, hydraulische
Berechnung, Knoten- und Weichenberechnung sind nur einige Schlagworte
aus dem Leistungsspektrum.
für Infrastruktur, Tief- und Straßenbau. Das integrierte modellorientierte
Arbeiten bietet Ingenieurbüros, Bauunternehmen und öffentlichen Auftraggebern
von Anfang an eine überdurchschnittliche Transparenz und Qualität
bezüglich Kosten und Zeit und ermöglicht so kürzere Projektdurchlaufzeiten.
Corporation – weltweit führend in der Herstellung von optischen und elektronischen
Instrumenten für die Medizin, Vermessung und Bauwirtschaft. Topcon
entwickelt und produziert innovative Positionierungslösungen und bietet ein
ganzheitliches Produktportfolio an GNSS-Systemen, Lasern, Produkten für die
optische Vermessung und Maschinensteuerung, sowie Anwendungssoftware an.
AR in der GIS Branche
Auch die Wissenschaft konzentriert sich verstärkt auf AR/VRVisualisierungskonzepte in Verbindung mit Geoinformationssystemen und 3D Modellen. Forscher des Studiengangs Geomatik der HafenCity Universität Hamburg beispielsweise haben Augmented Reality mit photogrammetrischen oder durch Laserscanning erfassten 3D-Modellen kombiniert, um so für Besucher des Museums „Alt Segeberger Bürgerhaus“, virtuelle Informationen aus den vergangenen 100 bis 300 Jahren zu visualisieren. Auch GIS Anbieter Esri will in Zukunft verstärkt auf VR und AR setzen. Das Unternehmen ist derzeit an der Initiative „Morgenstadt: City Insights“ des Fraunhofer IAO beteiligt, dessen Ziel es ist, Bürger an den Planungsprozessen von Städten zu beteiligen. Die 3D-fähigen ArcGIS Technologien ArcGISPlattform und Esri CityEngine soll in Verbindung mit AR und VR den Bürgern ein lebensechtes Bild geplanter Bauprojekte oder möglicher Lärm- oder Schadstoffausbreitung vermitteln. Einen Schritt weiter geht das österreichische GIS Unternehmen GRINTEC mit seinem mobilen AR-GIS „Augview“. Das System beinhaltet einerseits ein mobiles GIS zur Visualisierung und Datenpflege und andererseits eine AR-Anwendung (App), mit der Untergrunddaten, wie Einbauten oder Leitungsdaten, live ins Kamerabild eingeblendet werden können. GPS, Kompass und Neigungssensoren sorgen dabei dafür, dass das mobile Endgerät die jeweilige Perspektive mit dem virtuellen Objekt überlagert und gemeinsam darstellt. Mittels externem GNSS-Receiver sollen die Außendienstmitarbeiter sogar zentimetergenau direkt ins GIS messen können. HOCHTIEF ViCon greift vornehmlich für Infrastrukturprojekte auf dieses Konzept zurück. Hier wird das virtuelle 3D-Modell durch eingespeiste GPS-Daten mit AR-Werkzeugen verknüpft, sodass Planer die Lage unterirdischer Versorgungseinrichtungen inspizieren können, ohne baggern zu müssen. Zudem kann der Bauherr auch nach Abschluss des Projekts noch für Wartungs- und Umbaumaßnahmen auf diese präzisen Vor-Ort Informationen zugreifen.
Laut dem CAD-Trends Report der Business Advantage Group, der die Ansichten von 500.000 CAD-Anwendern und Entscheidungsträgern einbezieht, sind Cloud, BIM und AR in Bezug auf Anwendung und wahrgenommener Wichtigkeit eher noch Nischenthemen. Allerdings wird Cloud-basiertem CAD und AR ein enormes Wachstumspotenzial für die nächsten drei bis fünf Jahre zugesprochen. BIM wiederum konnte laut Report – zumindest bis Ende 2015 – die Erwartungen an ein vorhergesagtes Wachstum nicht erfüllen. Inwiefern die neuen Hard- und Software-Entwicklungen 2016 und 2017 das Thema BIM bei den Anwendern pushen können, wird die Zukunft zeigen. Zumindest gibt es in der Forschung und bei einigen Unternehmen bereits erste Ansätze, die sich zu vielversprechenden Erweiterungen vorhandener Systeme entwickeln könnten. Voraussetzung hierfür ist aber ein Anwendermarkt, der diese bislang noch teuren und wenig integrierten Optionen auch tatsächlich aufgreift.