Signup for GEOCEN Newsletter here...Print?Tell a friend about this page...

Hvordan GIS forstærker UAV Operationer

Del 1: Brug af GIS til at håndtere indsamlingsplanen
Del 2...

By David Swann, ESRI Defense Business Development in Mil Intel Muster, The Magazine for ESRI's Defense and Intelligence Community, ESRI Press Summer 2007.

Oversat af Troels Kullberg, cand.scient., tidligere medarbejder ved GISSEK. Oversættelsen er ikke slavisk, bl.a. fordi en del af de militære termer på amerikansk ikke har samme betydning i Danmark, men der er tilstræbt at meningen er bibeholdt.

Synopsis: Dette er første del af en artikelserie på to om, hvordan GIS (geografiske informationssystemer) forbedrer analyser og beslutningstagning før, under og efter UAV-missioner. Nærværende artikel illustrerer vigtigheden af GIS i operationer hvor UAV indgår, fra indsamlingsplanen til udnyttelsen og integrationen af sensorer. Af artiklen fremgår, hvordan GIS kan være dét netværksværktøj, der kan bruges til at forstå og integrere allerede eksisterende datasamlinger. Moderne SOA´er (Serviceorienterede arkitekturer) gør det muligt at integrere UAV-operationer i andre ISTAR -aktiviteter (eng. fork. for efterretning, overvågning, måludpegning og rekognoscering), C4ISTAR -aktiviteter (eng. fork. for kommando, kontrol, kommunikation, computer, efterretning, overvågning, måludpegning og rekognoscering). GIS har vist sig som et stærkt netværk, der øger den generelle bevidsthed/opmærksomhed.

UAV spiller en stadig stigende rolle på ISR -delen (eng. fork. for efterretning, overvågning og rekognoscering) af en NBO (eng. fork. for netværksbaseret operation). Ligeledes er UACV 'er (eng. fork. for ubemandede kampfly) et potent aktiv i en PE (eng. fork. for præcisionsslagstyrke).

NBO fordrer at ISR og PE aktiverne er bundet tæt til analyserne i det beslutningsbærende miljø af C4I -systemerne (eng. fork. for kommando, kontrol, kommunikation, computer og efterretning). Denne artikel illustrerer vigtigheden af GIS i UAV-operationer og hvordan den rummelige information og program infrastrukturen af militært GIS befordrer forbindelsen til ISR og PE områderne. SOA befordrer integrationen af GIS, sensorer, sensormodeller og tilrettelæggelse af missioner i et NBO. Dette er muligt fordi netværkstjenester (eng: Web Services ) i SOA per definition er løseligt koblet sammen og tillader standardbaserede, brugervenlige, og let tilgængelige forbindelser.

Hvorfor GIS?

"Geografi og GIS? Det er da noget med prikker på et kort?". Selvom denne opfattelse desværre er udbredt, er den ikke korrekt. Det er ikke geografi at Paris er hovedstaden i Frankrig, men derimod studiet af hvorfor Paris er hovedstaden i Frankrig, hvorfor byen blev bygget på Seinens bredder og hvordan den udviklede sig til en hovedstad. Geografi er desuden studiet af byens nuværende karakteristika og, måske endnu vigtigere, hvordan den vil udvikle sig i fremtiden.

Så geografi er skelettet hvorpå UAV-operationer hviler. Det er ikke kun vigtigt at vide hvor tingene befinder sig (prikker på kortet) men også at forstå forholdet mellem alle faktorerne, så mere komplicerede og fyldestgørende spørgsmål kan blive besvaret.

geografi er ikke bare HVOR
Figur 1. Geografi er ikke bare "hvor?"

Svarene giver en solid forståelse for operationsmiljøet, en øget situationsbevidsthed. UAV-operationernes fremmeste mål er at øge situationsbevidstheden ved at udfylde hullerne i overvågningen af operationsmiljøet. Dermed får man besvaret mange spørgsmål af geografisk karakter (fig. 1). Hvor er målene? Hvor bevæger de sig hen? Hvor vil de være til hvilken tid. En komplet analyse kræver desuden at disse svar kobles med ikke-geografisk data der defineres af UAV'ens karakteristika.

Direkte visualisering af rumlig information kan give visse svar, mens andre svar kræver at der oprettes en forbindelse mellem geografiske og ikke-geografiske data.

Ved at bruge en konsekvent abstraktionsmodel med punkter, linier, flader og billeder som de simpleste typer af geografisk data, kan alle operationsmiljøets størrelser repræsenteres. Den geografiske data kan dermed samles i tabeller, der kan oprettes, redigeres, gemmes, udbredes og manipuleres ved hjælp af standard it-infrastrukturer.

geodata stiller en konsekvent abstraktion til rådighed 


Figur 2. Geodata stiller en konsekvent abstraktion til rådighed.

En geodatamodel (fig. 2) med traditionelle kendetegn som veje, søer og baggrundskort kan vise en tidstro abstraktion over et UAV's position, bevægelse, missionsplan og dækningsområde. Ved at bruge en konsekvent abstraktion og symbologi for alle størrelser giver det den informationskontinuitet som NBO afhænger af.

Geodata forbinder UAV´er med netværket

Figur 3: Geodata forbinder UAV´er med netværket.

Figur 3 illustrerer de fire informationsflow som er afgørende for NBO:

  • Fra sensor til beslutningstager til aktuator. ISR, C4I og PE domænerne understøtter NBO: Tendensen i moderne systemer går mod at frembringe geodata så tæt på dataindsamlingspunktet som muligt. De bearbejdede og strukturerede data overføres til C4I systemerne til fusion med allerede eksisterende data og analyse. De analyserede data sendes videre til våbensystemerne, der så kan koordinere indsatsen i tid og rum.
  • Fra Forsvarsministeriet (FMN) til Forsvars kommandoen (FKO) til Operative kommando (OKO) til Divisionerne (DDVI) til soldaten (GF) og vice versa: I NBO kan alle sensordata, når det først de er indsamlet og bearbejdet, bruges simultant overalt af alle kommandoniveauer på netværket. Dette er helt essentielt for kunne opretholde en fælles bevidsthed om situationen, og derved skabe et sandt fælles operationsbillede.
  • Fra Hæren til Søværnet til Flyvevåbenet til Specialstyrkerne: Nutidens operationer er fælles i deres natur. Geodata publiceret på netværket er ligeledes fundamentalt set fælles af natur. Informationer om land, hav, kyststrækninger og luft gjort tilgængelige med almindelige geografiske metoder, er til rådighed som netværkstjenester.
  • Alle værn og våbenarter deler en fælles abstraktion af operationsmiljøet. Derfor deler de også en fælles oplevelse af operationsmiljøet.

 

Serviceorienteret arkitektur

Den moderne metode til at opnå fælles it-infrastruktur for alle kapabiliteter er ved hjælp af SOA. SOA stiller netværkstjenester til rådighed, der kan bruges til at planlægge missioner, integrere video og gengive kort. Et kendetegn ved netværkstjenester er den løse kobling. Tjenesten er ligeglad med hvad brugeren gør med den, den kender kun til at levere et svar på en forespørgsel. Det gør ingen forskel for brugeren hvordan tjenesten gør sit arbejde, brugeren ved hvordan han/hun skal spørge for at bruge en bestemt service og hvilket svar han/hun forventer.

Netværkstjenester er alsidige. Ved at forbinde flere tjenester kan analytikeren nemt skabe en ønsket arbejdsrutine eller programflade. Netværkstjenester kan ligeledes deles indenfor og mellem organisationer med fælles interesser.

hvad er serviceorienteret arkitektur?

Figur 4: Hvad er serviceorienteret arkitektur?

På figur 4 kan vi se hvordan det virker.

  • Lad os antage at vi har fået udviklet en bestemt netværkstjeneste, der kan hjælpe med planlægge en UAV-mission. Udvikleren beskriver nu tjenesten ud fra en vedtaget specifikation og registrerer den i et dertil oprettet katalog. I dette register findes alle tjenesterne. Den nu registrerede tjeneste er forsynet med beskrivelser eller metadata, der gør brugeren i stand til at finde de informationer eller tjenester de har brug for.
  • I vores tilfælde er brugeren et ISTAR team der står for at planlægge dataindsamling. De vil gerne inkorporere vor nye tjeneste, der kunne planlægge UAV-missioner, i deres egen ISTAR planlægningsprogram.
  • Fortløbende kan teamet fra deres eget program sende forespørgsler til den nye tjeneste, der så behandler forespørgslen og returnerer et resultat i overensstemmelse med dens specifikationer.

SOA fokuserer på at levere beslutningsstøtte; IT gør den proces mulig.

Sørg for altid at overveje hvordan nettjenestens indhold og struktur ligger på serveren. Det er essentielt men det skal kun gøres én gang. Indhold og strukturer er dynamiske størrelser, der løbende ændres under en operation. ændringerne er forberedt af tekniske specialister på deres arbejdsstationer og derefter overført til serveren, hvorved de simultant bliver tilgængelige for hele netværket.

rummelig geografi ser fra et SAO perspektiv

Figur 5: Rummelig geografi ser fra et SAO perspektiv.

Ideen med at fordele specialistviden ud i virksomheden er en vigtig del af SOA (fig. 5), og løfter computeren fra at være et personligt produktionsapparat til en meget større rolle, nemlig som et virksomhedsværktøj og grundstenen i den netværksbaserede operation.

Når først indholdet er på serveren og tilgængelig for alle på netværket, bliver det selvfølgelig genstand for sikkerhedshensyn.

Det ligger i definitionen på nettjenesten, at interoperationalitet er særdeles nemt at opnå. I stedet for besærlige programmer, der i deres brugerflade skaber problemer i forhold til interoperationalitet, kan SOA'ens løst koblede definitioner tillade at forskellige slags tjenester integreres med forholdsvis lethed.

Dette er vigtigt for Forsvarets organisationer fordi mange forskellige kapabiliteter skal kunne spille sammen for at opnå et fælles mål. UAV-operationer står ikke alene, men må nødvendigvis integreres i NBO.

SOA aktiveret interoperationalitet

Figur 6: SOA aktiveret interoprationalitet

De forskellige teknologier kan bringes sammen i et SOA miljø (fig. 6). Virksomhedens specialister bruger hver især deres egne værktøjer til at skabe informations- og funktionalitetsindhold på serveren (netværkstjenesterne), hvorimod virksomhedens generalister kan spille på og integrere tjenesterne i deres egne programmer.

På sigt giver det virksomhederne mulighed for at udvælge de bedste kommercielle teknologier, fordi integrationen af forskelligartede teknologier er meget nemmere.

 

Styring af indhentningsplaner

UAV-operationer involverer først en ISTAR indhentningsplan.

 

Prioritering af indsamling

GIS analyser prioriterer en overordnet indhentningsplan. Eksempelvis kunne en efterretningsorganisation ønske at få adgang til status over et lands atomvåben program. Hvordan vil organisationen prioritere indhentningsplanen? I hvilke områder kunne det tænkes at elementerne til evt. atomvåben bliver produceret?

Denne vurdering, baseret på mange faktorer, frembringer måske en model for hvor store komplekse faciliteter til bearbejdning af uranmalm, til uranberigelse og efterfølgende samling af atomvåben, kunne ligge. De fleste faktorer er geografiske af natur og geodata bidrager til modellen, som vi skal se senere.

transport infrastruktur

Figur 7: Transport infrastruktur

Først skal infrastrukturen til transport tages i betragtning. De store faciliteter, der er nødvendige for et atomprogram, stiller krav til at der er primære transportruter i umiddelbar nærhed (fig. 7). Geodata kommer fra et datasæt over transport fra "the Digital Chart of the World " udlånt af Global Mapping International (GMI).


befolkningstæthed
 

Figur 8: Befolkningstæthed
 

Derefter vil vi tage befolkningen i betragtning (fig. 8). Det er usandsynligt, at en så sensitiv facilitet lægges i et område med høj befolkningstæthed, men det er lige så usandsynligt at bygge den i et ubefolket område. Et lavt til middel tæt befolket område vil derfor være det mest attraktive. Det viste datasæt er det globale "LandScan 2000" befolkningsdatasæt, udlånt af Oak Ridge National Laboratory .

geologi

Figur 9: Geologi

 

Derefter ser vi på geologien (fig. 9). Faciliteter af omtalte type er som regel bygget på stabilt, uigennemtrængelig vulkansk klippe. Datamaterialet er udlånt af United States Geological Survey (USGS).


seismisk historie 

Figur 10: Seismisk historie

 

Til sidst må vi tænke på at atomare aktiviteter ofte vil involvere følsomt udstyr, der ikke tåler seismiske forstyrrelser (figur 10). Konsekvensen er at faciliteterne formentligt ligger så langt væk fra kendte jordskælvsområder som muligt. Datamaterialet er udlånt af USGS.



geobearbejdningsmodel

Figur 11: Geobearbejdningsmodel

De forskellige faktorer kan kædes sammen i en geobearbejdningsmodel (fig. 11), der samler alt informationen som beslutningstagerne kan handle ud fra, i dette tilfælde de formodede områder for en atomfacilitets beliggenhed. Modellen kan publiceres på en GIS server og dermed gøre den anvendelig for alle på netværket.

I GIS kan man dermed indsnævre de områder, hvor der bør ledes efter potentielle industrielle bearbejdnings- faciliteter, involveret i bearbejdning af atomart materiale. I vor tilfælde er de mest sandsynlige områder (grøn) og de mindst sandsynlige (rød) vist tydeligt (fig. 12).

mest sandsynlige områder i grønt

Figur 12: Mest sandsynlige områder i grønt

 

Forståelse for allerede eksisterende datasamlinger

En stor del af den nødvendige information eksister måske allerede. I det vi zoomer ind på det område, som vi har valgt at prioritere, ønsker vi at få forbindelse til alle de aftryk, som vi allerede har i ISTAR arkivet, leveret af en anden netværkstjeneste, der kan tilgås af alle på netværket med den rette sikkerhedgodkendelse. De blå rektangler (fig. 13) viser billedaftryk leveret af Digital Globe fra den kommercielle satellit QuickBird i 60 cm opløsning.

overblik over dækningsområder

Figur 13: Overblik over dækningsområder

 Et link associeret med hver rektangel (billede), aktiverer en netværkstjeneste, der åbner for en beskrivelse af billedets metadata, og åbner selve billedet i et nyt vindue (figur 14).

forbindelse til et billede som en service


Figur 14: Forbindelse til et billede som en service
 

Forbindelse til datakollektioner

SOA gør det muligt at vise information som en service. I det tilfælde skal dataarkivet være fuldt netværkstilgængeligt, så de relevante billeder kan indhentes i vores ISTAR program, som et hvilken som helst andet informationslag fra netværket (figur 15).

zoom til et interesant område

Figur 15: Zoom til et interesant område

Når der først er forbindelse til billedarkivet, kan man zoome ind udføre de ønskede efterretningsanalyser (figur 16).


integration af videosekvenser

Figur 16: Integration af videosekvenser

 

Integrering af videosekvenser

SOA gør det muligt at bringe informationsrige datakilder (fx video) sammen. MetaCarta's stærke mulighed for at søge i tekst kan bl.a. bruges til at finde relevante videosekvenser i den allerede tilgængelige datasamling ISTAR råder over (fig. 17).



billedet åbner i et nyt vindue med beskrivelser inkluderet

Figur 17: Billedet åbner i et nyt vindue med beskrivelser inkluderet

Teknologien i MetaCarta kan finde geografisk information fra mange forskellige kilder. Her har brugeren søgt i ISTAR's videokollektion for referencen "to biler". Alle videoklip med to biler vil blive vist i kortdisplayet.

Det viste program til at behandle geokodet video hedder VideoQuest og kommer fra Sarnoff Corporation . VideoQuest ligger på UAV serveren, og kan bl.a. georeferere videoinformation i realtime, og dermed gøre det muligt at bruge videomaterialet med andre georeferede informationer.

 

Netadgang til datakollektionerne

En stor fordel ved SOA er muligheden for at bryde informationerne ned i små dele så selv tynde klienter som almindelige browsere kan være med. Eksempelvis kan den omtalte geobearbejdningsmodel publiceres som et program på en server. I det tilfælde har vi ændret lidt, så vi søger efter egnede steder for opstilling af ramper til affyring af Scud missiler, i stedet for atomare faciliteter.

nettjeneste der viser Nordkorea i en browser

Figur 18: Nettjeneste der viser Nordkorea i en browser

Nettjenesten kan tilgås med en browser og er her brugt til at lede efter affyringsramper i Nordkorea (fig. 18 & 19). Vi kan zoome ind på et bestemt område og definere en specifik beliggenhed, hvor vi ønsker at køre vores søgemodel.

udvalgt område

Figur 19: Udvalgt område

prioriteret område vist sammen med allerede eksisterende data

figur 20: Prioriteret område vist sammen med allerede eksisterende data

Modellen udfører alle beregningerne på serveren og returnerer en grafisk flade, der viser prioritetsområderne i rød (fig. 20) hvori man kan søge. Ydermere skabes der automatisk forbindelse til billedarkivet og viser de satellitbilleder der dækker området. Selv i en helt almindelig browser kan vi linke til de ønskede billeder (thumbnail) (fig. 21).

 visning af miniature i browser

Figur 21: Visning af miniature i browser

 

Forståelse for vejrets indvirkning

Vi bliver også nødt til at tage vejret i betragtning. Det gøres ved at integrere vejret som et selvstændigt og mere dynamisk lag, end de andre lag af information (fig. 22).

 SOA vejservice fra Meteorologix

Figur 22: SOA vejservice fra Meteorologix

Vejrdata er af natur ikke statisk, og giver derfor ikke et statisk billede, men derimod et informationslag der er mættet med dynamiske informationer, der ved analyse fx kan svare på hvilke ISTAR-aktiver der gøres ineffektive af et bestemt vejrlig, og dermed måske kunne indikere, at det er tid til at skifte fra optisk til radar overvågning.

 

Forståelse for aeronautiske begrænsninger

Mange ISTAR aktiver har brug for at kunne kalkulere med aeronautiske begrænsninger. Aeronautisk information er i stigende grad lavet og vedligeholdt i en GIS sammenhæng. Det kan blive stillet til rådighed som en nettjeneste, så ændringer i forholdene umiddelbart bliver tilgængelige for ISTAR planlæggeren.

Den aeronautisk informationstjeneste kan komme direkte fra produktionsfirmaet, så det garanteres at enhver ændring øjeblikkeligt er tilgængelig for data planlæggeren. UAV'er bemandede fly eller satelliter kan blive pålagt opgaver, der er passer til de dynamiske missionskrav, der kan integreres i vore dage(fig. 23).

integration af aeronautisk information

 Figur 23: Integration af auronautisk information