Spatial computing and geospatial science for virtual worlds and digital twins

Abstract

This thesis addresses the theoretical and structural fragmentation observed in SpatialComputing systems by proposing Geospatial Virtual Worlds (GVWs) as a coherentconceptual and architectural abstraction for three-dimensional spatiotemporalenvironments. Moving beyond device-centric, application-specific, and platform-drivendefinitions, the research establishes a unified framework that integrates worldrepresentation, interaction modalities, and system architecture within a geospatiallygrounded context. The research follows a three-phase methodology that progresses systematically fromconceptual modelling to architectural formalisation. Phase 1 establishes the conceptual foundations of GVWs by extending the MixedReality intersection model. The study formalises the structural relationships among theenvironment, the human, and the computer, focusing on their intersections throughperception and interaction. This phase provides a rigorous interpretation of perceptionand conventional reality, introducing a taxonomy of physical, digital, and mixedentities, and clarifying the role of reality-capture processes and the ontologicalformation of digital shadows as the basis for computational understanding of thephysical world. Phase 2 develops a unified taxonomy of interaction modalities through a systematicanalysis of Human-Computer Interaction literature. This analysis reveals a criticalresearch gap: existing models predominantly emphasise physical-to-digital inputs whilelacking formal mechanisms for digital-to-physical influence. To address this gap, thethesis introduces the concept of Physical Task Execution (PTE). This novel interactionmethod formalises outward digital actions, enabling virtual entities to initiate andcoordinate tasks within conventional reality. Phase 3 proposes a modular system architecture for applications operating overcomplex 3D geospatial data. Organised into an Access Layer, World Layer, andIntegration Layer, the architecture defines the core classes and interfaces required tosupport immersive, persistent, and multi-user geospatial environments, whilemaintaining interoperability with web-based execution environments and establishedgeospatial standards. Together, these contributions position Geospatial Virtual Worlds as a well-definedsystem abstraction for geospatially grounded Spatial Computing through the lens ofMixed Reality, advancing theoretical clarity and providing a scalable, extensiblearchitectural foundation for future immersive systems.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει τον θεωρητικό και δομικό κατακερματισμό που παρατηρείται στα συστήματα Χωρικής Υπολογιστικής και προτείνει τους Γεωχωρικούς Εικονικούς Κόσμους ως ένα συνεκτικό εννοιολογικό και αρχιτεκτονικό πλαίσιο για τρισδιάστατα χωροχρονικά περιβάλλοντα. Υπερβαίνοντας ορισμούς που βασίζονται σε συγκεκριμένες συσκευές, επιμέρους εφαρμογές ή μεμονωμένες πλατφόρμες, η έρευνα διαμορφώνει ένα ενοποιημένο πλαίσιο που συνδυάζει την αναπαράσταση του κόσμου, τους τρόπους αλληλεπίδρασης και την αρχιτεκτονική του συστήματος μέσα σε ένα γεωχωρικά θεμελιωμένο περιβάλλον. Η μελέτη ακολουθεί μεθοδολογία τριών φάσεων, η οποία εξελίσσεται συστηματικά από την εννοιολογική διαμόρφωση προς την αρχιτεκτονική θεμελίωση. Στην πρώτη φάση τίθενται οι εννοιολογικές βάσεις των Γεωχωρικών Εικονικών Κόσμων μέσω επέκτασης του μοντέλου τομής της Μικτής Πραγματικότητας. Αναλύονται και οριοθετούνται οι δομικές σχέσεις μεταξύ περιβάλλοντος, ανθρώπου και υπολογιστή, με έμφαση στα σημεία τομής τους μέσω της αντίληψης και της αλληλεπίδρασης. Στο πλαίσιο αυτό διατυπώνεται μια συστηματική ερμηνεία της αντίληψης και της συμβατικής πραγματικότητας, εισάγεται ταξινομία φυσικών, ψηφιακών και μικτών οντοτήτων και αποσαφηνίζεται ο ρόλος των διαδικασιών αποτύπωσης της πραγματικότητας, καθώς και η οντολογική συγκρότηση των ψηφιακών αποτυπωμάτων, ως βάση για την υπολογιστική κατανόηση του φυσικού κόσμου. Η δεύτερη φάση αναπτύσσει μια ενοποιημένη ταξινομία τρόπων αλληλεπίδρασης μέσα από συστηματική ανάλυση της βιβλιογραφίας των Αλληλεπιδράσεων Ανθρώπου-Υπολογιστή. Η ανάλυση αυτή αναδεικνύει ένα ουσιώδες ερευνητικό κενό: τα υφιστάμενα μοντέλα επικεντρώνονται κυρίως στην ροή δεδομένων από τον φυσικό προς τον ψηφιακό κόσμο, χωρίς να διαθέτουν τυποποιημένους μηχανισμούς για την επίδραση από τον ψηφιακό προς τον φυσικό. Για την κάλυψη αυτού του κενού, η διατριβή εισάγει την έννοια της Εκτέλεσης Φυσικής Εργασίας. Η νέα αυτή μέθοδος αλληλεπίδρασης τυποποιεί τις εξερχόμενες ψηφιακές ενέργειες, επιτρέποντας σε εικονικές οντότητες να εκκινούν και να συντονίζουν ενέργειες στη συμβατική πραγματικότητα. Η τρίτη φάση προτείνει μια αρθρωτή αρχιτεκτονική συστήματος για εφαρμογές που λειτουργούν πάνω σε σύνθετα τρισδιάστατα γεωχωρικά δεδομένα. Η αρχιτεκτονική οργανώνεται σε Επίπεδο Πρόσβασης, Επίπεδο Κόσμου και Επίπεδο Ενοποίησης και ορίζει τις βασικές κλάσεις και διεπαφές που απαιτούνται για την υποστήριξη εμβυθιστικών, επίμονων και πολλαπλών χρηστών γεωχωρικών περιβαλλόντων, διατηρώντας παράλληλα τη διαλειτουργικότητα με διαδικτυακά περιβάλλοντα εκτέλεσης και καθιερωμένα γεωχωρικά πρότυπα. Συνολικά, οι συνεισφορές αυτές θεμελιώνουν τους Γεωχωρικούς Εικονικούς Κόσμους ως σαφώς ορισμένο επίπεδο οργάνωσης συστήματος για γεωχωρικά θεμελιωμένη Χωρική Υπολογιστική μέσα από το πρίσμα της Μικτής Πραγματικότητας, ενισχύοντας τη θεωρητική σαφήνεια και παρέχοντας μια επεκτάσιμη και προσαρμόσιμη αρχιτεκτονική βάση για μελλοντικά εμβυθιστικά συστήματα.