Earth digital twin in a virtual reality
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
65
Series
Abstract
This thesis explores the development of an Earth digital twin within a virtual reality (VR) environment, implemented in the Aalto Virtual Planetarium (AVP) using Unity. Digital twins—virtual representations of physical entities—are increasingly applied across industries for simulation, analysis, and decision-making. While Earth digital twin initiatives exist at major agencies such as ESA and NASA, public-facing implementations remain limited, particularly for ionospheric phenomena between 100–1000 km altitude. This work addresses that gap by creating a VR-based visualization of ionospheric electron density, a parameter critical for understanding space weather and its impact on radio wave propagation, navigation, and communication systems. The research begins with a literature review on digital twin concepts, maturity models, and enabling technologies, followed by an assessment of Unity-based visualization methods. The International Reference Ionosphere (IRI) model was selected as the primary data source due to its comprehensive, validated datasets. A data transformation pipeline was developed to convert geographic coordinates and electron density values into Unity-compatible formats, applying color mapping and opacity scaling for enhanced interpretability. Two visualization approaches were implemented: Unity’s Built-in Particle System and Visual Effects Graph, with the latter offering superior performance for large-scale point clouds. The prototype was successfully integrated into AVP and deployed on Oculus Quest VR hardware, achieving smooth rendering of up to 500,000 particles. While the implementation represents a digital shadow rather than a fully interactive twin, it demonstrates the feasibility of immersive 3D visualization for space science education and outreach. The work advances AVP’s capabilities and provides a foundation for future enhancements, including real-time data integration, multi-parameter visualization, and interactive user interfaces. By leveraging Unity and VR, this thesis contributes to bridging the gap between complex scientific datasets and intuitive, engaging experiences for research and public engagement.Tässä työssä tutkitaan maapallon digitaalisen kaksosen kehittämistä virtuaalitodellisuudessa (VR) Aalto Virtual Planetarium (AVP) -ohjelmistossa hyödyntäen Unity-alustaa. Digitaaliset kaksoset – fyysisten kohteiden virtuaaliset esitykset – ovat yleistyneet eri teollisuudenaloilla simulointiin, analytiikkaan ja päätöksenteon tueksi. Vaikka ESA:n ja NASA:n kaltaisilla organisaatioilla on omat Earth Digital Twin -hankkeensa, julkisesti saatavilla olevat toteutukset ovat rajallisia, erityisesti ionosfäärin ilmiöiden osalta 100–1000 km korkeudella. Tämä työ vastaa haasteeseen luomalla VR-pohjaisen visualisoinnin iono-sfäärin elektronitiheydestä, joka on keskeinen parametri avaruussään ymmärtämisessä sekä radioaaltojen etenemisen, navigoinnin ja tietoliikenteen kannalta. Tutkimus alkaa kirjallisuuskatsauksella digitaalisten kaksosten käsitteistä, kypsyysmalleista ja mahdollistavista teknologioista, minkä jälkeen arvioidaan Unity-pohjaisia visualisointimenetelmiä. Kansainvälinen viiteionosfäärimalli (International Reference Ionosphere, IRI) valittiin pääasialliseksi tietolähteeksi sen kattavien ja validoitujen tietoaineistojen vuoksi. Työssä kehitettiin datan muunnosketju, joka muuntaa maantieteelliset koordinaatit ja elektronitiheysarvot Unity-yhteensopivaan muotoon, soveltaen väriskaalauksia ja läpinäkyvyyttä tulkinnan parantamiseksi. Kaksi visualisointimenetelmää valit-tiin toteutukseen: Unityn Built-in Particle System ja Visual Effects Graph, joista jälkimmäinen tarjosi paremman suorituskyvyn suurille pistepilville. Prototyyppi integroitiin onnistuneesti AVP:hen ja otettiin käyttöön Oculus Quest -VR-laitteilla, saavuttaen sulavan renderöinnin jopa 500 000 partikkelilla. Toteutus edustaa digitaalista varjoa eikä täysin interaktiivista kaksosta, mutta osoittaa immersiivisen 3D-visualisoinnin toteutettavuuden avaruustieteen opetuksessa ja popularisoinnissa. Työ laajentaa AVP:n ominaisuuksia ja luo perustan tuleville kehityksille, kuten reaaliaikaiselle dataintegraatiolle, moniparametriselle visualisoinnille ja interaktiivisille käyttöliittymille. Hyödyntämällä Unityä ja VR-teknologiaa tämä työ edistää tieteellisten aineistojen muuttamista intuitiivisiksi ja mukaansatempaaviksi kokemuksiksi tutkimuksen ja yleisön tarpeisiin.Description
Supervisor
Kallio, EsaThesis advisor
Helander, HenryKallio, Esa