Droonit tutkimuskäytössä
Artikkelissa esitellään tutkimusprojekteissa kokeiltuja ja kehitettyjä menetelmiä droonien hyötykäyttöön luonnontieteellisissä tutkimuksissa. Yksittäinen menetelmäkuvaus voi olla sitä tutkineen projektin toiminta-ajalta, jolloin menetelmää ja siihen liittyviä laitteita on voitu tämän jälkeen kehittää edelleen ja myös esimerkiksi menetelmä, laite tai palvelu on voitu tuotteistaa tämän jälkeen.
Teksti: Hannu Panttila ja Riku-Olli Valta
Droonit tutkimuskäytössä -selvitys on tuotettu osana EAKR LeKaT-projektia.
Yleistietoa lennokeista
Viime vuosina lennokkien käyttö erilaisissa tutkimuksissa ja harrastustoiminnassa on lisääntynyt suuresti, mikä on parantanut yleistietoutta lennokkien käyttömahdollisuuksista ja auttanut kehittämään lennokkimenetelmiä pidemmälle. Moniin seurantoihin ja mittauksiin lennokit soveltuvatkin varsin hyvin verrattuna perinteisiin menetelmiin kustannustehokkuutensa ja nopeutensa vuoksi.
Lennokilla tarkoitetaan lentämiseen soveltuvaa pienoisilma-alusta, jota ei ohjata aluksesta käsin. Lennokki termiä käytetään perinteisesti harraste- ja urheilutarkoitukseen käytetyistä laitteista ja määritelmällä tarkoitetaan kiinteäsiipistä lennokkia.
Lentotyöhön tarkoitetusta lennokista käytetään yleisimmin termiä kauko-ohjattu ilma-alus. Termillä drone tai drooni voidaan tarkoittaa mitä vain miehittämätöntä alusta ilmassa, vedessä tai maalla ohjattuna. Lennokit ja ilma-alukset jaetaan usein rakenteen mukaan kiinteäsiipisiin lennokkeihin ja pyöriväsiipisiin multikoptereihin. Lennokit jaetaan usein myös ohjaustavan mukaan vapaasti lentäviin, siimaohjattuihin ja radio-ohjattuihin lennokeihin. Voimanlähteenä ilma-aluksissa on sekä bensiinikäyttöisiä että sähköllä toimivia moottoreita, joista jälkimmäinen on selvästi yleisempi.
Lennätystyössä käytössä ovat useimmiten lyhenteet UAV, UAS, RPA ja RPAS. UAV-laitteilla (Unmanned Aerial Vehicle, toiselta nimeltään RPA, Remotely Piloted Aircraft) tarkoitetaan miehittämättömiä etäohjattuja ilma-aluksia. Laajemmin koko lennätyskalustosta puhuttaessa käytetään lyhenteitä UAS (Unmanned Aerial System) tai RPAS (Remotely Piloted Aircraft System), jotka käsittävät lennätyslaitteen lisäksi ohjaimen, lennätyksen seurantalaitteet ja käytettävät ohjelmistot.
Kuvausmenetelmistä
Lennätyksessä tarpeeksi tarkan paikkatiedon mittaamiseksi maastoon merkitään tukipisteitä (GCP, Ground control point), joiden avulla korjataan sijaintitietoa. Lennokeissa on viime aikoina yleistynyt myös reaaliaikainen kinemaattinen mittaustekniikka (RTK, Real-time kinematic), jossa maastoon ei enää tarvitse merkitä tukipisteitä. RTK-tekniikka nopeuttaa lennätystyötä huomattavasti – parhaimmillaan drone saadaan ilmaan muutamassa minuutissa kohteeseen saapumisen jälkeen. Lennätys hoidetaan lähtökohtaisesti autopilotilla ennalta määrätyn lentoreitin perusteella. Lento-operaattorin tehtäväksi jää lennon seuranta tähystämällä. Lähtö ja laskeutuminen tehdään yleensä manuaaliohjauksella.
Ilma-aluksilla suoritettaviin tutkimuksiin sovelletaan pääasiassa ilmakuvausta, jonka kuvasarjoista voidaan luoda yhtenäinen kuvapohja, eli niin sanottu ortokuvamosaiikki. Ilmakuvien avulla luodaan myös laskennallisesti erilaisia kolmiulotteisia pintamalleja (DEM, DTM, DSM).
Yleisimmät kuvausmenetelmät lennokkikäytössä ovat ilmakuvaus ja lämpökamerakuvaus. Edellä mainittujen lisäksi lennokkeja voidaan käyttää hyperspektrikuvaukseen, magneettikentän ja maankamaran sähkönjohtavuuden mittaukseen sekä gammaspektrometriseen mittaukseen. Lisäksi ilma-aluksia voidaan käyttää vesinäytteenotossa ja vedenlaadun mittaamisessa. Ilma-aluksia on hyödynnetty myös matkapuhelinverkkojen 3D-mallinnuksessa sekä voimalinjojen ja rakennusten kuntotarkastuksissa. Kehitteillä on koko ajan muitakin droonien mittausmenetelmiä ja käyttötapoja.
On huomioitava, että useimpien edellä kuvattujen menetelmien käyttöön tarvitaan erityisosaamista niin laitteiden, ohjelmistojen kuin tulosten analysoinninkin kohdalla. Kokeneen, korjaustaitoisen pilotin lisäksi tarvitaan henkilöitä suunnittelemaan ja rakentamaan laitteita sekä koodaamaan ohjelmistoja. Lisäksi tarvitaan kunkin menetelmän asiantuntijoita tulkitsemaan kerättyä tietoa ja muokkaamaan aineisto tilaajan haluamaan muotoon.
Dronemenetelmä valitaan tutkimuskohteen mukaan
Dronemenetelmät on tässä jaettu kuvantamistutkimuksiin, mittauksiin ja näytteenottoon.
Kuvantamistutkimuksissa tutkimuskohdetta kuvataan tarpeenmukaisella kameralla usein jatkotutkimuksia varten. Kuvien perusteella voidaan esimerkiksi valita tarkka näytteenottopiste tai tehdä mallinnuksia kohteesta. Esimerkkitapauksissa on lennätetty jotain dronekäyttöön soveltuvaksi muokattua geofysikaalista mittalaitetta. Mittausten tarkoituksena on ollut saada aikaan kevyempiä menetelmiä malminetsintään, mutta samat menetelmät soveltuvat myös muun muassa ympäristöseurantaan ja -tutkimukseen ‒ ehkä hieman toisenlaisella tiedonkäsittelyllä ja mittalaitteiden säädöillä. Näytteenotossa GTK on ollut mukana kehittämässä vesinäytteenottoa.
Droonien käytölle suurin rajoittava tekijä lienee mielikuvitus, mutta myös lainsäädäntö voi rajoittaa joidenkin menetelmien käyttöä. On suositeltavaa perehtyä ajantasaiseen lainsäädäntöön ja asetuksiin ennen uuden menetelmän suunnittelutyön aloittamista.
Kuvantamismenetelmät
Ilmakuvaus
Kuva-aineistosta voidaan tuottaa pistepilvi ja siitä 3D-malli kuvatusta alueesta tai kohteesta. Näistä voidaan eri ohjelmistoilla laskea kuva-alalla olevien kasojen tilavuuksia, analysoida rinteiden sortumisherkkyyttä ja tarkkailla pintojen mahdollisia painumisia ja muodonmuutoksia. Matalan korkeuden ilmakuvaus on käyttökelpoinen menetelmä myös arkeologisessa tutkimuksessa.
Droneilmakuvauksella saadaan tuotettua perinteistä lentokoneella tehtävää ilmakuvausta tarkempia ortokuvia johtuen lähinnä matalammasta lentokorkeudesta. Menetelmä soveltuu pienehköjen alueiden tai yksittäisten kohteiden kuvauksiin.
Lämpökamerakuvaus
Lämpökameroissa käytetään usein infrapunasäteilyn aallonpituusaluetta 8 000–14 000 nm (TIR, Thermal Infrared). Lämpökamera voi tyypistään riippuen tuottaa kohteesta kuvan, jossa jokaiselle pikselille on määritetty lämpöarvo tai sitten lämpötilan esitys voi olla suhteellinen ilman lämpötilatietoa. Kuvattavan kohteen lämpötila määrää sen, millaisissa olosuhteissa kuvaus pitää suorittaa, koska tavoitteena on saada mahdollisimman suuri kontrasti kohteen ja sen ympäristön välille. Kylmiä kohteita on siis paras etsiä lämpimään aikaan ja lämpimiä kylmään aikaan.
Lämpökamerakuvausta voidaan hyödyntää kiinteistöjen lämpövuotojen tarkkailun lisäksi luonnontieteellisissä tutkimuksissa. EAKR LeKaT-projektissa lämpökameraa käytettiin mahdollisten kaivosvesien suotovesipurkautumien etsintään kaivosympäristössä. EAKR Lapin POSKI II-vaihe -projektissa menetelmää käytettiin pohjavesipurkautumien etsintään pohjavesialueella. Pohjavesipurkaumien kartoituksessa oletuksena on, että pohjaveteen yhteydessä olevat vesilammikot erottuvat muuta ympäristöä, kuten pintavesiä, kylmempinä. Kartoituksessa suotuisin olosuhde on lämmin kesäinen iltapäivä, jolloin ympäristön lämpötilaerot ovat mahdollisimman suuret.
Interreg RESEM -projektissa menetelmää käytettiin toiminnassa olevan kaivoksen pintavalutuskentän toiminnan tutkimiseen. EAKR UAV-MEMO -projektissa menetelmää käytettiin toiminnassa olevan kaivoksen kaivospatojen mahdollisten suotovesilammikoiden havaitsemiseen. Menetelmää voidaan käyttää edelleen lämpöä tuottavien prosessien etsimiseen ja kartoittamiseen esimerkiksi erilaisista jätealtaista ja -kasoista tai itse prosessin seurantaan.
Raportit ja tutkimusprojektit:
Lennokit kaivosvalvonnan tukena – LeKaT
Pohjavesien suojelun ja kiviaineshuollon yhteensovittaminen Lapissa (POSKI)
Hyperspektrikuvaus
Hyperspektrikuvauksessa kameralla vastaanotetaan säteilyä näkyvän valon aallonpituusalueella (380–750 nm), lähi-infrapuna-alueella (750–1100 nm) sekä lyhyellä infrapuna-alueella (1100–2500 nm). Menetelmällä mitataan kuvattavasta kohteesta heijastuneen säteilyn voimakkuutta. Hyperspektrikuvausta on käytetty yleisimmin metsätalouden ja maankäytön tutkimuksiin. Kuvausmenetelmä soveltuu myös kasvillisuuskartoituksiin, mineraalien tunnistukseen ja malmiesiintymien hydrotermisten muuttumisvyöhykkeiden kartoitukseen. Mineraalien tunnistamisen ja malmiesiintymien kartoituksen edellytyksenä ovat kalliopaljastumat, joita Suomessa on lähtökohtaisesti vähän. Muut käyttökohteet soveltuvat varsin hyvin Suomen olosuhteisiin.
EAKR UAV-MEMO -projektissa käytettiin hyperspektrikameralla varustettua kiinteäsiipistä lennokkia. Kameran käyttämä aallonpituusalue oli 500–900 nm. Kuvauksen tarkoituksena oli määrittää klorofyllin, eli välillisesti yhteyttävien levien, määrää järvivedessä. Klorofyllin määrä selvitettiin saadusta spektrituloksesta laskennallisin menetelmin, minkä lisäksi vesien klorofyllipitoisuudet mitattiin kenttämittauksena sekä laboratoriossa vesinäytteistä. Hankkeen tulokset osoittivat lennokilla tehtävän hyperspektrikuvauksen olevan luotettava ja toimiva menetelmä klorofyllin määrän tutkimiseen. Suomessa klorofyllin seuranta tulisi ajoittaa elokuuhun, jolloin pitoisuudet ovat korkeimmillaan. Kuvaushetken säätilan tulisi olla pilvetön, tyyni ja aurinkoinen, jolloin vedet olisivat mahdollisimman sekoittumattomat.
Raportit ja tutkimusprojektit:
Mittausmenetelmät
Magnetometri
Magneettikentän mittaus on yleisesti käytössä oleva geofysiikan menetelmä tutkittaessa maa- ja kallioperää. Menetelmää käytetään varsinkin malminetsinnässä, mutta se soveltuu muihinkin tutkimuksiin.
Magnetometraus lienee ensimmäinen geofysikaalisten mittausten drone-sovellus ja sitä kehitettiin Suomessa Radai Oy:n toimesta EAKR UAV-MEMO -projektissa. Projektissa toteutettiin tapaustutkimus Rovaniemellä Ryssänlammen alueella, jolta oli aiempaa, kävellen mitattua magneettista vertailuaineistoa.
Ryssänlammella magneettinen mittaus tehtiin kiinteäsiipistä lennokkia käyttäen. Tutkimuksessa todettiin UAV-magneettimittauksella saatavan aineiston olevan luotettavaa ja vertailukelpoista muilla magneettisilla menetelmillä saatavan aineiston kanssa. Magnetometri oli sijoitettuna lähelle lennokin sähkömoottoria, joka aiheutti jonkin verran kohinaa mitattuun aineistoon. Tämä pystyttiin kuitenkin korjaamaan onnistuneesti suodattamalla kohina taustalta tarkkuuden kärsimättä.
Lentomittaus tehtiin sekä kesällä että talvella olosuhteiden vaikutusten testaamiseksi. Tapaustutkimus edisti UAV-magneettisen menetelmän kehitystä. Menetelmän todettiin olevan käyttökelpoinen ja varteenotettava, kun tarkasteltava alue on suhteellisen pieni. H2020 NEXT-projektissa vertailtiin eri lentomittausmenetelmiä eri linjakilometrimäärillä. Lennokkimittaus kahdella dronella oli ainakin 1000 linjakilometriin saakka edullisempi menetelmä kuin helikopteri tai lentokone. Dronemenetelmän etuna oli myös sen huomattavasti pienempi hiilijalanjälki.
EAKR UAV-MEMO -projektissa kokeiltua menetelmää on kehitetty edelleen ja yritys tarjoaa nykyään kolmikomponenttista (x, y ja z-suunnat) magneettikentän mittausta projektin aikaisen totaalikentän mittauksen sijaan.
Radiometrinen mittaus
EAKR UAV-MEMO -projektissa tutkittiin UAV-pohjaista gammaspektrometristä mittausta Rautuvaaran kaivoksen rikastushiekka-altaalla Kolarissa. Kohteessa tiedettiin olevan säteilevää materiaalia, josta oli jo aikaisempia mittauksia. Lähtökohtana tutkimuksessa oli selvittää, onko lennokissa käytettävä pienikokoinen spektrometri riittävä mittaamaan gammasäteilyä luotettavasti.
Lentomittaus suoritettiin nelikopterilla 50 metrin linjavälein 5, 10 ja 30 metrin korkeuksilla. Lentonopeutena käytettiin 3–4,5 m/s ja säteilyn mittausaikana 5 sekuntia. Alue mitattiin lisäksi maanpinnalla vertailuaineistoksi. Totaalisäteilyn määrittämiseen laitteisto soveltui hyvin jopa 10 metrin korkeudella lennettäessä. Pienempien pitoisuuksien mittaamiseen ja tilastollisesti luotettavien tuloksien saamiseksi spektrometrin todettiin olevan liian pienikokoinen. Menetelmän testaus onnistui kuitenkin teknisesti kohtalaisesti, mikä avasi suuntaa mahdolliselle jatkokehitykselle.
Raportit ja tutkimusprojektit:
Sähkönjohtavuus
H2020 NEXT-projektissa kehitettiin sähkönjohtavuusmittausmenetelmää dronelle. Projektissa kehitetty menetelmä koostuu maahan asetettavasta johdinsilmukasta, johon syötetään virtaa sekä silmukan yli lentävästä dronesta, joka vastaanottaa kallioperään indusoitunutta signaalia. Radai Oy jatkaa menetelmän kehittämistä omarahoitteisesti sekä tukiprojektien avulla.
Raportit ja tutkimusprojektit:
NEXT – New Exploration Technologies
Kaasumittaus
Radai Oy on kokeillut kaatopaikan kaasumittauksia (rikkivety, metaani ja hiilidioksidi) dronella. Mittausten haasteeksi osoittautui multikopterin propellien aiheuttama mittauspistettä tuulettava ilmavirta. Tästä johtuen dronen olisi pitänyt laskeutua ja pysäyttää propellit jokaisella mittauspisteellä ja odottaa hetki (20–30 sekuntia) kaasujen kertymistä mittauspisteeseen. Havainto oli, ettei dronesta ole tällaisessa maanpinnan tasolla tehtävässä mittauksessa erityistä hyötyä. Kaasujen mittaus dronella taas voi olla varteenotettava vaihtoehto toisenlaisissa ympäristöissä, esimerkiksi paikoissa, jonne on vaikeaa tai vaarallista päästä tai joissa tiedetään olevan vaarallisen korkeita kaasupitoisuuksia.
Näytteenotto
Vesinäytteenotto
EAKR DROMINÄ-projektissa tuotettiin uusia menetelmiä vesinäytteenottoon ja vedenlaadun mittaamiseen. Projektissa luotiin droneilla tehtävät näytteenottostrategiat eri ympäristöt huomioiden sekä kehitettiin alustaan sopiva näytteenotinprototyyppi.
Kevyellä ja hintaluokaltaan halvemmalla dronella (kantokyky 500 grammaa) kokeiltiin vedenlaadun mittausta yksianturimittarilla. Kevyt drone on herkkä tuulen vaikutukselle, mutta tyynellä tai lähes tyynellä ilmalla kevyt drone on aivan toimiva apuväline mittauksiin pienillä etäisyyksillä. Ammattikäyttöön tarkoitetussa dronepaketissa kopterin kantokyky oli 6 kg. Dronessa käytettiin moniparametrianturia, erilaisia sähkönjohtavuusantureita ja hankkeessa kehitettyä vesinäytteenotinta.
Antureiden ja näytteenottimen suurin käyttösyvyys on valmistajien määrittämä ja voi poiketa EAKR DROMINÄ-projektissa käytettyjen laitteiden paineenkestosta. Projektissa kehitetty näytteenotin on tuotteistettu Dorsens Oy:n toimesta.
EAKR DROMINÄ-projektissa drone-sovelluksen todettiin olevan usein huomattavasti nopeampi ja työturvallisuudeltaan parempi näytteenotto- ja mittausmenetelmä verrattuna perinteisiin menetelmiin.
Raportit ja tutkimusprojektit:
Dronet mittauksessa ja näytteenotossa – DROMINÄ
Muita dronetutkimuksia ja -projekteja
Maamassojen tilavuuksien mittaamiseen uusia menetelmiä – maan pinnalta ilmaan
Uusia mittausmenetelmiä ylijäämämaiden kiertotalouden tehostamiseen
Droonit tutkimuskäytössä -selvitys on tuotettu osana EAKR LeKaT-projektia.
