Maatutka-drone -palvelukokonaisuus energiaturvetutkimuksessa

Geologian tutkimuskeskuksen ja Vapo Oy:n välillä on ollut pitkä asiakassuhde turvetuotantokenttien tutkimuksessa. Viimeisten 20 vuoden aikana on maatutkaluodattu 40 metrin linjavälillä noin 400 turvetuotantokenttää yhteispinta-alaltaan noin 45 000 hehtaaria. Se vastaa noin 10 000 kilometrin verran maatutkalinjaa ja noin 3,9 miljoonaa kairauspistettä vastaavaa tutkatulkintapistettä.

Nykyinen maatutkakalusto käsittää SIR-4000 -maatutkayksikön GSSI:n 100MHz:n ja 200 MHz -antenneineen, Trimblen VRS-Gps -kaluston (R10/T10) ja Polaris 900 RZR-mönkijän oheislaitteineen (kuva 1). Turvetuotantoalueille tulee niiden elinkaaren aikana useampaankin kertaan tutkimustietojen päivitystarvetta, ja kenttiä onkin luodattu uudestaan tietojen ajantasalle saattamiseksi.

Tutkimustuloksia hyödynnetään tuotantokenttien kunnostussuunnitelmissa, ympäristöluvituksissa, massamäärien laskennassa ja tuotannonsuunnittelussa. Energiapoliittisessa keskustelussa turpeen käyttöä kaukolämmön ja sähkön tuotantoon halutaan rajoittaa tai lopettaa. Sen käyttö tullee kuitenkin jatkumaan, kunnes korvaava raaka-aine löydetään ja sille soveltuvaa kattilatekniikkaa saadaan päivitettyä nykyisiin voimalaitoksiin.

Kuva 1. Maatutka-, paikannus- ja mönkijäkalusto 2019 sekä VTOL WingtraOne PPK.

Turvetuotantokentillä turvetta tuotetaan enimmilllään noin 15 senttimetrin paksuudelta vuosittain, joskin paljolti riippuu muun muassa kentän kuivatusolosuhteista, kuinka tuotanto lohkoilla etenee. Tämän vuoksi kentän pinta ei alene samalla tavalla koko tuotantokentän alueella.

Kun tutkimustuloksille tulee päivitystarvetta, niin ratkaisevassa asemassa on tuotantokentän pinnan taso ja sen alenema. Pohjan topografia, mahdolliset liejukerrokset ja pohjamaalajien tyyppitiedot ovat muuttumattomia. Näitä asioita ei tarvitse enää uudestaan tutkia maatutkalla, mikäli nykyhetken kentän pinnan korkeusasema saadaan määritettyä tarkasti.

Nykyaikaisella droneen integroidulla fotogrammetriaan perustuvalla kuvaustekniikalla on mahdollista saada ortomosaiikista mittatarkka 3D-pistepilvi, ortokuva ja digitaalinen maastomalli. Maastomalli kertoo tuotantokentän nykyisen pinnantason senttimetrien tarkkuudella. Kun aikaisemmin maatutkalla tulkittu pohjantaso on tiedossa, tulee tutkimustiedon päivittämisestä helpompaa ja kustannustehokasta. Tutkimustietojen päivittämisen jälkeen saadaan tieto kentän jäljellä olevista turvevaroista, ja se kuinka tehokkaasti turvetta on tuotettu kentän ja lohkojen eri osista (kuva 2). Kaiken perusta menetelmässä on aikaisempi maatutkaluotaustulkinta, jota on siis GTK:n arkistoissa noin 10 000 kilometriä. Ilman vanhoja maatutkatulkintoja mitatulla pintamallilla ei olisi arvoa.

Kuva 2. Turvekerrostuman paksuus ja pohjamaalajit vuoden 2009 maatutkaluotauksen jälkeen sekä dronepäivityksen jälkeinen ortokuvan taustalla sisältävä turpeen paksuus- ja pinnan alenemakartta vuodelta 2019.

Maatutkaluotauksien koodatuissa tulkinnoissa, jotka liitetään asiakkaan tietokantaan sekä karttatulosteiden visuaalisessa ilmeessä, on pyritty vuosien saatossa mahdollisimman yhtenäiseen ja vakioituun luokitteluun ja ulkoasuun. Näin suunnittelijat toimistolla tai urakoitsijat kentällä saavat tietokannasta ja tulosteista heti käsityksen kentän tilasta.

Maatutkatulosten päivittäminen alkaa aikanaan yhteen kootun tulkintapaketin korkeus- ja koordinaatistojärjestelmän muuntamisella nykyään käytössä oleviin uudempiin järjestelmiin. Tämän jälkeen vanha tuotantokenttäkohtainen tulkintatiedosto istutetaan uuteen korkeusmalliin ja lasketaan päivitetyt tulokset turvekerroksen paksuudesta ja pinnan alenemasta kentän eri alueilla.

Malliin istutetuista tulkintapisteistä on tämän jälkeen tarkasteltava niiden sijainti. Esimerkiksi ojien ruoppausmassoihin, massansiirtosarkojen tai aumojen kohdalle sijoittuneet pisteet antavat turpeen pinnan alenemasta negatiivisia arvoja, kun turvepinta on näennäisesti noussut edellisestä mittauksesta. Tuotannosta poistuneille vesakoituneille alueille ja esimerkiksi karheen kohdalle sijoittuvat pisteet on poistettava, koska niissä kohdin korkeusmalli ei edusta nykyistä maanpinnan tasoa. Turvepaksuuden ja pinnan aleneman lisäksi lentoalueelta valmistuu myös ajan tasalla oleva kentän pinnanviettokartta.

Kesällä 2018 aloitettiin tutkatulosten fotogrammentriaan perustuva päivittämistestaus. Heti ensimmäisten testien jälkeen huomattiin, että tukipisteisiin geokoodattujen lentomittausten tekeminen on usean sadan hehtaarien turvekentillä hyvin aikaaviepää. Suhteellisen nuori jälkilaskentadataan perustuva post prosessing kinematic- menetelmä (PPK) oli ratkaisu tähän ongelmaan. Menetelmä mahdollistaa kuvien tarkan geotaggauksen ilman maahan merkittyjä sidontapisteitä. Rinex-jälkilaskentatiedostot PPK-menetelmään on mahdollista saada oman tukiaseman mittaamalla datalla tai käyttää Geotrimin VRS-laskentakeskuksen keräämää jälkilaskentadataa. Geotrimin jälkilaskentapalvelu on toimiva ratkaisu tähän, ja se on myöskin GTK:n käytössä.

Syksyllä 2018 vuokrattiin GeoDrone PPK X4L-multikopteri, jolla mitattiin 1600 hehtaaria turvetuotantokenttiä. Drone toimi periaatteessa moitteettomasti, mutta sen suorituskyky jätti toivomisen varaa. Suorituskyvyllä tarkoitetaan tässä lentoajan pituutta ja lentonopeutta. GeoDrone pystyi tekemään noin 30-40 hehtaarin kokoisia lentoja 6 m/s nopeudella, joten esimerkiksi 400 hehtaarin kokoisella kentällä lentoja tuli kymmenen kappaletta. Tämä lisäsi kustannuksia niin maastossa kuin toimistolla. Ratkaisu suorituskykyongelmaan löytyi markkinoilla melko uusista VTOL-PPK -droneista.

VTOL-drone -markkinakartoituksen ja vertailun perusteella päädyttiin sveitsiläiseen WingtraOne:n. VTOL (vertical take off and landing) drone nousee ja laskeutuu pystysuoraan, joten sen operointi onnistuu pieneltä alueelta. Laitteelle määritellään niin sanottu transition korkeus, jossa laite vaihtaa pystysuoran nousun vaakalentoasentoon ja suuntaa hakemaan kehämäisesti korkeutta sille lentosuunnitelmassa osoitetulle alueelle. WingtraOne:n 16 m/s lentonopeudella onnistuu vajaan 100 hehtaarin lentoalue noin 25 minuutin aikana. Lentosuunnitelma tehdään paikanpäällä WingtraPilot-ohjelmalla.

Suurin sallittu lentokorkeus Suomessa on 150 metriä, joten SonyRX1RXII 42 MP kameralla ja 70 % pituuden ja leveyden kuvien limityksellä saadaan aineistoa maksimikorkeudelta 1,9 cm pixelikoolla. Toimistolla aineiston käsittelyssä jokainen pikseli osallistuu vektorilaskentaan viidessä eri kuvassa, eli korkeusmallin tekeminen vaati tehokasta prosessointikapasiteettia tietokoneelta Pix4D-ohjelmalla. Tämä laskentavaihe tehdään paikkatietosuunnittelija Mika Larronmaan toimesta GEH-yksikön laitteistolla.

Dronea lennätettäessä on sen lain mukaan oltava ohjaajan näkyvillä, ja tehdas on oletusarvoisesti asettanut 1200 metrin geofencen tälle 125 senttimetrin siipien kärkivälin omaavalle laitteelle. Saatua korkeusmallin laatua on seurattu lähes jokaiselta lentoalueelta tarkkuus-gps:llä mitatuilla tarkistuspisteillä. 70 tarkistuspisteen ja korkeusmallin erot ovat olleet valtaosin 3-6 senttimetriä suurimman eron ollessa 12 senttimetriä. Tähän syynä oli heikohko satelliittigeometria. Tulos on erinomanen suhteutettuna siihen, että kesällä 2019 on Wingtralla tehty noin 50 lentoa ja laite on ollut taivaalla yli 1000 kilometriä.

Maatutkaluotaus ja dronella suoritettava maatutkaluotausten päivitysmittaus on erittäin toimiva yhdistelmä energiaturvetutkimuksissa. Tarkan ja kustannustehokkaan menetelmän lisäksi molemmat tukevat toistensa kausiluonteisuutta. Keskikesän tuotantokaudella on monesti kentälle meno mönkijän kanssa mahdotonta tulipaloriskin vuoksi, jolloin taas on hyvä aika suorittaa lentomittauksia. Syyssateilla ja talvella lentäminen on mahdotonta, jolloin taas tutkaukselle on parhaat paloturvalliset ja pölyttömät olosuhteet.

Kuluvana vuonna WingtraOne:n päivitysmittaukset turvetuotantokentillä vähentävät 1700 kilometrin maatutkalutausten pituutta hieman yli 1000 kilometriä. Se merkitsee huomattavaa työmäärän säästymistä ja asiakkaalle pienentyneitä mittauskustannuksia.

Vaikka WingtraOne:n hankintaperuste oli laitteiston ja oheisohjelmistojen korkean laadun lisäksi ennen kaikkea sen tehokkuus isojen pinta-alojen fotogrammetriseen mittaukseen, on laittestoa helppo suositella hyödynnettäväksi muissakin pienempi alaisissa geologisissa mittauksissa. Esimerkiksi hiljattain Wingtralla tehtiin rakennuskivilouhosten sivukivikasojen ja louhoslaueen mittauksia ympäristöluvituksen vaatimaan tuotannon seurantaan. Ja mikäli tarvetta ilmenee on Wingtraan saatavissa myös Micasence RedEgge-MX –multispektrikamera esimerkiksi ympäritötutkimuksiin.

Ohessa vielä työn lomassa kuvattua hieman epävakaata kännykkävideota. Linkki videoon.

Pölyisin turveterveisin,
Heikki Sutinen, geologi