Oulun ammattikorkeakoulu
ePooki 6/2020

Maamassojen tilavuuksien mittaamiseen uusia menetelmiä – maan pinnalta ilmaan

Metatiedot

Nimeke: Maamassojen tilavuuksien mittaamiseen uusia menetelmiä – maan pinnalta ilmaan

Tekijä: Pesonen Joonas; Järveläinen Titta; Käyhkö Virpi

Aihe, asiasanat: maa-aineksen otto, maa-aines, miehittämättömät ilma-alukset, mittaus, tilavuus, uusiokäyttö

Tiivistelmä: Ylijäämämaa-aineksia tulisi hyödyntää nykyistä paremmin uusiomateriaalina. Kiertotalouden toteutumisen edellytyksenä on tieto infrarakentamisessa muodostuvien maamassojen laadusta ja määrästä. Mitä tehokkaammin ja nopeammin maamassoista saadaan tietoa, sitä helpompaa on myös niiden luokittelu jatkokäyttöä varten.

Dronejen avulla maamassakassojen tilavuuksia pystytään arvioimaan entistä tehokkaammin. Dronekiinnitteisiä teknologioita on ollut kokeilussa useampia, mutta esimerkiksi RTK-droneilla tehdyistä kuvauksista on saatu hyviä tuloksia. Teknologian käyttö vaatii kuitenkin kehitystyötä ja laitteiston testausta eri olosuhteissa. Suomessa esimerkki talvella lumi ja valotusolosuhteet asettavat teknologian käytölle rajoja.

Dronella saatu data pystytään käsittelemään käyttökelpoiseen muotoon eri ohjelmien avulla ja täten teknologiaa voidaan hyödyntää hyvin erilaisissa olosuhteissa. Droneja voidaan käyttää esimerkiksi alueilla, joissa ihmisten ei ole turvallista liikkua.

Julkaisija: Oulun ammattikorkeakoulu, Oamk

Aikamääre: Julkaistu 2020-02-28

Pysyvä osoite: http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe202002074832

Kieli: suomi

Suhde: http://urn.fi/URN:ISSN:1798-2022, ePooki - Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut

Oikeudet: CC BY-NC-ND 4.0

Näin viittaat tähän julkaisuun

Pesonen, J., Järveläinen, T. & Käyhkö, V. 2020. Maamassojen tilavuuksien mittaamiseen uusia menetelmiä – maan pinnalta ilmaan. ePooki. Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut 6. Hakupäivä 22.10.2020. http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe202002074832.

Infrarakenteiden maarakentamisesta syntyy ylijäämämaa-ainesta. Ympäristön ja talouden kannalta olisi parasta, että maa-aineet saataisiin tehokkaasti määriteltyä uusiokäyttöä varten. Dronen avulla tapahtuva kuvantaminen tarjoaa mahdollisuuden määritellä maamassakasojen tilavuuksia entistä helpommin

Ylijäämämaita hyötykäyttöön tehokkaammin

Teiden, kaivantojen, pohjarakenteiden ja vastaavien infrarakenteiden maarakentamisessa syntyy vuosittain merkittäviä määriä ylijäämämaa-aineksia, joita voitaisiin hyödyntää uusiomateriaalina. Kiertotalouden toteutumisen edellytyksenä on tieto infrarakentamisessa muodostuvien maamassojen laadusta ja määrästä, jotta kohteita uusiokäytölle voitaisiin löytää mahdollisimman pian ilman ylimääräistä logistiikkaa ja ympäristövaikutuksia.

Oulun alueella syntyvistä ylijäämämaista käytetään uusiomateriaalina vain alle 30 %. Vuosittain jopa 400 tm3 maa-aineksia ajetaan maanläjitysalueille (kuva 1) loppusijoitettavaksi. Tavoitteena on, että vain maarakentamiseen kelpaamaton aines kuljetettaisiin läjitysalueille ja hyötykäyttöön soveltuvat maamassat ohjautuisivat toisiin lähellä alkaviin maanrakennushankkeisiin tai ennalta varattuihin ja suunniteltuihin maisemointi-, melunsuojaus-, ulkoilualue- ja puistorakentamiskohteisiin sekä aluerakentamisen ja pehmeikköalueiden täyttökohteisiin. Sito Oy. 2017. Oulun Massapörssi -esiselvitys. Maanrakennushankkeiden maa-ainesten ja uusiomateriaalien käytön hallinnan kehittäminen. Oulun kaupunki, Ympäristö- ja yhdyskuntapalvelut. Oulussa nykyisellä rakentamisen volyymillä kaupungin ja yksityisten ylijäämämaiden läjitysalueet täyttyvät 10 vuoden kuluessa ja niiden ympäristöluvat umpeutuvat. Haasteena on löytää ja luvittaa uusia sopivia paikkoja läjitykseen. Siikaluoma, T. 2017. Resurssiviisasta infrastruktuuria. Kuntatekniikka-lehti 8.

Kuvassa Kaakkurin liikuntamaan läjitysalue

KUVA 1. Oulussa ylijäämämaiden vastaanottopaikkana toimii Kaakkurin liikuntamaan läjitysalue (kuva: Virpi Käyhkö)

Oulun ammattikorkeakoulu (Oamk) on osatoteuttajana 6Aika CircVol-hankkeessa, jonka keskeisenä tavoitteena on tukea kaupunkeja energian ja neitseellisten maamassojen säästämisessä, hiilineutraalien tavoitteiden saavuttamisessa ja siirtymissä kohti kestävää kehitystä. Maamassojen kierrätystä kaupungeissa kehitetään muun muassa testaamalla hyperspektrikuvantamiseen perustuvien mittausmenetelmien soveltuvuutta maamassoissa olevien haitta-aineiden tunnistamiseksi yhteistyössä Oulun kaupungin ja Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) kanssa. Lisäksi tavoitteena on selvittää maamassojen tilavuuksien määrittämiseksi mittausmenetelmää, joka mahdollistaisi nopean ja tarkan mittauksen maastossa logistiikan optimoimiseksi. 

Droneilla tehokkuutta

Dronejen (kuvat 2 ja 3) avulla maamassoja voidaan mitata vähemmällä työmäärällä ja työvoimalla vähintään samantasoisella tarkkuudella kuin nykyisillä tilavuuteen arviointiin käytettävillä metodeilla. Droneja voidaan käyttää alueella, jotka voivat olla ihmisille vaarallisia tai joille on hankala päästä. Miljković, S., Kuburić., M., Ogrizović, V., Delčev, S., Gučević, J. 2017. Application of unmanned aerial vechiles in determining the cubic contents of material. Contemporary achievements in civil engineering 21. Erityisen hyvin dronet sopivat laajojen alueiden kartoitukseen. Suuremmilla alueilla myös tarvittavan työmäärän väheneminen korostuu. Draeyer, B. & Strecha, C. 2014. White paper: How accurate are UAV surveying methods? Pix4D white paper. Barry, R. & Coakley, R. 2013. Accuracy of UAV photogrammetry compared with network RTK GPS. Baseline surveys Ltd. Dronen avulla alueesta saadaan ortokuva, jota voidaan käyttää dokumentoimiseen tai alueen havainnollistamiseen Draeyer, B. & Strecha, C. 2014. White paper: How accurate are UAV surveying methods? Pix4D white paper..

Kuvassa Dronen kalibrointi ennen lentoa

KUVA 2. Dronen kalibrointi ennen lentoa (kuva: Titta Järveläinen)

Kuvassa DJI Phantom 4 RTK drone

KUVA 3. DJI Phantom 4 RTK ilmassa (kuva: Titta Järveläinen)

Eri menetelmistä saatuja tuloksia on tärkeää verrata toisiinsa. Dronen avulla saadun datan on varmistettu olevan yhtä tarkkaa kuin perinteisemmillä keinoilla tuotetun datan. Toisin sanoen menetelmien tulosten tarkkuudet ovat lähellä toisiaan. Esimerkiksi vuonna 2014 tehdyssä selvityksessä verrattiin dronekartoitusta lidar-laserskannaukseen ja satelliittipaikannukseen. Erot olivat tässä kartoituksessa eri menetelmien välillä maksimissaan 3 %. Draeyer, B. & Strecha, C. 2014. White paper: How accurate are UAV surveying methods? Pix4D white paper.

Dronekuvauksessa tulosten tarkkuuteen voivat vaikuttaa kuvaushetkellä vallitsevat olosuhteet. Esimerkiksi valon olisi tärkeää olla mahdollisimman tasaista, mutta ei liian kirkasta. Mitattavalle kohteelle ei myöskään tulisi muodostua vahvoja varjoja. Lisäksi vesi, kuten lätäköt tai järven pinta voivat heijastaa valoa. Tasaiset vesialueet, kuten lammikot, voidaan kuitenkin korjata mallinnettaessa. Suomen oloissa myös lumi on otettava huomioon, koska tasainen valkoinen lumipeite vaikeuttaa eri muotojen havaitsemisen kuvista. Pesonen, J.  2020. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittäminen RTK-dronekuvausta käyttäen. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Hakupäivä 21.1.2019. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202001081096 Lisäksi kasan muodolla on vaikutusta arvion luotettavuuteen. Paksummat kasat eivät ole niin herkkiä kasan pinnassa oleville epätasaisuuksille kuin ohuen kasat. Dronekuvantamisen tarkkuutta voidaan parantaa käyttämällä laadukkaita kameroita ja tiputtamalla lentokorkeutta mahdollisimman matalaksi. Draeyer, B. & Strecha, C. 2014. White paper: How accurate are UAV surveying methods? Pix4D white paper.

Droneja pystytään käyttämään myös lukuisissa muissa sovelluksissa. Maamassan tilavuus dronen tuottaman datan perusteella voidaan laskea käyttäen apuna fotogrammetriaa Miljković, S., Kuburić., M., Ogrizović, V., Delčev, S., Gučević, J. 2017. Application of unmanned aerial vechiles in determining the cubic contents of material. Contemporary achievements in civil engineering 21.. Muita hyödyllisiä sovelluksia ovat esimerkiksi hitaiden maavyörymien liikkeiden seuranta. Dronen ottamia kuvia voidaan käsitellä fotogrammetrian keinoin ja saada aikaan digitaalinen ortokuva, josta voidaan laskea maan valuminen. Peterman, V. 2015. Landslide activity monitoring with the help of unmanned aerial vechile. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XL-1/W4.

Erilaisissa kartoitus, suunnittelu ja kiinteistörekisteröintitehtävissä on laajoja alueita kartoitettu RTK GPS:n avulla. Droneilla suoritettu fotogrammetrian tarkkuuden pitäisi kuitenkin olla samalla tasolla. Dronejen avulla saatu data on laadukkaampaa, sillä tehdyistä kuvista voidaan laatia ortokuvia, joiden avulla saadaan alueesta lintuperspektiivikuva. Barry, R. & Coakley, R. 2013. Accuracy of UAV photogrammetry compared with network RTK GPS. Baseline surveys Ltd.

Maamassojen tilavuuksien laskeminen – case maa-ainesten ottoalue

Oamkilla toteutetussa opinnäytetyössä Pesonen, J.  2020. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittäminen RTK-dronekuvausta käyttäen. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Hakupäivä 21.1.2019. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202001081096 selvitettiin mahdollisuuksia maamassojen tilavuuksien mittaamiseen dronen avulla ilmasta kerättyjen kuvaus- ja mittausaineistojen pohjalta. Työn tavoitteena oli selvittää RTK-dronen ja perinteisen dronen tarkkuuksien eroa maamassoja mitatessa. Työssä kuvattiin kehitetty kuvaus- ja mittausaineiston käsittelymenetelmä ilmakuvauksesta ja siihen käytetyistä laitteista datan käsittelyprosessiin siten, että käsittelymenetelmää voidaan toistaa ja jatkokehittää. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittämisen pohjaksi dronella tehdyt kuvausaineistot toteutti Ramboll, joka toimi opinnäytetyössä myös toimeksiantajana.

Koealueena toimi Savon Kuljetusten maa-ainesten ottoalue Kuopiossa. Aluksi alueelle määriteltiin 22 ohjauspistettä (kuva 4). Ohjauspisteet ovat maahan merkittyjä pisteitä, joiden tarkka sijainti on määritelty takymetrillä. Ohjauspisteiden avulla korjataan mallintaessa erilaisia vääristymiä ja lisätään mallin tarkkuutta. Datan saamiseksi lennot suoritettiin kahdella eri dronella. Toinen drone käytti RTK-tekniikkaa, jonka avulla dronen kameran tarkka sijainti tiedettiin joka kuvassa. Pesonen, J.  2020. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittäminen RTK-dronekuvausta käyttäen. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Hakupäivä 21.1.2019. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202001081096

Kuvassa maamassakasa ja siihen merkityt pisteet

KUVA 4. Tiheä pistepilvi Pesonen, J.  2020. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittäminen RTK-dronekuvausta käyttäen. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Hakupäivä 21.1.2019. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202001081096

Dronejen avulla otetuista kuvista voidaan laskea tilavuuksia (taulukko 1) eri tavoin. Valittuihin ohjelmiin vaikuttaa esimerkiksi lisenssit ja dronen tuottaman datan muoto. Pesosen Pesonen, J.  2020. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittäminen RTK-dronekuvausta käyttäen. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Hakupäivä 21.1.2019. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202001081096 selvityksessä datasta luotiin pistepilvi Agisoft Metashape professional -ohjelmalla. Autodesk Recap -ohjelmalla pistepilvestä pystyttiin rajaamaan maamassakasa, jonka tilavuus laskettiin. Rajauksessa täytyi käyttää erityistä huolellisuutta, jotta kahden eri datan tiedot olisivat vertailukelpoisia keskenään. Varsinaisen tilavuuden laskeminen tehtiin Civil 3D -ohjelmalla. 

TAULUKKO 1. Maamassojen tilavuudet käytetyn dronen mukaan Pesonen, J.  2020. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittäminen RTK-dronekuvausta käyttäen. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Hakupäivä 21.1.2019. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202001081096

Drone Maamassakasa m3
DJI Phantom 4 Pro 1 8 187,68
2 5 690,71
3 5 468,90

DJI Phantom 4 RTK

(RTK-drone)

1 10 139,09
2 7 029,94
3 6 795,63

Tulokseksi kaikissa kolmessa mitatussa maamassakasassa saatiin 19 %:n ero (taulukko 2). RTK-dronella mitatut tulokset olivat kaikissa kasoissa suuremmat. Todennäköisesti suuret erot johtuvat siitä, että RTK-dronella oli enemmän tiedettyjä pisteitä. Lisäksi erot olisivat voineet olla pienemmät, jos massakasojen päällä olisi ollut ohjauspiste. Pesonen, J.  2020. Maamassojen tilavuuksien mittausmenetelmän kehittäminen RTK-dronekuvausta käyttäen. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Hakupäivä 21.1.2019. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202001081096

TAULUKKO 2. Tilavuuksien erot kuutiometreissä ja prosenteissa

Maamassakasa Ero kuutiometreissä (m3) Ero prosenteissa (%)
Maamassakasa 1 1 956,41 19,25
Maamassakasa 2 1 339,23 19,05
Maamassakasa 3 1 326,73 19,52

Tekniikan kehitys luo uusia mahdollisuuksia

Dronejen potentiaalin ja mahdollisuuksien kartoittamiseen tarvitaan vielä lisää tutkimusta. Drone itse tarjoaa alustan uusille tekniikoille. Teknologian kehittyessä myös laitteistojen hinnat laskevat ja tekniikan käyttö helpottuu. Laitteiston kehittyessä tekniikka voidaan ottaa entistä monipuolisempaan käyttöön. Kehittyvä mittaustekniikka tarjoaa ja myös vaatii mahdollisuuden ohjelmakehitykseen, jotta dronejen avulla saatu data saadaan käsiteltyä käytettävään muotoon. 

Tiedon lisääntyessä pystytään arvioimaan soveltavuutta myös uusille aloille. Yksi esimerkki siitä on maamassakasojen tilavuuksien arviointi dronejen avulla. Kuvauksia voidaan tehdä paitsi perinteisillä droneilla, mutta kehittää järjestelmää eteenpäin teknologian avulla. RTK-dronen avulla tilavuuksien arviointia voidaan kehittää entistä joustavampaan suuntaan. Lisää koelentoja ja laskentaa tarvitaan, jotta järjestelmän luotettavuutta ja käytettävyyttä pystytään arvioimaan.

Lähteet

    Kommentit

    blog comments powered by Disqus