# Droonit luonnon vesistöjen ja altaiden pintavirtauksen mittaamisessa ja mallinnuksessa - Savonia-AMK

> Droonipohjainen PIV-menetelmä tarjoaa tehokkaan tavan mitata ja mallintaa vesistöjen pintavirtausta.

## Johdanto
Miehittämättömät ilma-alukset (UAV) tarjoavat vaihtoehdon vesistöjen virtausolosuhteiden tarkasteluun ilman kosketusta. Droonien avulla voidaan kerätä aineistoa nopeasti ja laajoilta alueilta, mikä täydentää perinteisiä pistemittauksiin perustuvia menetelmiä.

Kaukokartoituksen ja kuvapohjaisen virtausmittauksen kehittyminen on mahdollistanut uusia tapoja tarkastella jokien ja avouomien virtausominaisuuksia. Erityisesti *Large-Scale Particle Image Velocimetry* (LSPIV) -menetelmä on saanut kasvavaa huomiota hydrologisessa tutkimuksessa, koska sen avulla voidaan arvioida pintavirtausnopeuksia ilman kosketusta videokuvan perusteella.

Tässä artikkelissa droonien käyttöä on tarkasteltu erityisesti uomien pintavirtauksen analysoinnissa. Menetelmä perustuu videokuvan hyödyntämiseen ja *Particle Image Velocimetry* (PIV) -analyysiin. Artikkelissa esitelty työ on toteutettu Automaatio ja Tekoäly – Tiedoksi (AuToTIE) hankkeessa (EAKR / Pohjois-Savon liitto, A80154).

## PIV-menetelmän toimintaperiaate
Pintavirtausnopeudet määritettiin droonin kuvaaman videon perusteella PIV-menetelmällä. Menetelmä perustuu virtaavassa vedessä näkyvien piirteiden liikkeen analysointiin peräkkäisten kuvien välillä. PIV on alun perin kehitetty kokeellisessa virtausmekaniikassa laboratorio-olosuhteisiin, mutta sitä sovelletaan nykyään laajasti myös luonnonympäristöissä. Menetelmässä video jaetaan pieniin analyysialueisiin, joissa seurataan pintarakenteiden liikettä. Näin saadaan laskettua paikallisia nopeusvektoreita.

Droonilla kuvattuna menetelmä tuottaa kaksiulotteisen nopeuskentän, joka kuvaa sekä virtauksen suuruutta että suuntaa. Tämä mahdollistaa virtausilmiöiden, kuten pyörteiden ja virtausrakenteiden, tarkastelun tarkemmin kuin perinteiset pistemittaukset.

## Sovelluskohteet
Pintavirtauksen tarkastelu kohdentuu virtauskuvioihin: veden kulkureitteihin, viipymään ja jakautumiseen. Näitä tietoja voidaan hyödyntää useissa käytännön sovelluksissa:

*   **Hulevesijärjestelmät ja ojitukset:** Auttaa tunnistamaan oikovirtauksia, seisovan veden alueita ja eroosioriskiä.
*   **Vesien suojelu:** Kosteikoissa voidaan arvioida, jakautuuko virtaus suunnitellusti vai syntyykö oikovirtauksia ja hydraulisesti passiivisia alueita.
*   **Kaivosteollisuus:** Pintavirtausnopeus on keskeinen tekijä rikastushiekka-altaiden toiminnassa, vaikuttaen kiintoaineen laskeutumiseen, veden kiertoon ja rakenteiden stabiliteettiin.

## Hulevesirakenteiden mitoitus
Virtausnopeus on keskeinen suunnitteluparameetri, joka vaikuttaa eroosioon ja kiintoaineen kulkeutumiseen. Esimerkiksi:
*   **Kuntaliitto (2012):** Sallitut enimmäisnopeudet vaihtelevat maalajin mukaan (esim. siltti/savi 0,5 m/s, betoni 4 m/s).
*   **Metsäkeskus (2024):** Laskeutusaltaissa tavoitteena on tyypillisesti noin 0,12 m/s virtausnopeus kiintoaineen laskeutumisen varmistamiseksi.

## Menetelmän edut ja rajoitteet
Droonipohjainen mittaus on kevyt toteuttaa ja soveltuu moniin kohteisiin. Sen suurin etu on kyky tuottaa virtausnopeustietoa koko uoman leveydeltä samanaikaisesti.

Mittauksen luotettavuus riippuu kuitenkin olosuhteista:
*   Valaistus, heijastukset, tuuli ja pintarakenteiden näkyvyys vaikuttavat analyysiin.
*   Tarkkuuden varmistamiseksi menetelmää voidaan verrata kelluvien esineiden kulkuaikaan.

## Tulevaisuuden näkymät
Menetelmän kehitys on nopeaa. Tulevaisuudessa pintavirtauksen mittaus voi olla entistä automatisoidumpaa ja lähes reaaliaikaista. Lupaavia sovelluksia ovat jokikunnostusten suunnittelu, tulvatilanteiden arviointi sekä monianturimenetelmät, joissa virtaustieto yhdistetään esimerkiksi batymetriseen laserkeilaukseen.

## Kirjoittajat
*   **Teemu Räsänen**, lehtori, Savonia-ammattikorkeakoulu, ympäristötekniikka
*   **Asmo Jakorinne**, TKI-asiantuntija, Savonia-ammattikorkeakoulu, DigiCenter