Pintavirtauksen mittaaminen ilmasta käsin

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 mahdollistaa virtauskuvan muodostamisen

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. Kuvassa 1 on esimerkki luonnon uomasta, jossa uoman pintavirtausnopeus on esitetty keltaisesta siniseen muuttuvana värikarttana ja virtaussuunnat näkyvät mustilla nuolilla.

Kuva 1. Esimerkki droonipohjaisen pintavirtausnopeuden analyysin tuloksesta luonnonuomassa. Pintavirtausnopeus vaihtelee uoman eri osissa ja on suurimmillaan keltaisissa kohdissa ja pienimmillään tumman sinisissä sijainneissa. Virtaussuunnat on esitetty mustilla nuolilla, vaihtelua on paljon johtuen uoman pohjan muodoista ja luonnollisista virtausesteistä.

PIV-menetelmässä veden pinnalla näkyvien piirteiden liikettä seurataan peräkkäisissä kuvissa. Liikkeen perusteella lasketaan paikallisia virtausnopeuksia ja -suuntia. Droonilla kuvattu aineisto mahdollistaa kaksiulotteisen virtauskentän muodostamisen. Menetelmä tuo esiin virtausilmiöitä, kuten pyörteitä, nopeuseroja ja oikovirtauksia, joita ei havaita yksittäisillä mittauksilla.

Pintavirtausnopeuden mittaaminen riittää moniin tarkasteluihin ja sovelluksiin

Pintavirtauksen tarkastelu kohdentuu virtauskuvioihin: veden kulkureitteihin, viipymään ja jakautumiseen. Näitä tietoja voidaan hyödyntää useissa käytännön sovelluksissa ilman täydellistä virtaaman määritystä. Virtaaman määrittäminen edellyttää tietoa uoman pohjan muodosta ja syvyydestä. Monissa kohteissa tätä tietoa ei ole saatavilla.

Pintavirtaus vaikuttaa useiden erilaisten järjestelmien toimintaan. Hulevesijärjestelmissä ja peltoviljelyn ojituksissa virtauskuvioiden tarkastelu auttaa tunnistamaan oikovirtauksia, seisovan veden alueita ja eroosioriskiä. Samalla voidaan arvioida, kuinka vesi ohjautuu suunniteltuja reittejä pitkin.

Vesien suojeluun rakennetuissa kosteikoissa virtausta hidastetaan rakenteilla ja uoman muotoilulla, jotta kiintoaine sekä siihen sitoutuneet epäpuhtaudet laskeutuvat pohjalle tai sitoutuvat kasvillisuuteen. Pintavirtauksen mittaus mahdollistaa tarkastelun, jakautuuko virtaus suunnitellusti vai syntyykö oikovirtauksia ja hydraulisesti passiivisia alueita. Tietoa voidaan hyödyntää rakenteiden toimivuuden arvioinnissa ja kehittämisessä.

Kaivosteollisuudessa pintavirtausnopeus on keskeinen tekijä rikastushiekka-altaiden toiminnassa. Virtaus vaikuttaa kiintoaineen laskeutumiseen, veden kiertoon sekä epäpuhtauksien kulkeutumiseen. Lisäksi virtausolosuhteet liittyvät eroosioon ja rakenteiden stabiliteettiin. Altaiden ollessa pinta-alaltaan isoja droonipohjainen menetelmä antaisi mahdollisuuden tarkastella kokonaisuutta ihan uudella tavalla.

Hulevesirakenteiden mitoituksessa virtausnopeus on keskeinen suunnitteluparameetri, koska se vaikuttaa suoraan eroosioon, kiintoaineen kulkeutumiseen ja rakenteiden toimivuuteen. Esimerkiksi Kuntaliiton (2012) ohjeistuksen mukaisesti uomien sallitut enimmäisnopeudet vaihtelevat maalajin mukaan: siltti- ja savimailla noin 0,5 m/s, karkealla soralla noin 0,8 m/s, nurmipinnoilla noin 1,8 m/s ja betonirakenteissa jopa noin 4 m/s. Metsäkeskus (2024) puolestaan ohjeistaa että laskeutusaltaissa tavoitteena on huomattavasti pienempi virtausnopeus, tyypillisesti noin 0,12 m/s, jotta kiintoaine ehtii laskeutua. Virtausnopeuden lisäksi myös pintavirtauksen suunta vaikuttaa oleellisesti rakenteiden hydrauliseen toimivuuteen, erityisesti viivytys- ja käsittelyrakenteissa, joissa oikovirtaukset voivat heikentää puhdistustehokkuutta.

Kuvissa 2-4 on esitetty esimerkki pintavirtauksen mittaamisesta hulevesien käsittelyyn soveltuvassa laskeutusaltaan tapaisessa kohteessa. Droonipohjaisella mittauksella voidaan selvittää esimerkiksi halutun uoman poikkileikkauksen pintavirtausnopeudet. Kuvaukseen tarvitaan vain drooni ja jokin tunnettu pituusmitta kuvattavan kohteen äärellä niin että se on mukana videossa.

Kuva 2. Hitaasti virtaava hulevesiuoma uudella asuinalueella. Pintavirtaama määritettiin poikkileikkaukselle A ja B, näiden leveydet ovat 2,4 m ja 5,8 m.

Kuva 3. Pintavirtausnopeudet koko uoman alueella, virtausnopeudet vaihtelivat välillä 0-0,6 m/s. Virtaussuunnat ovat kuvattu mustilla nuolilla.

Kuva 4. Kuvissa on esitetty pintavirtausnopeuden vaihtelu uoman poikkileikkauksen leveydellä. Punainen viiva osoittaa Metsäkeskuksen suosituksen laskeutusaltaiden suurimmaksi virtausnopeudeksi (0,12 m/s).

Menetelmän tulokset osoittivat että sen avulla voidaan arvioida niin kohtuullisen pieniä virtausnopeuksia kuin isompien jokienkin suuria virtausnopeuksia. Kuvasta 3 nähdään että menetelmän avulla voidaan tuottaa aiemmin hankalasti saatavilla olevaa virtausnopeustietoa koko uoman leveydeltä samalla kertaa. Tämä on ehdottomasti menetelmän suurimpia etuja.

Menetelmän sovellettavuus ja rajoitteet

Droonipohjainen mittaus on kevyt toteuttaa ja soveltuu moniin kohteisiin. Mittauksen luotettavuus riippuu kuitenkin olosuhteista. Valaistus, heijastukset, tuuli ja pintarakenteiden näkyvyys vaikuttavat analyysiin ja ne tulee huomioida datan analysoinnissa. AutoTie-hankkeen puitteissa menetelmää testattiin sekä laboratorio-olosuhteisiin rakennetussa virtaama-altaassa, johon saatiin asetettua tunnettu virtaama ja halutunlaiset virtaamaesteet että useissa eri kokoisissa luonnonuomissa. Luonnonuomien osalta pintavirtausnopeuden oikeellisuutta testattiin yksinkertaisesti kelluvien esineiden avulla, joiden etenemistä seurattiin tietyn matkan kulkuajan perusteella. Tosin tällä tavalla saadaan tietoon vain pintavirtausnopeus vain yhdestä kohdasta uoman poikkileikkausta.

Droonipohjainen PIV-menetelmä soveltuu pintavirtauksen tarkasteluun, kun tavoitteena on kuvata virtauskuvioita ja niiden vaihtelua alueellisesti. Menetelmä täydentää perinteisiä virtaamamittauksia erityisesti kohteissa, joissa tarvitaan kokonaiskuvaa virtausolosuhteista.

Kohti reaaliaikaista vesistöjen seurantaa

Menetelmän kehitys on kuitenkin nopeaa. Droonien, kuvankäsittelyn ja sensoriteknologian kehittyessä pintavirtauksen mittaus voi tulevaisuudessa olla entistä automatisoidumpaa ja jopa lähes reaaliaikaista.

Erityisen lupaavia sovelluksia ovat esimerkiksi jokikunnostusten suunnittelu, tulvatilanteiden nopea arviointi sekä monianturimenetelmät, joissa virtaustieto yhdistetään esimerkiksi laserkeilaukseen ja vedenlaadun mittauksiin. Jokien ja uomien batymetrisen laserkeilauksen avulla voidaan mallintaa uoman pohjanmuodot. Mikäli samalla droonilla voitaisiin toteuttaa myös PIV-menetelmään perustuva virtausnopeuden mittaus, olisi mahdollista kehittää erittäin tehokas menetelmä virtaaman arviointiin.

AuToTie-hankkeen tulokset osoittavat, että droonipohjainen PIV tarjoaa mittauksellisesti helpon ja tehokkaan keinon tarkastella virtausta alueellisesti. Sen vahvuus ei ole perinteisen virtaamamittauksen korvaaminen, vaan uuden näkökulman tuominen mittaamiseen ja täysin uusien sovellusten luominen. Kun kiinnostuksen kohteena ovat virtauskuviot, suhteelliset erot ja ilmiöiden paikallinen käyttäytyminen, menetelmä tarjoaa yllättävän paljon tietoa jo nyt – nopeasti ja joustavasti.

---

Kirjoittajat

Teemu Räsänen, lehtori, Savonia-ammattikorkeakoulu, ympäristötekniikka

Asmo Jakorinne, TKI-asiantuntija, Savonia-ammattikorkeakoulu, DigiCenter