Droonit siviilien käytössä

Tutkimusprofessori Eija Honkavaara johtaa Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen drooneihin keskittyvää parinkymmenen hengen tutkimusryhmää. Ensimmäinen drooni saatiin laitokselle vuonna 2008, ja siitä alkaen käytössä on ollut jo useampi teknologiasukupolvi.

Ilmakuvausta on hyödynnetty maanmittauksessa ja kartoituksessa jo 1930-luvulta lähtien, mutta droonit ovat avanneet siinä aivan uusia mahdollisuuksia. Paikkatietokeskus on ollut yksi alan pioneereista droonien käytössä. Honkavaara kertoo käyttäneensä drooni-sanaa ensimmäistä kertaa jo vuonna 2005. 

– Droonit mielletään helposti ainoastaan sähköllä käyviksi moniroottorikoptereiksi, mutta se voi myös olla iso lentokoneen tai ilmalaivan tyyppinen laite. Droonin takana on sitä ohjaava ja sen havaintoja vastaanottava ja käsittelevä tietojärjestelmä.

Kaikki alkoi ilmakuvauksesta

Paikkatietokeskus käyttää drooneja kaukokartoitukseen ja tutkii niiden käyttöä muihinkin tarkoituksiin.

– Ensimmäiset droonimme ostettiin talon ulkopuolelta, eivätkä ne olleet kovin käyttäjäystävällisiä eikä niihin oikeastaan vielä ollut sensoreitakaan kyytiin laitettavaksi. Hyötykuormakin oli vain 200 grammaa. Meillä lähdettiin sen vuoksi nopeasti rakentamaan omia laitteita, joiden lentoajat olivat pitempiä ja joilla pystyi muutenkin tekemään asioita joustavammin, Honkavaara muistelee. 

– Vuodesta 2010 vuoteen 2015 käytimme pääosin itse rakennettuja drooneja, kunnes kaupallisten valmistajien drooneista tuli niin käyttäjäystävällisiä, että sellaisia ei enää kannattanut rakentaa itse.

Koko muukin järjestelmä kehittyy

Akku- ja sensoriteknologian rinnalla ovat kehittyneet myös lennonohjausjärjestelmät, käyttöliittymät ja muu tuotteistaminen. Valmiita autopilottijärjestelmiä on hyödynnetty alusta alkaen. 

– Toiminta-ajan, hyötykuorman ja akkukapasiteetin ohella droonien käyttöä on määrittänyt vahvasti lainsäädäntö, joka lähtökohtaisesti edellyttää droonin lennättämistä näköyhteydellä. Tämä vaatii paljon henkilöresursseja ja on muutenkin hankalaa. Jos esimerkiksi lennätys aloitetaan metsän keskeltä, puusto blokkaa helposti näköyhteyden – ja toki usein myös radioyhteyden – lentolaitteeseen, Honkavaara selittää.

Maataloudessa tutkitaan droonien käyttöä muun muassa vierasviljojen tunnistukseen gluteenittoman kaurantuotannon kasvustoista sekä hukkakauran etsintään.

– Teknologia on kuitenkin kehittynyt nopeasti. Radioyhteyden haasteita voidaan ratkaista esimerkiksi hyödyntämällä mobiiliverkkoja droonien ohjaukseen. Akkuteknologian kehittymisen myötä lentoajat ovat pidentyneet ja sensoritkin kehittyneet todella hyviksi ja tehokkaiksi.

Viranomaiset ovat myös vähitellen helpottaneet näköyhteyden ulkopuolella tapahtuvaa droonitoimintaa. Nykyisin on esimerkiksi mahdollista varata määräajaksi ilmatila näkökentän ulkopuolella tapahtuvalle droonitoiminnalle. 

– Droonien käytön lisäännyttyä niihin liittyvät prosessit ovat helpottuneet ja asioita pystytään jo tekemään aika hyvin. Kuka tahansa ei kuitenkaan voi varata ilmatilaa käyttöönsä, vaan esimerkiksi meidän järjestelmillemme on tehty laaja riskiarvio ja siihen liittyvä dokumentaatio.  

Metsä on vaativa toimintaympäristö

Metsässä sekä radio- ja verkkoyhteydet että satelliittipaikannus voivat heikentyä. Toimivaa yhteyttä tarvitaan ohjauksen ohella paikannusdatan tarkentamiseen. 

– Droonilla kerättävän datan, kuvien ja laserkeilauksella tuotetun kolmiulotteisen pistepilviaineiston halutaan paikantuvan oikein, sillä jos ne ovat vaikka pari metriä sivussa, muutosanalyysien ja muiden vastaavien prosessien suorittaminen on hankalaa, Honkavaara selittää.

Tavallisen satelliittipaikannuksen tarkkuutta voidaan parantaa Real-Time Kinematic eli RTK-menetelmillä jopa senttimetriluokkaan. 

Autonomisesti navigoivat droonit pystyvät toimimaan myös ennestään tuntemattomissa ja esteisissä ympäristöissä.

– Kun drooni lähtee lentoon, sen pitää saada satelliittipaikannussignaali ja lisäksi yhteys paikannusta tarkentavaan korjauspalveluun. Metsän keskellä korjaussignaalia ei välttämättä saada lennon aikana. Paikannusta voi ajoittain haitata myös viime vuosina yleistynyt satelliittipaikannuksen häirintä, vaikka lennämme sen verran matalalla, että sen ei hirveästi pitäisi vaikuttaa. Reaali­aikasovelluksissa myös mittausdatan siirto voi kärsiä metsäalueiden heikosta mobiiliverkkoyhteydestä.

Satelliittikuvilla ei kuitenkaan voida korvata kaikkea matalammalla kerättyä dataa. 

– Vaikka satelliittikuvien resoluutio on jatkuvasti parantunut, kaikkein yksityiskohtaisimpiin tarkasteluihin tarvitaan edelleen lähempää kerättyä aineistoa. Satelliitit ovat satojen kilometrien korkeudessa maanpinnasta ja siinä on välissä ilmakehä pilvineen, Honkavaara sanoo. 

– Satelliittikuvilla on silti monia käyttötarkoituksia ja niillä saadaan globaalia kattavuutta. Sen takia yhteiskäytön edistäminen on olennaisen tärkeää. 

Kaukaa ja läheltä

Droonit ovat vahvimmillaan sovelluksissa, joissa tarvitaan hyvin yksityiskohtaista tai juuri tiettynä ajankohtana kerättyä tietoa. Esimerkiksi pilvisyys saattaa estää satelliittidatan keräämisen juuri haluttuna päivänä, mikä on iso ongelma monissa maatalouden sovelluksissa.

– Droonit soveltuvat loistavasti luonnon ja luonnonvarojen seurantaan. Paikkatietokeskuksessa on nyt palattu jälleen omaan laitekehitykseen, kun tutkimuksessa edetään ympäristöihin ja tehtäviin, joihin valmiit kaupalliset droonit eivät vielä sellaisenaan sovellu, Honkavaara kuvaa.

– Kehitämme autonomisesti navigoivia drooneja, jotka pystyvät toimimaan myös ennestään tuntemattomissa ja esteisissä ympäristöissä. Niille riittää mahdollisia käyttökohteita metsäpaloista ja metsätuhoista aina haitallisten vieraslajien etsintään ja vaikka mihin.

Käynnissä on hankkeita, joissa tutkitaan esimerkiksi kirjanpainajien ja okakaarnakuoriaisen aiheuttamia tuhoja. Puiden lomassa lentävä drooni voi havaita runkoihin ilmestyneet reiät, pihkavalumat ja puun juurelle ilmestyneen purun.

– Hyönteistuhoja voi toki myös tarkkailla satelliittikuvista, vaikka yleisesti käytettävien ESAn maksuttomien Sentinel-satelliittikuvien resoluutio ei vielä riitä yksittäisten vaurioituneiden puiden havaitsemiseen, Honkavaara kertoo. 

– Droonilla latvuksista otetuista hyperspektrikuvista hyönteisvaurio voidaan sen sijaan tunnistaa tuoreeltaan, kun puu on vielä vihreä. Toki satelliittikuvatkin tarjoavat torjunnan kannalta arvokasta tietoa metsänomistajalle, joka voi niiden perusteella käynnistää tarkemmat tutkimukset riskialueilla.

Myös maataloudessa on käynnissä vastaavia hankkeita. Muun muassa tutkitaan vierasviljojen tunnistusta gluteenittoman kaurantuotannon kasvustoista sekä hukkakauran etsintää. Maatiloilla vastaava työ tehdään vielä pitkälti jalkapatikassa.

– On monia sovelluksia, joihin satelliitista tai lentokoneesta otetut kuvat eivät sovellu, koska kasvustoa pitää monitoroida jopa vain metrien etäisyydeltä. Drooneilla voidaan myös tuottaa reaaliaikaista ohjaustietoa toimintaan, jossa työdroonit tekevät varsinaista työtä.

Honkavaara ennustaa, että droonien käyttöalue siirtyy yhä lähemmäs kohteita, kun laitteiden koko pienenee ja ohjausjärjestelmät kehittyvät. Satelliittikuvat tarjoavat samalla laajoilta alueilta kokonaiskuvan. Tulevaisuudessa droonit ja muut robotit voivat myös toimia yhdessä ja jakaa tehtäviä keskenään.

Droonit voivat ottaa hoitaakseen osan ihmisten aikaisemmin tekemistä tehtävistä. Samalla ne mahdollistavat kokonaan uudenlaisia tapoja kerätä tietoa ja toimia ympäristössä. 

– Teknologian osa-alueet kehittyvät rinnakkain ja mahdollistavat koko ajan uusia asioita. Eri asia kuitenkin on, miten ratkaisut pystytään oikeasti ottamaan käyttöön. On myös sosiaalinen kysymys, korvataanko roboteilla ihmisten aiemmin tekemiä töitä, Honkavaara pohtii.

Droonit eivät kuitenkaan vain korvaa aikaisempia työmenetelmiä, vaan muuttavat myös tiedonkeruun mittakaavaa.

– Droonit ovat tuoneet tutkimukseen aivan uusia mahdollisuuksia. Esimerkiksi metsien tutkimuksessa on perinteisesti käytetty koealoja. Toki niitä edelleenkin tarvitaan kehitettäessä ja validoitaessa uusia menetelmiä. Aikaisemmin tarkkaa tietoa saatiin vain näiltä koealoilta. Nyt niiden avulla voidaan kouluttaa tekoälymalli tuottamaan drooniaineistosta yksityiskohtaista tietoa paljon laajemmilta alueilta.