Hyppää pääsisältöön

Paikkatietokeskus FGI:n laserkeilauskaksikko edustaa alansa huippututkimusta

Tutkimusprofessorit Antero Kukko ja Harri Kaartinen ovat Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskus FGI:n pistepilvidatankeruun eli laserkeilauksen tehokaksikko. Kahden miehen keilaustiimi on tehnyt yhdessä tutkimusta jo toista vuosikymmentä. Paljon on saatu aikaan: he ovat matkanneet yhdessä ja erikseen ympäri maailman testaamassa laserkeilaukseen perustuvia tutkimuslaitteitaan mitä erilaisimpiin kohteisiin, tuottaneet suuren määrän ennennäkemätöntä tutkimustietoa ja julkaisseet vinon pinon kansainvälisesti tunnettuja korkealaatuisia tutkimusjulkaisuja. Tällä hetkellä he ovat koko maailman mittaluokassa alansa parhaita hyperspektrilaserkeilauksessa, ja tästä syystä varsin haluttuja asiantuntijoita kansainvälisissä tutkimusprojekteissa.

Teksti: Annukka Pekkarinen, projektikoordinaattori, Paikkatietokeskus FGI

Harri Kaartinen ja Antero Kukko keräämässä laserkeilausdataa reppukeilaimella.
Harri Kaartinen ja Antero Kukko keräämässä laserkeilausdataa reppukeilaimella.
Kuva:
Maanmittauslaitos

Tutkimusprofessorien työhuone ja laitevarasto sijaitsee lukkojen takana Masalassa, oven raosta sisään vilkaistessa mieleen tulee ensimmäisenä Pelle Pelottoman työpaja. Antero Kukko on tunnettu maailmanlaajuisesti muun muassa rakentamistaan reppukeilaimista – selässä kannettavista pistepilvidatan keräämiseen soveltuvista laitteista, joilla voi tehdä 3D-mallin mistä vain, vaikka tulivuoren kraaterin sisältä. Kenties eniten hän kuitenkin laserkeilaa metsiä. Hän asentaa laserkeilaimiaan myös helikoptereihin, mönkijöihin, autoihin ja veneisiin – melkein mihin vain liikkuvaan alustaan. Harri Kaartinen on Suomen johtavia pistepilvien tutkijoita – hän on juuri vienyt päätökseen Suomen Akatemian Strategisen tutkimuksen rahoittaman kuusivuotisen COMBAT/Pointcloud -projektin, jossa on merkittävästi edistetty laserkeilauksen ja pistepilvien käyttöä yhteiskunnan eri toimintojen tarpeisiin kansallisomaisuuden hallintaan.

Innovatiivista tutkimusta

Antero kertoo tekevänsä tutkimusta pääosin kaupallisilla laserkeilaimilla, eli ihan alusta asti laitteita ei tarvitse yleensä rakentaa itse, vaikka sellaisiakin hänen johtamansa autonomisen kartoituksen ja ajamisen tutkimusryhmä on tehnyt. Hänen erityisalaansa on testata laitteiden yhdistelyä ja käyttöä sellaisilla tavoilla, tai sellaisiin kohteisiin, joita muut eivät ole vielä kokeilleet. 
Kaksikon keräämän ja tuottaman uniikin, uudenlaisen datan analysointi on FGI:n Kaukokartoituksen osaston erityisalaa: monet kaukokartoituksen ja laserkeilauksen nuoret tutkijat ovat aloittaneet uransa analysoimalla Anteron ja Harrin keräämää dataa: tuloksena on syntynyt lukuisia diplomitöitä, kandidaatintutkielmia ja väitöskirjoja paitsi FGI:ltä niin myös yhteistyökumppaneilta eri yliopistoista. Anteron johtama tutkimusryhmä kehittää aktiivisesti algoritmeja, joiden avulla datasta voi tunnistaa erilaisia fyysisiä kohteita tai ilmiöitä.

Hankkeissa testataan ja kehitetään myös kartoitusjärjestemien paikannusteknologioita ja pistepilvien optimointimenetelmiä käytettävyyden ja mittaustapojen tutkimuksen lisäksi. Keilaimien tuottaman tiheän pistepilven ja heijastuvuustiedon perusteella tuotetaan menetelmiä kasvupaikan, puulajin, runkokäyrän, oksaisuuden ja latvuksen ominaisuuksien analysointiin automaattisesti.
Hankkeissa testataan ja kehitetään myös kartoitusjärjestemien paikannusteknologioita ja pistepilvien optimointimenetelmiä käytettävyyden ja mittaustapojen tutkimuksen lisäksi. Keilaimien tuottaman tiheän pistepilven ja heijastuvuustiedon perusteella tuotetaan menetelmiä kasvupaikan, puulajin, runkokäyrän, oksaisuuden ja latvuksen ominaisuuksien analysointiin automaattisesti.
Metsän laserkeilausta käsikeilaimella
Käsikeilaus on helppokäyttöinen mittausmenetelmä maastonmuotojen puukartan tuottamiseen paikallisessa koordinaatistossa. Projektissa tutkitaan laskentamenetelmiä ja pistepilvidatan soveltuvuutta puiden laatutekijöiden laskennassa.


Tarkalle metsädatalle runsaasti käyttöä

Viimeisimmällä Euroopan kenttätyöretkellään tutkimusprofessorit keräsivät dataa kahteen eri tutkimusprojektiin. Kaksikko suuntasi ensin kohti Eteläistä Eurooppaa tarkoituksena tehdä monikanavalaserkeilausmittauksia havupuista Chist-era -projektissa, jossa on FGI:n lisäksi mukana mm. Vigon yliopisto Espanjasta, Porton yliopisto Portugalista, Wienin teknillinen yliopisto ja Wienin luonnonvara- ja luonnontieteellinen yliopisto (BOKU) Itävallasta sekä Tsekin Luonnontieteellinen yliopisto (Czech University of Life Sciences). Työtä valmisteltiin tämän syksyn kenttätyöretken aikana ja ensi keväänä monikanavainen keilausjärjestelmä on tarkoitus asentaa helikopteriin, mistä se lähettää laserpulsseja alla olevaan metsään kolmella eri aallonpituudella. Monikanavaisuuden lisäksi erityistä tässä järjestelmässä on, että se lähettää pulsseja sekä kartion muotoisena keilana että viistoon eteen ja taakse – siten keilain näkee paremmin myös latvuston alle ja pystyy keräämään 3D-dataa myös metsän aluskerroksista valtapuuston runko- ja oksarakenteen lisäksi. Mittauspisteitä riittää: keilausjärjestelmä saattaa mitata jopa 15 miljoonaa datapistettä sekunnissa. Näistä datapisteistä muodostuu tarkka 3D-malli metsästä.

Toinen, Tandem Forest Values -instrumentista rahoitettu projekti (Metsävarojen arviointi ja laatutunnukset automaattisia menetelmiä ja teknologioita käyttäen)  rakentaa tutkimusyhteistyötä ja uutta osaamista ruotsalaisen SLU:n (Sveriges lantbruksuniversitet
Swedish University of Agricultural Sciences) sekä Stora Enson kanssa, ja hankkeessa on koealoja sekä suomessa että ruotsissa. Tutkijat suuntasivat siis lokakuun alussa Ruotsiin tekemään syväluotaavaa tutkimusta talousmetsistä saatavan tukkipuun laadusta:  Ennalta valitut testimetsäkuviot keilattiin ensin ilmasta monikanavaisella helikopterilla ja maastossa/koealoilla sekä maalaserkeilaimella, käsin kannettavalla keilaimella että kaksikanavaisella reppukeilaimella. Keilausdatan avulla kehitetään sekä paikannus- että automaattisia menetelmiä puun ulkoisten laatutekijoiden laskemiseksi yksittäisistä puista, ja vertaillaan eri sensorien soveltuvuutta tämänkaltaiseen mittaamiseen operatiivisen metsänhoidon kannalta. Koealueet valittiin kaupallisista hakkuukohteista: laserkeilauksen jälkeen metsä hakataan suunnitellusti, hakkuukone kerää kaadettavista puista paikka-, koko- ja laatutietoa, tukit röntgenkuvataan sahalla ja esimerkiksi oksaisuus sekä ydin- ja pintapuun osuudet analysoidaan tarkasti. Tutkimus pyrkii selvittämään, voiko monikanavaisesta tiheästä laserkeilausdatasta löytää ulkoisia indikaattoreita ja niiden perusteella havaita ja lopulta ennustaa puuaineen sisäiseen laatuun, ja siten hyödynnettävyyteen ja arvoon, liittyviä tekijöitä. Tällaisia tekijöitä ovat esimerkiksi puulaji, rungon tilavuus ja suoruus (puulajikohtaiset runkokäyrät), oksiston rakenne ja kokojakauma, oksakiehkuravälit, sekä mahdolliset runko- ja lahovauriot.

Sekametsäkoeala Lappeenrannassa keilattuna Paikkatietokeskuksen HeliALS-järjestelmällä.
Sekametsäkoeala Lappeenrannassa keilattuna Paikkatietokeskuksen HeliALS-järjestelmällä. Tiheän ja tarkan pistepilven avulla kehitetään puulajitunnistusta, analysoidaan yksittäisen latvuston rakennetta, läpäisevyyttä sekä lehtien ja neulasten tilaa hyödyntäen eri kanavilla mitattuja reflektanssiarvoja sekä kaikujen jakaumaa.


Kun metsädataa analysoidaan ja kehitetään puita ja oksia laskevia ja luokittelevia algoritmeja, tutkijat mittaavat esimerkiksi puiden muotoa, kasvunopeutta, neulasten tiheyttä ja vesipitoisuutta sekä väriä (kolmen käytetyn aallonpituuden heijastuvuusarvoista muodostettu kuva). Tarkka laserkeilausdata saattaa paljastaa ongelmia puun kunnosta jo paljon ennen kuin ihmissilmä näkee, että puu kärsii. Tutkijat pyrkivät mittaamaan esimerkiksi Etelä- Euroopassa yleisen ja Suomeenkin levinneen kaarnakuoriaisen aiheuttamia muutoksia kuusissa. Kun tuholaisongelma ja sen laajuus havaitaan ajoissa, metsänomistajilla on paremmat mahdollisuudet torjua tuhoja. Toinen tutkimuskohde on vieraslajeina leviävien akaasian ja eukalyptuksen automaattinen tunnistaminen sekä metsän rakenteen vaikutus metsäpaloriskiin, palon leviämismekanismeihin ja esimerkiksi eukalyptuksesta irtoavan kaarnan aiheuttamaan syttymisherkkään palokuormaan.

Koeala palokujalla Xuresin luonnonpuistossa Espanjassa.
Koeala palokujalla Xuresin luonnonpuistossa Espanjassa.


Tutkimus tukee sopeutumista ilmastonmuutokseen

Yhteinen nimittäjä on ilmastonmuutoksen mahdolliset vaikutukset metsävaroihimme. Sekä tuholaisvauriot että metsäpalot saattavat tulevaisuudessa yleistyä lämpötilan kohotessa ja kuivien jaksojen lisääntyessä. FGI:n tutkijoiden uudella teknologialla ei pystytä pysäyttämään ilmastonmuutosta, mutta se auttaa sopeutumaan ja varautumaan muutoksiin. Lisäksi tarkka metsävaratieto auttaa arvioimaan metsien kykyä toimia hiilinieluina.

Portugalin puolella Xuresin luonnonpuistoa puusto on lehtipuuvaltaista ja suojelun ansiosta alkuperäistä.
Portugalin puolella Xuresin luonnonpuistoa puusto on lehtipuuvaltaista ja suojelun ansiosta alkuperäistä.

 

Tutkimus
Laserkeilaus
Paikkatietokeskus

Uusimmat uutiset ja artikkelit