Uusien kartoitusmenetelmien yhdistelmä mahdollistaa jokien kolmiulotteisen mallinnuksen (Väitös: FM Claude Flener, 23.5.2015, luonnonmaantiede)

​Turun yliopiston tiedote 19.5.2015

FM Claude Flenerin kehittämillä menetelmillä voidaan kolmiulotteisesti mallintaa joki- ja muita vesiympäristöjä. Kehittyvä tekniikka mahdollistaa uudenlaisia kaukokartoituslähestymistapoja, joita yhdistämällä ja Flenerin kehittämiä menetelmiä käyttämällä voidaan luoda kattava kokonaismalli jokiympäristöstä sisältäen tietoa veden virtauksesta, uoman ja tulvatasankojen geometriasta sekä niihin kohdistuvista muutoksista.

– Mallinnusmenetelmien avulla saadaan tietoa joessa vaikuttavista prosesseista, kuten eroosiosta ja sedimentin kulkeutumisesta joessa. Niiden avulla voidaan myös tutkia esimerkiksi tulvaprosesseja tai etsiä sopivia kutupaikkoja ja elinympäristöjä kaloille, Flener kertoo.

Kauko-ohjattavat laitteet ja laserkeilain työkaluina

Joen topografian tutkiminen, varsinkin uoman vedenalaiselta osalta, on pitkään ollut työlästä ja aikaa vievää. Virtauksen kattava mittaaminen on myös ollut haastavaa, sillä seurauksella, että niitä on tehty vain harvakseltaan luonnonympäristössä.

Tekniikan kehittyminen on kuitenkin helpottanut mittauksien tekemistä. Flenerin kehittämässä menetelmässä ilmakuvat on esimerkiksi otettu miehittämättömästä kauko-ohjattavasta helikopterista. Laserkeilain asennettiin sekä veneeseen, kärryyn että selkäreppuun. Vedenalaista geometriaa ja virtausolosuhteita tutkittiin niin ikään kauko-ohjattavalla veneeseen asennettavalla akustisella veden virtausmittauslaitteella.

– Uusien mittaustapojen yhdistelmä avaa uusia näkökulmia jokiympäristöihin ja niissä tapahtuviin prosesseihin, sekä mahdollistaa aineiston keräämisen laajemmalta alueelta nopeammin kuin tähän saakka on ollut mahdollista, Flener kertoo.

Menetelmiä kehitettiin ja testattiin Pohjois-Lapin Teno- ja Pulmankijoella Turun yliopiston Virtavesitutkimusryhmässä, yhteistyössä Aalto-yliopiston ja Geodeettisen laitoksen kanssa. Teno- ja Pulmankijokien kirkkaat vedet, kevättulvat sekä jääkauden kasaamat runsaat hiekka- ja sorasedimentit mahdollistivat uusien menetelmien kehityksen ja testauksen erilaisissa mittakaavoissa ja sedimenttiolosuhteissa.

Mitattua tietoa simulaation sijaan

Claude Flenerin kehittämät menetelmät koostuvat kolmesta kenttämittausten perusteella tehdystä osamallista: syvyys-, pinta- ja veden virtausmallista.
Miehittämättömästä helikopterista otettujen ilmakuvien pikseleiden kirkkaudesta päätellään Flenerin kehittämän algoritmin avulla jokiuoman syvyys. Tämä voidaan tehdä perinteisten ilmakuvien avulla, mutta monessa tilanteessa kauko-ohjattava helikopteri on parempi. 

Helikopterin avulla saadut kuvat ovat tarkempia, koska se pystyy lentämään matalammalla. Helikopteria voidaan käyttää myös ketterämmin ja kustannustehokkaammin kunkin hetkisen tarpeen mukaan. 

– Mobiilin laserkeilauksen avulla pystyttiin tekemään korkean resoluution korkeusmalli joen tulvatasangosta ja jokea ympäröivästä maa-alueesta. Tavallisella ilmalaserkeilauksella ei pystytä saamaan näin tarkkaa ja kattavaa kuvaa joen penkasta, Flener kertoo.

Yhdistämällä ilmakuviin perustuvan syvyysmallin ja laserkeilauksella tehty korkeusmalli voidaan tehdä saumaton maastomalli sekä vedenalaisesta jokiuomasta että vedenpinnan yläpuolisesta jokiympäristön topografiasta.  Lopulta malliin yhdistetään Flenerin luoma ja kehittämä, kauko-ohjattavasta veneestä akustisella virtausmittauslaitteella saatujen mittausten perusteella rakennettu, joen kolmiulotteinen virtausmalli. Malli esittää kvantitatiivisesti ja kolmiulotteisien visualisointien avulla kuinka paljon vettä virtaa joessa, mihin suuntaan missäkin kohdassa ja kuinka nopeasti.

– Kolmen mittaustavan ja niistä johdettujen osamallien yhdistelmä mahdollistaa kattavan mallinnuksen joen fysikaalisista ominaisuuksista eli joen hydromorfologiasta. Tämä mallinnus perustuu mittauksiin, ei valistuneisiin arvauksiin tai simulaatioihin. Näin ollen sitä voidaan käyttää monen muun käyttötarkoituksen lisäksi myös hydraulisten mallien kalibrointiin ja validointiin, Flener sanoo.

Mallille saattaa myös löytyä sovelluskohteita akateemisen tutkimuksen ulkopuolella esimerkiksi ympäristövaikutusten arvioinnin apuna. Flener jatkaakin mallinnusten ja mittauksien menetelmäkehitystyötä GWM-Engineering Oy:n palveluksessa.

***

Lauantaina 23. toukokuuta 2015 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Publicum, Pub3-auditorio, Assistentinkatu 7, Turku) julkisesti tarkastettavaksi M.Sc. Claude Flenerin väitöskirja "Remote sensing for three-dimensional modelling of hydromorphology" (Kolmiulotteinen hydromorfologinen mallintaminen kaukokartoituksella). Virallisena vastaväittäjänä toimii tohtori Robert Bryant Sheffieldin yliopistosta Britanniasta ja kustoksena professori Risto Kalliola Turun yliopistosta.

M.Sc. Claude Flener on syntynyt vuonna 1977 Luxemburgissa ja kirjoittanut siellä ylioppilaaksi 1997. Master of Science -tutkinnon hän suoritti 2009 Turun yliopistossa. Flener toimii johtavana asiantuntijana GWM-Engineeringissä. Väitös kuuluu luonnonmaantieteen alaan.