Droonid geoloogias

Geoloog leiab end tihti olukorrast, kus huvitavad objektid on koolis õpetatud viisidel mõõtmiseks/uurimiseks liiga ohtlikud (kõrged paljandid), õrnad (pehmetest setetest nõlvad), kiiresti muutuvad (rusuvoolud) või vaid loetud tundide jooksul avatud (ehitussüvendid). Halvemal juhul on tegu kombinatsiooniga loetletud omadustest. Samas on kiusatus suur, sest just sellistes kohtades toimuvad geoloogilised protsessid otse meie „silme all“ või on kõige paremini jäädvustatud kunagised sündmused. Eks siis paneme kiivri pähe ja otsime välja alpinistivarustuse, kui on vaja kõrget paljandit kirjeldada. Veelgi sagedamini aga eeldame, et paljandi ligipääsmatu ülaosa on „sama“ nagu eemal ligipääsetavas kohas kirjeldatu. Seega oleks hädasti vaja mingit abilist, millel oleks küljes vähemalt geoloogi silm ja suuremalt unistades ka vasar või mis iganes meelepärane töövahend. Traditsiooniliselt on välitööl viibiva teadlase esimeseks valikuks „vabatahtlikuna“ mõni tema magistrant või doktorant, aga need võimalused on tänapäeval kahtlemata sama defitsiitsed kui või või sokid 1990ndate aastate alguse Eesti Vabariigi kaubandusvõrgus.

Igatahes olid uute mänguasjade ilmumisel kohe platsis ka geoloogid ja geomorfoloogid, kes nägid hoobilt suurt potentsiaali saada endale tehniline abimees tujukate kraadiõppurite armee täiendamiseks. Varem olid nad pidanud ostma väga kallist mehitatud helikopteriaega või lennutama kaameraid õhupallide või lohedega. Nii käisid Eesti rabasid paarkümmend aastat tagasi lohedelt pildistamas ameeriklastest abielupaar Aberid, kelle blogi Eestis käikudest on siiani veebis olemas.

Igatahes ostsid paljud endale tänagi suurima droonitootja ühe esimestest mudelitest DJI Phantom 1 või ise kokkupandava FC450 komplekti, lendasid selle tüüpiliselt puruks ja said esimesed pildid teisel katsel. :) Tekkis kohe ka lai ring iseehitajaid, kes põhiliselt foorumite kaudu jagasid kogemusi nende aparaatide ehitamisest. Sellest kogukonnast sündis tänaseks üks võimekamaid vabavaralisi droonidele mõeldud „ajusid“ Pixhawk.

Eks geoloogid saatsid neid esimesi droone just nendesse kohtadesse, kuhu ise minna ei saanud, nagu näiteks aktiivse vulkaani kraatrisse või mäest alla tormavat rusuvoolu filmima. Enamasti jäi aga asi mõjusa illustreeriva pildi/video tasemele, mida oli hea huvi äratamiseks populaarteaduslike tekstide algusesse panna. Suur edasiminek oli fotodel põhineva 3D modelleerimist automatiseeriva tarkvara ilmumine, mis ajaliselt langes droonide tulekuga üsna hästi kokku. See fotogrammeetria haru võimaldas juba droonipiltidest ortofotosid ja maapinnamudeleid ehk siis „midagi kasulikku“ tegema hakata ning droonide kasutamine kasvas maateadustes plahvatuslikult. Esimesed rakendused olid põhiliselt seotud (maa)pinnamudelitega.

Isiklik droon võimaldas teha pilte just ennast huvitavas kohas ja ajal ning näha asju enam-vähem inimesele ka maapinnalt „tajutavas“ skaalas (pildikeeles rääkides pikslisuurusega 1–3 cm). See viimane omadus täitis lõpuks piinava tühiku kaugseire lahutus/katvus-jadas: maapealne vaatlus–droon–lennuk–satelliit.

Maapinna kõrgusmudelite puhul kasutatakse üsna laialt lennuki tüüpi droone, sest need on energiasäästlikumad ja võimaldavad katta oluliselt suuremaid alasid. Nende peamiseks puuduseks võrreldes kopteri tüüpi drooniga on oluliselt suurem risk purunemiseks (kiirus maandumisel), samuti ei saa neid kasutada vertikaalselt huvitavate objektide uurimiseks. Uuemaks lahenduseks on kopteri ja lennuki hübriidid, mis mõningaste mööndustega ühendavad mõlema tüübi head omadused.

Geoloogidele oli ja on siiani eriline maiuspala paljandite 3D mudelid, kus näiteks kihipaksusi saab mõõta juba mudelitelt. Kusjuures droonile on kättesaadav kogu paljandi vertikaalne ulatus, mitte vaid alumised 2 meetrit. Niiviisi jäädvustatakse paljand „igaveseks“ virtuaalselt ja meile jääb vähemalt midagigi näidata tulevastele põlvedele suletud või kinnikasvanud nõlvade asemel. See on eriti oluline linnakeskkonnas, kus geoloogilist huvitavat informatsiooni tekib tegelikult palju, kuid see on avatud väga lühikest aega ehitussüvendites. Ka mäenduses on need 3D mudelid heaks võimaluseks kiiresti ja odavalt seirata karjääride edenemist ning mudelite omavahelise võrdluse abil hinnata kaevandamis-, kaeve- ja laomahte jne.

Peab ütlema, et esimeste laiatarbedroonide pildikvaliteet oli kehvake, „kalasilm“-objektiivid tegid nende edasise töötlemise keerukamaks, droonid ise kippusid „ära lendama“ jne. See viimane omadus oli enamasti küll kasutaja süü… Kui ma oma esimese DJI Phantom 2 pensionile saatsin ja lennulogid üle vaatasin, siis sain tulemuseks, et keskmiselt kord kümne lennu kohta juhtus temaga midagi mitte-nii-toredat. Ükskord käisime teda Umbusi soos 9 inimesega otsimas – leidsime, ja rõõm oli suur! :) Täna on droonid juba oluliselt töökindlamad, kuid siiski meenuvad kuskil konverentsil kuuldud kuldsed sõnad „ära osta endale drooni, mille allakukkumist sa välja ei kannata“ – küll ta millalgi kukub. Õnneks on ka Eestis saadaval kindlustus, milleta kallimat kraami lennutades käed ikka higiseks läheks.

Tänaseks on poest võimalik saada väga korraliku pildikvaliteediga ning stabiliseeritud kaameraga droon umbes 1500 euro eest. 5000 euro eest saab juba mitme vahetatava kaameraga mudeleid. Sammuke peale droonide tulekut hakati nende jaoks kõikvõimalikke sensoreid kohendama. Täna on droonidele saadaval nii lidar, multispektraal-, hüperspektraal- ja termokaamerad. Põhilised piiravad tegurid on kaal ja energiatarve, mis mõlemad on otseselt seotud drooni akude ja lennuajaga. Suurima paindlikkuse annab iseehitamine, sest siis saab komponente tasapisi uuendada, mis valmiskomplektide puhul pole üldjuhul võimalik. Pikemas perspektiivis on see üsna oluline, sest drooniga käib kaasas tavaliselt mitu akukomplekti, maapealne baasjaam koos sidelahendustega ja nende hind moodustab päris olulise osa kogu pakist.

Sensorid ja rakendused

RGB kaamerad. Tavalised kompaktfotokaamerad, mis salvestavad kolme „värvi“ ehk spektrivahemikku. Üldiselt kasutatakse lainurkläätsi ning päästikimpulss tuleb lennukontrollerist. Sinna on lennuplaneerimistarkvara (Pixhawk' puhul Mission planner) abil eelnevalt koostatud lennuplaan, kus määratakse ka pildistamiskohad. Enamus kaardistamisi toimubki praegu automaatrežiimis varasemalt koostatud lennuplaani põhjal, seda nii tavakaamerate kui ka teiste sensorite puhul. Paljandite puhul peab aga kasutama käsirežiimi, sest vertikaalse seina läheduses ei saa GPS signaalile enam kindel olla. Põhiliseks tooteks on fotogrammeetria (structure-from-motion, SfM algoritmid) abil fotodest koostatud kõrgusmudelid ja nende aegread. Kuna droonilt on võimalik saavutada väga suur detailsus nii ajas kui ka ruumis, siis on see avanud täiesti uusi geoloogiliste protsesside jälgimise võimalusi. Nii on võimalik suhteliselt väikese eelarvega droonide abil uurida näiteks rabenemise kiirust paljandil ülepinnaliselt; jälgida erosioonivormide või maalihete arengut kohtades, kus kontaktmõõtmisi pole võimalik teha jne.

Multispektraalkaameraid (kuni kümmekond salvestatavat spektrivahemikku) kasutatakse peamiselt taimestiku uuringuteks, sest nad salvestavad lisaks nähtavale spektrile ka lähi-infrapuna osa, mis on hästi tundlik klorofüllile. Nii on põhiline kasutus põllumajanduses, kus saab näiteks jälgida taimestiku väetamisvajadust või veepuudusega kaasnevat stressi. Kuna aga vee „saadavusega“ võivad olla seotud geoloogilised struktuurid, nagu lõhevööndid või erinevate kihtide avamused, siis kasutatakse sellise sensori andmeid ka geoloogilisel kaardistamisel. Multispektraalkaamerad on hinna ja kaalu poolest samas klassis tavaliste fotokaameratega ning tänasel päeval on olemas ka automatiseeritud töövood nende andmete töötlemiseks. Samas on tulemuste interpreteerimine keerukam kui tavafotode puhul.

Hüperspektraalkaamerad (sajad salvestatavad spektrivahemikud) võimaldavad teha mineraloogilist lauskaardistamist üle kogu kivimi avamuste. Oluline on küll meeles pidada, et kaamera „näeb“ ainult pealmist pinda, mis võib olla õhuke kate (tolm, veega peale kantud või murenemiskoorikud jne). Droonidel kasutatavate seadmete hind algab 50 000 eurost ning saadud andmemahud on väga suured ja andmete järeltöötlus on töömahukas. Kasutatakse peamiselt maavarade otsingulistel kaardistamistel.

Termokaamerad võimaldavad näha pindade temperatuurierinevusi, kalibreerituna ka temperatuure absoluutskaalas. Seadmed on tavakaamerast suurusjärgu võrra kallimad, aga kaaluvad umbes sama palju. Kasutatakse palju vulkanoloogias, näiteks laavavoolude või arenevate lõhesüsteemide kaardistamiseks. Hüdrogeoloogias on võimalik kaardistada suhteliselt külma või sooja põhjavee sissevoolu alasid (allikaid). Yellowstone´is kaardistati näiteks termokaamera abil kohe-kohe varisema hakkavaid kaljuseina osi. Need olid termokaameraga nähtavad, sest jahtusid isoleerivate pragude tõttu oluliselt kiiremini kui massiivne seinaosa.

Lidarid ehk laserskannerid on (veel) üsna kallid, maksumusega minimaalselt paarikümne tuhande euro kanti. Nende tugevus fotogrammeetria ees tuleb ilmsiks taimestikuga, eriti puudega kaetud aladel, sest erinevalt fotogrammeetriast suudab lidar skannida maapinda ka üsna tiheda taimestiku all. Samuti on pisut parem täpsus ja ta pole nii tundlik keskkonna suhtes (päikesepaiste, varjud, peegeldused jne). Samas on need sensorid lisaks hinnale ka kaalu poolest toekamad ja nõuavad kandmiseks suuremaid droone. Põhiliselt kasutatakse neid geoloogias 3D mudelite loomiseks, kus täpsus on esmatähtis, näiteks mäenduses. Samuti kasutatakse neid palju rannikuseires, sest teatud tüüpi lidarid suudavad kaardistada ka madalamat merepõhja samaaegselt maapinnaga. Huvitav variant on SLAM algoritmide abil reaalajas näiteks (kaevandus)käikude ja koobaste kaardistamine, kus droon kasutab navigeerimiseks lidari või stereokaamerate abil reaalajas loodud ruumimudelit. Kuna lidartehnoloogia on üks võtmekohti ka autonoomsete autode puhul, siis on lähiajal loodetavasti ees oluline hinnalangus ja teisalt automaatsete töötlusalgoritmide arendus.

Eestis on olemas kõik ülal loetletud sensorid, välja arvatud hüperspektraalkaamera. Eestis on ka kaks rahvusvaheliselt tuntud droonitootjat – Threod ja ELI, kes teevad koostööd peamiselt Tallinna Tehnikaülikooliga. Maaülikooli soetatud suhteliselt värske lidarsensor lendab just Threod'i toodetud drooniga. Sensorite arendamisega tegeleb Tõravere Observatoorium. Rakendusliku ja avaldatud teadustööni on küll siiani jõutud ainult TÜ geoloogia osakonnas, kus uuriti droonide abil laugaste käitumist põlevkivikaevanduse kõrval olevas Selisoos Ida-Virumaal.

Mujal maailmas on droone edukalt kasutatud magnetomeetrite tassimiseks metalliliste maavarade otsingutel või siis vulkaanidest välja paiskuvatest gaasidest ja tuhast proovide võtmiseks. Ka TÜ geoloogia osakond arendab praegu magnetomeetrit, mida oleks võimalik lähitulevikus drooniga lennutada. Metaanidetektorid on samuti juba droonidega ühte heitnud, peamiseks huviks on gaasitööstusega või frakkimisega seotud ja ka looduslike metaaniallikate kaardistamine. Paistab, et praegu ollakse veel plahvatusliku arengu faasis, sest praktiliselt igas kuus tuleb teateid eksperimentaalsetest sensoritest, mida on droonidele kohandatud.

Droonide enda põhiline arengusuund on pardal oleva arvutusvõimsuse kasv koos reaalajas ruumimudelite loomisega erinevate sensorite kombineeritud sisendite abil. Nii saab nendega turvaliselt lennata ja orienteeruda järjest kitsamates oludes, sh maa all või siseruumides. Teiselt poolt otsitakse võimalusi lennuaja pikendamiseks näiteks liitiumakude asendamisega vesinikul töötavate kütuseelementide vastu. Uued ülikerged komposiitmaterjalid ja sensorid lubavad juba ehitada ka praktiliselt piiramatu lennuajaga päikesepaneelidelt energiat korjavaid droone. Suuremate alade kiiremaks uurimiseks on sobilik parve (swarm) lahendus, kus üks võimsam droon tassib huviala kohale kümneid/sadu väiksemaid, lühema lennuajaga käsilasi, kes kiiresti katavad sünkroniseeritult huviala ning siis korjatakse jälle suure drooni peale kokku. Parvetehnoloogia ilusat näidet sai näha CES 2018 näitusel Las Vegases, kus sünkroniseeritult tegi valgusmängu 250 Inteli drooni.

Tehnilise innovatsiooniga seega probleeme eriti pole, pigem esinevad takistused seadusandluses. Näiteks ei ole ei lidar ega ka fotogrammeetriliselt saadud maapinnamudelid praegu kasutatavad ametlikus markšeidermõõdistustes*. Eestis on selleks otstarbeks droonide kasutamist uuritud nii TTÜs kui ka Steigeris ja J. Viru Markšeideribüroos. Loodetavasti see lähiajal muutub, sest nende meetodite täpsus on teadustöödega kinnitatud ning saadud ruumimudelid suurusjärkude võrra suurema punktitihedusega kui kontaktmõõtmistel võimalik saavutada.

Autor: