Metsäpaloja torjutaan kohta drooneilla. Usean tutkimusorganisaation yhteishanke kehittää tekoälyn avulla uusia keinoja torjua metsäpaloja. Droonit ovat yksi sellainen. Mutta miten ihmeessä droonit voivat olla sammuttamassa metsäpaloja? Tutkijoilla on ollut mahdollisuus testata tätä ennallistamispaloissa.

Taivaalla joukko drooneja seuraa liekkien etenemistä metsässä. Ne laskevat, minne tulimeri on siirtymässä ja välittävät tiedot pelastustoiminnan johtajalle maan päällä. Palomiehet pystyvät taivaalta saamansa avun ansiosta suojaamaan metsää liekkimeren laajenemiselta. Tämä on tulevaisuus, johon tutkijat ovat viemässä palotorjuntaa.

Tutkimusprofessori Eija Honkavaara Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksesta johtaa FireMan-tutkimushanketta, joka kehittää uutta tekoälypohjaista tekniikkaa nopeaan metsäpalojen havaitsemiseen ja tilannetietoisuuden luomiseen. Tutkimusta tehdään parhaillaan Suomen Akatemian kautta saadulla EU:n elpymisvälinerahoituksella.

Tarve on merkittävä, koska ilmaston lämpeneminen lisää metsäpaloja ja samalla nopeasti kehittyvät droonit ja tekoäly antavat uusia mahdollisuuksia ratkaista ongelmia. 

”Kyllähän näitä konsepteja on jo pitkään esitetty tieteellisessä kirjallisuudessa, mutta me olemme nyt viemässä tätä kokonaisuutta eteenpäin kohti toteutusta ratkomalla teknisiä ja yhteiskunnallisia pullonkauloja monitieteellisen yhteistyön avulla”, Honkavaara kertoo.

Koko parvi taivaalle kerralla

FireMan-hankkeen tutkijat ovat lähettämässä paloalueelle kerralla koko joukon automaattisesti yhdessä toimivia drooneja yksittäisten lennokkien sijaan. Droonin kyydissä olevat kamerat havaitsevat savua, joka on mahdollisen metsäpalon merkki, ja ne seuraavat palon etenemistä.

Sen sijaan, että droonit yrittäisivät vain lähettää kuvaa suoraan maahan, drooneihin laitetut pienet tietokoneet alkavat heti käsitellä tietoa ja lähettävät komentokeskukseen olennaiset tiedot. Komentokeskus laskee tilannetietoa metsänpalon kulusta ja tekee ennustetta palon etenemisestä.

Kokonaisuus on kuitenkin kaikkea muuta kuin yksinkertainen, ja siksi tutkimushanketta on toteuttamassa monitieteellinen joukko tutkijoita eri yliopistoista ja tutkimuslaitoksista.

Tietoa kerätty ennallistamispoltoista

Metsähallituksen ennallistamispoltossa harvennettua metsää poltettiin hallitusti. Näillä poltoilla matkitaan luonnollisia paloja ja tavoitteena niissä on luonnonsuojelu ja luonnon monimuotoisuuden turvaaminen.

Ensinnäkin ensin metsäpalo pitää havaita. Jyväskylän yliopiston ja Paikkatietokeskuksen tutkijat kehittävät tekoälylle algoritmejä, jotka tunnistavat savun ja palon etenemisen luotettavasti. Toisekseen jo tekoälyn kehittämistä varten pitää saada käsityksiä siitä, miltä savu ja liekit näyttävät.

”Olemme olleet mukana noin kymmenessä ennallistamispoltossa keräämässä drooniaineistoja tekoälyn opettamiseen. Kuvauksia on tehty ennen paloa, syttymisen aikana ja palon aikana. Kuvia on kerätty tavallisilla värikameroilla sekä lämpökameroilla”, Honkavaara kertoo. Näillä poltoilla matkitaan luonnollisia paloja. Tavoitteena on luonnonsuojelu ja luonnon monimuotoisuuden turvaaminen.

Digikaksoset auttavat ennustamaan

Dronesta otettu lämpökuva ennallistamispoltosta. Lämpökamera näkee savun läpi, jolloin palon etenemistä voidaan seurata tarkasti. FireMan hanke on ollut mukana kuudessa ennallistamispolttotapahtumassa keräämässä aineistoja, joiden avulla tekoälyä opetetaan tunnistamaan alkavia paloja sekä seuraamaan palon etenemistä.

Kolmanneksi tarvitaan monenlaista paikkatietoa, kun halutaan tehdä luotettavia ennusteita palon etenemisestä. Kamera ei esimerkiksi välttämättä näe maaston korkeusvaihteluita eikä se tiedä sääolosuhteita, joilla on ratkaiseva vaikutus tulen etenemiseen.

Paikkatietokeskus koostaa palon leviämisen ennustamista varten digitaalisia kaksosia maastosta. Digitaalinen kaksonen -termiä käytetään yleensä sovelluksesta, joka pyrkii tekemään digitaalisen kopion alkuperäisestä kohteesta tietokoneille. Kaksosen muodostamisessa käytetään avointa paikkatietoa, kuten kansallista korkeusmallia, ja droonin keräämää tilannetietoa yhdistetään siihen reaaliajassa. Jyväskylän yliopisto puolestaan kehittää palon leviämisen ennustemallia.

”Digitaalisen kaksosen avulla palopäällikkö voi saada ennusteita esimerkiksi, minne tuli on etenemässä viidentoista minuutin päästä. Hän voi myös simuloida sammutustoimien tehokkuutta, ja valita sitten parhaan toimintatavan”, Honkavaara selittää. Uusia palon etenemisen simulointimenetelmiä hankkeessa kehittää Jyväskylän yliopiston tutkijat.

Neljänneksi pieniin drooneihin pitää saada tehokas prosessointi.

”Anturit ovat pienentyneet ja minitietokoneet ovat aiempaa tehokkaampia. Silti yksittäisten laitteiden rajoitukset tulevat tällä datamäärällä nopeasti vastaan”, Honkavaara selittää.

Tietoa on karsittava siirtoa varten 

Viides ongelma on iso: miten saada suuri tietomäärä pelastushenkilökunnalle? Oulun yliopiston tutkijat ratkovat tiedonsiirron ongelmia. Metsissä ei yleensä ole tehokasta mobiiliverkkoa ja muutenkin nykyiset verkot on suunniteltu niin, että ne palvelevat maan pinnalla olevia päätelaitteita. Oululaiset tutkijat ovat ratkoneet ongelmaa muun muassa tutkimalla tapoja tuoda erillisverkko paloalueelle palvelemaan drooneja.

Keskeinen osa ratkaisua on myös tietomäärän tiivistäminen. Jotta dataa tarvitsee lähettää vähemmän, tieto käsitellään minitietokoneilla drooneissa ja tilannekuvakeskukseen lähetetään vain  oleellisimmat tiedot.

”Savupilven tai palon reunan sijainnin kertova tietomäärä on paljon pienempää kuin se, että lähetetään isoja kuvia ja videoita”, Honkavaara sanoo ja kertoo myös Paikkatietokeskuksen tutkijoiden tekevän työtä tähän liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi.

Helikopteritörmäykset ehkäistävä

Drone lähdössä kuvaamaan paloa. Kuvauslaitteistona on integroitu väri- ja lämpökamera, joten samasta palosta saadaan samanaikaisesti sekä tavallinen että lämpökamerakuva.

Kokonaan oma ongelmansa on ilmatilan hallinta ja robottien yhteistyö ilmassa. Helppohan on yhtä droonia lennätellä, mutta tässä tapauksessa samalle taivaanpalalle pitäisi mahtua kokonainen joukko ilmassa liikkuvia lennokkeja ja toisiinsa törmäilemisen sijasta niiden pitäisi koko ajan toimia tehokkaasti yhdessä.

Varsinkaan droonit eivät saisi törmätä miehitettyihin helikoptereihin ja lentokoneisiin, jotka nekin voivat olla samassa ilmatilassa metsää valvomassa ja sammuttamassa. Ilmatilan hallintaan liittyviä kysymyksiä selvittää VTT. Lisäksi hankkeessa drooniparvien toteutusta sekä ihmisen ja robottien vuorovaikutusta tutkivat VTT ja Oulun yliopisto.

Hanketta rahoittava EU:n elpymisvälinerahoitus vauhdittaa yhteiskunnan toipumista koronaepidemian aiheuttamista ongelmista. Akatemian koordinoima rahoitus kohdistuu vihreän ja digitaalisen siirtymän edistämiseen tutkimuksen avulla.

”Emme me olisi pystyneet näin kattavaa tutkimusta toteuttamaan ilman EU-rahoitusta. Rahoitus mahdollisti keskeisten osa-alueiden ottamisen hankkeeseen ja monitieteellisen yhteistyön, joka mahdollistaa teknologiset läpimurrot.”

Teksti: Visa Noronen
Kuvat: Eija Honkavaara, Lauri Markelin, Teemu Hakala ja Pekka Jussila