Jokamiehen laserkeilain 3D-mallintaa maailman

Tutkija Anttoni Jaakkola napsauttaa robottihelikopterin varmistimen pois päältä ja ottaa radio-ohjaimen käteensä. Kopterin kuusi roottoria heräävät eloon ja herhiläinen nousee porvoolaisen voimalinjan ylle kolme kiloa hyötykuormaa mukanaan.

– Nyt se on autopilotilla. Näyttää seuraavan lentoreittiä hyvin, läppäriltä tilannetta silmäilevä kollega Antti Laiho kertoo.

– Koiranulkoiluttaja on tulossa sinne, särähtää radiopuhelimesta muutaman sadan metrin päässä tähystäjänä toimivan Nina Gunellin ääni.

– Oli komea ampiainen, paikalle saapuva koiranomistaja huikkaa ja utelee, mitä täällä tapahtuu. 

– Sähkölinjoja tarkastetaan. Tätä on aiemmin tehty isolla helikopterilla. Se on aika kallista, Jaakkola valistaa.

Koiralla tai omistajalla ei sen sijaan ole aavistusta siitä, että he päätyivät hetki sitten osaksi linjan aluskasvillisuutta kartoittavaa 3D-mallia. Pään yli pörränneen kopterin laserkeilain skannaa maastoa käsittämättömällä nopeudella, 300 000 pistettä sekunnissa.

– Linjaa tarkastetaan 40 metrin korkeudelta, joten mittauspisteitä on satoja neliö-metriä kohti.

Tavoitteena jokamiesluokka

Laserkeilaus on kätevä teknologia fyysisen maailman 3D-mallintamiseen. Kolmi-ulotteinen malli kerrostalosta tai metsän puusto-kartta syntyvät tietotekniikan keinoin silmänräpäyksessä. Edellytys on, että keilainta voidaan liikutella.

Ensimmäiset mobiilit laserkeilaimet tulivat markkinoille vuoden 2005 tienoilla. Laitteistot kiinnitettiin aluksi auton katolle. Esimerkiksi katuympäristöä kuvaavissa Googlen Street View -autoissa on myös laserkeilain, joka tuottaa samalla kolmiulotteista tietoa -ympäristöstään.

– Tuolloin pelkät mobiilin laserkeilaimen komponentit maksoivat 200 000 euroa, valmis laite noin 500 000 euroa. Suomessa oli ehkä pari kartoitusyritystä, jotka olisivat pystyneet ostamaan laitteiston.

Jaakkola ja muut Geodeettisen laitoksen tutkijat päättivät vuonna 2008 kokeilla, pystyisivätkö he rakentamaan halvemman ja kevyemmän laserkeilaimen.

Jaakkolan väitöstyön tärkein tutkimuspaperi ilmestyi jo vuonna 2010. Siinä Jaakkola ja tutkijakollegat esittelivät maailman ensimmäisen minihelikopteri-laserkeilaimen nimeltään Sensei. Tutkijoiden kehittämää laserkeilainta testattiin aluksi auton katolla tieympäristön luokittelussa. Ilmaan seitsemän kilon painoinen paketti nousi ensi kertaa syksyllä 2009. Aiemmat mobiilikeilaimet olivat painaneet kymmeniä kiloja, joten niiden lennättäminen olisi vaatinut miehitetyn lentolaitteen.

– Fotogrammetrian tutkijat olivat hankkineet radio-ohjattavan kopterin. Mietin, että myös laserkeilaimemme pitää saada ilmaan. Haimme kaupasta isoimman yksiroottorisen helikopterin, Jaakkola muistelee.

Sensei on vuosien varrella mitannut lintu-perspektiivistä käsin esimerkiksi lumen syvyyttä ja kartoittanut metsiä.

Nyt sähkölinjojen yllä lentää tutkimuskäytössä jo toisen sukupolven laite, jolla ei vielä ole edes nimeä. Laitteisto on vuosien varrella laihtunut alkuperäisestä seitsemästä kilosta noin kahden kilon painoiseksi. 

Tutkimusprojektista on samaan aikaan syntynyt bisnestä. Vuonna 2013 perustettu Sharper Shape Oy kehitti automaattista analyysi-ohjelmistoa miehitetyillä helikoptereilla kerätylle laserkeilausdatalle. Tuotekehitystä rahoittaneen Tekesin edustaja vinkkasi yritykselle laserkeilauksen huippuyksikön kehittämästä minihelikopteri-laserkeilaimesta. 

Sharper Shapen ydinbisnes on ohjelmisto, joka analysoi voima- ja putkilinjojen tai vaikkapa junaradan kuntoa. Kun yrityksen ohjelmisto ja tutkijoiden kehittämä minihelikopteri-laserkeilain yhdistettiin, tuli datan keruusta entistä halvempaa. Yrityksen liikevaihto hätyyttelee jo miljoonaa euroa. Jaakkola on yksi yrityksen osakkaista. Tänä syksynä laitteisto nousee Suomen taivaalle seitsemän sähköyhtiön linjoja -tarkastamaan.

– Pääasia on kasvillisuuden raivaustarpeen analysointi laserkeilauksella: onko linjalle kaatuvia puita ja onko alla oleva kasvillisuus liian korkeaa, Jaakkola kertoo.

Valmiina lentoon. Anttoni Jaakkola ja Sharper Shape Oy:n Nina Gunell säätävät vielä kameran asetuksen kohdilleen.

Kopterin still-kamera taas kuvaa voimalinjan pylväät.

– Jokaisesta pylväästä tarkastetaan, että komponentit ovat paikallaan ja kunnossa.

Aiemmin pienet sähköyhtiöt ovat tarkastaneet linjoja jalkapatikassa, isot täysikokoisesta kopterista tähystäen. Laserkeilaimella työ sujuu paljon nopeammin, ja ennen kaikkea tarkemmin. Kunhan kopterien toimintasäde kasvaa, keilain voi paikallistaa esimerkiksi myrskytuhot nopeasti.

Ihan vielä keilainta ei kai voi lähettää aamulla töihin toimiston ikkunasta?

– Ei vielä, valitettavasti, Jaakkola nauraa.

Kallein palikka satelliittipaikannin

Kun akut on vaihdettu, nousee keilain jälleen voimanlinjan ylle ja häviää autopilotin ohjaamana näkyvistä, tällä kertaa pohjoisen suuntaan.

– Raakadataa tallentuu lennolla 100 megatavua minuutissa, Jaakkola kertoo.

Vaikka laitteisto on tiettävästi maailman ensimmäinen kaupallisesti lentävä laserkeilain, vielä ainutlaatuisempi on data-virtaa ymmärrettävään muotoon tulkkaava ohjelmisto. 

– Kaikki osat saa kaupan hyllyltä. Ajatus on, että tämän kaltaisia lentäviä laitteita voisi olla maailma täynnä. Paikallinen operaattori lentää, ja me tarjoamme softaa.

Teknologia kehittyy jatkuvasti. Konttorilla odottaa jo pykälää järeämpi kopteri, joka tarkastaa voimalinjaa useita kilometrejä yhdellä lennolla. Samaan aikaan laserkeilaimen komponenttien hinnat ovat romahtaneet. 

– Kallein palikka on satelliittipaikannin, noin 10 000 euroa. Käyttämämme laserkeilain maksaa 8 000 dollaria. Muutama vuosi sitten se olisi ollut sadan tonnin vehje.

Pian lentäjällä on edessään paluu oman työpöydän ääreen, Maanmittauslaitoksen laserkeilauksen tutkimusryhmän vetäjäksi.

– Olen nyt vain pari viikkoa avustamassa maastossa, kun on kiirettä.

Jaakkolan tutkimusryhmä kuuluu Suomen Akatemian laserkeilauksen huippuyksikköön, jossa on kaikkiaan 35 tohtoritason tutkijaa Maanmittauslaitokselta, Oulun ja Helsingin yliopistoista sekä Aallosta. Huippuyksikkö-statukselle todella on katetta.

– Julkaisuilla ja viittauksilla mitaten olemme laserkeilauksessa maailman paras tutkimusyksikkö, Jaakkola kehaisee.

Jaakkola asensi laserkeilaimen ensimmäisenä maailmassa minihelikopterin kyytiin. Myös moni huippuyksikön tutkija-kollega voi kehua tehneensä jotakin ensimmäisenä maailmassa. 

– Meillä on tehty maailman nopeimpia mobiilikeilaimia ja maailman ensimmäinen reppukeilain. Sillä saa kilpailuetua, kun demonstroi ensimmäisenä, että tämä on mahdollista ja tekee ensimmäiset algoritmit ja sovellukset. Sen sijaan algoritmien vääntäminen vielä vähän paremmaksi on hidasta työtä. Siinä vaiheessa me olemme jo siirtyneet seuraavaan tutkimus-aiheeseen, kehuu Jaakkola huippuyksikön vikkelyyttä.

Tulevaisuudessa autoihin ja kännyköihin

Laserkeilausteknologia tekee tuloaan myös kuluttaja-tuotteisiin, autoihin ja kännyköihin. Laserkeilain on tärkeä aisti esimerkiksi tulevaisuuden itseajavissa autoissa, sillä se pystyy havainnoimaan ympäristöä myös pimeässä. Teknologia voisi varoittaa myös nykyautojen kuljettajia esimerkiksi tiellä olevista esteistä.

– Autot voisivat tehdä kartoitusta aina liikkuessaan, esimerkiksi tarkastaa, onko tien varressa vapaita parkkipaikkoja. Sen kaltaisia sovelluksia tullaan varmasti näkemään.

Pian sama teknologia on luvassa myös meidän jokaisen -taskuun.

– Googlen Project Tango on tuomassa etäisyyskameran kännykkään. Se tuottaa laserkeilausta vastaavaa kolmiulotteista piste-pilvi-informaatiota.

Mutta mihin me tarvitsemme henkilökohtaista 3D-skanneria? Tutkija jää pohtimaan asiaa. Onko hittisovellus seuraavan sukupolven selfie, 3D-malli omasta naamasta? Ehkä ei, mutta sovelluskohteita riittää.

– Laserkeilain voi esimerkiksi helpottaa näkövammaisten liikkumista oudossa ympäristössä ja varoittaa esteistä. 

Anttoni Jaakkola toimii ilma-aluksen päällikkönä. Kun kopteri lentää näköetäisyyden ulkopuolella, on Finavialta varattu ilmatilaa 400 jalan korkeuteen voimalinjan yläpuolelta.