Kuvatulkintaan perustuvat virtaaman mittausmenetelmät
Välimäki, Juha-Matti (2020-01-15)
J.-M. Välimäki
15.01.2020
© 2020 Juha-Matti Välimäki. Tämä Kohde on tekijänoikeuden ja/tai lähioikeuksien suojaama. Voit käyttää Kohdetta käyttöösi sovellettavan tekijänoikeutta ja lähioikeuksia koskevan lainsäädännön sallimilla tavoilla. Muunlaista käyttöä varten tarvitset oikeudenhaltijoiden luvan.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202001171026
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202001171026
Tiivistelmä
Tutkielman tarkoituksena on arvioida kuvatulkintamenetelmien soveltuvuutta Suomessa tehtäviin virtaamamittauksiin. Virtaama on käytettävissä olevien vesivarojen tarkin mitta sekä veden kiertokulun tarkimmin mitattavissa oleva suure, joten sillä on suuri käytännön merkitys. Virtaamatietoja käytetään muun muassa vesistöjen säännöstelyssä, tulvariskien hallinnassa, erilaisissa vesistömalleissa ja tutkimusten pohjatietona.
Kuvatulkintamenetelmistä tarkemmassa tarkastelussa ovat aiemmin mekaniikan alalla vakiintuneeseen PIV-menetelmään (Particle Image Velocimetry) pohjautuvat LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) sekä STIV (Space Time Image Velocimetry). Kuvatulkintamenetelmien periaate on yksinkertainen; kuvataan tutkittavaa uomaa ja havainnoidaan veden pintavirtauksessa tapahtuvaa muutosta kahden tai useamman kuvan välillä, jonka perusteella lasketaan nopeus. Muutos voi perustua pintavirtauksen mukana kulkevien hiukkasryhmien paikan (LSPIV) tai vedenpinnan kirkkauden (STIV) muutokseen, jonka perusteella saadaan tilastollisin menetelmin laskettua vedenpinnan virtausnopeus. Yhdistämällä virtausnopeus uoman poikkileikkauksen mittoihin sekä tietoon vedenkorkeudesta, saadaan arvio virtaamasta.
Kuvatulkintamenetelmiä on sovellettu monipuolisesti erilaisissa tutkimuskohteissa ja niiden on todettu olevan riittävän tarkkoja, vaikka niiden käyttöön liittyykin monia mittausepävarmuutta tuottavia tekijöitä. Muun muassa vaihtelevat maasto- ja virtausolosuhteet, kameran ominaisuudet, kuvausetäisyys, kuvakulma sekä kuvausalustan liike tuottavat satunnaista virhettä mittauksiin.
Kuvatulkintamenetelmät näyttäisivät soveltuvan hyvin perinteisten mittausmenetelmien rinnalle Suomessa tehtäviin virtaamamittauksiin. Menetelmien vahvuuksia ovat muun muassa kustannustehokkuus, mittausnopeus ja toistettavuus sekä työturvallisuus, koska mittaus ei edellytä kontaktia veden kanssa. Kumpikin menetelmä voidaan automatisoida tuottamaan lähes jatkuvaa virtaamatietoa. Hyödyntämällä drooneja yhdessä kuvatulkintamenetelmien kanssa, voidaan tutkimuksia tehdä lyhyellä varoitusajalla ja poikkeuksellisissakin virtausolosuhteissa, kuten tulvien aikana.
Kuvatulkintamenetelmistä tarkemmassa tarkastelussa ovat aiemmin mekaniikan alalla vakiintuneeseen PIV-menetelmään (Particle Image Velocimetry) pohjautuvat LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) sekä STIV (Space Time Image Velocimetry). Kuvatulkintamenetelmien periaate on yksinkertainen; kuvataan tutkittavaa uomaa ja havainnoidaan veden pintavirtauksessa tapahtuvaa muutosta kahden tai useamman kuvan välillä, jonka perusteella lasketaan nopeus. Muutos voi perustua pintavirtauksen mukana kulkevien hiukkasryhmien paikan (LSPIV) tai vedenpinnan kirkkauden (STIV) muutokseen, jonka perusteella saadaan tilastollisin menetelmin laskettua vedenpinnan virtausnopeus. Yhdistämällä virtausnopeus uoman poikkileikkauksen mittoihin sekä tietoon vedenkorkeudesta, saadaan arvio virtaamasta.
Kuvatulkintamenetelmiä on sovellettu monipuolisesti erilaisissa tutkimuskohteissa ja niiden on todettu olevan riittävän tarkkoja, vaikka niiden käyttöön liittyykin monia mittausepävarmuutta tuottavia tekijöitä. Muun muassa vaihtelevat maasto- ja virtausolosuhteet, kameran ominaisuudet, kuvausetäisyys, kuvakulma sekä kuvausalustan liike tuottavat satunnaista virhettä mittauksiin.
Kuvatulkintamenetelmät näyttäisivät soveltuvan hyvin perinteisten mittausmenetelmien rinnalle Suomessa tehtäviin virtaamamittauksiin. Menetelmien vahvuuksia ovat muun muassa kustannustehokkuus, mittausnopeus ja toistettavuus sekä työturvallisuus, koska mittaus ei edellytä kontaktia veden kanssa. Kumpikin menetelmä voidaan automatisoida tuottamaan lähes jatkuvaa virtaamatietoa. Hyödyntämällä drooneja yhdessä kuvatulkintamenetelmien kanssa, voidaan tutkimuksia tehdä lyhyellä varoitusajalla ja poikkeuksellisissakin virtausolosuhteissa, kuten tulvien aikana.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38821]