Yliopistossa kehiteltävä sovellus auttaa Helsingin kaupunkia valitsemaan katujen varsille oikeat puut ja hoitamaan niitä mahdollisimman hyvin ja kustannustehokkaasti. Se on tärkeää, sillä kaupunkipuut paitsi viilentävät ilmaa ja tuovat suojaa, myös torjuvat ilmastonmuutosta.

Helsingin kantakaupunki tammikuisena yönä 2017. Viitisenkymmentä kadun varrella kasvavaa lehmusta on vähän aikaisemmin saanut kunnostustöiden nimissä kaatotuomion. Vielä toistaiseksi pystyssä olevien puiden lomassa liikkuu ryhmä tutkijoita Helsingin yliopistosta.

Ryhmä virittelee paikoilleen kolmijalan varassa seisovaa, parin maitotölkin kokoista laitetta. Hetken kuluttua välkkyvä lasersäde pyyhkii lähes ihmissilmän näkymättömissä puiden runkoja ja oksistoa. Muutaman minuutin kuluttua tutkijat siirtävät kolmijalkaa, ja pian sama toistuu. Parin tunnin aikana kahdentoista lehmuksen kuvat tallentuvat laitteen muistiin kuin pienenpienillä pisteillä töpöteltyinä, ohuimpienkin oksien tarkkuudella.

Muutama päivä myöhemmin osa lehmuksista makaa maassa Helsingin kaupungin varikolla pölleiksi ja oksakasoiksi lajiteltuina. Tutkijat punnitsevat puun rungot ja oksat erikseen, jotta selviää, paljonko hiiltä puut ovat elämänsä aikana nielleet.

Lehmukset muuttuvat pian datajoukoiksi, jotka elävät tämän jälkeen enää Helsingin yliopiston tutkijoiden tietokoneissa.

Mechelininkatu lehmus laser scan

Mechelininkadun lehmus on siirtynyt tietokoneellemaasta tehtävän laserkeilauksen avulla. Kuva: Topi Tanhuanpää

Kaupunkipuulla on monta tehtävää

Urbaani puu kohtaa elämänsä aikana vakavaa stressiä. Sen juuristo ja latvus eivät aina pääse levittäytymään, minne haluavat, kaivutöissä katkeaa juuria, runko kolhiutuu, eikä ilmanlaatu ole aina ihanteellinen. Kaupungissa voi myös olla lämmintä tai valoisaa kummallisiin aikoihin, mikä saattaa sekoittaa puun ymmärrystä vuoden- ja vuorokaudenajoista.

Silti kaupunkipuu tarjoaa eri lajeille suojaa ja monipuolisia elinympäristöjä yhtä lailla kuin sukulaisensa metsässä. Kaupunkipuu myös sitoo hiiltä eli hillitsee kasvihuonepäästöjä ja sitä kautta ilmastonmuutosta, alentaa ympäristön lämpötilaa varjostamalla ja haihduttamalla, pienentää kaupunkitulvien riskiä ja tarjoaa kaupunkilaisille esteettisiä iloja ja viihtyisyyttä.

Urbaani puu kohtaa elämänsä aikana vakavaa stressiä.

Toisaalta puusta koituu kaupungille myös kustannuksia. Sitä kasvatetaan vuosia taimistolla ennen kadunvarteen istuttamista, ja istutuspaikka valmistellaan huolellisesti kunnallistekniikan ja katualueiden puristukseen. Puu tuetaan ja sitä kastellaan sen ensimmäiset vuodet, sen runko ja juuristoalue suojataan kolhuilta, sitä leikataan ja sen kuntoa tarkkaillaan.

Puut ovat niin merkittävä osa kaupungin ja kaupunkilaisten hyvinvointia, että tutkijat pyrkivät mittausten avulla luomaan malleja siitä, miten puut ja niiden eri lajit kasvavat ja toimivat erilaisissa ympäristöissä. Millaiseksi esimerkiksi kehittyy katukanjonissa kasvava 70-vuotias lehmus verrattuna yksittäiseen nurmialueen keskellä tai pienessä metsikössä kasvavaan ikätoveriinsa? Miten kahden esimerkkipuun biomassa tai kuiva-ainepitoisuus poikkeavat toisistaan?

Mallintaminen auttaa kaupunkia esimerkiksi erilaisiin ympäristöihin parhaiten sopivien ja helpoiten hoidettavien puulajien valinnassa. Mallintamalla on myös helppo kuvitella, miltä ympäristö puineen näyttää vaikkapa 40 vuoden kuluttua.

Tällaisten yksityiskohtien selvittämiseen tarvitaan uutta teknologiaa, kuten kaukokartoitusmenetelmiin kuuluvaa laserkeilausta. Sitä Helsingin kaupunki ja yliopisto ovat tehneet yhdessä 2010-luvun alusta asti.

Kaikki puut laserilla pisteiksi

Laserkeilauksessa keilain lähettää laserpulssin kohti alla olevaa maastoa ja mittaa sitten kohteesta heijastuneen pulssin paluuseen kuluneen ajan. Aikaeron ja keilaimen sijainnin perusteella voidaan määrittää piste, josta yksittäinen pulssi on heijastunut.

Kun mittaus toistetaan miljoonia kertoja, syntyy pistepilvi, josta voidaan hahmottaa maaston korkeussuhteita ja puiden tai talojen korkeutta. Pulssien lähetystiheydestä, koneen korkeudesta ja sen lentonopeudesta riippuu, millä tarkkuudella eri muodot maassa saadaan talteen.

Helsingin kaupungin alueella on tehty laserkeilausta ilmasta käsin jo vuodesta 1999. Keilauksen tuottamaa dataa käytettiin aluksi lähinnä erilaisissa rakennetun ympäristön analyyseissä, mutta 2010-luvun alussa teknologiaa alettiin hyödyntää myös kaupunkipuiden kartoittamisessa.

Kymmenien tuhansien puiden rekisteri

Yliopiston ja kaupungin yhteisprojektin tavoite oli aluksi yksinkertainen: Lasketaan kaupungin katupuut näppärämmin kuin jalkapatikassa.

– Meillä oli jo tuolloin katupuurekisteri, mutta tiedossa oli, että se ei suinkaan kata kaikkia puita. Lisäksi rekisteri sisälsi usein vain muutamia tietoja puusta, kuten esimerkiksi sen paikan ja ehkä aikanaan määritetyn läpimitan, mutta ei juurikaan tietoja esimerkiksi puiden korkeudesta tai latvuksen leveydestä, sanoo puuasiantuntija Juha Raisio Helsingin kaupungilta.

Projektiin liittyi Topi Tanhuanpää Helsingin yliopiston maatalous-metsätieteellisestä tiedekunnasta. Tanhuanpää hyödynsi ilmasta käsin tehtyjä laserkeilauksia ja kehitti sovelluksen, jonka avulla saatiin hahmotettua esimerkiksi katupuurivistön yksittäisten puiden lukumäärä ja niiden latvusten ääriviivat ylhäältä päin katsottuina.

Avuksi tarvittiin lisäksi puiden sijainti sekä korkeuden ja rungon läpimitan maastomittauksia. Lopulta rekisterissä olevien noin 20 000 puun tiedot saatiin päivitettyä.

Tarkka tieto auttaa hoitamaan ja säästää rahaa

Projektissa kerätyn, entistä täsmällisemmän tiedon ansiosta Helsingin kaupunkipuurekisterin ylläpito on nyt aiempaa helpompaa. Ajantasaista tietoa katupuista tarvitaankin koko ajan lisää.

Kun yksittäisten puiden ominaisuuksia ymmärretään paremmin, kaupunkiympäristön suunnittelu-, rakennus- ja hoitotyöt on helpompi toteuttaa kokonaisuutena. Puut ovat kasvava ja muuttuva elementti, ja mallintamisen avulla voidaan ennustaa maiseman ja hoitotarpeen kehitystä vuosikymmentenkin päähän. Samalla töiden kustannukset voidaan arvioida tarkasti etukäteen.

Kaukokartoitus voi tulevaisuudessa toimittaa myös puiden terveystarkastuksen virkaa. Jos esimerkiksi puiden kasvuolosuhteissa tapahtuu muutoksia, asiaan voi olla mahdollista puuttua nopeasti.

– Voisin kuvitella, että esimerkiksi pitkän kuivuusjakson aikana nuorimpia puukujanteita osattaisiin alkaa ajoissa kastella riittävän tiheästi, jos kaukokartoituksen tulokset viittaisivat vedenpuutteeseen. Tällaisten ongelmien havaitsemiseen tosin tarvittaisiin esimerkiksi uusia laserkeilausta täydentäviä kuvausmenetelmiä. Niitä on jo yliopistolla kehitteillä, Juha Raisio sanoo.

Tavoitteena 3D-virtuaalipuisto

Helsingissä tutkitaan nyt katupuiden lisäksi muitakin viheralueiden puita. Tällä hetkellä tavoitteena on saada aikaan laserkeilaukseen perustuva sovellus, jota voidaan käyttää puistopuiden kartoittamiseen ja niiden ominaisuuksien keräämiseen.

Katupuista löytyy yleensä sijaintitieto, eli paikka, jossa puun tyvi on. Puistoissa tilanne on mutkikkaampi.

– Osa Helsingin puistoalueista on hyvin metsämäisiä, eikä puiden tarkkaa sijaintia ole tiedossa. Varsinkin vanhojen lehtipuiden latvukset ovat monimuotoisia, ja lisäksi osa puista voi kasvaa toisten puiden alla. Sitten meillä on erilaisia tolppia, vaijereita ja patsaita, jotka pitäisi pystyä perkaamaan pois laserkeilausaineiston pistepilvestä. Tästä tulee lisää haasteita sovelluksen kehittämiselle, vuonna 2016 Helsingin katupuiden laserkeilauksen avulla toteutetusta 3D-mallinnuksesta väitellyt ja projektissa jatkava tutkijatohtori Topi Tanhuanpää professori Markus Holopaisen tutkimusryhmästä toteaa.

3D-mallin avulla voidaansuunnitella rakentamista ja ennakoida hoitotarpeita vain pyöräyttelemällä puumalleja tietokoneen ruudulla.

Tavoitteena on lopulta luoda Helsingin puistoista 3D-virtuaalimalli. Sen avulla voidaan suunnitella rakentamista ja ennakoida hoitotarpeita vain pyöräyttelemällä puumalleja tietokoneen ruudulla. Asiantuntijoiden tarvitsee aiempaa harvemmin jalkautua kadunvarteen, kun tietyt asiat voidaan nähdä jo ilmasta tai ennustaa mallin perusteella.

3D-malli on oivallinen apu myös kaupungin hiilitaseen arvioimisessa, eli siinä, miten maankäytön muutokset vaikuttavat kaupungin kasvillisuuteen ja maaperään sitoutuvaan hiilen määrään. Tätä kautta saadaan aivan uutta tietoa siitä, mikä on kaupungin osuus ilmastonmuutoksen torjumisessa.