E!114169 AGAVE: AI-based Geomodels from UAV Geoscanning for sustainable infrastructure development

AGAVE: AI-baserte geomodeller ved hjelp av ubemannet luftfartøy (UAV) geoskanning for bærekraftige infrastrukturprosjekter. I 2018 stod byggesektoren for 36% av det totale energiforbruket, og hele 39% av energi- og prosessrelaterte CO2 utslipp. En av de største utfordringene i infrastrukturprosjekter er den begrensede kunnskapen om det som befinner seg under bakken. Ved bygging av veier, tunneler eller broer er det viktig å søke mest mulig bærekraftige løsninger ved å optimalisere ressursutnyttelsen og begrense fotavtrykk. Mangelen på kunnskap om geologiske faktorer er anslått til å forårsake kostnadsoverskridelser på 20-50 % i over 90 % av infrastrukturprosjekter på global basis. I dag brukes konvensjonelle tilnærminger som geotekniske boringer og prøvetaking for å få informasjon. Dette er kostbart, krever omfattende tidsbruk og informasjonen er begrenset. Det finnes en skalerbar løsning: luftbåren elektromagnetisk teknologi (AEM). Ved å bruke elektromagnetisk puls generert av en stor sensor kan man måle resistivitet i bakken. Teknologien gjør det mulig å få oversikt over grunnforholdene fra flere titalls opp til flere hundre meter ned i bakken og kan dekke store områder på kort tid. Imidlertid er slike systemer for øyeblikket store og tunge, og krever helikopter for bruk. Dette begrenser bruken av slike systemer til store infrastrukturprosjekter. Målet med AGAVE-prosjektet har vært å redusere størrelse og vekt på slike systemer for å muliggjøre bruk av UAV (ubemannede luftfartøyer) isteden for kostbare helikoptre. Sammen med maskinlæring kan man sammenstille informasjon fra strategiske grunnboringer og geoskanningen til å utvikle 3D-modeller som viser grunnforholdene i de angitte områdene. Utviklingen vil gjøre AEM-teknologien tilgjengelig også for mindre prosjekter. Dette innebærer at flere kan dra nytte av fordelene som kommer med høyoppløselige 3D-modellene av de geologiske grunnforholdene i de undersøkte områdene, til lavere kostnader og på kortere tid. Kort sagt, vi utvikler dronebasert «supermannsyn» for å få innsikt i geologiske grunnforhold. Etter tre år med felles utviklingsarbeid har AGAVE-teamet stolt oppnådd betydelige milepæler mot prosjektmålet. To viktige prestasjoner er vellykkede tester av den dronebaserte geoskanningsløsningen og produksjonsklar sky- og maskinlæringsbasert databehandling og modellbyggingsteknologi. En betydelig prestasjon i prosjektet var å få godkjenning til å fly dronesystemet, som så vidt vi vet, er den første flygningen av sitt slag i Europa. Denne prestasjonen, ledet av prosjektpartnerne SDU og SkyTEM, resulterte i felttester i Danmark, der dataene som ble samlet inn ved bruk av dronen viste oppløsning sammenlignbar med eksisterende data samlet inn fra samme sted ved bruk av bakkebaserte geofysiske metoder. Systemtester utført i Norge og Danmark viste hvordan det er mulig å produsere data og modeller som samsvarer med den virkelige verdenen med nåværende versjon av systemet. Både teamet og den nye teknologien er nå klare til å håndtere dronebaserte data når systemet blir kommersialisert. Innledende prototyper av arbeidsflyt og algoritmer var funksjonelle allerede i begynnelsen av prosjektet, og fungerte som grunnlag for de første geologiske tolkningsproduktene. Gjennom prosjektet ble det gjort betydelige fremskritt på flere fronter. Nye tilnærminger til geologisk modellering ble testet, robust systemarkitektur ble utviklet, og avanserte kvalitetssikringsverktøy ble prototypet og implementert, for å nevne noe. Som et resultat har denne nye teknologien vist seg som et mer avansert og effektivt alternativ til tradisjonelle metoder, som vil gi betydelig større verdi for nåværende og fremtidige kunder. Den nåværende helikopterbaserte løsningen har en betydelig startkostnad samtidig som den gir lavere oppløsning sammenlignet med dronebaserte systemer, noe som begrenser avkastningen på investeringen for mindre infrastrukturprosjekter som er avhengige av presisjon og har begrensede budsjetter for grunnundersøkelser. Dronesystemet er allerede godkjent for flyging i Danmark, og etter AGAVE, i løpet av neste år, skal godkjenningen overføres til Norge. Der skal systemet testes i samarbeid med prosjektutviklere og entreprenører. Så fort utviklingen er helt ferdig ønsker EMerald og SkyTEM å sørge for at den UAV-baserte arbeidsflyten og systemet blir den nye standarden for grunnundersøkelser, og lover lavere kostnader, raskere utførelse og økt nøyaktighet og oppløsning. Denne utviklingen muliggjør nye anvendelser av slik teknologi, og bidrar til et betydelig og historisk fremskritt i bransjen der sikrere, mer omfattende og lavere risikoinvesteringer i infrastrukturprosjekter kan gjøres, og legger grunnlaget for spennende og ny utvikling i fremtiden.

The desired impact of the project was to reduce the likelihood for budget overruns in infrastructure and greenfield development projects by cutting the total overall ground investigation costs. The effects of which are enabled through an integrated, high-resolution ground investigation workflow consisting of a geoscanning system carried by an unmanned aerial vehicle (UAV), machine- learning-based data integration and a drastically reduced invasive sampling program. The overall impact has successfully been demonstrated in recent geoscanning project carried out in partnership between EMerald and SkyTEM, albeit based on helicopter rather than UAV surveys. Recent railway planning projects in Brazil have demonstrated the project teams’ joint value proposition, demonstrated both risk reduction and a drastic reduction for the need of traditional ground investigation (drilling) programs. The developed ML workflows played, and will continue to play a key role in these achieved impacts and lay the foundation for future commercial deployments of the UAV sensor.

We will reduce geological risk for infrastructure development projects worldwide. We will develop a higher-resolution, UAV-based geoscanning system combined with machine-learning-based data processing workflows. Project owners and contractors will receive seamless 3D models with statistical precision over the full project area based on our data and a small number of strategically placed boreholes. Globally, 90 % of infrastructure projects encounter cost overruns of 20-50 %. This is costing society unacceptable amounts of time and money. A lack of thorough geological understanding is frequently identified as a key contributor to these overruns. Our technology will significantly improve knowledge and thus decrease this risk. Public funds can be saved, and decisions can be made with a better understanding of the involved risks, improving the sustainability of infrastructure development. Traditionally, costly direct ground investigations are used to investigate ground conditions. We have demonstrated that our method's return of investment is high when used to reduce traditional investigations. With our proposed development the price point will further decrease, due to the increased efficiency our margin will increase. With increasing market acceptance, our profits will benefit from an increased margin and market share.