Snow measurements with drones

Abstract

Snømåling med drone ved bruk av fotogrammetri for å lage 3D modellar av eit område er ein ny teknologi som kan vere veldig nyttig for vasskraftselskap for å berekne snømagasin. Med det kan vasskraftselskapa finne forventa avrenning frå snømagasinet til vassmagasina. Eit forbetra anslag for forventa avrenning frå snømagasinet vil gje eit betre grunnlag for å planlegge bruk av vassmagasinet og auke inntekt frå produksjon. Snøvolum var førespurt til å bli funnen på tre forskjellege plassar i Sira-Kvina kraftselskap sitt nedbørsfelt. Dei tre valde plassane var Flatstøl, Tjørhom og Nesjen som er lokalisert i ulike områder av nedbørsfeltet. Ved desse stadane var det utført fotogrammetri ved hjelp av drone med og utan snø på bakken. 3D modellar frå fotogrammetrien var laga i programmet Pix4Dmapper og volumkalkuleringar vart utført i programmet CloudCompare. Før flygning med fotogrammetri på vinterstid vart fleire prøveflygningar utført i forskjellege vêrforhold for å validere kva slags vêrforhold som fungerte og ikkje. Resultatet frå desse prøveflygningane slo fast at det var kun vêrforhold med sol frå klar himmel som var tilstrekkeleg på grunn av for mykje lysrefleksjon i overskya vêr. Frå vinterflygningane ved Tjørhom var ikkje GPS-en i drona korrekt kalibrert og 3D modellen som vart laga var dermed ubrukeleg. Frå 3D modellane ved Nesjen var modellen frå bar grunn og snødekt grunn skeive i forhold til kvarandre, noko som gjorde dei ubrukelege for volumkalkulering. 3D modellane frå Flatstøl var utan problem utanom ein liten forskyving i x og y retning mellom modellane. Frå Flatstøl vart det funne ei gjennomsnittleg snødjupn på 0,48 meter frå fotogrammetri og ei snødjupn på 0,35 meter frå manuelle målingar. Det vart funne ein auke i snøvolum på 38% i 3D modellane i forhold til manuelle målingar. Resultata viser at med eit større areal dekt ved hjelp av ei drone så finn ein meir forskjellar i snødjupne enn ved manuelle målingar. Det auka kalkulerte snøvolumet gjev moglegheiter for betre planlegging av bruk av vassmagasin sidan den kalkulerte mengda avrenning er høgare. Ved å anta at kalkulert auka avrenning er gyldig for halve nedbørsfeltet til Sira-Kvina kraftselskap, så er det funne ei auka avrenning på 59,67 millionar m3. Ved å produsere meir kraft i periodar med høg etterspørsel av straum, er ei ekstra inntekt på 1,496 millionar kroner forventa.

Snow measurement with drones by use of photogrammetry to create 3D models of an area is a new technology that can be very useful for hydropower companies to estimate snow storage. With that, the hydropower companies can find the expected runoff from the snow storage into the reservoirs. An improved estimation of expected runoff from snow storage will give better foundation to plan the operation of the reservoir and increase the income from production. Snow volume was requested to be measured at three different sites in Sira-Kvina Power Company’s catchment area. The three chosen sites were Flatstøl, Tjørhom and Nesjen which is located in different areas of the catchment area. At these sites, photogrammetry with drone were performed with and without snow on the ground. 3D models from photogrammetry was made in the Pix4Dmapper software and volume calculations were performed in the software CloudCompare. Several test flight were performed in different weather conditions to validate which conditions were working or not, before flights in wintertime to take photogrammetry of the snow. The results from the test flights revealed that only conditions with sun from clear sky was appropriate due to much light reflection from the snow in overcast weather. From the winter flight at Tjørhom, the GPS in the drone was not correctly calibrated and the obtained 3D model was not usable. At Nesjen, 3D models from bare ground and snow covered ground was twisted according to each other and not usable for volume calculation. The 3D model at Flatstøl was without issues except from a small offset between the two models in x and y direction. From Flatstøl, a mean snow depth obtained from photogrammetry was 0.48 meters and from manual measurement, a snow depth of 0.35 meter was found. An increase in snow volume of 38% was found from the 3D models according to the manual measurements. According to this, the results showed that with a larger area covered by the drone, more differences in snow accumulation is obtained than with manual measurements. The increased calculated snow volume gives possibility for better planning of operation of reservoirs since the calculated runoff would be higher. By assuming that the calculated increased expected runoff is valid for half of Sira-Kvina Power Company’s catchment area, an increase in calculated runoff of 59.67 million m3 of water is found. By producing more power in high demand periods, an extra income of 1.496 million NOK is expected.