In het Pelikaandrone-project worden drie innovatieve ideeën gecombineerd: het beter meten van het ecosysteem, het koppelen van data met remote sensing vanuit de drone en later ook vanuit satellieten, en als derde het automatisch ophalen van monsters met een drone.
Micro-organismen staan aan de basis van de voedselketen en reageren razendsnel op omstandigheden. Soms zijn ze het probleem (zoals blauwalg), soms kunnen we ze juist gebruiken als indicator voor de kwaliteit van het oppervlaktewater. Massale sterfte van micro-organismen of explosieve groei daarvan is een signaal dat er waarschijnlijk iets mis is.
Monsters worden nu nog handmatig vanaf de wal of een vaartuig genomen en naar het laboratorium gestuurd voor microscopische determinatie. Het transport van een monster naar het laboratorium is een handeling die de kwaliteit ervan negatief beïnvloedt vanwege de snelle degradatie. De huidige praktijk van chemische fixatie van monsters vertraagt de degradatie weliswaar, maar beïnvloedt het monster zelf ook. Verder zullen de kosten die met deze manier van bemonstering gepaard gaan, de precisie, locatiedichtheid en regelmaat beperken. Terwijl omstandigheden snel kunnen wijzigen, denk alleen al aan het draaien van de wind.

Sneller en vaker

Er moet dus sneller en vaker bemonsterd kunnen worden, zonder extra kosten. De TU Delft ontwikkelde daarvoor een waterdichte drone die automatisch kan landen op het water: de Pelikaandrone. Voor luchtopnames wordt een (multispectrale) camera op de drone gemonteerd waarmee de aan- of afwezigheid van dichtheidspatronen van plankton of drijflagen vastgesteld kan worden. Hiermee worden actuele monsternamepunten voor de drone bepaald, en wordt later ook aansluiting op satellietbeelden mogelijk. Een groot probleem bij de verwerking van satellietbeelden blijft namelijk de ‘ground truth’, en dat is precies wat dit systeem goed kan leveren.
De drone landt vervolgens op de automatisch geselecteerde locaties op het water en neemt een aantal monsters, dat na terugkeer automatisch en direct geanalyseerd wordt in een CytoSense. Dit voorkomt degradatie van het monster zoveel mogelijk.
De CytoSense flow-cytometer is door CytoBuoy ontwikkeld om algen en andere micro-organismen te scannen en te fotograferen. Binnen minuten worden tienduizenden organismen gescand en worden er duizenden gefotografeerd. De gegevens worden automatisch verwerkt en naar een online portaal ge-upload.

Kleur veelbetekenend

De drone zelf heeft qua wetenschappelijke meetinstrumenten alleen een camera aan boord, waardoor deze robuust, goedkoop, en kleiner en dus veiliger blijft.  De dronebeelden geven informatie over het totaalbeeld van het water. De kleur van het water is een optelsom van alles wat in het water zit, en enkele vaak onbekende andere factoren zoals de lokale bodemkleur en de weersomstandigheden. Naarmate we het systeem meer gebruiken kunnen we aan de hand van de camerabeelden steeds meer zeggen over de waterkwaliteit, doordat de CytoSense ons voor ieder monster exacte informatie kan geven wat er in zat. Door de flow-cytometer data te combineren met de beelden weten we dus welke kleur van het water correspondeert met welke huishouding. De onbekende factoren van de dronebeelden kunnen daarmee weggestreept worden. Het vervoer van monsters naar het lab is een tijdrovende en dure klus, daarnaast start het rottingsproces op het moment dat een monster uit het water genomen worden. Project Pelikaan combineert technologieën zodat dit niet meer nodig is. De flow-cytometer is portable en kan bijvoorbeeld meegenomen worden in een auto of vast geïnstalleerd worden in een boei. Het plan is dat de drone dan automatisch hierop landt.

Binnen minuten

In het Markermeer zijn tienduizenden individuele algen gemeten en gecheckt op schadelijkheid. Deze algen zaten in monsters die door de drone genomen zijn, en daarna geanalyseerd zijn met de flow-cytometer. Ook is er aan de hand van de dronebeelden geconcludeerd dat het water homogeen was, zodat er met enige zekerheid gezegd kan worden dat de monsters representatief zijn voor een deel van het Markermeer (het nu nog vanwege regelgeving beperkte deel waar de drone gevlogen heeft). Er zijn zoals verwacht vanwege het jaargetijde geen giftige concentraties van blauwalg zijn geconstateerd. Wat vooral ook opviel tijdens de testen is het grote gemak monsters te nemen, met een druk op knop doet de drone het volledig zelf. De flow-cytometer geeft daarna binnen minuten uitslag, dus je weet direct of het water gezond is. 

Living lab

Afgelopen zomer zijn verscheidene vluchten uitgevoerd in een kleine recreatieplas nabij Leiden en eind september is een demo gegeven op het Markermeer, nabij de nieuw aangelegde Marker Wadden. De data van deze testen wordt door wetenschappers gevalideerd met andere bronnen. Marker Wadden is een Living Lab waarin onderzoekers praktijkproeven uitvoeren. Waterkwaliteitsbeheer rond dit nieuw aangelegde natuurgebied is nog volop in onderzoek, zodat dit een unieke omgeving biedt om de nieuwe technologie van de pelikaan drone te ontwikkelen. Het Pelikaandrone-project is een initiatief van Rijkswaterstaat, het MAVLab van de TUDelft en CytoBuoy, met als doel het vergaand automatiseren van watermonitoring.

Onder water

Op dit moment is het alleen nog mogelijk om een monster van de oppervlakte te nemen, maar het plan is om de drone op termijn ook te laten duiken. Onderwater monsters nemen is om verschillende redenen interessant. Ten eerste kunnen algen op verschillende dieptes drijflagen vormen, al dan niet veroorzaakt door temperatuurverschillen. Om zeker te weten dat geen giftige algen gemist worden, moet je dus een dieptekolom meten. Ten tweede is het nodig om de correlatie met de dronebeelden te verbeteren. Zoals gezegd zien de beelden van de drone de optelsom van alles wat in het water zit, dus ook op enige diepte. Oppervlakte samples alleen geven een vertekend beeld van wat er met remote sensing te zien is. De ontwikkeling van de duikende drone is de volgende stap. We zoeken naar additionele partners om dit onderzoek te financieren, zodat dit al volgend jaar gerealiseerd kan worden. Specifiek wordt er in dit project gericht op blauwalg problematiek, maar de technologie is breed inzetbaar.

Nog in het lab

Zijn er speciale vergunningen nodig om de drone in te mogen zetten? In die zin, er mag op dit moment nog niet autonoom gevlogen worden. Dus er is nog geen speciale vergunning mogelijk. In de toekomst verwachten we dat er door de luchtvaartautoriteiten een zogenaamd standaard scenario wordt opgesteld waarmee je als ROC-gecertificeerde organisatie toestemming kunt krijgen om dit soort vluchten uit te voeren.
Duikende drones bestaan nu nog alleen in onderzoekslaboratoria. Ook de Pelikaandrone bevindt zich nu nog duidelijk in de onderzoeksfase. Verscheidene aspecten moeten nog worden doorontwikkeld om een volledig automatisch systeem te verkrijgen, ook moeten de systemen nog beter worden geïntegreerd. Op dit moment worden de monsterpunten nog handmatig bepaald door manueel naar de drone beelden te kijken. Ook kan de drone zijn monsters nog niet automatisch aan de flow-cytometer geven. En tot slot kan de drone nu nog niet autonoom en nog niet diep genoeg duiken. Maar met de juiste partners en interesse verwachten we dat dit allemaal wel mogelijk is.

Kevin van Hecke is onderzoeker aan TU Delft; George Dubelaar is eigenaar van Cytobuoy.

Dit artikel is afkomstig uit Land+Water 1/2-2020, nog geen abonnee? Klik hier!