衛(wèi)星微波檢漏

■ 張俊杰 李淑慧

聲學探測技術屬于勞動密集型產業(yè)，受人員、設備、績效等各種因素的影響，檢漏效率低下。為此，推薦一種革命性的漏損控制技術，即衛(wèi)星微波泄漏探測技術，以便開拓視野、拓展思路。

一、衛(wèi)星微波頻譜分析介紹

（一）衛(wèi)星微波頻譜分析原理

衛(wèi)星微波頻譜分析探測技術是利用衛(wèi)星傳感器發(fā)射的特有波長穿透性，穿透地面測量土壤中的水分，發(fā)現(xiàn)管網泄漏的線索。通過裝在高空遙感衛(wèi)星上的傳感器，發(fā)射和接收穿透大氣層和地球表面的電磁波獲取反射信號生成圖像，然后通過Web的GIS坐標信息疊加、校正，專業(yè)數(shù)學算法和分析獲取泄漏點精確坐標，分析微光譜衛(wèi)星圖像和圖像處理，消除掉湖泊、游泳池、排水資產、污水資產和其他干擾建筑物，植被和其他地形特征造成的“噪聲”反射，以便從圖像中準確評估配水系統(tǒng)泄漏，識別探測區(qū)域中的泄漏、街道、管道及漏點的尺寸信息。

盡管，衛(wèi)星頻譜圖像探測技術可以一次性覆蓋3500km2，探測成百上千個可疑漏點，但仍然屬于泄漏線索搜尋和探測，并非準確定位，仍然需要人工現(xiàn)場聲音探測和定位。但其探測效率提高了數(shù)百倍，在人工探測區(qū)域所在半徑50m的范圍內，為檢漏人員提供了方向和目標，大大提高了檢漏效率。

（二）衛(wèi)星圖像技術的優(yōu)勢

衛(wèi)星微波探測技術與傳統(tǒng)聲學探測、壓力流量、DMA分區(qū)計量相比，不論是檢漏效率、周期，還是概率評估，在泄漏檢測上都有顯著優(yōu)勢。其技術優(yōu)勢如下：

1.檢漏效率高

1次衛(wèi)星拍攝可覆蓋3500km2范圍，每年最多拍攝12張圖像，連續(xù)拍攝將大大提高精度，甚至提前預警和發(fā)現(xiàn)主管爆管。

2.探測周期短

從衛(wèi)星拍攝、數(shù)據(jù)校正到結果呈現(xiàn)僅需2周時間，而傳統(tǒng)人工聲音探測則需要0.5年或1年，甚至更長時間才能完成整個系統(tǒng)探測。

3.概率評定

通過對每個點信號強度概率統(tǒng)計評估，按“非常高->高->中->低”優(yōu)先評價，為人工聲音探測、開挖修復提供了科學依據(jù)，減少和降低潛在的損害。

4.評估漏點尺寸

可根據(jù)信號強弱和算法分析評估漏點尺寸，最小可檢測泄漏尺寸為每分鐘0.02加侖，檢測地下2～5m深的管網泄漏。

5.影響因素

不受管材、管徑、天氣、交通、噪音、時間的影響。

（三）衛(wèi)星微波探測技術的劣勢

盡管衛(wèi)星微波探測技術在泄漏檢測上有很大優(yōu)勢，可劣勢也很明顯。其技術劣勢如下：

1.實時性差

實時性差，不能及時發(fā)現(xiàn)和滿足管網突發(fā)性事件的需求。同時，對于管網老化，事故頻發(fā)、泄漏反彈嚴重的地區(qū)1次探測根本無法滿足其頻繁探測需求。

2.精度差

遙感衛(wèi)星微波定位泄漏半徑為20～50m范圍之內，卻不能準確地確定哪條管線泄漏，且受GIS坐標精度的影響，遇上坡度地形偏差有點大。

3.錯誤信息多

受洗車場、泳池、屠宰場、海鮮市場、海濱浴場等含鹽分多的水體以及建筑物、霧霾、無線點信號的影響干擾。

4.成本高

衛(wèi)星微波探測1次成本少則幾十萬，多則上百萬元，其中不包含后續(xù)的人工聲音探測成本。

5.安全問題多

衛(wèi)星拍照、探測需要提供城市供水管網的城市坐標和信息，易對國土安全造成隱患。

二、衛(wèi)星微波探測步驟

衛(wèi)星微波探測步驟如下：

1.微波傳感器獲取原始數(shù)據(jù)，圖像采集

2.輻射數(shù)據(jù)修正

與Web的GIS系統(tǒng)疊加，校準、校正數(shù)據(jù)。

3.算法分析

以交叉引用算法分析校正的微波圖像，與本地基礎地形結構匹配評估泄漏量的大小。同時，刪除湖泊、建筑物、植被等含鹽分的水體。

4.結果呈現(xiàn)

Web界面以及系統(tǒng)生成的傳統(tǒng)泄漏報表，以圖形方式呈現(xiàn)給客戶端，以便客戶在現(xiàn)場確認和修復泄漏；報表呈現(xiàn)的是泄漏點的坐標、街道、漏量的大小，基本上可以精確到50m半徑范圍內。

5.人工探測

根據(jù)衛(wèi)星探測呈現(xiàn)的報告和結果，檢漏人員利用聲學探測技術進行人工探測，核實衛(wèi)星探測泄漏的可靠性和真實性。但結果會受聲學探測技術的局限性，檢漏人員能力、水平、經驗和敬業(yè)精神等因素的影響。

6.編輯報告

匯總衛(wèi)星和人工探測數(shù)據(jù)編寫檢漏成果報告，分析衛(wèi)星微波探測泄漏數(shù)據(jù)的可靠性，并反饋信息給衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理人員改進算法。

由于，衛(wèi)星微波探測只是一種泄漏線索偵測的手段，并不是準確地定位漏點的位置，仍需要通過聲音探測來檢驗其探測的結果，修正探測數(shù)據(jù)。

三、案例分析

以泰國曼谷水務公司實際參與項目為例，說明遙感衛(wèi)星微波探測在控制管網漏損中的應用。泰國曼谷水務公司（MWA）為了引進和驗證衛(wèi)星微波探測技術的可靠性，準確性，從中選擇了Samutprakarn、Bangkoknoi、Taksin、Suksawat、Phasicharoen五個區(qū)域，管網長度約為1200km，供水面積約為500km2，涉及DMA分區(qū)計量100個。其中，80%是PVC、AC管，20%為鋼管、鑄鐵管。經過2周時間，通過數(shù)據(jù)處理、校正、刪除了部分湖泊、游泳池、排水資產、污水資產和其他干擾，共計確定漏點43處。

表1 衛(wèi)星與人工探測工期對照表

1.檢漏效率

從本次衛(wèi)星微波探測項目工作量看，分散的5個供水區(qū)域，管網長度1200km，衛(wèi)星探測周期為2周，人工現(xiàn)場定位復核3周，總計工期5周。倘若靠人工探測，按每個臺組3km/臺組/d，同樣2個臺組探測，則需要40周工期。衛(wèi)星與人工探測工期對照見下表。

僅從人工檢漏工期來分析檢漏效率，衛(wèi)星探測是人工聲學探測工期的40倍，即便是人工與人工探測對比，在衛(wèi)星探測仍然是單純人工探測的13倍。可見，檢漏效率很高。這是單純從檢漏工期層面比對，有局限性，難以準確反映出其檢漏效率。

2.檢驗管徑、管材影響

為了檢驗衛(wèi)星微波探測是否受管徑、管材的影響，從實際現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)看，PVC、AC水泥、鋼、鑄鐵等各種管材，均可探測出暗漏，驗證了其不受管材性限制的承諾。但從探測管徑數(shù)據(jù)看，DN25mm的管暗漏29處，DN50mm的管暗漏11處，DN100mm的管暗漏1處，DN300mm的管暗漏2處?；旧螪N300mm以上的管暗漏未探測。

表2 干擾因素導致錯誤信息報表

從管徑分析衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)

從曼谷水務產銷差的實際情況，主管網發(fā)生泄漏概率較高，但衛(wèi)星微波探測并未給出相關探測數(shù)據(jù)。實際上，在后期也驗證了衛(wèi)星探測對DN300mm以上管道的探測效果有待商榷。究其原因是曼谷主管線埋深在8m左右，超出了衛(wèi)星探測的能力范圍。

曼谷成功率分析

意大利成功率分析

3.可靠性

從探測結論分類統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結果為定位在半徑（50m）范圍之內30處（含10m范圍之內10處），信息錯誤的8處，難定位探測的3處，偏差在100m外的2處。衛(wèi)星定位可靠性約為70%，剔除偏差10m范圍之內10處，其泄漏探測的可靠性或成功率約為46.51%。如上圖所示。

意大利水務衛(wèi)星探測成功率為49%，曼谷水務衛(wèi)星探測泄漏的成功率為46.5%，基本可以確定，衛(wèi)星微波探測管網泄漏的成功率為50%左右。

4.干擾因素

從衛(wèi)星探測公司給出的技術指標和數(shù)據(jù)看，理論上可以通過算法分析、數(shù)據(jù)修正刪除掉干擾因素，實際上算法還存在著瑕疵。特別是遇到諸如泳池、洗車、海鮮市場等采用自來水清洗，衛(wèi)星微波探測技術還有待從算法和數(shù)據(jù)校正方面進行提高。

從表2可知，干擾因素占了8處，條件受限難下結論的3處，分別占到了總漏點數(shù)量43處的18.6%和6.98%，幾乎是總漏點數(shù)量的25.58%?？梢姡惴ǚ治?、數(shù)據(jù)修正還有相當大的提升改進空間。

表3 精度偏差100m漏點報表

5.定位精度

在Suksawat的計量區(qū)域，衛(wèi)星探測定位半徑50m范圍，未能發(fā)現(xiàn)任何漏點，只發(fā)現(xiàn)了2個屠宰場。為了進一步驗證和檢查錯誤原因，現(xiàn)場檢漏人員沿著管線向外延伸探測，大約追蹤到100m位置探測到泄漏聲，同時利用袖珍型CCTV插入下水井中照射，發(fā)行下水井有大量的清水流淌，最終聲音探測人員在半徑外100m、125m定位兩處漏點，開挖修復后該區(qū)域夜間最小流量下降90m3/h。具體探測數(shù)據(jù)見表3。

與從衛(wèi)星探測結論對比看，有2個問題值得深入探討：一是漏量評估不準，偏差甚遠；二是漏點位置偏差大，超出了衛(wèi)星給出的半徑100m。衛(wèi)星探測工人員給出的解釋是城市GIS坐標信息不準確，當衛(wèi)星航拍圖像與web的GIS信息系統(tǒng)疊加、校正時，就會受到GIS信息系統(tǒng)坐標的誤導，導致偏差。

6.工作強度

由于遙感衛(wèi)星定位泄漏半徑為20～50m之內，意味著在人工聲音探測和定位時必須對50m為半徑的圓圈中所有的主管、分支管、小區(qū)戶外管網，以及各種含鹽分的水體，進行進一步探測和核實。在城市人口密集的區(qū)域，管線錯綜復雜，建筑物、人造物體、植被、障礙物等干擾物很多，看似在50m半徑的空間范圍探測，縮小了步行探測的時間，實際上由于漏點分布過于分散，檢漏時間更多浪費在區(qū)域更迭和交通上，其工作量與傳統(tǒng)探測相比并未減少。

7.成本分析

根據(jù)從曼谷水務公司（MWA）掌握和獲取的信息，單個漏點探測單價約為0.2萬元。按照衛(wèi)星探測漏點數(shù)量43處，實際應支付探測費用（支付成本）為8.6萬元；實際上，曼谷水務公司支付了衛(wèi)星探測公司約80萬元（泰銖400萬元）。二者相比，實際探測費用是人工聲學探測費用9.3倍。另外，從成本效益分析比看，衛(wèi)星微波探測共檢出暗漏43處，實際統(tǒng)計漏量約為107m3/h。如果，按照水生產成本0.8元/m3和年運行時間8600h計算，折算年經濟效益為73.6萬元。本次衛(wèi)星探測的成本效益約比為1:0.92。這還不考慮壓力、泄漏周期引起的差異。倘若按照實際的年節(jié)約水量計算，其收益可能更低?？梢?，衛(wèi)星探測的成本十分昂貴。

8.經驗與問題

在本次衛(wèi)星探測試點項目中有很多值得研究和總結的地方，對未來提高衛(wèi)星微波探測的精度和可靠性有重要的參考價值。

①算法仍有待提高，以便減少干擾因素的影響。

②坡度、傾斜的地區(qū)，衛(wèi)星探測給出半徑應該調整為100m。

③應根據(jù)管網老化情況，實時調整衛(wèi)星拍照頻次以滿足動態(tài)檢漏的需求。

④驗證城市GIS坐標信息的可靠性，以便后續(xù)數(shù)據(jù)校正、算法分析提供參考。

⑤配合人工聲學要選擇裝備精良、經驗豐富的隊伍。

⑥管網條件和設施不滿足聲學探測條件的，業(yè)主單位要創(chuàng)造和提供條件。

由此可見，衛(wèi)星微波探測技術在漏損控制領域的應用，開啟了智能高端水管理的新征程，將會對高效、快捷地減少管網漏損，解決管網的跑、冒、滴、漏，提升檢漏效率等起到積極的推動作用，值得探索和研究。盡管還存在著數(shù)據(jù)校正、算法分析、圖像處理，錯誤信息及成本高等諸多不利因素，面臨著各種無線電信號的干擾，但隨著算法和頻譜分析技術的不斷成熟、成本的不斷下降，衛(wèi)星微波探測技術一定會在漏損控制領域得以廣泛應用。