城市供水管網衛星探漏技術應用及效果研究

王雪峰

（上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127）

1.研究背景

城市供水管網是城市的重要基礎設施，由于管道老化、外部環境等諸多因素影響，在長期運行后供水管網漏損情況加劇，漏損率長期居高不下，不但造成了水資源的極大浪費，也給城市供水企業帶來了巨大的直接經濟損失[1-2]。因此，盡早發現管道漏損點是降低管網漏損率和產銷差，提升供水效率的重點。

目前，用于管網漏損檢測的方法主要包括傳統聽音法（聽音桿、相關儀等）[3]、最小夜間流量法[4]、水量平衡分析法、噪音監聽設備、光纖監測法[5]、結合傳感器設備建立的仿真模型分析進行漏點定位[6-7]等技術。傳統聽音法采用人工巡檢方式遍歷所有管線進行檢漏，是目前供水行業最為普遍的檢漏手段，但該方法需要耗費大量的人力和時間，同時受人員技術水平、設備使用情況、績效考核方法等多種因素的影響，往往導致檢漏效率低下。而最小夜間流法、水平衡法、噪音監聽法等方法都需要大量的前期設備投入和運行維護成本[8-9]，實施普查周期較長。

與其他檢漏方法的檢測原理不同， 衛星探漏技術是以高空視角進行遠距離、非接觸、大范圍對地觀測來獲取地表甚至地下信息[10]。它通過數據采集、傳輸和處理，來提取分析地物的性質和狀態，其算法核心是“異常檢測+水源識別”。 衛星探漏技術利用長波段合成孔徑雷達衛星穿透性強的特點，可以一次性掃描獲取上千平方公里范圍的雷達遙感數據，再通過算法模型分析提取由于管線滲漏導致的管線周邊土壤含水率差異，進而檢測識別疑似漏水區域[11]，輔助地面檢漏人員快速查找并定位漏點位置，將過去大范圍的盲檢方式聚焦到100-150米范圍的疑似區域核查，可以大幅提高探漏效率，切實降低管網漏損率，并且能探知到傳統巡檢較難到達的區域。

以下為衛星探漏技術與其他檢漏技術的對比，通過對比可以發現衛星探漏在大區域范圍內提升檢漏效率上具有明顯優勢。（見表1）

表1 衛星檢漏與其他檢漏技術對比

從全球多個國家利用雷達衛星進行輔助探漏的應用實施效果來看，衛星探測確認的疑似漏水區域的準確率在40%到60%之間。在國內，衛星探漏只在少數幾個城市如上海、北京、鄭州等地區的局部區域進行過試驗，實際效果各有差異。本研究基于對上海浦東區域的實際應用案例進行實證分析，同時對星地協同、檢漏平臺持續跟蹤監管等方面進行改進，提升了應用效果，并為未來衛星探漏技術的改進發展提出了建議。

2.衛星探漏技術及應用

2.1 衛星探漏技術方案

合成孔徑雷達（SAR）衛星通過發射雷達波并接收地面的回波信號，衛星采集數據回傳地面后，通過地面成像、輻射及幾何校正處理，獲取大范圍的圖像信息。雷達波具有一定的穿透性，可穿透云層、植被，波段越長，穿透能力越強，L波段可以穿透裸土甚至柏油馬路，獲取地下土壤蘊含的信息。合成孔徑雷達具有對不同地物介電特性的敏感性，在波長、入射角、方位角等成像觀測條件一致的雷達圖像中，通過提取地物后向散射系數差異來提取介電特性異常，進而間接獲取土壤含水量的差異。

衛星檢漏主要算法步驟包括圖像值域變換、特征變換及電磁噪聲計算、去噪處理、水粗糙度特征圖構建、水源類型區分及飲用水識別、盲點區域計算及虛警過濾、道路及管線套合計算、疑似漏水區域規范化輸出等。衛星探漏技術流程如下圖所示：

圖1 衛星探漏技術流程

衛星探漏必須天地結合，首先利用衛星廣域覆蓋特點對目標區域進行普查，一次性、快速獲取整個城市區域的疑似漏水分布，然后聚焦到一個個100-150米半徑范圍的疑似漏損區域內（Points Of Interest，POI）。衛星掃描結果出來后，還需要開展地面人工檢漏核查工作，核查確認和上報漏點信息。衛星探漏的流程如下圖所示：

圖2 衛星探漏業務流程

2.2 上海地區衛星探漏技術應用

2021年7月，利用雷達衛星對上海浦東偏東的區域成像，開展了供水管道衛星探漏應用驗證，經過算法處理和分析，獲取了浦東區域的所有疑似漏水區域POI。第一期選取了A區（面積8.7平方公里）和B區（面積26平方公里）兩片小區域的一共91個疑似漏水區域POI進行地面核查確認。2021年12月，利用雷達衛星對上海浦東偏西區域、浦西大部和奉賢等區域成像（衛星掃描總面積共923平方公里），開展了第二期衛星探漏應用實踐。衛星掃描覆蓋范圍和地面核查區域及疑似漏水區域分布如下圖：

圖 3 上海地區第一期和第二期衛星探漏掃描覆蓋范圍

3.衛星探漏應用案例及探漏效果分析

3.1 上海地區衛星探漏情況

3.1.1 第一期衛星探漏情況

通過對A區域的31個POI和B區域的60個POI進行了聽漏核查作業，完成了漏點的查找和定位。其中，A區域發現17個漏點，B區域發現28個漏點，A、B兩區域的POI準確率分別為54.8%和46.7%。漏點分布如下圖所示：

圖4 第一期衛星探漏核查漏點分布圖

在檢漏效率方面，采用衛星探漏技術及星地協同方式，地面檢漏核查人員確認一個漏點需覆蓋的管線長度大幅降低，每人每天發現的漏點數量以及每人每公里發現的漏點數量分別提升了9.9倍和15.4倍。

3.1.2 第二期衛星 探漏情況

經過數據處理和分析，獲取了浦東區域的POI為190個，通過聽漏公司人工巡檢，對浦東區域內190個疑似漏水區域進行了快速初檢，發現漏點51個；之后對部分管線檢漏覆蓋不完整的POI進行了復檢，復檢POI共80個，新增發現漏點21個。由于巡檢時段內還有部分其他探知來源的真實漏點已經被發現或已修好，這部分漏點共計41個坐落在POI中。因此，在衛星探漏技術提供的190個POI中，合計共發現113個漏點，POI準確率為59.5%

在檢漏效率方面，通過浦東第二期衛星探漏和星地協同實踐，地面檢漏人員單位漏點的管道巡檢距離同樣大幅減少，每人每天發現的漏點數量以及每人每公里發現的漏點數分別提高了12倍和19倍。

通過上述兩期衛星探漏的應用實踐發現，衛星探漏技術共提供了281個POI，檢出漏點158個，衛星探漏技術提供的POI漏點檢出效率為56.2%，其中道路管道漏點和小區管道漏點的占比分別為30.8%和69.2%。

3.1.3衛星探漏漏點口徑分布規律

為研究衛星探漏效率是否受管徑的影響，通過對有效修復漏點數據的分析發現（如圖5所示），小口徑（≤ DN50）管道檢出漏點的占比為59.0%，大口徑（＞ DN50）管道檢出漏點的占比為41.0%，大口徑漏點中DN300、DN500、DN1000漏點各一處。該分析表明，當前衛星探漏技術對小口徑漏點的探測效率相對較高，后續還需要對算法進行進一步優化，提高大口徑管道的漏點檢出效率。

圖5 衛星探漏有效修復漏點口徑分布圖

3.1.4衛星探漏漏點故障元素分布規律

假設將某漏點修復后節約的漏水量稱為修漏收益水量。在本次衛星探漏的數據中發現，水表配件和閥門配件部位的漏點數占有效修復漏點數的43.6%，占比較高。但這類漏點主要以滲漏為主，平均修漏收益水量僅為3.01 L/min左右，相比較而言，管道和管件部位的漏點則漏水量相對較大，平均修漏收益水量可達114.12L/min。另外本次衛星探漏發現二次供水池水箱溢流2處，平均修漏收益水量為60.52 L/min，水量也相對較大。從漏控角度來說，我們希望衛星探漏技術能夠更多地發現管道、管件及二供設施溢流等漏水量較大的漏點。

通過上述分析表明，衛星探漏技術對水表、閥門、二供溢流等明漏檢出效果較好，但后續仍需繼續提高對管道、管件的漏點檢測效率。

圖6 衛星探測漏點故障元素分布圖

3.1.5衛星探漏漏點材料分布規律

在衛星探漏技術的實際應用中發現，管材并未對其在漏點檢測方面產生較大影響。

由圖7可見，占比相對較大的PPR和銅是水表的配件漏水，PVC和白鐵則主要為部分集約化地區老舊管道和管件損壞導致，而閥門配件漏水則占鑄鐵材質的67%。PVC、白鐵、鑄鐵三種管材均可探測出暗漏，說明衛星探漏與管材的相關性較低。

圖7 衛星探測漏點材料分布圖

3.1.6衛星探漏漏點埋深分布規律

管道埋深也是影響檢漏效率的因素之一。在衛星探漏檢測出并修復的漏點有效樣本中，埋深較淺的管道（≤0.5m）探出漏點為29處，占比為74.4%；而埋深較深的管道（＞0.5m）探出漏點為10處，僅占25.6%。通過數據初步分析來看，目前算法下的衛星探漏技術可快速定位小口徑、淺埋深以及水表、閥門等地面可見的漏損，但對于是否能精準定位大口徑、埋深較深的管道漏損，還需后續實踐進一步驗證。

3.2 衛星檢漏與傳統檢漏效果對比研究

3.2.1 衛星探漏漏點水量控制分析

通過對衛星探漏檢出并修復的39個有效樣本漏點分析，結合漏點開挖的照片、視頻，并通過量筒、燒杯等估算漏失水量，發現衛星探漏與未使用衛星探測的人工巡檢聽漏（以下簡稱“自主檢漏”）修漏收益水量比約為1:4。其中27個漏點的修漏收益水量＜1 L/min，主要漏點位置為水表（圖9a）、閥門（圖9b）、管道配件（圖9c）；12個漏點的修漏收益水量＞1 L/min，主要為管道漏水（圖9d）。該結果表明，目前算法下衛星探漏技術檢出的漏點漏水量還相對較小，對較大口徑、埋深較深、漏水量較大的道路管道漏點檢出能力還有待提高。

圖8 衛星探測漏失水量分布圖

圖9 衛星探測漏點現場照片

衛星探漏與自主檢漏效率分析

在應用衛星探漏技術之前，檢漏主要依靠傳統的人工巡檢聽漏（自主檢漏）方式開展。在一期區域內衛星獲得圖像后即開展了自主檢漏工作，小區內共發現了67處漏點。在通過衛星圖像分析獲得POI后在小區內共檢出27處漏點，其中17處為新檢出漏點，10處為已檢出漏點。該數據表明，在一期區域內共有檢出漏點84處，而衛星探漏發現了其中的27處，探出比例為32.1%，道路上的衛星探漏檢出比例則為48.0%（詳見表2）。這意味著以半徑100-150米范圍的衛星探漏POI可以探出目標區域內約三分之一的小區漏點和約一半的道路漏點。

表2 衛星探漏與自主檢漏效率分析表

衛星探漏在小區內探出漏點的比例比道路上略低，其原因是因為長波衛星進行拍照時會受到拍照角度、地面性質、是否有樓宇、是否有高架遮擋等因素影響，且由于衛星檢漏技術最初用于較為干燥的沙漠地區尋找水源，而上海地區由于土壤含水率較高，土壤介電常數會有較大差異，因此對于上海地區的土壤介電常數區間還需要通過大量漏點復核進行優化后，才能進一步提升衛星探漏技術的檢漏效率。

4.結論及建議

上述應用實踐表明，衛星探漏提供的半徑100-150米疑似漏損區域POI內可檢出漏點的比例可以達到56.2%，通過與傳統的人工巡檢聽漏方式相結合，可以使其效率提升10倍以上，完全具備了實用價值。

未來提升衛星探漏技術效率的手段可以包括三個方面，第一是衛星技術本身，第二是衛星探漏算法的完善，第三是天地結合、星地協同。隨著國產衛星技術民用化的不斷推進，獲取衛星圖像的便捷度越來越高，成本越來越低，這為衛星探漏技術的進一步發展奠定了基礎。通過上述分析可以發現，現有的衛星探漏技術只能發現目標區域內約三分之一的小區漏水點和約一半的道路漏水點，這方面還有提升空間。同時衛星探漏技術還存在檢出漏點漏水量偏小，對大口徑管道、埋深較深管道以及漏水量大的漏點發現能力不足等問題，這些都需要通過完善算法來改進。另外，衛星探漏技術提供的POI最終還是需要通過其他檢漏手段（比如傳統的人工聽音法或者相關儀法等）來確準漏點位置，相信通過加強天地結合以及星地協同方面工作，可以更大程度上提高衛星探漏技術的檢漏效率。

衛星探漏技術不是傳統人工巡查檢漏技術的替代品，而是人工巡查檢漏等技術的效率倍增器，它可以到達傳統人工巡檢很難到達的區域，還可以通過對目標區域進行高頻次掃描，快速提供疑似漏損區域POI，極大地節約檢漏時間并提升檢漏效率，優勢明顯，值得對其進一步研究推廣。