卫星微波检漏

■ 张俊杰 李淑慧

声学探测技术属于劳动密集型产业，受人员、设备、绩效等各种因素的影响，检漏效率低下。为此，推荐一种革命性的漏损控制技术，即卫星微波泄漏探测技术，以便开拓视野、拓展思路。

一、卫星微波频谱分析介绍

（一）卫星微波频谱分析原理

卫星微波频谱分析探测技术是利用卫星传感器发射的特有波长穿透性，穿透地面测量土壤中的水分，发现管网泄漏的线索。通过装在高空遥感卫星上的传感器，发射和接收穿透大气层和地球表面的电磁波获取反射信号生成图像，然后通过Web的GIS坐标信息叠加、校正，专业数学算法和分析获取泄漏点精确坐标，分析微光谱卫星图像和图像处理，消除掉湖泊、游泳池、排水资产、污水资产和其他干扰建筑物，植被和其他地形特征造成的“噪声”反射，以便从图像中准确评估配水系统泄漏，识别探测区域中的泄漏、街道、管道及漏点的尺寸信息。

尽管，卫星频谱图像探测技术可以一次性覆盖3500km2，探测成百上千个可疑漏点，但仍然属于泄漏线索搜寻和探测，并非准确定位，仍然需要人工现场声音探测和定位。但其探测效率提高了数百倍，在人工探测区域所在半径50m的范围内，为检漏人员提供了方向和目标，大大提高了检漏效率。

（二）卫星图像技术的优势

卫星微波探测技术与传统声学探测、压力流量、DMA分区计量相比，不论是检漏效率、周期，还是概率评估，在泄漏检测上都有显著优势。其技术优势如下：

1.检漏效率高

1次卫星拍摄可覆盖3500km2范围，每年最多拍摄12张图像，连续拍摄将大大提高精度，甚至提前预警和发现主管爆管。

2.探测周期短

从卫星拍摄、数据校正到结果呈现仅需2周时间，而传统人工声音探测则需要0.5年或1年，甚至更长时间才能完成整个系统探测。

3.概率评定

通过对每个点信号强度概率统计评估，按“非常高->高->中->低”优先评价，为人工声音探测、开挖修复提供了科学依据，减少和降低潜在的损害。

4.评估漏点尺寸

可根据信号强弱和算法分析评估漏点尺寸，最小可检测泄漏尺寸为每分钟0.02加仑，检测地下2～5m深的管网泄漏。

5.影响因素

不受管材、管径、天气、交通、噪音、时间的影响。

（三）卫星微波探测技术的劣势

尽管卫星微波探测技术在泄漏检测上有很大优势，可劣势也很明显。其技术劣势如下：

1.实时性差

实时性差，不能及时发现和满足管网突发性事件的需求。同时，对于管网老化，事故频发、泄漏反弹严重的地区1次探测根本无法满足其频繁探测需求。

2.精度差

遥感卫星微波定位泄漏半径为20～50m范围之内，却不能准确地确定哪条管线泄漏，且受GIS坐标精度的影响，遇上坡度地形偏差有点大。

3.错误信息多

受洗车场、泳池、屠宰场、海鲜市场、海滨浴场等含盐分多的水体以及建筑物、雾霾、无线点信号的影响干扰。

4.成本高

卫星微波探测1次成本少则几十万，多则上百万元，其中不包含后续的人工声音探测成本。

5.安全问题多

卫星拍照、探测需要提供城市供水管网的城市坐标和信息，易对国土安全造成隐患。

二、卫星微波探测步骤

卫星微波探测步骤如下：

1.微波传感器获取原始数据，图像采集

2.辐射数据修正

与Web的GIS系统叠加，校准、校正数据。

3.算法分析

以交叉引用算法分析校正的微波图像，与本地基础地形结构匹配评估泄漏量的大小。同时，删除湖泊、建筑物、植被等含盐分的水体。

4.结果呈现

Web界面以及系统生成的传统泄漏报表，以图形方式呈现给客户端，以便客户在现场确认和修复泄漏；报表呈现的是泄漏点的坐标、街道、漏量的大小，基本上可以精确到50m半径范围内。

5.人工探测

根据卫星探测呈现的报告和结果，检漏人员利用声学探测技术进行人工探测，核实卫星探测泄漏的可靠性和真实性。但结果会受声学探测技术的局限性，检漏人员能力、水平、经验和敬业精神等因素的影响。

6.编辑报告

汇总卫星和人工探测数据编写检漏成果报告，分析卫星微波探测泄漏数据的可靠性，并反馈信息给卫星数据处理人员改进算法。

由于，卫星微波探测只是一种泄漏线索侦测的手段，并不是准确地定位漏点的位置，仍需要通过声音探测来检验其探测的结果，修正探测数据。

三、案例分析

以泰国曼谷水务公司实际参与项目为例，说明遥感卫星微波探测在控制管网漏损中的应用。泰国曼谷水务公司（MWA）为了引进和验证卫星微波探测技术的可靠性，准确性，从中选择了Samutprakarn、Bangkoknoi、Taksin、Suksawat、Phasicharoen五个区域，管网长度约为1200km，供水面积约为500km2，涉及DMA分区计量100个。其中，80%是PVC、AC管，20%为钢管、铸铁管。经过2周时间，通过数据处理、校正、删除了部分湖泊、游泳池、排水资产、污水资产和其他干扰，共计确定漏点43处。

表1 卫星与人工探测工期对照表

1.检漏效率

从本次卫星微波探测项目工作量看，分散的5个供水区域，管网长度1200km，卫星探测周期为2周，人工现场定位复核3周，总计工期5周。倘若靠人工探测，按每个台组3km/台组/d，同样2个台组探测，则需要40周工期。卫星与人工探测工期对照见下表。

仅从人工检漏工期来分析检漏效率，卫星探测是人工声学探测工期的40倍，即便是人工与人工探测对比，在卫星探测仍然是单纯人工探测的13倍。可见，检漏效率很高。这是单纯从检漏工期层面比对，有局限性，难以准确反映出其检漏效率。

2.检验管径、管材影响

为了检验卫星微波探测是否受管径、管材的影响，从实际现场探测数据看，PVC、AC水泥、钢、铸铁等各种管材，均可探测出暗漏，验证了其不受管材性限制的承诺。但从探测管径数据看，DN25mm的管暗漏29处，DN50mm的管暗漏11处，DN100mm的管暗漏1处，DN300mm的管暗漏2处。基本上DN300mm以上的管暗漏未探测。

表2 干扰因素导致错误信息报表

从管径分析卫星探测数据

从曼谷水务产销差的实际情况，主管网发生泄漏概率较高，但卫星微波探测并未给出相关探测数据。实际上，在后期也验证了卫星探测对DN300mm以上管道的探测效果有待商榷。究其原因是曼谷主管线埋深在8m左右，超出了卫星探测的能力范围。

曼谷成功率分析

意大利成功率分析

3.可靠性

从探测结论分类统计分析，统计结果为定位在半径（50m）范围之内30处（含10m范围之内10处），信息错误的8处，难定位探测的3处，偏差在100m外的2处。卫星定位可靠性约为70%，剔除偏差10m范围之内10处，其泄漏探测的可靠性或成功率约为46.51%。如上图所示。

意大利水务卫星探测成功率为49%，曼谷水务卫星探测泄漏的成功率为46.5%，基本可以确定，卫星微波探测管网泄漏的成功率为50%左右。

4.干扰因素

从卫星探测公司给出的技术指标和数据看，理论上可以通过算法分析、数据修正删除掉干扰因素，实际上算法还存在着瑕疵。特别是遇到诸如泳池、洗车、海鲜市场等采用自来水清洗，卫星微波探测技术还有待从算法和数据校正方面进行提高。

从表2可知，干扰因素占了8处，条件受限难下结论的3处，分别占到了总漏点数量43处的18.6%和6.98%，几乎是总漏点数量的25.58%。可见，算法分析、数据修正还有相当大的提升改进空间。

表3 精度偏差100m漏点报表

5.定位精度

在Suksawat的计量区域，卫星探测定位半径50m范围，未能发现任何漏点，只发现了2个屠宰场。为了进一步验证和检查错误原因，现场检漏人员沿着管线向外延伸探测，大约追踪到100m位置探测到泄漏声，同时利用袖珍型CCTV插入下水井中照射，发行下水井有大量的清水流淌，最终声音探测人员在半径外100m、125m定位两处漏点，开挖修复后该区域夜间最小流量下降90m3/h。具体探测数据见表3。

与从卫星探测结论对比看，有2个问题值得深入探讨：一是漏量评估不准，偏差甚远；二是漏点位置偏差大，超出了卫星给出的半径100m。卫星探测工人员给出的解释是城市GIS坐标信息不准确，当卫星航拍图像与web的GIS信息系统叠加、校正时，就会受到GIS信息系统坐标的误导，导致偏差。

6.工作强度

由于遥感卫星定位泄漏半径为20～50m之内，意味着在人工声音探测和定位时必须对50m为半径的圆圈中所有的主管、分支管、小区户外管网，以及各种含盐分的水体，进行进一步探测和核实。在城市人口密集的区域，管线错综复杂，建筑物、人造物体、植被、障碍物等干扰物很多，看似在50m半径的空间范围探测，缩小了步行探测的时间，实际上由于漏点分布过于分散，检漏时间更多浪费在区域更迭和交通上，其工作量与传统探测相比并未减少。

7.成本分析

根据从曼谷水务公司（MWA）掌握和获取的信息，单个漏点探测单价约为0.2万元。按照卫星探测漏点数量43处，实际应支付探测费用（支付成本）为8.6万元；实际上，曼谷水务公司支付了卫星探测公司约80万元（泰铢400万元）。二者相比，实际探测费用是人工声学探测费用9.3倍。另外，从成本效益分析比看，卫星微波探测共检出暗漏43处，实际统计漏量约为107m3/h。如果，按照水生产成本0.8元/m3和年运行时间8600h计算，折算年经济效益为73.6万元。本次卫星探测的成本效益约比为1:0.92。这还不考虑压力、泄漏周期引起的差异。倘若按照实际的年节约水量计算，其收益可能更低。可见，卫星探测的成本十分昂贵。

8.经验与问题

在本次卫星探测试点项目中有很多值得研究和总结的地方，对未来提高卫星微波探测的精度和可靠性有重要的参考价值。

①算法仍有待提高，以便减少干扰因素的影响。

②坡度、倾斜的地区，卫星探测给出半径应该调整为100m。

③应根据管网老化情况，实时调整卫星拍照频次以满足动态检漏的需求。

④验证城市GIS坐标信息的可靠性，以便后续数据校正、算法分析提供参考。

⑤配合人工声学要选择装备精良、经验丰富的队伍。

⑥管网条件和设施不满足声学探测条件的，业主单位要创造和提供条件。

由此可见，卫星微波探测技术在漏损控制领域的应用，开启了智能高端水管理的新征程，将会对高效、快捷地减少管网漏损，解决管网的跑、冒、滴、漏，提升检漏效率等起到积极的推动作用，值得探索和研究。尽管还存在着数据校正、算法分析、图像处理，错误信息及成本高等诸多不利因素，面临着各种无线电信号的干扰，但随着算法和频谱分析技术的不断成熟、成本的不断下降，卫星微波探测技术一定会在漏损控制领域得以广泛应用。