城市供水管网卫星探漏技术应用及效果研究

王雪峰

（上海浦东威立雅自来水有限公司，上海 200127）

1.研究背景

城市供水管网是城市的重要基础设施，由于管道老化、外部环境等诸多因素影响，在长期运行后供水管网漏损情况加剧，漏损率长期居高不下，不但造成了水资源的极大浪费，也给城市供水企业带来了巨大的直接经济损失[1-2]。因此，尽早发现管道漏损点是降低管网漏损率和产销差，提升供水效率的重点。

目前，用于管网漏损检测的方法主要包括传统听音法（听音杆、相关仪等）[3]、最小夜间流量法[4]、水量平衡分析法、噪音监听设备、光纤监测法[5]、结合传感器设备建立的仿真模型分析进行漏点定位[6-7]等技术。传统听音法采用人工巡检方式遍历所有管线进行检漏，是目前供水行业最为普遍的检漏手段，但该方法需要耗费大量的人力和时间，同时受人员技术水平、设备使用情况、绩效考核方法等多种因素的影响，往往导致检漏效率低下。而最小夜间流法、水平衡法、噪音监听法等方法都需要大量的前期设备投入和运行维护成本[8-9]，实施普查周期较长。

与其他检漏方法的检测原理不同， 卫星探漏技术是以高空视角进行远距离、非接触、大范围对地观测来获取地表甚至地下信息[10]。它通过数据采集、传输和处理，来提取分析地物的性质和状态，其算法核心是“异常检测+水源识别”。 卫星探漏技术利用长波段合成孔径雷达卫星穿透性强的特点，可以一次性扫描获取上千平方公里范围的雷达遥感数据，再通过算法模型分析提取由于管线渗漏导致的管线周边土壤含水率差异，进而检测识别疑似漏水区域[11]，辅助地面检漏人员快速查找并定位漏点位置，将过去大范围的盲检方式聚焦到100-150米范围的疑似区域核查，可以大幅提高探漏效率，切实降低管网漏损率，并且能探知到传统巡检较难到达的区域。

以下为卫星探漏技术与其他检漏技术的对比，通过对比可以发现卫星探漏在大区域范围内提升检漏效率上具有明显优势。（见表1）

表1 卫星检漏与其他检漏技术对比

从全球多个国家利用雷达卫星进行辅助探漏的应用实施效果来看，卫星探测确认的疑似漏水区域的准确率在40%到60%之间。在国内，卫星探漏只在少数几个城市如上海、北京、郑州等地区的局部区域进行过试验，实际效果各有差异。本研究基于对上海浦东区域的实际应用案例进行实证分析，同时对星地协同、检漏平台持续跟踪监管等方面进行改进，提升了应用效果，并为未来卫星探漏技术的改进发展提出了建议。

2.卫星探漏技术及应用

2.1 卫星探漏技术方案

合成孔径雷达（SAR）卫星通过发射雷达波并接收地面的回波信号，卫星采集数据回传地面后，通过地面成像、辐射及几何校正处理，获取大范围的图像信息。雷达波具有一定的穿透性，可穿透云层、植被，波段越长，穿透能力越强，L波段可以穿透裸土甚至柏油马路，获取地下土壤蕴含的信息。合成孔径雷达具有对不同地物介电特性的敏感性，在波长、入射角、方位角等成像观测条件一致的雷达图像中，通过提取地物后向散射系数差异来提取介电特性异常，进而间接获取土壤含水量的差异。

卫星检漏主要算法步骤包括图像值域变换、特征变换及电磁噪声计算、去噪处理、水粗糙度特征图构建、水源类型区分及饮用水识别、盲点区域计算及虚警过滤、道路及管线套合计算、疑似漏水区域规范化输出等。卫星探漏技术流程如下图所示：

图1 卫星探漏技术流程

卫星探漏必须天地结合，首先利用卫星广域覆盖特点对目标区域进行普查，一次性、快速获取整个城市区域的疑似漏水分布，然后聚焦到一个个100-150米半径范围的疑似漏损区域内（Points Of Interest，POI）。卫星扫描结果出来后，还需要开展地面人工检漏核查工作，核查确认和上报漏点信息。卫星探漏的流程如下图所示：

图2 卫星探漏业务流程

2.2 上海地区卫星探漏技术应用

2021年7月，利用雷达卫星对上海浦东偏东的区域成像，开展了供水管道卫星探漏应用验证，经过算法处理和分析，获取了浦东区域的所有疑似漏水区域POI。第一期选取了A区（面积8.7平方公里）和B区（面积26平方公里）两片小区域的一共91个疑似漏水区域POI进行地面核查确认。2021年12月，利用雷达卫星对上海浦东偏西区域、浦西大部和奉贤等区域成像（卫星扫描总面积共923平方公里），开展了第二期卫星探漏应用实践。卫星扫描覆盖范围和地面核查区域及疑似漏水区域分布如下图：

图 3 上海地区第一期和第二期卫星探漏扫描覆盖范围

3.卫星探漏应用案例及探漏效果分析

3.1 上海地区卫星探漏情况

3.1.1 第一期卫星探漏情况

通过对A区域的31个POI和B区域的60个POI进行了听漏核查作业，完成了漏点的查找和定位。其中，A区域发现17个漏点，B区域发现28个漏点，A、B两区域的POI准确率分别为54.8%和46.7%。漏点分布如下图所示：

图4 第一期卫星探漏核查漏点分布图

在检漏效率方面，采用卫星探漏技术及星地协同方式，地面检漏核查人员确认一个漏点需覆盖的管线长度大幅降低，每人每天发现的漏点数量以及每人每公里发现的漏点数量分别提升了9.9倍和15.4倍。

3.1.2 第二期卫星 探漏情况

经过数据处理和分析，获取了浦东区域的POI为190个，通过听漏公司人工巡检，对浦东区域内190个疑似漏水区域进行了快速初检，发现漏点51个；之后对部分管线检漏覆盖不完整的POI进行了复检，复检POI共80个，新增发现漏点21个。由于巡检时段内还有部分其他探知来源的真实漏点已经被发现或已修好，这部分漏点共计41个坐落在POI中。因此，在卫星探漏技术提供的190个POI中，合计共发现113个漏点，POI准确率为59.5%

在检漏效率方面，通过浦东第二期卫星探漏和星地协同实践，地面检漏人员单位漏点的管道巡检距离同样大幅减少，每人每天发现的漏点数量以及每人每公里发现的漏点数分别提高了12倍和19倍。

通过上述两期卫星探漏的应用实践发现，卫星探漏技术共提供了281个POI，检出漏点158个，卫星探漏技术提供的POI漏点检出效率为56.2%，其中道路管道漏点和小区管道漏点的占比分别为30.8%和69.2%。

3.1.3卫星探漏漏点口径分布规律

为研究卫星探漏效率是否受管径的影响，通过对有效修复漏点数据的分析发现（如图5所示），小口径（≤ DN50）管道检出漏点的占比为59.0%，大口径（＞ DN50）管道检出漏点的占比为41.0%，大口径漏点中DN300、DN500、DN1000漏点各一处。该分析表明，当前卫星探漏技术对小口径漏点的探测效率相对较高，后续还需要对算法进行进一步优化，提高大口径管道的漏点检出效率。

图5 卫星探漏有效修复漏点口径分布图

3.1.4卫星探漏漏点故障元素分布规律

假设将某漏点修复后节约的漏水量称为修漏收益水量。在本次卫星探漏的数据中发现，水表配件和阀门配件部位的漏点数占有效修复漏点数的43.6%，占比较高。但这类漏点主要以渗漏为主，平均修漏收益水量仅为3.01 L/min左右，相比较而言，管道和管件部位的漏点则漏水量相对较大，平均修漏收益水量可达114.12L/min。另外本次卫星探漏发现二次供水池水箱溢流2处，平均修漏收益水量为60.52 L/min，水量也相对较大。从漏控角度来说，我们希望卫星探漏技术能够更多地发现管道、管件及二供设施溢流等漏水量较大的漏点。

通过上述分析表明，卫星探漏技术对水表、阀门、二供溢流等明漏检出效果较好，但后续仍需继续提高对管道、管件的漏点检测效率。

图6 卫星探测漏点故障元素分布图

3.1.5卫星探漏漏点材料分布规律

在卫星探漏技术的实际应用中发现，管材并未对其在漏点检测方面产生较大影响。

由图7可见，占比相对较大的PPR和铜是水表的配件漏水，PVC和白铁则主要为部分集约化地区老旧管道和管件损坏导致，而阀门配件漏水则占铸铁材质的67%。PVC、白铁、铸铁三种管材均可探测出暗漏，说明卫星探漏与管材的相关性较低。

图7 卫星探测漏点材料分布图

3.1.6卫星探漏漏点埋深分布规律

管道埋深也是影响检漏效率的因素之一。在卫星探漏检测出并修复的漏点有效样本中，埋深较浅的管道（≤0.5m）探出漏点为29处，占比为74.4%；而埋深较深的管道（＞0.5m）探出漏点为10处，仅占25.6%。通过数据初步分析来看，目前算法下的卫星探漏技术可快速定位小口径、浅埋深以及水表、阀门等地面可见的漏损，但对于是否能精准定位大口径、埋深较深的管道漏损，还需后续实践进一步验证。

3.2 卫星检漏与传统检漏效果对比研究

3.2.1 卫星探漏漏点水量控制分析

通过对卫星探漏检出并修复的39个有效样本漏点分析，结合漏点开挖的照片、视频，并通过量筒、烧杯等估算漏失水量，发现卫星探漏与未使用卫星探测的人工巡检听漏（以下简称“自主检漏”）修漏收益水量比约为1:4。其中27个漏点的修漏收益水量＜1 L/min，主要漏点位置为水表（图9a）、阀门（图9b）、管道配件（图9c）；12个漏点的修漏收益水量＞1 L/min，主要为管道漏水（图9d）。该结果表明，目前算法下卫星探漏技术检出的漏点漏水量还相对较小，对较大口径、埋深较深、漏水量较大的道路管道漏点检出能力还有待提高。

图8 卫星探测漏失水量分布图

图9 卫星探测漏点现场照片

卫星探漏与自主检漏效率分析

在应用卫星探漏技术之前，检漏主要依靠传统的人工巡检听漏（自主检漏）方式开展。在一期区域内卫星获得图像后即开展了自主检漏工作，小区内共发现了67处漏点。在通过卫星图像分析获得POI后在小区内共检出27处漏点，其中17处为新检出漏点，10处为已检出漏点。该数据表明，在一期区域内共有检出漏点84处，而卫星探漏发现了其中的27处，探出比例为32.1%，道路上的卫星探漏检出比例则为48.0%（详见表2）。这意味着以半径100-150米范围的卫星探漏POI可以探出目标区域内约三分之一的小区漏点和约一半的道路漏点。

表2 卫星探漏与自主检漏效率分析表

卫星探漏在小区内探出漏点的比例比道路上略低，其原因是因为长波卫星进行拍照时会受到拍照角度、地面性质、是否有楼宇、是否有高架遮挡等因素影响，且由于卫星检漏技术最初用于较为干燥的沙漠地区寻找水源，而上海地区由于土壤含水率较高，土壤介电常数会有较大差异，因此对于上海地区的土壤介电常数区间还需要通过大量漏点复核进行优化后，才能进一步提升卫星探漏技术的检漏效率。

4.结论及建议

上述应用实践表明，卫星探漏提供的半径100-150米疑似漏损区域POI内可检出漏点的比例可以达到56.2%，通过与传统的人工巡检听漏方式相结合，可以使其效率提升10倍以上，完全具备了实用价值。

未来提升卫星探漏技术效率的手段可以包括三个方面，第一是卫星技术本身，第二是卫星探漏算法的完善，第三是天地结合、星地协同。随着国产卫星技术民用化的不断推进，获取卫星图像的便捷度越来越高，成本越来越低，这为卫星探漏技术的进一步发展奠定了基础。通过上述分析可以发现，现有的卫星探漏技术只能发现目标区域内约三分之一的小区漏水点和约一半的道路漏水点，这方面还有提升空间。同时卫星探漏技术还存在检出漏点漏水量偏小，对大口径管道、埋深较深管道以及漏水量大的漏点发现能力不足等问题，这些都需要通过完善算法来改进。另外，卫星探漏技术提供的POI最终还是需要通过其他检漏手段（比如传统的人工听音法或者相关仪法等）来确准漏点位置，相信通过加强天地结合以及星地协同方面工作，可以更大程度上提高卫星探漏技术的检漏效率。

卫星探漏技术不是传统人工巡查检漏技术的替代品，而是人工巡查检漏等技术的效率倍增器，它可以到达传统人工巡检很难到达的区域，还可以通过对目标区域进行高频次扫描，快速提供疑似漏损区域POI，极大地节约检漏时间并提升检漏效率，优势明显，值得对其进一步研究推广。