衛(wèi)星在管線探漏的應(yīng)用探討

王眾嬌 馬洪坤 潘 拓 高 磊 劉 彤

(哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 概述

我國(guó)水資源的人均占有量?jī)H為世界人均占有量的1/4，屬于貧水國(guó)家[1]，但城市管網(wǎng)的漏損率一直很高，不僅造成水資源浪費(fèi)[2]，也造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)供水管網(wǎng)平均漏損率超過15%，每年經(jīng)濟(jì)損失超過200億元。為了控制供水管網(wǎng)的漏損率，2015年4月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(水十條)，對(duì)使用超過50年和材質(zhì)落后的供水管網(wǎng)進(jìn)行更新改造，到2017年，全國(guó)公共供水管網(wǎng)漏損率控制在12%以內(nèi)；到2020年，控制在10%以內(nèi)。2016年，國(guó)家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)了《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確指出全國(guó)供水管網(wǎng)漏損率控制在10%以內(nèi)。

管線探漏的主要方法有利用聲學(xué)設(shè)備的傳統(tǒng)漏損定位，該方法依賴于水加壓后漏水產(chǎn)生的噪聲(聲音或振動(dòng))，不適用于靜態(tài)漏損，且探漏過程耗時(shí)長(zhǎng)；水利模型漏損定位，該方法主要是通過實(shí)測(cè)壓力或流量值與模擬值的差異最小化定位可能的漏損點(diǎn)，但模型的校準(zhǔn)比較困難[3]。

雷達(dá)衛(wèi)星主要有德國(guó)的TerraSAR-X(X頻段)、加拿大的RADARSAT-2(C頻段)、意大利的COSMO-SkyMed(X頻段)、以色列的TeeSAR(X頻段)、德國(guó)的TanDEM-X(X頻段)、日本的ALOS-2(L頻段)、我國(guó)的GF-3(C頻段)等。雷達(dá)衛(wèi)星影像具有不受云、雨、暗夜等條件限制的特點(diǎn)，可穿透植被，獲取土壤信息。目前，土壤中含水量的研究主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域及地下水資源研究，主要是建立后向散射系數(shù)與土壤水分的關(guān)系[4]。管線漏損會(huì)帶來土壤含水量的變化，含水量越高后向散射值越強(qiáng)，這使得衛(wèi)星探漏成為可能。

2 衛(wèi)星探漏總體設(shè)計(jì)

利用雷達(dá)衛(wèi)星的強(qiáng)穿透性，獲取地表影像數(shù)據(jù)，經(jīng)多視、濾波等預(yù)處理，去除噪聲，獲取地表真實(shí)散射。利用雷達(dá)信號(hào)對(duì)土壤水分的敏感，建立地表含水量反演模型，利用土壤含水量越高，雷達(dá)影像后向散射越強(qiáng)的特點(diǎn)，提取疑似漏損點(diǎn)位[5,6]。將疑似漏損點(diǎn)位與管線或道路數(shù)據(jù)疊加分析，縮小待核查的點(diǎn)位數(shù)量。采用外業(yè)核查的方式，確定漏損點(diǎn)位。衛(wèi)星探漏總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲取及分析

國(guó)內(nèi)外雷達(dá)衛(wèi)星波段主要有X(波長(zhǎng)2.5 cm～3.75 cm)、C(波長(zhǎng)3.75 cm～7.5 cm)、L(波長(zhǎng)15.0 cm～30.0 cm)，目前，X波段能夠精確地描述目標(biāo)的細(xì)微形狀，主要用來做冰的觀測(cè)、分類以及海面污染情況觀測(cè)；C波段主要用來做海洋的強(qiáng)目標(biāo)觀測(cè)，也用于旱澇災(zāi)害的土壤濕度觀測(cè)；L波段主要用于淡水和穿透目標(biāo)的觀測(cè)。對(duì)于土壤濕度觀測(cè)常采用C或L波段。由于波長(zhǎng)越長(zhǎng)穿透能力越強(qiáng)，而管線多埋于地下，屬于穿透目標(biāo)的觀測(cè)，因此，數(shù)據(jù)源應(yīng)選取含L波段的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)最為合適，C波段次之。含L波段的數(shù)據(jù)源較難獲取，考慮到方法的易實(shí)現(xiàn)性，本文采用C波段影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，影像情況如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)源

2.2 影像預(yù)處理

影像預(yù)處理包括多視處理、濾波、地理編碼和定標(biāo)等。多視處理目的是采用獲取最高的空間分辨率影像，提升影像的可解譯性。濾波目的是消除或者減少影像中的相關(guān)噪聲，提高影像的信噪比和可解譯性，提升影像的反演質(zhì)量。地理編碼目的是使得影像符合真實(shí)的地理表面和面積；輻射定標(biāo)目的是使得像元值真實(shí)反映反射表面的后向散射值。處理結(jié)果見圖2，實(shí)驗(yàn)區(qū)主要包括農(nóng)田、道路以及少量的房屋。

2.3 地表含水量反演

地表含水量反演對(duì)結(jié)果影響較大的參數(shù)為粗糙度和介電常數(shù)。AIEM模型中主要考慮相關(guān)長(zhǎng)度、均方根高度、介電常數(shù)三個(gè)參數(shù)，其中相關(guān)長(zhǎng)度、均方根高度代表的是地表粗糙度水平方向和垂直方向的描述。將實(shí)測(cè)樣本點(diǎn)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入AIEM模型中，得到樣本點(diǎn)的模擬后向散射系數(shù)。將樣本點(diǎn)實(shí)測(cè)的后向散射系數(shù)與模擬的樣本點(diǎn)后向散射系數(shù)對(duì)比分析，剔除差值大于2的值，建立樣本庫。由樣本庫訓(xùn)練BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得到符合樣本庫的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和結(jié)構(gòu)。將后向散射系數(shù)圖轉(zhuǎn)換成后向散射系數(shù)矩陣，輸入訓(xùn)練后的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，得到地表含水量反演結(jié)果。處理流程如圖3所示。

2.3.1AIEM模型原理

AIEM是改進(jìn)的IEM模型，主要改進(jìn)了模型對(duì)地表粗糙度參量和Fresnel反射系數(shù)，對(duì)反射系數(shù)處理不完善。IEM模型與AIEM的模型推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，可參考文獻(xiàn)[7]進(jìn)行。AIEM模型是一個(gè)物理模型，主要是建立同極化后向散射系數(shù)與地表參數(shù)和傳感器系統(tǒng)配置參數(shù)之間的定量函數(shù)關(guān)系，地表參數(shù)主要包含介電常數(shù)、地表粗糙度，傳感器系統(tǒng)參數(shù)主要包括頻率、極化和入射角。將AIEM模型參數(shù)概念化表示如式(1)所示：

(1)

2.3.2BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是包含輸入層、隱含層、輸出層，是通過一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將簡(jiǎn)單的神經(jīng)元組合起來，構(gòu)成群體并行式的處理結(jié)構(gòu)。輸入層作用是連接外部輸入模式，并由輸入層遞給相連的隱含層。本次輸入層為建立的樣本庫。中間層作用是內(nèi)部處理單元層，可以是一層，可以是多層，也可以是零層。輸出層作用是產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出模式。一般均方誤差MSE的值越小，R值越接近1，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型越優(yōu)，將此時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各參數(shù)保留，作為反演整幅影像含水量的參數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果見圖4，土壤含水量反演結(jié)果見圖5，圖5中白色方框亮度值較高，表示其含水量較高，可能為漏損點(diǎn)。

2.4 疑似點(diǎn)位提取及核查

對(duì)土壤含水量反演結(jié)果進(jìn)行分析，設(shè)定閾值，求取疑似漏損點(diǎn)位。將提取的疑似漏損點(diǎn)位與管網(wǎng)或道路數(shù)據(jù)基于同一坐標(biāo)系下進(jìn)行疊加分析，將有管線或道路數(shù)據(jù)且含水量較高的點(diǎn)位進(jìn)行提取，剔除部分疑似點(diǎn)位，縮小待核查范圍。核查采用聲學(xué)設(shè)備，為減少外部噪聲干擾，聽音時(shí)間選擇在凌晨0點(diǎn)～4點(diǎn)，每個(gè)疑似點(diǎn)位重復(fù)聽取3次，以判斷該點(diǎn)是否為漏損點(diǎn)。如果條件允許也可以在疑似點(diǎn)位進(jìn)行開挖驗(yàn)證。疑似漏損點(diǎn)位見圖6，圖6a)為疊加道路數(shù)據(jù)的含水量分級(jí)圖，圖6b)為局部放大圖，其含水量較高的區(qū)域?yàn)榧t色，將含水量高且離道路較近的點(diǎn)判斷為疑似漏損點(diǎn)。

3 衛(wèi)星探漏應(yīng)用分析

雷達(dá)衛(wèi)星探漏不受天氣和地質(zhì)環(huán)境的限制，且具有監(jiān)測(cè)范圍大的特點(diǎn)，理論上每次衛(wèi)星過境都會(huì)拍攝一次影像，就可實(shí)現(xiàn)過境區(qū)域的全范圍漏損監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)漏損區(qū)域情況的整體把握。利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果，指導(dǎo)外業(yè)探漏工作，減少盲探，有助于提高工作效率。衛(wèi)星探漏采用的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，區(qū)域不同準(zhǔn)確率也存在差異，需要實(shí)地采樣來保證模型的精度，衛(wèi)星探漏只是縮小傳統(tǒng)探漏范圍，其提取的疑似結(jié)果，仍需外業(yè)核查，因此，無法取代人工探漏，但其可以縮短監(jiān)測(cè)范圍的調(diào)查周期，減少核查人員的工作量，因此，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定價(jià)值。

4 結(jié)語

衛(wèi)星探漏可以解決大場(chǎng)景疑似漏損點(diǎn)位的快速提取，但提取精度需要進(jìn)一步校核。因此，不同的反演算法混合應(yīng)用以及探漏模型研究提升精度是進(jìn)一步的發(fā)展方向。同時(shí)，現(xiàn)有模型研究針對(duì)的是植被或裸土地表的研究，針對(duì)城市復(fù)雜地物特點(diǎn)的土壤水分反演也是有待進(jìn)一步研究的方向。