徐學(xué)良 孫振濤 關(guān)鴻亮,3

(1. 北京市自來(lái)水集團(tuán)禹通市政工程有限公司, 北京 100011;2. 首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院, 北京 100048;3. 空間信息技術(shù)教育部工程研究中心, 北京 100048)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家,水資源分布不均衡,地下水資源儲(chǔ)量也有限[1]。目前,北京的城市自來(lái)水供應(yīng)主要由地表再生水、地下水、南水北調(diào)供水等組成。隨北京城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,地下自來(lái)水管網(wǎng)總長(zhǎng)度逐年增加,與此同時(shí),由于管線老化、不規(guī)范施工、超負(fù)荷供水等諸多原因,地下自來(lái)水管線滲漏問(wèn)題一直被全球關(guān)注。一方面,地下供水管的滲漏會(huì)造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi),至2020年,我國(guó)地下自來(lái)水供水管道綜合漏損率為13.26%,漏損量約91.95億m3,其中城區(qū)漏損水量為78.54億m3,綜合漏損率為13.39%。北京情況較好,2020年北京統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,北京供水管道長(zhǎng)度2.05×104km,供水量12.17億m3,其漏損率為9.85%,達(dá)到了“水十條”提出的到2020年供水漏損率控制在10%以內(nèi)的目標(biāo)。另一方面,一旦帶壓地下自來(lái)水供水管道爆管,則極易在滲漏處形成地下空洞,進(jìn)而發(fā)生路面塌陷和地基下沉等地下病害[2]。因此,對(duì)地下自來(lái)水供水管道滲漏進(jìn)行快速準(zhǔn)確的探測(cè)定位,為管線維護(hù)及修復(fù)工作提供準(zhǔn)確消息,能有效降低經(jīng)濟(jì)損失,避免人員傷亡。

現(xiàn)階段,地下自來(lái)水管道滲漏的主要探測(cè)方法可分為管內(nèi)探漏法和管外探漏法兩種。我國(guó)一些中小城市仍借助簡(jiǎn)單儀器,如聽(tīng)音儀、相關(guān)儀等進(jìn)行人工巡檢,耗時(shí)耗力,且由于環(huán)境干擾、泄漏量、人員經(jīng)驗(yàn)素質(zhì)等因素,導(dǎo)致可靠性下降,準(zhǔn)確性不高,對(duì)于埋深過(guò)深的管道漏點(diǎn)受其附近電纜溝、暖氣溝、下水道等介質(zhì)通道,使得漏點(diǎn)在地表難以發(fā)現(xiàn),從而形成暗漏,造成大量泄漏水損[3]。國(guó)外探漏設(shè)備自動(dòng)化水平較高,但其所設(shè)定的定位參數(shù)等不能完全適應(yīng)國(guó)內(nèi)供水管道的特點(diǎn)和環(huán)境,儀器參數(shù)設(shè)置的不確定直接導(dǎo)致泄漏探測(cè)定位的實(shí)際性能下降。且國(guó)外探漏儀器價(jià)格昂貴,產(chǎn)品維護(hù)、人員培訓(xùn)等后續(xù)投入大,因此國(guó)內(nèi)眾多供水企業(yè)對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品只能望而卻步。在北京,已先后建立了“蔣觀琪勞模創(chuàng)新工作室暨聽(tīng)漏工作室”、引入了信標(biāo)法、建立了地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)等輔助自來(lái)水漏損檢探測(cè)。

隨著管線漏損探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,探測(cè)精度及范圍不斷提高,禹通市政工程有限公司將合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)遙感與探地雷達(dá)結(jié)合引入到自來(lái)水漏損探測(cè)領(lǐng)域。SAR遙感利用特有的波長(zhǎng)穿透性,穿透地面測(cè)量土壤中的水分,發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)泄漏線索,衛(wèi)星一次過(guò)境,可對(duì)整個(gè)城市地下自來(lái)水管網(wǎng)進(jìn)行大面積同步探測(cè)。探地雷達(dá)利用地表天線向地下發(fā)射超寬帶脈沖電磁波,探測(cè)地下介質(zhì)介電性質(zhì)(介電常數(shù)和電導(dǎo)率)的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)地下自來(lái)水泄漏的探測(cè),通過(guò)分析地下自來(lái)水泄漏特征、北京自來(lái)水管道埋深情況及SAR遙感不同波段的穿透性,采用SAR遙感L波段進(jìn)行大面積疑似高泄漏區(qū)域探測(cè),其解譯結(jié)果可能受到洗車場(chǎng)、游泳池等露天水源的干擾,需要再輔助以探地雷達(dá)在疑似高泄漏區(qū)域進(jìn)行泄漏點(diǎn)的快速精準(zhǔn)識(shí)別。

1 相關(guān)研究

由于管線泄漏探測(cè)技術(shù)綜合多領(lǐng)域多學(xué)科知識(shí),因此過(guò)去的研究提出了不同的探漏方法主要的方法包括：聲波探漏[4]、紅外熱成像探漏[5]、光纖傳感器探漏[6]、負(fù)壓波法探漏[7-8]、動(dòng)態(tài)建模法探漏[9]、數(shù)字信號(hào)處理[10]等方法。黃樂(lè)藝將以上探漏方法分類分為兩類：基于硬件的方法和基于軟件的方法[11]。有學(xué)者也將不同的探漏方法分為外部和內(nèi)部的方法或者設(shè)備法與模型法[12]。模型法是通過(guò)監(jiān)測(cè)流量、壓力、流體溫度等一系列管道本身水力指標(biāo)來(lái)判斷是否泄漏。由于模型法定位精度低,應(yīng)用場(chǎng)景局限,不適宜于城市地下自來(lái)水漏損探測(cè)。設(shè)備法是利用外部硬件引入新的監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行探測(cè),基于各種探測(cè)儀器(包括衛(wèi)星、探地雷達(dá)),其能夠精確定位漏點(diǎn)位置。從另一個(gè)角度,由于模型法探測(cè)對(duì)象是管道本身的變化,而地下自來(lái)水的泄漏必然引起周圍土壤濕度的變化、土壤介電性質(zhì)的變化,即使得應(yīng)用SAR遙感與探地雷達(dá)結(jié)合進(jìn)行地下自來(lái)水漏損探測(cè)的技術(shù)成為可能。

SAR可以穿透一定深度的土壤表面,從而獲取土壤水分的地表垂直分布信息,特別是L波段SAR具有低成本、高分辨率、穿透能力強(qiáng)(1.5～2 m)等優(yōu)點(diǎn),在土壤含水量檢測(cè)中具有很大的潛力,不同地物的散射機(jī)制能夠通過(guò)SAR影像得到反應(yīng),從而能夠提供關(guān)于城市地區(qū)的有用信息[13-16]。L波段SAR遙感雖能夠大范圍快速高效地探測(cè)漏損,但其精度受分辨率及露天水源的影響,仍需要地面探漏手段進(jìn)行輔助。探地雷達(dá)對(duì)介質(zhì)介電性質(zhì)的變化敏感,能夠快速感知漏損位置,實(shí)現(xiàn)高效的地下自來(lái)水泄漏探測(cè)。國(guó)外對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)管道泄漏進(jìn)行了大量研究,2011年DavidAynala-Cabrera[17]等對(duì)探地雷達(dá)圖像特征提取的可行性進(jìn)行了研究,提出了一種基于多代理系統(tǒng)的特征提取方法,使用密集矩陣處理高斯過(guò)程回歸(Gaussian process regression, GPR)輸出的與處理圖像,對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,實(shí)現(xiàn)塑料管道的自動(dòng)定位。Sevket Demirci[18]等于2012年分別在實(shí)驗(yàn)室和室外土壤環(huán)境中構(gòu)建了真實(shí)滲漏實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?確定其異常特征為空隙區(qū)域或扭曲的管道特征。2014年Cataldo A[19]等通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了時(shí)域反射儀法、探地雷達(dá)、電阻率層析成像三種技術(shù)用于地下管道中的漏水探測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)針對(duì)探雷雷達(dá)探測(cè)管道泄漏研究較少,2016年黃樂(lè)藝[11]根據(jù)管線滲漏發(fā)育規(guī)律,使用GprMax探地雷達(dá)進(jìn)行仿真模擬,通過(guò)道積分法和分頻處理,確定管線滲漏程度、位置。2018年馬朝猛[20]等通過(guò)預(yù)設(shè)管道泄漏點(diǎn),確定管道泄漏時(shí)和泄漏后回波特征,并提出“孔下回波”和“箭形回波”等特征。2019年柴端伍[21]進(jìn)一步明確含水量與介電常數(shù)關(guān)系,根據(jù)回波振幅值變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)供水管道泄漏自動(dòng)報(bào)警。2021年季銀濤[22]基于深度學(xué)習(xí)的方法,結(jié)合探地雷達(dá)圖像特性,設(shè)計(jì)了探地雷達(dá)反演網(wǎng)絡(luò)PINet,確立了實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)圖像高精度反演的目標(biāo)。

2 思路與方法

2.1 SAR影像處理與解譯

在反演土壤含水量的研究中,常使用C波段和L波段,但L波段波長(zhǎng)更長(zhǎng)(15～30 cm),穿透能力更強(qiáng),地下探測(cè)深度更深(可穿透75～150 cm地表),因此本研究選擇L波段,ALOS-2衛(wèi)星是日本的先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星,ALOS-2衛(wèi)星是目前唯一在軌運(yùn)行的L波段SAR衛(wèi)星,其頻率為1.2 GHz,影像波段長(zhǎng)23 cm,可穿透地表以下1 m左右深度,符合地下自來(lái)水管道探測(cè)要求。對(duì)于土壤而言,土壤含水量變大會(huì)導(dǎo)致土壤介電常數(shù)增大,從而影像遙感觀測(cè)的后向散射系數(shù)[23]。進(jìn)而為管道泄漏區(qū)域探測(cè)土壤水含量異常奠定理論基礎(chǔ)。

本研究采用北京地區(qū)ALOS-2衛(wèi)星影像,使用了2019年8月20日和2019年9月3日的兩期完全重疊的全極化10 m分辨率影像。對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理,包括多視、配準(zhǔn)、濾波、地理編碼、輻射校正等,使其能夠與真實(shí)地物位置相匹配。對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理后,便可以進(jìn)行漏水點(diǎn)提取(圖1)。要通過(guò)介電性質(zhì)反演土壤濕度等物理特征必須要去除城市中相對(duì)裸露的地表,如房屋、道路、硬化道路等不透水面?；诓煌瑯O化方式SAR的穿透能力不同的原理能夠去除不透水面。運(yùn)用相應(yīng)算法,剔除建筑物、道路等不透水層,再利用Sekertekin A[24]等人提出的針對(duì)ALOS-2影像的經(jīng)典半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒M土壤后向散射系數(shù)與含水量間的關(guān)系,通過(guò)分析可得到北京四環(huán)內(nèi)疑似漏水點(diǎn)共113處,五環(huán)內(nèi)疑似漏水點(diǎn)137處,如圖1所示。

受SAR分辨率影像,所得到的疑似漏水點(diǎn)僅是漏水范圍,仍不能確定泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。為精準(zhǔn)定位泄漏點(diǎn)位置,以疑似點(diǎn)為中心建立半徑200 m范圍緩沖區(qū)并進(jìn)行POI標(biāo)記,進(jìn)行地面探地雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)核查。

2.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與分析

探地雷達(dá)利用電磁波的穿透能力對(duì)地下不可見(jiàn)目標(biāo)或界面進(jìn)行定位,通過(guò)從地表向地下發(fā)射某種形式和頻率的電磁波,當(dāng)電磁波遇到地下介質(zhì)特性變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射,探地雷達(dá)接收天線記錄其反射信號(hào),通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,并通過(guò)反射波的延時(shí)及頻譜信息等反演目標(biāo)的位置、深度、媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)及特性等。在實(shí)際野外探測(cè)中,常用的探地雷達(dá)探測(cè)方式分為三種：探地雷達(dá)剖面法、探地雷達(dá)寬角法、探地雷達(dá)多次覆蓋法[25]。本研究中采用的是剖面法,其將發(fā)射器和接收器看作一個(gè)整體,每次移動(dòng)一定的間隔距離,沿著測(cè)線向某一個(gè)方向移動(dòng)的一種探地雷達(dá)測(cè)量方式,將每一次形成的探地雷達(dá)記錄結(jié)合起來(lái),就能形成探地雷達(dá)時(shí)間剖面圖,橫坐標(biāo)為發(fā)射天線和接收天線在測(cè)線上行進(jìn)的距離,縱坐標(biāo)是探地雷達(dá)發(fā)射器發(fā)射出脈沖電磁波在經(jīng)過(guò)地下異常體反射回到接收器的雙程走時(shí)。

以北京五環(huán)城區(qū)為研究區(qū),以L波段SAR解譯疑似點(diǎn)為中心建立的半徑200 m為范圍,沿管網(wǎng)分布方向,采用500 MHz天線探地雷達(dá)進(jìn)行掃描,采集獲取原始探地雷達(dá)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,記錄采集過(guò)程中的干擾物(坑洼地面、井蓋等),為數(shù)據(jù)分析提供參考。本次一共采集56個(gè)疑似漏水點(diǎn)數(shù)據(jù),其中有50個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn),實(shí)地探測(cè)確認(rèn)漏水的數(shù)據(jù)28個(gè),不漏水?dāng)?shù)據(jù)22個(gè)。取西城區(qū)阜成門北大街西弓匠胡同數(shù)據(jù)為例,其分析過(guò)程如下：將獲取的原始探地雷達(dá)剖面圖進(jìn)行預(yù)處理,包括去除直流漂移,靜校正、增益、背景去除、巴特沃斯帶通濾波、滑動(dòng)平均等預(yù)處理后數(shù)據(jù),如圖2所示,其顏色強(qiáng)度表示信號(hào)振幅,顏色越黑或越白表示振幅越強(qiáng),灰色區(qū)域振幅較弱。

圖2中,我們能夠看出在探測(cè)深度1.4 m左右、測(cè)線長(zhǎng)度為3.2 m處(雷達(dá)數(shù)據(jù)第63道)和4.8 m處(雷達(dá)數(shù)據(jù)第96道),雷達(dá)反射信號(hào)呈現(xiàn)明顯的兩個(gè)雙曲線型反射回波,且頻率降低,這是明顯的地下金屬管道產(chǎn)生的雷達(dá)回波信號(hào)。我們可暫時(shí)認(rèn)為兩處存在漏水。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行瞬時(shí)頻率屬性的計(jì)算并進(jìn)行分析,瞬時(shí)頻率圖像如圖3所示。瞬時(shí)頻率能夠用來(lái)分析地層對(duì)雷達(dá)波的吸收衰減,以及地下薄層變化狀況等,能夠應(yīng)用于描述地下水的分布及變化特征。高頻電磁波在地下介質(zhì)傳播會(huì)發(fā)生衰減,電導(dǎo)率是影響電磁波穿透深度的重要因素,漏水區(qū)地下介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率均相對(duì)較大,對(duì)高頻信號(hào)衰減作用大,這是因?yàn)樗畷?huì)吸收掉反射波中的高頻成分導(dǎo)致頻率衰減,波長(zhǎng)增長(zhǎng),且在介質(zhì)分界面反射波強(qiáng)度增大,反射波同相軸不連續(xù),根據(jù)泄漏回波頻率高低,便可確定漏水區(qū)域[26]。圖4給出了兩道數(shù)據(jù)的Wiggle圖,對(duì)比分析第63道和第96道Wiggle圖可以看出,在第68道疑似漏水點(diǎn)處其高頻成分被吸收,雷達(dá)接收顯示低頻成分,而在第96道疑似漏水點(diǎn)處,其瞬時(shí)頻率的高頻部分衰減較小,未出現(xiàn)明顯的低頻部分,說(shuō)明在第96道處疑似漏水點(diǎn)未發(fā)生漏水,第63道處疑似漏水點(diǎn)發(fā)生漏水。

圖2 雷達(dá)反射圖像

圖3 瞬時(shí)頻率圖像

(a)第68道 (b)第96道

2.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

針對(duì)通過(guò)SAR遙感影像解譯出的疑似漏水點(diǎn)POI,11個(gè)工作組分頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查,主要通過(guò)翻井蓋檢查、聽(tīng)聲等多種手段。共花費(fèi)了3個(gè)工作日(四環(huán)內(nèi)從2019年9月18日開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)核查至9月19日核查結(jié)束,四環(huán)外五環(huán)內(nèi)2019年10月9日核查一天,其中一個(gè)核查小組2019年10月9日未核查,10月10日核查一天),共查出了86個(gè)漏水點(diǎn),平均每天查出29個(gè)漏水點(diǎn)。其中,本研究中選取西城區(qū)阜成門北大街西弓匠胡同數(shù)據(jù)確認(rèn)為一處管道埋深1.5 m,DN100球墨鑄鐵管管件破損造成泄漏,現(xiàn)場(chǎng)核查圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)核查圖

3 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明,應(yīng)用天基雷達(dá)的L波段SAR遙感可以直接解譯上百個(gè)疑似漏水區(qū)域,該技術(shù)明顯提高了城市地下自來(lái)水管道泄漏探測(cè)效率。應(yīng)用探地雷達(dá)因?qū)Φ叵陆鐚雍康牟煌鸬慕殡娦再|(zhì)差異敏感,能夠作為輔助手段快速精確定位漏水點(diǎn)位,通過(guò)分析疑似漏水點(diǎn)瞬時(shí)頻率特征能夠定性識(shí)別管網(wǎng)泄漏。本研究應(yīng)用天基與地基雷達(dá)相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了一種快速、高效、精準(zhǔn)識(shí)別城市地下自來(lái)水泄漏的方法。