智慧水务 | 从宇宙的视角出发:如何用卫星图像分析管网漏损?

随着全球诸多领先水司开始逐步普及智能水表及传感器在管网中的安装,两家名为Utilis和Satelytics的公司却开始另辟蹊径,探寻采用卫星影像分析的技术来解决管网漏损问题。这个全新的视角是否将为水司在智慧水务方案上拓宽思路?还是仅仅是未来巨大飞越的一声开始的号角?

总部位于以色列的Utilis公司是世界上利用卫星影像技术进行漏损检测的第一批推行者之一,仅2017年一年,该公司就通过这一技术成功检测了5000次管道泄漏。Utilis成立于2013年,其自主研发的卫星图像漏损检测技术已获得专利,可以对地下以及自来水供应系统中的泄漏点进行检测,从而服务于城市供水系统,让漏损隐患得到及时的处理。

Utilis通过卫星拍摄影像照片,使发出的电磁波穿透地球表面并被湿地等导电材料所反射,然后通过测量反射波来根据反射能量生成图像(如下图所示)。在对图像进行分析后,Utilis为其客户提供网络版的地图,将漏损位置定位至20米的半径范围内。


“自来水与其他类型的水具有不同的特征。因为自来水是经过处理的,它的含盐量与其他水不同。” Utilis首席技术官Lauren Guy解释说。而自来水独特的水质特征则可以通过算法来识别。“我们可以分辨不同类型的水之间的差异,并判断它是否是自来水。如果发现自来水在地下,而不是在管道中,那么就表示这一位置发生泄漏。”据悉,Utilis的卫星图像检测技术可以检测到微小至0.1L /分钟的泄漏点,且每幅卫星影像覆盖范围高达3500平方公里。

2017年8月,Utilis在德国Albstadt市进行了一项试点,其分析数据有效地帮助该市在21天内发现了106处泄漏事故、并降低产销差,为Albstadt市每年节省110万美元的供水成本。

而在使用卫星图像进行漏损分析时,使用辐射校正对背景值进行去除非常重要。“由于微波接近无线电频率。城市中的手机和无线电塔等设备均会对卫星图像进行干扰。” Guy告诉GWI,“事实上我们算法最大的优势不在于能定位到自来水的漏损,而是能够从图像中对噪音等背景进行有效的扣除。”

Utilis所提供服务的频率是每月一次或每两年一次,目前已被英国、德国、罗马尼亚和南非等地区的部分水司所采用。尽管这一技术中数据的采集频率受到来自公司竞争对手的质疑,但Guy解释道,“大量的常规数据并不会使客户真正受益,如何获取有价值的数据才是我们努力的目标。往往,在一张卫星图像中所检测到的泄漏数量,往往可以超过水司在一个月内所发现的泄漏总数。

然而,此类地理空间图像分析技术不仅仅可以用于管道漏损的检测,在美国,位于俄亥俄州托莱多的Satelytics公司则通过卫星和无人机等技术,对所采集的数据进行分析对流域水质情况进行监测。Satelytics公司总裁兼首席执行官Sean Donegan向GWI解释道:“这两种应用领域(管道监测和水质监测)其实有共通之处,就是他们都输出超光谱或多光谱数据。” 该公司为水和污水处理等行业提供技术服务,如在密尔沃基大区污水管理局与威立雅合作建立的绿色基础设施建设项目中,Satelytics公司采用两个月拍摄一次的卫星图像对植被的健康状况进行监测,以在植被遭到破坏或发生腐烂时发出警报。

与Utilis不同,比起微波、Satelytics所测量的更多的是红外特征信号。Donegan告诉GWI:“我们对图像中的每一帧进行分析——它是土地还是水体。通过分析,我们不仅可以告诉你水中发生了什么,我们也能告诉你这一水体的组成成分。” Satelytics公司所提取的数据可用于监测整个集水区的水质,帮助地方水司履行环境类的相关法规、并提醒他们预防潜在的问题。

德国的工程设计咨询公司博莱克·威奇(Black & Veatch)是Satelytics公司的合作伙伴之一,其水资源部门总监Jim Schlaman表示,“卫星图像分析技术的最大优点在于能够对自然水体和流域系统在空间上有更完整的解读。比方说,你可以对整个流域的图像进行分析,找出未来可能导致藻华爆发的高含磷位置。而过去,我们不得不派专员进入现场对水体和周边土地进行采样和分析,才能对这些数据有所了解。”

Satelytic公司的卫星图像技术采用的是基于云端的机器学习算法。Donegan告诉GWI:“快速开发和改进算法的能力是Satelytic的核心竞争优势。每种算法需要大约三到四个月才能开发出来。 Satelytics目前有25种算法,未来我们计划将算法增加至33种,如用于检测汞和大肠杆菌含量的算法等。”

尽管卫星技术可显著提高水司在漏损检测方面的工作效率,且不需要对设备进行前期投资,但这项技术也存在两方面的问题有待继续改良。首先,Utilis处理卫星图像需要大约两周的时间,这一处理时间根本无法适用于紧急状况。另一方面,漏损点的位置需要依靠声学的方法手动进行缩小。“进一步缩小可疑位置、减少错误信息是我们研发团队现阶段的最大挑战。” Guy同时告诉GWI,Utilis未来计划将这一技术进一步应用于废水处理领域。

而在Utilis和Satelytics公司专注于改进算法的同时,随着卫星硬件技术发展地更加先进、使用成本逐步降低,未来基于卫星的分析技术可能将更加普及。Schlaman说: “我认为未来十年内,由于技术成本的下降,采用卫星技术的价格将会降低很多。”

此外,从未来的发展战略来看,卫星图像分析技术公司也计划和其他的针对性漏损定位技术相合作,各取所长。Utilis目前正在与西班牙专业从事漏损检测的技术公司Aganova合作,Aganova的Nautilus解决方案可以准确识别直径范围在250至1600毫米的大尺寸管道内部的泄漏情况(关于Aganova公司及其技术的文章报道请参见文末“相关文章”板块)。

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