نشت یابی ماهواره ای تاسیسات آب

شرکت دانش بنیان فرآیند ارقام پرداز تولید کننده آشکارسازهای زیرسطحی و ابزار دقیق تاسیسات با 21 سال سابقه فعالیت تنها شرکت تولید کننده تجهیزات تخصصی نشت یابی و کاهش هدررفت آب در ایران بوده و پروژه‌های بزرگی در دست اجرا در حوزه تکنولوژی‌های کاهش هدررفت آب در دست دارد. واحد تخصصی فن‌آوری‌های آکوستیک این شرکت در راستای شناسایی و بررسی تکنولوژی‌های نو اقدام به گردآوری و تهیه مقاله زیر نموده است امید است مطالب این مقاله مفید واقع شده و کمکی باشد در شناسایی و توسعه دانش و فن آوری‌های نو در کشور عزیزمان ایران.

مسئله ی مورد توجه کاهش ” آب بدون درآمد است

• میزان حجم بسیار بالای آب به هدر رفته در شبکه انتقال و توزیع و سرمایه های مالی که متناسب با آن از بین میروند
• راه حل ها ، سرمایه گذاری های انسانی ، تکنولوژیک و مالی در راستای کاهش آب بدون درآمد محدود می باشند

با پیشرفت تکنولوژی و سرعت گرفتن دستاوردهای بشری در هوش مصنوعی و آنالیز داده‌ها، تکنیک‌ها و روش‌های کاهش هدررفت آب یا کاهش آب بدون درآمد NRW Reduction به سرعت دستخوش تغییرات می‌شوند. امروزه تکنیک‌های متداول در زمینه نشت‌یابی شبکه تاسیسات آب گستره‌ی وسیعی دارند که برخی از آنها را در زیر نام برده می‌شوند:

• نشت یاب آکوستیک Acoustic Audit
  

  این روش در کنار دقت عمل بالا مشکلاتی همچون وابستگی به تکنسین، قدرت شنوایی فرد، نویزهای محیطی، پیمایش منطقه به منطقه، از دست دادن نشت‌های جدید، دوره اجرای بین 1 تا 5 ساله را با خود همراه دارد.

• لاگرها و کرولیتورها Noise Correlator & Logger

  با زمینه تکنولوژی آکوستیک توسعه یافته، دقت عملکرد و نگرش را اصلاح کرده برخی مشکلات روش آکوستیک را رفع نموده ولیکن همچنان مشکلاتی همچون نصب و برداشت تجهیزات، پرهزینه بودن تجهیزات، نیاز به زیرساخت‌های مخابراتی و محدودیت باتری تجهیزات از مشکلات این روش است.

• توپ های هوشمند Smart Ball

  این تکنیک بیشتر در لوله‌های با قطر 4 اینچ به بالا سازگار هستند و اغلب با هدف ‌نشت‌یابی خطوط انتقال و خطوط اصلی شبکه طراحی شده‌اند. این تکنولوژی همچنان بر پایه آکوستیک و اندازه‌گیری داده‌های صوتی در زیر آب استوار است با توجه به قوانین حاکم بر صوت در زیر آب دقت عمل توسعه یافته و سرعت بالایی در اجرا دارند ولیکن همچنان مشکلات اجرایی در بخش ورود و خارج نمودن توپ‌های هوشمند به و از شبکه وجود دارد و هزینه ساخت و اجرای بالایی دارند.

نشت یابی ماهواره ای شبکه تاسیسات

یکی از جدیدترین تکنولوژی‌های روز جهان نشت‌یابی به روش ماهواره‌ایی می‌باشد، این فناوری از تصویربرداری هوایی چند طیفی بهره برده و از حسگرهای نصب شده بر روی ماهواره‌ها جهت شناسایی نشت استفاده می‌کند. تصاویر خام دریافتی از ماهواره‌ها از خطوط لوله انتقال و توزیع دریافت شده با استفاده از الگوریتم هایی پردازش و فیلتر می‌شوند و براساس تعریف خاصی از آب آشامیدنی محل وجود نشت تعریف و نمایش داده می‌شود.

در ادامه این تکنولوژی یا راه حل شناسایی نشت آب را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

روش های تصویربرداری ماهواره‌ای:

انواع مختلفی از سازو‌کار ثبت تصویر توسط حسگرهای الکترواپتیکی فضایی وجود دارد که آنها را در سه گروه فریم (Frame)، ویسک‌ بروم (Whiskbroom) و پوش‌بروم (Push broom) دسته‌بندی می‌کنند؛ شکل زیر طرح‌ واره این سه گروه را نشان می‌ دهد. هر یک از روش‌‌های مذکور مزایا و معایبی نسبت به روش دیگر دارد که در ادامه به توضیح مختصری از آنها پرداخته‌ شده است.

طرح‌واره سازوکار سامانه‌ های تصویربرداری فضایی

• سامانه فریم Frame

سامانه‌ های فریم، ساختاری مشابه دوربین‌ های عکاسی تجاری دارند. در این ساختار آرایه‌ های آشکارساز در دو راستا با فواصل مشخص چیده شده‌اند که در هر بار نورگیری بدون نیاز به المان جاروبی، یک تصویر دو بعدی کامل از منظره ثبت می‌کنند. فریم‌های متوالی بسته به جهت‌گیری دوربین، نواری از عوارض زمینی را تصویربرداری می‌کنند. سامانه‌های فریم به دلیل نورگیری هم‌زمان از منظره، شرایط سخت‌گیرانه‌ای را به زیرسامانه کنترل وضعیت تحمیل نمی‌کنند و به همین خاطر معمولاً در پروژه‌های تحقیقاتی (نظیر ماهواره‌های مکعبی) ومطالعات علمی و فناوری، مورداستفاده قرار می‌گیرند. از معایب آن نیز می‌توان به افزایش مراحل کالیبراسیون و پیش‌پردازش تصاویر، به دلیل بروز نایکنواختی پاسخ‌ دهی پیکسل‌ها (PRNU) به تابش یکسان و نیاز به طراحی و استفاده از المان‌های دقیق برای حذف عیوب ذاتی اپتیکی در این ساختار اشاره نمود.

طرح‌واره‌ای از ساختار سامانه تصویربرداری Landsat-TM

• سامانه پوش‌بروم Whiskbroom

سامانه‌های پوش‌بروم یا جاروبی، ساده‌ترین آرایش آرایه‌های آشکارسازی را دارند. این سامانه شامل یک آرایه خطی از آشکارسازها است که با حرکت رو به‌ جلو ماهواره، بسته به سرعت حرکت و ارتفاع آن، در فواصل منظم نمونه‌برداری می‌کند. در این روش معمولاً تفکیک باندهای طیفی با استفاده از چند آرایه خطی مجزا که هریک محدوده طول‌موج حساس مشخصی دارند، صورت می‌گیرد. وابستگی به سرعت و ارتفاع از عوامل محدودکننده این نوع سامانه‌ها در میزان نورگیری و آرایه کیفیت مطلوب در تصاویر است و ساختار الکترواپتیکی و الکترونیکی ساده نیز از مزایای آن است. به‌عنوان مثال، از سازوکار حسگر پوش‌بروم، می‌توان سامانه تصویربرداری ماهواره‌های SPOT و IKONOS را نام برد.

• SAR (Synthetic-aperture radar) (رادار با دیافراگم مصنوعی)

SAR رادارهایی که تصاویر یک مکان را در یک نقطه از زمان به تصویر می کشند، اما در صورت مشاهده از طریق SAR ابرها ناگهان ناپدید می شوند. نمودار سمت چپ نفوذ متفاوت طول موج های مختلف را نشان می دهد، نوار X به پشت درخت نفوذ نمی کن،  باند C بهبود یافته است اما همچنان تحت تأثیر، اما  L-Bandبه همه چیز نفوذ می کند.

راه حل پیشنهادی : جهت استفاده از حسگرهای از راه دور (L-band, 1.3 GHz) هستند.

در این راه کار محاسن زیر در دسترس خواهند بود:

• در هر نوع آب و هوایی قابل دسترس و استناد هستند
• در طول روز و شب در دسترس می باشند
• حساسیت به اجسام با خواص دی الکتریک
• حساسیت به اجسام ساخت بشر
• نفوذ در زیرسطح زمین

با توضیحات ارائه شده می دانیم با تصاویر ماهواره های SAR در باند فرکانس L تصاویر با ریزبینی یا رزولوشن مناسب نفوذ یافته در زیر سطح زمین خواهیم داشت حال نیاز به تکنیک اصلی استفاده از این تصاویر جهت دستیابی به هدف وجود دارد.

• Geo-referencing

ارجاع به داده های جغرافیایی و منطبق سازی تصاویر بر روی داده های و نقشه های GIS و نمایش لایه های مختلف بر روی تصاویر ماهواره ای

• Noise cleaning

حذف نویز های بر روی تصاویر دریافتی از ماهواره

• Filtering

استفاده ار ابزارهای فیلترینگ بعنوان مثال حذف تصاویر ساختمان ها و سازه های غیرمرتبط

• Dielectric constant–chemical signature

تعیین ثابت دی الکتریک مواد و نشانه گذاری اهداف مورد جستجو همانند آب آشامیدنی یا … جهت تعریف و شناسایی

مراحل نشت یابی ماهواره ای می تواند به شرح زیر باشد:

دریافت و جمع آوری تصاویر خام از تصاویر طیف ماهواره ای از منطقه مورد نظر که از عملکرد SAR در باند L بدست آمده اند.

اصلاحات رادیومتریک در این مرحله دیتاهای خام دریافت شده و برای آنالیز آماده سازی میشوند در این مرحله حذف ساختمان ها ، درخت ها و دیگر سازه ها انجام میشود

پیاده سازی الگوریتم های پیشرفته با توجه به طیف فرکانسی و انتخاب یک شناسه برای آب قابل شرب بعنوان هدف موضوع جستجو و پیاده سازی بر روی داده ها جهت مشخص شدن آب قابل شرب در تصاویر

اطلاعات بر روی رابط کاربری بصری و نرم افزارهای GIS اطلاعات محل نشت را نمایش می دهد، خطای نمایش محل نشت در حال حاضر نقطه ای در یک شعاع 20 تا 100 متر می باشد.

لازم به توجه است در روش نشت یابی ماهواره ای امکان نشت یابی دقیق وجود ندارد و تنها محدوده ی نشت قابل تشخیص است به عبارت دیگر در شرایط نرمال نشت در یک محدوده ای دایره ای با قطر 40 تا 200 متر اعلام میشود.

این اعداد وقتی با این دقت بدست خواهند آمد که دیگر اطلاعات صحیح باشند به عبارت دیگر دقت زمانی به این میزان خواهد رسید که نقشه های GIS و شبکه انتقال و توزیع دارای دقت بسیار بالای باشند در غیر این صورت در زمان مطابقت سازی داده ها و تصاویر ماهواره ای با نقشه های تاسیسات این میزان خطا به مراتب بیشتر میشود.

• دقت نشت یابی ماهواره ایی

با پیشرفت تکنولوژی دقت در این حوزه در حال افزایش است ولیکن به پارامترهایی وابسته است همچون رزولوشن تصاویر بدست آمده از ماهواره و امکان پشتیبانی بعنوان مثال با تصاویر با اندازه پیکسل 3 x 6  متر که ممکن است با دقت 1 x 3  متر هم قابل دستیابی باشد در یک حوزه به شعاع 1-100 متری انجام میشود. در برخی مواقع از تصاویر هواپیماهای نقشه برداری با دقت بالا می توان به جای تصاویر گوگل استفاده نمود و یکی از پارامترهای مهم نقشه ی تاسیسات دارای مختصات دقیق جغرافیایی می باشد.

به منظور مکان یابی دقیق نشت در محیط اجرا می بایست تیم اجرای زمینی اقدام به نشت یابی آکوستیک و … انجام دهد تا محل دقیق نشت را تعیین نماید.

در یک منظر می توانیم تفاوت بین نشت یابی پیمایشی آکوستیک و نشت یابی ماهواره ای را مقایسه نمود:

• مقایسه نشتیابی آکوستیک روش های استاندارد و نشت یابی ماهواره ایی

1- نکته بسیار مهم این است که نشت یابی ماهواره ایی در مرحله مکان یابی دقیق با نشت یابی آکوستیک ترکیب میشود و تیم اجرایی در محل در یک محدود یک تا 100 متری در بهترین حالت باید نشت یابی آکوستیک و پیمایش انجام دهد.
2- تعداد نشت در کشور آمریکا برای بک نفر را نشان می دهد این تعداد در کشورهای دیگر همانند کشور ایران با توجه به درصد آب بدون درآمد متفاوت است در مناطق با پروژه های منظم نشت یابی و درصد کم آب بدون درآمد بین 17 تا 20 روزانه 2 تا 4 نشت در تجربه ای شرکت فرآیند زمین پرداز و برخی شرکت های پیمانکاری گزارش شده استو در مناطق بدون پیمان های نشت یابی منظم سالیانه و با آب بدون درآمد بالای 25 درصد روزانه بین 6 تا 9 نشت گزارش شده است.
لازم به ذکر است در مناطق با درصد آب بدون درآمد بالا این روش نشت یابی ماهواره ایی با میزان دقت مکان یابی و تعداد نشت بالای احتمالی کاربرد چندانی ندارد.
3- میانگین پیمایش همانند ایران بوده و تقریبا روزانه هر نفر بین 3 تا 5 کیلومتر را پیمایش می کند و به نظر در مواردی که تعداد نشت نسبت به کیلومتر پیمایش کم باشد روش نشت یابی ماهواره ایی اقتصادی و منطقی به نظر می رسد.
4- در بسیاری از کشورهای جهان پروژه های نشت یابی بین 3 تا 5 سال تعریف میشوند ولیکن در کشور ما سالیانه بوده ولیکن مزیت روش ماهواره ایی امکان پیمایش ماهیانه مناطق را فراهم می کند و این امر موجب تکرار پیمایش و کشف نشت های بیشتر و کاهش شدیدتر آب بدون درآمد میشود.
5- تعداد نشت های کشف شده در روش نشت یابی ماهواره ایی تقریبا در مقالات متعدد 5 برابر حالت نشت یابی پیمایشی آکوستیک اعلام شده که می تواند بسیار در کاهش آب بدون درآمد تاثیرگذار باشد.

به منظور استفاده از این تکنولوژی در ایران توجه به چند نکته قابل تامل است:

• دقت نقشه های تاسیسات آب در شهرها به چه میزان هستند و آیا سیستم جامع از نقشه های دقیق موجود است؟ باید توجه داشت در شبکه های شهرهای متراکم و رزولوشن پایین این تکنولوژی مشکلات بالایی در تاسیسات ایران برای اجرا خواهد داشت.

این تکنولوژی در بسیاری از نقاط جهان خروجی مناسبی نداشته و از نظر عملیاتی رد شده است همانند اجرای این پروژه در شهر لندن که بدلیل تراکم بالا و شعاع عمل نقاط مطرح شده از این سیستم عملا همواره در آن نقاط نشت وجود دارد و عملا کارآمد نبوده است.

• در زمان طیف صنجی و انتخاب شناسه ی فرکانسی و طیفی آب آشامیدنی در ایران مشکل بزرگی وجود دارد آن هم آبیاری فضای سبز در اغلب مناطق شهری و گاها شهرداری از آب شهری استفاده میشود و میزان رطوبت موجود در سطح شهر در نقطه به نقطه می تواند با نشت شبکه خطای عملیاتی بالایی ایجاد کند.

ایران جزو معدود کشورهای با مشکلات بی آبی وسیع است که همواره آب آشامیدنی و آب مصرفی غیره آن یکی می باشد.

• میزان نفوذ در خک در این روش محدود است و تنها نشت هایی که محیط بستر لوله و اطراف آن را تحت شعاع قرار داده باشند احتما آشکارسازی دارند و در مناطق با خاک های رسی یا مناطقی که خاک آب نشتی را نگاه نمی دارد این تکنیک قابلیت استفاده ندارد.

• در محیط های شهری تصاویر ماهواره های دارای نویز های گسترده ای هستند و تراکم تاسیسات ، آنتن ها و امواج مخابراتی و سیستم های جمر و اختلالات فرکانس مانع از بدست آمذن تصاویر با کیفیت بالا میشوند و این موضوع کار را مشکل می کند.

منابع:

• سازمان فضایی ایران https://rs.isa.ir/s/mfanMs

• Thuy Le Toan, Co-Chair of BIOMASS Mission Advisory Group Centre d’Etudes Spatiales de la BIOsphère (CESBIO) (Advanced Training Course on Land Remote Sensing)

• Effect of salinity on the dielectric properties of water

Indian Journal of Pure & Applied Physics Vol. 50, June 2012, pp. 405-410

• گزارش نهایی سال های 1395 تا 1398 پروژه های نشت یابی شرکت فرآیند زمین پرداز در مناطق 5 و 6 آبفای تهران

استفاده از مطالب و تصاویر این مقاله با ذکر نام شرکت دانش بنیان فرآیند ارقام پرداز بالامانع می باشد.