ES2903401T3 - Sistema de monitorización de red de agua - Google Patents

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Todd Sajwaj
Louise Bermingham
Andrew Carrel
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Abstract

Método para monitorizar una red de agua, comprendiendo el método: obtener (1301), mediante un sistema de monitorización de red de agua, un conjunto de datos de radar de apertura sintética (SAR) para una región geográfica; obtener (1303), mediante el sistema de monitorización de red de agua, conteniendo un conjunto de datos ópticos de la región geográfica al menos una parte de la red de agua; generar (1305), mediante el sistema de monitorización de red de agua, una estimación de intrusión de vegetación en la red de agua basándose al menos en parte en el conjunto obtenido de datos ópticos; monitorizar (1307), mediante el sistema de monitorización de red de agua, una cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua basándose, al menos en parte, en uno o ambos del conjunto obtenido de datos SAR y el conjunto obtenido de datos ópticos; y generar (1309), mediante el sistema de monitorización de red de agua, un índice de riesgo de fuga basándose, al menos en parte, en la estimación de intrusión de vegetación en la red de agua y la monitorización de la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de monitorización de red de agua
Campo de la invención
La presente divulgación se refiere a un sistema de monitorización de red de agua para determinar la presencia de fugas de una red de agua y para estimar la probabilidad de que se produzca una fuga. Esto se logra a través del uso de observaciones terrestres y el conocimiento de la red.
Antecedentes de la invención
Cada día se pierden seis mil millones de litros de agua potable a nivel internacional. En el Reino Unido, por ejemplo, las redes de distribución de agua estiman que esta pérdida diaria asciende a más de 3000 megalitros.
La mayor parte de esta pérdida de agua se debe a fugas de tuberías. En la actualidad, se usan tres métodos para identificar fugas en la infraestructura de tuberías de empresas de servicios públicos: 1) medidores de flujo/presión ubicados en toda la red, 2) encuestas a pie que emplean herramientas de escucha manuales y/o analógicas, y 3) informes de usuarios de agua (basados en facturas de agua inusualmente altas o suelos saturados). La mayor parte de esta información proviene de zonas urbanas en las que se concentran los medidores de flujo y los usuarios de agua. Por tanto, las fugas de las que se informa en zonas urbanas habitualmente se informan y reparan en dos semanas.
Las tuberías con fugas son más problemáticas en zonas rurales en las que se ubican menos personas y medidores de flujo. Las fugas en zonas rurales pueden no reportarse y dejarse sin reparar durante periodos de tiempo significativos. En algunos casos, esto puede durar hasta seis meses, lo que puede provocar pérdidas significativas de ingresos para las empresas de servicios públicos. Estas redes de infraestructura de tuberías están ampliamente distribuidas en paisajes, a menudo, atravesando terrenos difíciles que se visitan con poca frecuencia.
Por tanto, es muy deseable un sistema que monitorice las redes de agua en busca de indicaciones de fugas activas y cambios en el paisaje que podrían provocar un fallo en la red de agua (por ejemplo, expansión/contracción del suelo).
El documento FR 3039646 A1 da a conocer técnica anterior relacionada con un método y un sistema para buscar fugas en una red de agua a través del análisis de imágenes generadas por sistemas de detección remota (SER o teledetección óptica).
Diofantos G Hadjimitsis ET AL: “Detection of Water Pipes and Leakages in Rural Water Supply Networks Using Remote Sensing Techniques” da a conocer técnica anterior relacionada con la detección de tuberías de agua enterradas para mapear la huella de una red de tuberías.
El documento EP 0942274 A2 da a conocer un método y un sistema que permite detectar, monitorizar y/o localizar cambios de condiciones ambientales bajo tierra y/o en una estructura de edificio, siendo dichos cambios indicativos de un peligro o riesgo existente o inminente, de modo que, al detectar estos cambios, el peligro o riesgo existente puede indicarse y localizarse.
Sumario de la invención
El alcance de la invención se expone en las reivindicaciones adjuntas.
Según un primer aspecto, se proporciona un método para monitorizar una red de agua, comprendiendo el método: obtener, mediante un sistema de monitorización de red de agua, un conjunto de datos de radar de apertura sintética (SAR) para una región geográfica; obtener, mediante el sistema de monitorización de red de agua, un conjunto de datos ópticos de la región geográfica que contiene al menos una parte de la red de agua; generar, mediante el sistema de monitorización de red de agua, una estimación de la intrusión de vegetación en la red de agua basándose, al menos en parte, en el conjunto de datos ópticos obtenido; monitorizar, mediante el sistema de monitorización de red de agua, una cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua basándose, al menos en parte, en uno o ambos del conjunto de datos SAR obtenido y el conjunto de datos ópticos obtenido; y generar, mediante el sistema de monitorización de red de agua, un índice de riesgo de fuga basándose, al menos en parte, en la estimación de la intrusión de vegetación en la red de agua y la monitorización de la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua.
La generación de la estimación de la intrusión de vegetación en la red de agua puede comprender: leer un conjunto de datos que definen uno o más atributos físicos para el suelo a una o más profundidades y en la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua; leer un conjunto de datos que define uno o más atributos físicos para uno o más tipos de vegetación; clasificar la vegetación en la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en el conjunto de datos ópticos obtenido; y generar una cantidad estimada de intrusión de vegetación en cada una de la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en el uno o más atributos físicos del suelo, y el uno o más atributos físicos para un tipo de la vegetación clasificada en cada ubicación.
La generación del índice de riesgo de fuga puede basarse, al menos en parte, en datos que definen uno o más atributos físicos de la red de agua en una o más ubicaciones en la región geográfica.
La monitorización de la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua puede comprender: integrar datos del conjunto obtenido de datos SAR usando uno o más procedimientos interferométricos que cuantifican el movimiento vertical del terreno en una o más ubicaciones dentro de la región geográfica correspondientes a las ubicaciones de la red de agua; crear un historial en serie temporal usando el movimiento vertical del terreno en la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica; e identificar, basándose en el historial en serie temporal, las ubicaciones de la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica que tienen un movimiento vertical del terreno que supera uno o más valores umbral. La generación del índice de riesgo de fuga puede comprender, además: leer un conjunto de datos que definen uno o más valores umbral para cada una de la estimación generada de intrusión de vegetación en la red de agua y la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua; y asignar una categoría de riesgo a una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en un valor para la estimación generada de intrusión de vegetación en la red de agua o un valor para la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua que supera uno o más de los valores umbral.
Según un segundo aspecto se proporciona un sistema según la reivindicación 6.
Según un tercer aspecto, se proporciona un medio legible por ordenador no transitorio según la reivindicación 7.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 ilustra esquemáticamente un sistema de detección de red de agua a modo de ejemplo;
la figura 2 ilustra esquemáticamente un sistema de detección de red de agua a modo de ejemplo en comunicación con diversos dispositivos;
la figura 3 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para monitorizar una red de agua usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 4 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para detectar una fuga superficial usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 5A muestra un gráfico de radar de apertura sintética (SAR) de una zona geográfica en las proximidades de una red de agua;
la figura 5B muestra un gráfico de intensidad de retrodispersión frente a tiempo para diferentes zonas identificadas del gráfico SAR mostrado en la figura 5A;
la figura 5C muestra un gráfico de imagen óptica multiespectral de la zona geográfica que se observa que muestra un vigor anómalo de vegetación;
la figura 6 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para detectar fugas superficiales usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 7 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para detectar fugas cercanas a la superficie usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 8A muestra un gráfico de valores pronosticados frente a observados del nivel de humedad del suelo de la zona geográfica de interés obtenidos por el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 8B muestra un gráfico de la zona geográfica bajo observación que ilustra el contenido de humedad del suelo determinado por el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 9 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para detectar fugas cercanas a la superficie usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 10 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para detectar fugas por debajo de la superficie usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 11A muestra los datos brutos de retrodispersión SAR para la región geográfica que se está observando por el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 11B muestra los datos SAR integrados que muestran el interferograma generado de la región geográfica que se está observando por el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 11C ilustra, basándose en el interferograma de la figura 11B, la zona geográfica que muestra dispersores persistentes preliminares y su coherencia estimada;
la figura 11D muestra un gráfico de la altura vertical del terreno en diversos puntos en el tiempo, para un número de ubicaciones en la zona geográfica, tal como se mide por el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 12 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para detectar fugas por debajo de la superficie usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 13 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para monitorizar una red de agua para determinar un índice de riesgo usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 14 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para estimar la intrusión de vegetación usando el sistema de monitorización de red de agua;
la figura 15 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para determinar el movimiento del terreno usando el sistema de monitorización de red de agua; y
la figura 16 es un diagrama de flujo que muestra un método a modo de ejemplo para monitorizar una red de agua para determinar un índice de riesgo usando el sistema de monitorización de red de agua.
Descripción detallada de la presente invención
Ahora se describirán aspectos de la presente divulgación a modo de ejemplo con referencia a las figuras adjuntas.
La siguiente descripción se presenta para permitir que cualquier experto en la técnica realice y use el sistema, y se proporciona en el contexto de una aplicación particular. Diversas modificaciones de las realizaciones dadas a conocer resultarán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica.
En la siguiente descripción, con fines de explicación, se exponen numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar una comprensión exhaustiva de las diversas realizaciones dadas a conocer en el presente documento. Sin embargo, resultará evidente para un experto en la técnica que pueden ponerse en práctica diversas realizaciones de la presente divulgación sin algunos de estos detalles específicos. La siguiente descripción proporciona solo realizaciones a modo de ejemplo, y no pretende limitar el alcance o la aplicabilidad de la divulgación. Además, para evitar enmascarar innecesariamente la presente divulgación, la descripción anterior omite una serie de estructuras y dispositivos conocidos. Esta omisión no debe interpretarse como una limitación del alcance de las reivindicaciones. Más bien, la siguiente descripción de las realizaciones a modo de ejemplo proporcionará a los expertos en la técnica una descripción válida para implementar una realización a modo de ejemplo. Sin embargo, debe apreciarse que la presente divulgación puede ponerse en práctica de diversas maneras más allá del detalle específico expuesto en el presente documento.
Aunque los aspectos, realizaciones y/o configuraciones a modo de ejemplo ilustrados en el presente documento muestran los diversos componentes del sistema ubicados conjuntamente, determinados componentes del sistema pueden ubicarse de manera remota, en partes distantes de una red distribuida, tal como una LAN y/o Internet, o dentro de un sistema dedicado. Por tanto, debe apreciarse que los componentes del sistema pueden combinarse en uno o más dispositivos o colocarse conjuntamente en un nodo particular de una red distribuida, tal como una red de telecomunicaciones analógica y/o digital, una red de conmutación de paquetes o una red de conmutación de circuitos. Se apreciará a partir de la siguiente descripción, y por motivos de eficacia computacional, que los componentes del sistema pueden disponerse en cualquier ubicación dentro de una red distribuida de componentes sin afectar al funcionamiento del sistema.
Además, debe apreciarse que los diversos enlaces que conectan los elementos pueden ser enlaces por cable o inalámbricos, o cualquier combinación de los mismos, o cualquier otro elemento(s) conocido(s) o desarrollado(s) posteriormente que sea(n) capaz/capaces de suministrar y/o comunicar datos hasta y desde los elementos conectados. Estos enlaces por cable o inalámbricos también pueden ser enlaces seguros y pueden ser capaces de comunicar información cifrada. Los medios de transmisión usados como enlaces, por ejemplo, pueden ser cualquier portador adecuado para señales eléctricas, que incluye cables coaxiales, alambres de cobre y fibra óptica, y pueden tomar la forma de ondas acústicas o lumínicas, tales como las generadas durante las comunicaciones de datos por ondas de radio e infrarrojos.
Tal como se usa en el presente documento, las frases “al menos uno”, “uno o más”, “o” e “y/o” son expresiones abiertas que son tanto conjuntivas como disyuntivas al usarse. Por ejemplo, cada una de las expresiones “al menos uno de A, B y C”, “al menos uno de A, B o C”, “uno o más de A, B y C”, “uno o más de A, B o C”, “A, B y/o C” y “A, B o C” significa solo A, solo B, solo C, A y B en conjunto, A y C en conjunto, B y C en conjunto, o A, B y C en conjunto.
El término “una” entidad se refiere a una o más de esa entidad. Como tal, los términos “un” (o “una”), “uno o más” y “al menos uno” pueden usarse indistintamente en el presente documento. También debe observarse que los términos “que comprende”, “que incluye” y “que tiene” pueden usarse indistintamente.
El término “automático” y variaciones del mismo, tal como se usa en el presente documento, se refiere a cualquier procedimiento u operación realizados sin intervención humana material cuando se realiza el procedimiento u operación. Sin embargo, un procedimiento u operación puede ser automático, aunque la ejecución del procedimiento u operación use una intervención humana material o inmaterial, si la intervención se recibe antes de la realización del procedimiento u operación. La intervención humana se considera material si tal intervención influye en la forma en que se realizará el procedimiento u operación. Las intervenciones humanas que consienten la realización del procedimiento u operación no se consideran “materiales”.
El término “medio legible por ordenador” tal como se usa en el presente documento se refiere a cualquier medio de almacenamiento y/o transmisión tangible que participe en proporcionar instrucciones a un procesador para su ejecución. Un medio de este tipo puede adoptar muchas formas, que incluyen, pero no se limitan a, medios no volátiles, medios volátiles y medios de transmisión. Los medios no volátiles incluyen, por ejemplo, NVRAM o discos magnéticos u ópticos. Los medios volátiles incluyen memoria dinámica, tal como la memoria principal. Formas comunes de medios legibles por ordenador incluyen, por ejemplo, un disquete, un disco flexible, un disco duro, una cinta magnética o cualquier otro medio magnético, un medio magneto-óptico, un CD-ROM, cualquier otro medio óptico, tarjetas perforadas, cinta de papel, cualquier otro medio físico con patrones de orificios, una RAM, una PROM y una EPROM, una FLASH-EPROM, un medio de estado sólido tal como una tarjeta de memoria, cualquier otro chip o cartucho de memoria, una onda portadora tal como se describe a continuación en el presente documento, o cualquier otro medio desde el que pueda leer un ordenador. Un archivo digital adjunto a correo electrónico u otro archivo de información autónomo o conjunto de archivos se considera un medio de distribución equivalente a un medio de almacenamiento tangible. Cuando los medios legibles por ordenador se configuran como una base de datos, debe entenderse que la base de datos puede ser cualquier tipo de base de datos, tal como relacional, jerárquica, orientada a objetos y/o similares. Por consiguiente, se considera que la divulgación incluye un medio de almacenamiento o medio de distribución tangible y equivalentes reconocidos en la técnica anterior y medios sucesores, en los que se almacenan las implementaciones de software de la presente divulgación.
Los términos “determinar”, “calcular” y “computar”, y variaciones de los mismos, tal como se usan en el presente documento, se usan de manera intercambiable e incluyen cualquier tipo de metodología, procedimiento, operación o técnica matemática.
Aspectos de la presente divulgación pueden adoptar la forma de una realización completamente de hardware, una realización completamente de software (que incluye firmware, software residente, microcódigo, etc.) o una realización que combina aspectos de software y hardware que pueden denominarse en general en el presente documento como “circuito”, “módulo” o “sistema”. Puede utilizarse cualquier combinación de uno o más medios legibles por ordenador. El medio legible por ordenador puede ser un medio de señal legible por ordenador o un medio de almacenamiento legible por ordenador.
En todavía otra realización, los sistemas y métodos de esta divulgación pueden implementarse junto con un ordenador de propósito especial, un microprocesador o microcontrolador programado y elemento(s) de circuito integrado periférico, un ASIC u otro circuito integrado, un procesador de señal digital, un circuito lógico o electrónico de cableado permanente tal como un circuito de elementos discretos, un dispositivo lógico programable o matriz de puertas tal como PLD, PLA, FPGA, PAL, ordenador de propósito especial, cualquier medio comparable o similares. En general, cualquier dispositivo o medio capaz de implementar la metodología ilustrada en el presente documento puede usarse para implementar los diversos aspectos de esta divulgación. Hardware a modo de ejemplo que puede usarse para las realizaciones, configuraciones y aspectos dados a conocer incluye ordenadores, dispositivos portátiles, teléfonos (por ejemplo, celulares, habilitados para Internet, digitales, analógicos, híbridos y otros) y otro hardware conocido en la técnica. Algunos de estos dispositivos incluyen procesadores (por ejemplo, un único o múltiples microprocesadores), memoria, almacenamiento no volátil, dispositivos de entrada y dispositivos de salida. Además, también pueden construirse implementaciones de software alternativas que incluyen, pero no se limitan a, procesamiento distribuido o procesamiento distribuido de componentes/objetos, procesamiento paralelo o procesamiento de máquina virtual para implementar los métodos descritos en el presente documento.
Ejemplos de los procesadores tal como se describen en el presente documento pueden incluir, pero no se limitan a, al menos uno de Qualcomm® Snapdragon® 800 y 801, Qualcomm® Snapdragon® 610 y 615 con integración 4G LTE e informática de 64 bits, procesador Apple® A7 con arquitectura de 64 bits, coprocesadores de movimiento Apple® M7, Samsung® serie Exynos®, la familia de procesadores Intel® Core™, la familia de procesadores Intel® Xeon®, la familia de procesadores Intel® Atom™, la familia de procesadores Intel® Itanium®, Intel® Core® i5-4670K e Í7-4770K 22nm Haswell, Intel® Core® Í5-3570K 22nm Ivy Bridge, la familia de procesadores AMD® FX™, AMD® FX-4300, FX-6300, y FX-8350 Vishera 32 nm, procesadores AMD® Kaveri, procesadores de información y entretenimiento automotriz Texas Instruments® Jacinto C6000™, procesadores móviles de grado automotriz Texas Instruments® OMAP™, procesadores ARM® Cortex™ -M, procesadores ARM® Cortex-A y ARM926EJ-S™, otros procesadores equivalentes de la industria, y pueden realizar funciones computacionales usando cualquier estándar, conjunto de instrucciones, bibliotecas y/o arquitectura conocidos o desarrollados en el futuro.
En todavía otra realización, los métodos dados a conocer pueden implementarse fácilmente junto con software usando entornos de desarrollo de software de objetos u orientados a objetos que proporcionan un código fuente portátil que puede usarse en una variedad de plataformas informáticas o de estaciones de trabajo. Alternativamente, el sistema dado a conocer puede implementarse parcial o totalmente en hardware usando circuitos lógicos estándar o diseño VLSI. Si se usa software o hardware para implementar los sistemas según esta divulgación depende de los requisitos de velocidad y/o eficacia del sistema, la función particular y los sistemas de software o hardware particulares o sistemas de microprocesador o microordenador que se utilizan.
En todavía otra realización, los métodos dados a conocer pueden implementarse parcialmente en software que puede almacenarse en un medio de almacenamiento, ejecutarse en un ordenador de propósito general programado con la cooperación de un controlador y una memoria, un ordenador de propósito especial, un microprocesador o similares. En estos casos, los sistemas y métodos de esta divulgación pueden implementarse como un programa integrado en un ordenador personal tal como un applet, un script JAVA® o CGI, como un recurso que reside en un servidor o estación de trabajo informática, como una rutina integrada en un sistema de medición dedicado, un componente del sistema o similares. El sistema también puede implementarse incorporando físicamente el sistema y/o el método en un sistema de software y/o hardware.
Aunque la presente divulgación describe componentes y funciones implementados en los aspectos, realizaciones y/o configuraciones con referencia a estándares y protocolos particulares, los aspectos, realizaciones y/o configuraciones no se limitan a tales estándares y protocolos. Existen otros estándares y protocolos similares que no se mencionan en el presente documento y se considera que están incluidos en la presente divulgación. Además, los estándares y protocolos mencionados en el presente documento y otros estándares y protocolos similares no mencionados en el presente documento se sustituyen periódicamente por equivalentes más rápidos o más eficaces que tienen esencialmente las mismas funciones. Tales estándares y protocolos de sustitución que tienen las mismas funciones se consideran equivalentes incluidos en la presente divulgación.
Se da a conocer un sistema de monitorización de red de agua para determinar las fugas de una red. La red de agua puede comprender cualquiera de tuberías, acueductos, presas de depósito, terraplenes de depósito y alcantarillas. Aunque las redes de agua se describen ampliamente en el presente documento, puede entenderse que el sistema de monitorización de red de agua puede monitorizar cualquiera de tuberías, acueductos, presas de depósito, terraplenes de depósito y alcantarillas.
Como las redes de agua, tales como tuberías, se ubican generalmente fuera de la vista, por ejemplo, bajo tierra, su observación directa no suele ser posible. El presente sistema de monitorización de red de agua está diseñado para determinar con precisión ubicaciones adyacentes a las redes de agua existentes que exhiben indicadores anormales que implican fugas en la red de agua, e identificar áreas de la red de agua que tienen un alto riesgo de fallo.
Los indicadores que implican fugas de agua de una red de agua pueden ser, en algunos casos, una observación de la propia agua. Por ejemplo, la acumulación de agua superficial o la detección de humedad elevada del suelo. Alternativamente, la presencia de agua puede deducirse del comportamiento de la zona geográfica circundante, tal como a través del hundimiento del suelo o el aumento del crecimiento de vegetación. Cuando estos indicadores no pueden atribuirse a factores ambientales, tales como el clima, las variaciones en el tipo de suelo y/o el paisaje, y normalmente no se esperarían en una zona de este tipo, pueden ser indicativos de situaciones de fuga en la red de agua.
El presente sistema de monitorización de red de agua emplea datos de observación de la Tierra, tales como datos de radar de apertura sintética (SAR) y datos ópticos, recopilados de una región geográfica que incluye el sistema de red de agua de interés. Estos datos se recopilan durante periodos de tiempo sucesivos y se analizan para detectar cualquier cambio anómalo en los indicadores dentro de la zona en las proximidades de la red de agua.
Una ventaja del sistema de monitorización de red de agua es que puede implementarse con poca o ninguna necesidad de mediciones y observaciones directas basándose en el suelo, lo que puede ser costoso de implementar y mantener.
Además, puede observarse toda la red de agua dentro de la zona geográfica bajo investigación usando los datos de observación de la Tierra. Esto puede permitir que se mapeen grandes paisajes. Esto es diferente al uso de observaciones basándose en el suelo, que solo tienen una zona de medición limitada en la que pueden detectar fugas.
El sistema de monitorización de red de agua es adecuado para observaciones de ubicaciones de redes de agua rural, en donde la detección de fugas en la red de agua puede pasar desapercibida durante largos periodos, ya que es probable que pocas personas entren en contacto con la fuga. Además, el uso de datos de observación de la Tierra se adapta específicamente al paisaje rural, ya que generalmente proporciona tendencias predecibles y uniformes.
Los sistemas de red de agua bajo investigación pueden ser redes de agua limpia, en donde la pérdida de agua no es deseable debido al coste del agua limpia. Los sistemas de red de agua también pueden ser redes de agua residual. Las fugas en la red de agua residual pueden crear riesgo de contaminación. Por tanto, es importante que se detecten y se actúe rápidamente debido a la posibilidad de daños ambientales y riesgos asociados a la salud y la seguridad.
La figura 1 muestra un sistema de monitorización de red de agua 100 a modo de ejemplo. El sistema de monitorización de red de agua 100 comprende un procesador 101 para procesar instrucciones, una memoria 103 para almacenar datos obtenidos por el sistema de monitorización de red de agua 100, y una interfaz gráfica de usuario (GUI) 105 para visualizar los resultados obtenidos del sistema de monitorización de red de agua 100.
La figura 2 ilustra el sistema de monitorización de red de agua 100 en comunicación con el transmisor SAR 201 y el detector SAR 203. El transmisor SAR 201 es responsable de transmitir la radiación SAR de manera que incida en la zona geográfica de interés 219. La radiación SAR retrodispersada desde la región geográfica 219 se detecta posteriormente por el detector SAR 203. Tal como es comprensible, el transmisor y el detector SAR pueden ser el mismo módulo, o pueden ser módulos independientes.
El SAR transmite y recibe activamente longitudes de onda largas (es decir, 2,4-30 cm) de energía. Esto es ventajoso, ya que estas longitudes de onda se ven mínimamente afectadas por la absorción y la dispersión atmosféricas, lo que significa que la adquisición de datos puede producirse con regularidad a pesar de la nubosidad. La ventaja de usar sA r incluye la capacidad de producir imágenes de resolución fina que son sensibles a la superficie que se observa.
Tal como se mencionó anteriormente, el SAR usa radiación que se transmite y luego se detecta posteriormente, después de haberse reflejado desde el objetivo. Esto contrasta con los sensores ópticos multiespectrales que requieren iluminación solar para generar datos útiles.
Las técnicas SAR implican el procesamiento y el análisis de dos elementos observables por radar: las componentes de intensidad (o amplitud) y fase de la señal retrodispersada. Algunos métodos SAR analizan los cambios temporales en la intensidad de la señal devuelta para detectar fenómenos en el suelo, mientras que las señales de fase SAR recibidas pueden compararse para estimar la coherencia, o la similitud de fase en diferentes momentos, o para realizar un procesamiento interferométrico. La interferometría analiza las diferencias de fase entre dos imágenes SAR para crear un interferograma que se usa para inferir detalles del terreno bajo observación.
El sistema de monitorización de red de agua 100 también está en comunicación con el detector óptico 205. El detector óptico 205 detecta la energía visible y/o infrarroja reflejada por la misma zona que la sondeada usando SAR.
El transmisor SAR 201 y el detector SAR 203 y el detector óptico 205 pueden ubicarse en satélites. Estos satélites pueden incluir Sentinel 1 (datos SAR), Sentinel 2 (datos ópticos) y Landsat 8, u otros tipos de satélites en órbita terrestre.
El sistema de monitorización de red de agua 100 puede controlar cualquiera de los transmisores y/o detectores para realizar las acciones señaladas anteriormente. Esto puede implicar cualquiera de controlar la transmisión de la señal SAR, controlar la zona geográfica de interés que va a monitorizarse, o cualquier otro parámetro que deba controlarse. Alternativamente, el sistema de monitorización de red de agua 100 puede solicitar los datos SAR y los datos ópticos de los receptores, o de una base de datos externa 217 que puede almacenar los datos. Por ejemplo, estos pueden ser datos de instituciones tales como la NASA o la Agencia Espacial Europea o casos que usan datos obtenidos de cualquiera de Sentinel 1 (datos SAR), Sentinel 2 (datos ópticos) y Landsat 8. Ejemplos adicionales de bases de datos de las que pueden obtenerse los datos incluyen cualquiera de: Landsat 1-8, Sentinels 1-2, TelespazioVega, CosmoSkyMed, MDA o RapidEye Landsat 8 y Sentinel 2 usan sensores de escoba que comprenden un conjunto lineal de sensores. Los elementos de exploración de escoba usan espejos móviles para enfocar la energía reflejada sobre los diferentes sensores. Exploran continuamente la superficie de la Tierra en tiras largas que luego se cortan en “escenas” discretas para su distribución.
Tal como se describe en el presente documento, la resolución 'muy alta' es de píxeles por debajo de 5,0 m (metros), mientras que la resolución 'alta' es de píxeles de 5-10 m, y la resolución 'media' es de píxeles de 10-40 m. El sistema puede usarse con sistemas de obtención de imágenes SAR que tienen píxeles de 3 m (es decir, datos SAR de muy alta resolución). El sistema también puede usarse con datos de cualquiera de; Sentinel 1, que tiene una resolución de píxeles de 15-20 m (es decir, datos SAR de resolución media), datos de Sentinel 2 que tienen una resolución de píxeles de 10 m (es decir, datos ópticos de alta o media resolución), y datos de Landsat 8 que tienen una resolución de píxeles de 15-30 m (es decir, datos ópticos de resolución media).
Los datos ópticos adquiridos tal como se señaló anteriormente pueden ser imágenes multiespectrales obtenidas. Específicamente, cada elemento del conjunto de sensores lineales del detector óptico 205 puede tener un filtro de manera que pueda registrar regiones específicas del espectro electromagnético. Por ejemplo, el satélite Landsat 8 tiene 11 bandas espectrales que se graban. Específicamente, de 1 a 5 de estas bandas están en el dominio de IR visible a cercano, 3 bandas están en el infrarrojo de onda corta y 2 bandas están en el IR térmico. También existe una banda pancromática amplia recopilada a una resolución espacial más alta (15 m) que puede usarse para “afilar” las otras bandas.
Tal como puede observarse en la figura 2, el sistema de monitorización de red de agua 100 también comprende un módulo de detector 207, un módulo de análisis 209, un módulo de mapeo 211, un módulo de superposición 213 y un módulo de visualización 215. Estos módulos permiten que el sistema de monitorización de red de agua 100 detecte situaciones de fugas en la red de agua tal como se describirá en los métodos que se exponen a continuación.
El diagrama de flujo de la figura 3 muestra un método para monitorizar una red de agua, tal como lo realiza el sistema de monitorización de red de agua 100 de las figuras 1 y 2.
La etapa 301 implica obtener, mediante el sistema de monitorización de red de agua 100, un conjunto de datos SAR para una región geográfica que contiene al menos una parte de la red de agua.
La etapa 303 implica obtener, mediante el sistema de monitorización de red de agua, un conjunto de datos ópticos de la región geográfica.
Ambas etapas 301 y 303 pueden realizarse por el módulo de detector 207 solicitando los datos SAR y ópticos del detector SAR 203 y el detector óptico 205, respectivamente. Alternativamente, el módulo de detector 207 puede dotarse automáticamente de dichos datos del detector SAR 203 y el detector óptico 205, sin tener que solicitar los datos. Alternativamente, el módulo de detector 207 puede solicitar los datos SAR y ópticos de la base de datos externa 217, en donde la base de datos externa se ha dotado de los datos SAR y ópticos del detector SAR 203 y el detector óptico 205, respectivamente.
Los datos SAR pueden adoptar la forma de puntos de datos, en una lista o tabla, o pueden adoptar la forma de imágenes SAR. De manera similar, los datos ópticos pueden adoptar la forma de puntos de datos, en una lista o tabla, o pueden adoptar la forma de imágenes ópticas. Los datos SAR se adquieren, habitualmente, en un formato de intervalo terrestre (datos de amplitud o intensidad) o en un complejo de aspecto lateral (que contiene información tanto de intensidad como de fase). Ambos formatos separarán los datos polarizados cruzados y copolarizados en distintas 'bandas' o capas. De manera similar, las imágenes obtenidas de los sensores ópticos se organizan normalmente en bandas que corresponden a distintas longitudes de onda (por ejemplo, roja, verde, infrarroja cercana, etc.). Las imágenes se proporcionan en una variedad de formatos digitales (por ejemplo, geotiff, jpeg2000, secuencia de bandas, diversos formatos binarios, etc.)
La etapa 305 implica analizar, mediante el sistema de monitorización de red de agua, el conjunto obtenido de datos SAR y el conjunto obtenido de datos ópticos para anomalías espaciales o temporales relacionadas con una pluralidad de indicadores indirectos de fugas en la red de agua. La etapa de análisis 305 se lleva a cabo por el módulo de análisis 209 que recibe los datos SAR y ópticos obtenidos del módulo de detector 207.
Los indicadores indirectos pueden comprender un indicador de humedad del suelo o agua estancada basándose en los datos SAR. El agua tiene un perfil de radiación SAR específico, por tanto, su presencia puede inferirse a partir de los datos SAR. Además, la radiación SAR detectada en el suelo seco proporciona un perfil diferente al de la radiación SAR detectada en el suelo húmedo. Por tanto, puede determinarse la presencia de agua en la zona geográfica, con cualquier anomalía que indique indirectamente la presencia de fugas en la red de agua. Los datos SAR de alta resolución son preferiblemente para detectar agua superficial.
El aumento en el contenido de agua en las proximidades de una fuga en la red de agua puede provocar un aumento en el crecimiento de vegetación en esa zona en comparación con otras zonas cercanas. Esto puede observarse a partir de datos ópticos. Por tanto, en algunos casos, la pluralidad de indicadores indirectos puede comprender un indicador de crecimiento de vegetación, indicado basándose en los datos ópticos obtenidos. Se prefieren los datos ópticos de resolución media a alta para detectar este crecimiento de vegetación.
La pluralidad de indicadores indirectos puede comprender un indicador de movimiento superficial o cambio de textura derivado de los datos SAR. Puede producirse un cambio en la superficie de la zona geográfica basándose en la fuga de agua que provoca un hundimiento o elevación del suelo. Por tanto, el movimiento superficial puede ser un indicador de una fuga en la red de agua. Se prefieren datos SAR de resolución media a alta para determinar el movimiento superficial.
El análisis se lleva a cabo usando una serie de técnicas que dependen del tipo de fuga que se esté investigando, tal como se describirá con más detalle a continuación.
La etapa 307 implica detectar, mediante el sistema de monitorización de red de agua 100 y basándose en el análisis del conjunto obtenido de datos SAR y el conjunto obtenido de datos ópticos, una o más anomalías espaciales o temporales relacionadas con al menos uno de la pluralidad de indicadores indirectos de fugas en la red de agua y no atribuibles a factores ambientales dentro de la región geográfica.
Las anomalías temporales pueden identificarse comparando datos SAR y/u ópticos de la misma zona geográfica en varios puntos en el tiempo para determinar el comportamiento habitual. Por ejemplo, durante un periodo de tiempo, una zona puede mostrar un contenido de agua que cambia lentamente, pero que en determinado punto en el tiempo puede cambiar de manera inusualmente repentina. Un cambio repentino de este tipo puede ser indicativo de una fuga en la red de agua.
De manera similar, las anomalías espaciales pueden mostrar que determinadas regiones de la zona geográfica muestran un comportamiento inusual en comparación con otras regiones. Por ejemplo, una zona geográfica puede demostrar un perfil de agua similar en toda la zona, excepto en una pequeña región aislada que demuestra un mayor contenido de agua. Esta pequeña región aislada puede ser indicativa de una fuga en la red de agua si no hay otro motivo para explicar su presencia.
En algunos casos, tanto las anomalías espaciales como las temporales se analizan en combinación. Por ejemplo, un aumento inexplicable en el contenido de agua puede detectarse en una ubicación determinada que no es característico de su zona circundante, que no podía observarse en un punto anterior en el tiempo.
Puede ignorarse cualquier anomalía temporal o espacial que pueda atribuirse a factores ambientales. Por ejemplo, precipitaciones o inundaciones recientes pueden ser responsables de los cambios, lo que no indica la presencia de una fuga en la red de agua. Por tanto, solo se observan las anomalías inexplicables, ya que pueden ser indicativas de una fuga en la red de agua.
Finalmente, la etapa 309 implica generar, mediante el sistema de monitorización de red de agua, un conjunto de ubicaciones calificadas dentro de la región geográfica que tienen síntomas asociados con fugas en la red de agua basándose en la una o más anomalías espaciales o temporales detectadas.
Ambas etapas 307 y 309 se realizan por una variedad de módulos dentro del sistema de monitorización de red de agua 100 que incluyen un módulo de análisis 209, un módulo de mapeo 211, un módulo de superposición 213 y un módulo de visualización 215, tal como se señalará con más detalle a continuación.
El método tal como se muestra en la figura 3 se describirá ahora con más detalle específico, señalando cómo puede usarse el sistema de monitorización de red de agua 100 para detectar tres tipos diferentes de fugas en la red de agua: fugas superficiales, fugas cercanas a la superficie y fugas por debajo de la superficie. Estas diferentes fugas en la red de agua presentan diferentes indicadores de su presencia en función de factores tales como el suelo, la topografía y las condiciones climáticas.
Las redes de agua, por ejemplo, las tuberías, a menudo están a alta presión, lo que significa que cualquier explosión puede dar como resultado que el agua se acumule en la zona local rápidamente. Esta presión puede significar que las fugas que se producen hacia la parte superior de las tuberías pueden provocar un estancamiento de agua en la superficie. Estos tipos de fugas se denominan en el presente documento fugas superficiales.
La figura 4 es un diagrama de flujo que muestra un método para detectar una fuga superficial usando el sistema de monitorización de red de agua 100 de las figuras 1 y 2, que describe con más detalle cómo determinadas etapas del método mostrado en la figura 3 pueden usarse para determinar fugas superficiales.
La etapa 401 implica filtrar el ruido del conjunto obtenido de datos SAR de la etapa 301 usando un filtro multitemporal. Específicamente, el módulo de análisis 209 recibe del módulo de detector 207 los datos SAR y realiza la etapa de filtrado. La fuente típica de ruido en los datos SAR es el moteado, o la interferencia de la energía devuelta de múltiples elementos de dispersión en el mismo píxel. Esto es un artefacto indeseable y es necesario eliminarlo de los datos SAR. La etapa puede implicar obtener múltiples conjuntos de datos SAR durante diferentes periodos de tiempo. El filtrado se logra promediando el moteado comparando los datos SAR obtenidos en los diferentes periodos de tiempo. Por tanto, se minimizan los efectos que se deben al ruido aleatorio. Habitualmente, cuantos más conjuntos de datos puedan usarse, mejor será el filtrado. En algunos casos, esto puede incluir el uso de al menos 15 conjuntos de datos durante un periodo de al menos 6 meses. Ventajosamente, esto proporciona una indicación suficiente del cambio a lo largo del año para proporcionar un filtrado útil.
La etapa 403 implica identificar una o más ubicaciones dentro de la región geográfica y correspondientes a las ubicaciones de la red de agua en las que los datos SAR filtrados indican una caída en la energía retrodispersada en relación con al menos un periodo de monitorización anterior. Se adquieren múltiples conjuntos de datos SAR en distintos puntos en el tiempo, con el fin de determinar los cambios en la retrodispersión de los datos SAR. Tal como se mencionó anteriormente, diferentes tipos de superficies retrodispersan la radiación SAR de manera diferente una con respecto a otra. Por ejemplo, el suelo húmedo retrodispersa con mucha más fuerza que el suelo seco. Sin embargo, una vez que el agua comienza a estancarse en la superficie del suelo, la intensidad de retrodispersión prácticamente desaparece. Por tanto, este comportamiento puede proporcionar detalles sobre el contenido de agua y, tal como se señaló anteriormente, los cambios inusuales en las sucesivas exploraciones SAR pueden indicar la presencia de una fuga superficial.
La etapa 405 implica representar gráficamente la una o más ubicaciones identificadas espacialmente en una representación gráfica de la región geográfica. Esto puede llevarse a cabo mediante el módulo de análisis 209 y el módulo de mapeo 211 en combinación. La gráfica puede implicar la creación de una vista de la zona geográfica con regiones que muestran cambios en la radiación retrodispersada claramente indicadas. Por ejemplo, esto puede consistir en un índice de color o escala de grises que indica la intensidad de retrodispersión para regiones que muestran una actividad inusual. Esta intensidad puede ser el cambio relativo en la intensidad de retrodispersión. Alternativamente, la representación geográfica puede ser un gráfico de la intensidad de retrodispersión frente a tiempo para cada ubicación identificada.
El módulo de superposición 213 recibe del módulo de análisis 209 y del módulo de mapeo 211 la representación gráfica de la zona geográfica. A continuación, lleva a cabo la etapa 407 que implica superponer la representación gráfica de la región geográfica con la una o más ubicaciones representadas gráficamente en una o más imágenes de los datos ópticos obtenidos.
En la etapa 409, el módulo de superposición 213 envía entonces la superposición de la representación gráfica al módulo de análisis 209 que entonces lleva a cabo el filtrado de la una o más ubicaciones representadas gráficamente basándose en el uno o más datos ópticos para filtrar falsos positivos. El filtrado en la etapa 409 que usa los datos ópticos permite reducir el número de falsos positivos cuando se identifican las anomalías, ya que los datos ópticos se usan como una prueba secundaria además de los datos SAR. Los falsos positivos pueden ser regiones en las que los datos SAR indican un comportamiento anómalo en el que no hay indicación en la banda óptica de ninguna fuga. Los datos ópticos pueden ser datos de alta o media resolución.
Los datos ópticos pueden implicar una serie de mediciones de infrarrojo cercano adquiridas durante un periodo de tiempo. Estos datos pueden adquirirse en los mismos puntos en el tiempo, o en puntos diferentes en el tiempo en relación con los datos de SAR recopilados.
La reflectancia de la radiación infrarroja disminuye en intensidad cuando el agua estancada se encuentra de manera abundante en la superficie del suelo. Por tanto, los datos ópticos pueden usarse para detectar aguas superficiales anómalas.
En algunos casos, en lugar de, o además de, detectar agua superficial anómala, los datos ópticos pueden usarse para determinar la presencia de vegetación anómala. Esta vegetación puede haber aparecido inesperadamente entre datos ópticos sucesivos que se adquieren. De manera alternativa o adicional, la vegetación puede no ser característica de la vegetación en la zona geográfica cercana.
El uso de datos ópticos permite reducir el número de falsos positivos al identificar las anomalías, ya que los datos ópticos se usan como una prueba secundaria además de los datos SAR. Los datos ópticos pueden ser datos de alta resolución.
Alternativamente, en otros casos, pueden no requerirse datos ópticos y los datos SAR pueden proporcionar por sí solos resultados fiables sin la necesidad de usar datos ópticos como prueba adicional.
El método tal como se describe en relación con la figura 4 puede permitir que se detecten fugas de agua superficiales. La figura 5A muestra un gráfico SAR de la zona geográfica en las proximidades de una red de agua obtenido a partir de las etapas 401 a 403. Tal como puede observarse en la zona ampliada 501, la ubicación 503 indica una caída en la energía retrodispersada, tal como puede observarse, ya que tiene una señal diferente a las regiones circundantes, lo que indica la presencia de una fuga en la red de agua.
La figura 5B muestra un gráfico de intensidad de retrodispersión frente a tiempo para diferentes zonas identificadas del gráfico SAR mostrado en la figura 5A. Los puntos de datos en forma de diamante 505 corresponden al comportamiento de retrodispersión de un pasto típico a nivel del suelo, que muestra una intensidad aproximadamente constante en todo momento. Los puntos de datos en forma de estrella 507 corresponden al comportamiento de retrodispersión de aguas abiertas. Tal como puede observarse, la intensidad de la retrodispersión de los puntos de datos en aguas abiertas es significativamente menor que la del pasto habitual. Los puntos de datos en forma de triángulo 509 ilustran otro ejemplo de un pasto que sigue el comportamiento de un pasto habitual tal como se muestra en 505, excepto para el punto 511, en el que la intensidad de retrodispersión ha disminuido significativamente. En el punto 511, la intensidad de retrodispersión es más próxima a la de las aguas abiertas, lo que indica la presencia de agua superficial, es decir, el pasto está inundado.
Tal como se mencionó anteriormente, también puede llevarse a cabo un análisis similar usando datos ópticos para determinar cualquier falso positivo.
La detección de la presencia de un pasto inundado puede visualizarse mediante el módulo de visualización 215 en forma gráfica tal como se muestra en la figura 5B. Alternativamente, el módulo de mapeo 211 puede superponer los datos sobre una representación gráfica que puede indicar en un mapa la ubicación de la fuga superficial. A continuación, esto se envía al módulo de visualización 215 de manera que pueda visualizarse un mapa, que indica las regiones que visualizan agua superficial anómala.
La figura 5C muestra un gráfico obtenido usando datos ópticos multiespectrales de la zona geográfica que se han observado a lo largo del tiempo. Tal como puede observarse, la zona 513 muestra una zona que exhibe un crecimiento de vegetación anómalo. Tal como se describió anteriormente, esto puede usarse como una prueba secundaria para determinar la presencia de una fuga superficial.
En la figura 6 se muestra un método a modo de ejemplo para detectar fugas superficiales, tal como lo lleva a cabo el sistema de monitorización de red de agua 100.
En la etapa 601a y 601b se obtienen datos de amplitud SAR de banda X y C multitemporales. Estos datos SAR adquiridos en diferentes puntos en el tiempo se registran en conjunto con precisión 603 entre sí, de manera que pueden compararse. El registro en conjunto es un procedimiento altamente preciso de superposición de datos, de manera que la misma zona geográfica bajo observación puede examinarse a lo largo del tiempo a través de la recopilación de los datos multitemporales.
Los datos registrados en conjunto se procesan a continuación realizando un filtro multitemporal 605 y algoritmos de eliminación de ecos parásitos 607, tales como la minimización de ecos parásitos. Esto puede eliminar el ruido no deseado, por ejemplo, mediante interferencias destructivas. A continuación, los datos procesados se examinan realizando filtros estadísticos en serie temporal 609 para identificar ubicaciones en las que la energía retrodispersada cae significativamente entre los datos SAR adquiridos en diferentes puntos en el tiempo.
Los datos SAR permiten una resolución de un determinado número de píxeles dentro de la zona geográfica. Por tanto, las ubicaciones solo pueden distinguirse hasta el nivel de píxel. Por ejemplo, los datos de banda X pueden adquirirse a una resolución de 3 m, y los datos de banda C pueden adquirirse a una resolución de 15 m. Sin embargo, debe entenderse que pueden usarse otras resoluciones, tal como comprenderá el experto en la técnica.
La tendencia obtenida a partir del análisis estadístico en serie temporal puede ponerse en contexto espacial, comparando ubicaciones en las que la energía retrodispersada cae significativamente a píxeles adyacentes, para determinar si se produce un cambio general en la zona 611 (análisis textual), tal como se muestra en las figuras 5A y 5B. Esto resulta útil ya que un cambio en solo un píxel puede ser indicativo de una detección falsa, en lugar de una situación debida a una fuga en la red de agua.
Tal como se señaló para la figura 4, los datos ópticos multiespectrales (es decir, espectros a múltiples longitudes de onda) se obtienen 613 en la longitud de onda de infrarrojo cercano. Los cambios temporales, al comparar una serie de datos ópticos adquiridos en diferentes puntos en el tiempo, se determinan examinando los cambios en las regiones en las que la energía de infrarrojo cercano disminuye bruscamente, lo que indica la presencia de agua superficial en la etapa 615. Los datos SAR y ópticos se comparan para filtrar cualquier falso positivo en la etapa 617.
Los detalles de la red de agua se obtienen entonces en la entrada 619 por el módulo de superposición 213, y en la etapa 621 se realiza un análisis de superposición en el que las ubicaciones identificadas se superponen sobre la red de agua existente para ayudar a identificar las situaciones anómalas que están en las proximidades de la red de agua. Estos datos superpuestos se envían entonces al módulo de análisis que determina las situaciones que están asociadas con la fuga en la red de agua, de otros tipos de actividad inusual en zonas que están demasiado distantes de la red de agua como para ser provocadas por una fuga en la red de agua.
En lugar de llevarse a cabo después de que se hayan completado las etapas 603 a 617, la superposición de la red de agua 621 podría llevarse a cabo inicialmente después de adquirir los datos SAR y/u ópticos. Esto permite que el trabajo llevado a cabo por el módulo de análisis 209 se dirija a regiones directamente alrededor de la red de agua desde el principio, en lugar de identificar anomalías que no están en estrecha proximidad a la red de agua. Esto aumenta la eficacia del análisis.
En la etapa 623, el análisis realizado por el módulo de análisis 209, el módulo de superposición 213 y el módulo de mapeo 211, se emite como el resultado final. El resultado final se envía al módulo de visualización 215 que muestra al usuario a través de la GUI 105 las ubicaciones de la red de agua en las que se han detectado fugas superficiales. Esto puede encontrarse en formato gráfico, y, preferiblemente, es como un mapa geográfico tal como se señaló anteriormente. Alternativamente, los resultados finales pueden guardarse como un archivo, en algunos casos un archivo de texto, indicando el archivo las ubicaciones de las fugas sospechosas.
El segundo tipo de fuga en la red de agua, la fuga próxima a la superficie, se produce habitualmente cuando la red de agua se ubica dentro de suelos arcillosos impermeables, por ejemplo, en los que las fugas se originan en los lados o el fondo de los segmentos de tubería. Los suelos arcillosos provocan que el agua se extienda en gran medida lateralmente a través de la estructura del suelo, al tiempo que también aumentan el nivel de humedad en el horizonte superficial del suelo. Por tanto, el nivel de humedad del suelo puede usarse para detectar la presencia de este tipo de fugas.
La figura 7 muestra un método para detectar fugas cercanas a la superficie usando el sistema de monitorización de red de agua 100 de las figuras 1 y 2, que describe con más detalle cómo determinadas etapas del método mostrado en la figura 3 pueden usarse para determinar las fugas cercanas a la superficie.
La etapa 701 implica leer un conjunto de datos que definen relaciones estadísticas entre el contenido de humedad del suelo, las variables de coherencia interferométrica SAR y las variables de descomposición polarimétrica obtenidas de una zona de calibración de la región geográfica.
Las relaciones estadísticas pueden haberse determinado usando una serie de datos SAR de una zona de calibración, que se comparan con las ubicaciones dentro de la zona de calibración con niveles de humedad del suelo conocidos. Por ejemplo, los niveles de humedad del suelo conocidos pueden haberse medido usando sensores de humedad del suelo con base en el suelo. Por tanto, se crea una relación estadística a partir de la comparación de los datos de SAR en estos puntos con el nivel de humedad del suelo detectado por la red de sensor en estos puntos.
Las relaciones estadísticas pueden determinarse basándose en el uso de cualquier combinación de variables de coherencia interferométrica y variables de descomposición polarimétrica obtenidas a partir de datos SAR.
La etapa 703 implica aplicar las relaciones estadísticas usando variables de coherencia interferométrica y variables de descomposición polarimétrica obtenidas a partir de datos SAR relacionados con partes de la zona geográfica que se superponen a la red de agua usando extrapolación espacial para determinar un contenido de humedad del suelo para una pluralidad de ubicaciones en la región geográfica. Los datos SAR pueden ser los datos SAR obtenidos en la etapa 301 de la figura 3. En algunos casos, los datos SAR pueden adquirirse a lo largo del tiempo y compararse entre sí para determinar los cambios en el contenido de humedad del suelo.
Basándose en las relaciones estadísticas, puede determinarse el contenido de humedad del suelo para una pluralidad de ubicaciones. La detección del contenido de humedad del suelo no se limita a las regiones de la red de agua que están cerca de los sensores de humedad del suelo (es decir, la zona de calibración), ya que los resultados pueden extrapolarse para determinar a partir de los datos SAR la humedad del suelo en cada punto de la zona geográfica.
Esto tiene la ventaja de reducir el número de sensores físicos de tierra requeridos, lo que disminuye el tiempo dedicado a la instalación, el cuidado y el mantenimiento, al tiempo que permite que la humedad de la superficie se determine en regiones a las que no puede accederse fácilmente a pie.
La etapa 705 implica identificar una o más ubicaciones de la pluralidad de ubicaciones en la región geográfica que tienen un contenido de humedad del suelo determinado que supera uno o más valores umbral. El umbral puede establecerse en función del comportamiento típico o atípico esperado en esa ubicación. La topografía de la zona puede tenerse en cuenta para determinar el contenido de humedad del suelo típico. Por ejemplo, el tipo de suelo puede afectar directamente al contenido de humedad del suelo, teniendo los suelos arcillosos habitualmente un alto contenido de humedad y teniendo los suelos arenosos habitualmente una baja humedad superficial. Además, factores tales como situaciones de precipitación recientes o situaciones de inundación conocidas, pueden tenerse en cuenta al determinar el umbral.
El método tal como se describe en relación con las figuras 7 y 8 puede permitir que se detecten fugas de agua cercanas a la superficie. Las figuras 9A a 9B ilustran gráficamente determinadas etapas de la estimación del agua cercana a la superficie.
La figura 8A muestra un gráfico de los valores predichos contra observados del nivel de humedad del suelo, basándose en la relación estadística entre el contenido de humedad del suelo y los datos SAR. El gráfico se ha obtenido a partir de una serie de datos SAR obtenidos a lo largo del tiempo, que se han comparado con el nivel de humedad del suelo real obtenido por los sensores del suelo.
La figura 8B muestra un gráfico de la zona geográfica en observación que ilustra el contenido de humedad del suelo. La figura 8B muestra cómo, basándose en la extrapolación del modelo estadístico a regiones de la red de agua, puede determinarse el contenido de humedad, para identificar regiones con un contenido de humedad del suelo anómalo que supera los valores umbral, tal como se explicó anteriormente.
En la figura 9 se muestra un ejemplo de la detección de fugas cercanas a la superficie llevada a cabo por el sistema de monitorización de red de agua 100.
Los datos de fase SAR de banda C multitemporal de polarización dual se obtienen 901 por el módulo de detector 207. A continuación, esto se envía al módulo de análisis 209 para el registro conjunto de los datos en serie temporal 903 y la realización de filtrado multitemporal 905. A continuación, se lleva a cabo la minimización de ecos parásitos 907 para eliminar las contribuciones del ruido no deseado, tal como se comentó anteriormente. A continuación, se realiza 909 una descomposición de fase polarimétrica para medir la polarización de los datos SAR.
Mientras tanto, la estimación de coherencia se realiza 911 por el módulo de análisis 209, y estos datos SAR en serie temporal se registran conjuntamente 913. La estimación de coherencia mide la similitud (y/o las diferencias) del aspecto de fase de los datos de radar adquiridos en múltiples puntos en el tiempo. Las variables de coherencia interferométrica y descomposición polarimétrica se combinan con los datos de humedad del suelo recibidos en la entrada 915 de la red de sensor de humedad del suelo con base en el suelo, para desarrollar una relación estadística entre la humedad de la superficie del suelo y los datos de fase SAR de banda C de polarización dual calibrados filtrados en la etapa 917, para crear el modelo de humedad del suelo empírico (es decir, relación estadística).
A intervalos de tiempo específicamente definidos, el módulo de detector 207 adquiere datos SAR adicionales con el análisis estadístico en serie temporal de los datos SAR en cada intervalo realizado 919 por el módulo de análisis 209, en el que los datos SAR adquiridos para el análisis en serie temporal se procesan usando las mismas etapas que las usadas para crear el modelo estadístico. Los datos SAR se comparan con la relación estadística para determinar el contenido de humedad del suelo en las regiones de la red de agua, tal como se muestra en la figura 8A. Los datos SAR también pueden usarse en algunos casos para refinar adicionalmente el modelo estadístico, detectando sensores de humedad del suelo el contenido de humedad del suelo en cada uno de los intervalos de tiempo. En otras situaciones, una vez que se ha creado el modelo estadístico, puede que ya no sea necesario tener sensores de humedad del suelo.
En cualquier caso, la relación estadística puede extrapolarse mediante el módulo de análisis 209 a partes de la imagen SAR en las proximidades de la red de agua 921 para determinar el contenido de humedad del suelo. La red de agua recibida como entrada del mapa de red de agua 921 puede superponerse mediante el módulo de superposición 213 sobre la salida del análisis en serie temporal 923 para determinar regiones en las que el contenido de humedad del suelo determinado supera un umbral determinado. Esto puede enviarse al módulo de visualización 215 para visualizar el contenido de humedad del suelo anómalo al usuario, lo que indica, por tanto, una fuga en la red de agua sospechosa. Esto puede indicarse al usuario de cualquier manera que comprendería el experto en la técnica. Por ejemplo, se prefiere una forma gráfica tal como se muestra en la figura 8B. Sin embargo, puede preverse que puede usarse cualquier otra forma de indicar una ubicación, por ejemplo, podrían usarse coordenadas de la ubicación. O cualquier otro método de presentación de resultados tal como se comenta en el presente documento.
Tal como se muestra en la figura 9, también puede usarse el uso de datos ópticos en la entrada 927, tal como se implementa en el método mostrado en la figura 3. Esto puede ser de la misma manera que se ha descrito anteriormente para la detección de fugas superficiales, para eliminar la detección de falsos positivos. Sin embargo, debe entenderse que el uso de datos ópticos para la detección de fugas cercanas a la superficie es completamente opcional.
El tercer tipo de fuga que puede detectarse son las fugas por debajo de la superficie. Las fugas por debajo de la superficie se producen, habitualmente, a partir de fugas en los lados y en la parte inferior de los segmentos de tubería. Como resultado de estas fugas, el agua se filtra hacia las capas más profundas del suelo, lo que puede dar como resultado un hundimiento o agitación localizada de la superficie del suelo.
La figura 10 muestra un método para detectar fugas por debajo de la superficie usando el sistema de monitorización de red de agua 100 de las figuras 1 y 2, que describe con más detalle cómo determinadas etapas del método mostrado en la figura 3 pueden usarse para determinar las fugas por debajo de la superficie.
La etapa 1001 implica integrar datos del conjunto obtenido de datos SAR usando uno o más procedimientos interferométricos que cuantifican el movimiento vertical del terreno en una o más ubicaciones dentro de la región geográfica correspondientes a las ubicaciones de la red de agua (1001). Los procedimientos interferométricos implican comparar una pluralidad de mediciones de SAR para estimar el movimiento del terreno. Los procedimientos interferométricos pueden implicar obtener un par de conjuntos de datos SAR de la misma banda de frecuencia a partir de la zona geográfica y comparar la diferencia de fase entre el par de conjuntos de datos SAR.
La etapa 1003 implica crear un historial en serie temporal usando el movimiento vertical del terreno en la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica. Al adquirir una serie de conjuntos de datos SAR en diferentes momentos, pueden monitorizarse los cambios en el movimiento vertical del terreno.
La etapa 1005 implica identificar, basándose en el historial en serie temporal, ubicaciones de la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica que tienen un movimiento vertical del terreno que supera uno o más valores umbral.
Los valores umbral pueden determinarse basándose en el umbral establecido según el comportamiento de movimiento del terreno típico o atípico esperado en esa ubicación. Al determinar un valor umbral, puede tenerse en cuenta la topografía de la zona, ya que es probable que esto tenga un efecto sobre el movimiento del terreno. Por ejemplo, el tipo de suelo puede afectar directamente al movimiento del terreno. Además, es posible que sea necesario tener en cuenta las influencias provocadas por el hombre, tales como la actividad minera cercana. Al detectar un movimiento vertical anómalo del terreno que supera un umbral, puede inferirse la presencia de fugas en la red de agua.
El método tal como se describe en relación con las figuras 10 y 11 puede permitir que se detecten fugas de agua por debajo de la superficie. Las figuras 11A a 11D ilustran gráficamente determinadas etapas de la detección de fugas por debajo de la superficie.
La figura 11A muestra los datos de retrodispersión SAR brutos para una región geográfica que se está observando por el sistema de monitorización de red de agua 100. Tal como puede observarse en la figura 11A, el gráfico SAR muestra intensidades que indican zonas que muestran un comportamiento de retrodispersión diferente.
La figura 11B muestra un interferograma a modo de ejemplo generado a partir de imágenes SAR consecutivas de la región geográfica observada por el sistema de monitorización de red de agua.
La figura 11C muestra, basándose en el interferograma de la figura 11B, la zona geográfica que muestra zonas de dispersión consistente, es decir, elementos de dispersión persistentes preliminares. La red de agua se muestra sombreada en la referencia 1110. Los puntos codificados por tonos indican la coherencia estimada de los elementos de dispersión persistentes preliminares. Las zonas que muestran una alta coherencia, por encima de un umbral determinado, se muestran tal como se indica por los puntos más oscuros, tales como 1112a y 1112b. Las zonas que muestran una coherencia media se indican mediante puntos ligeramente más claros que se indican mediante 1114a y 1114b, indicando los puntos sombreados aún más claros zonas con baja coherencia 1116a y 1116b. Las zonas de alta coherencia pueden identificarse como objetivos fiables para estimar el movimiento del terreno, durante el análisis en serie temporal.
La figura 11D muestra una gráfica de altura vertical (en mm) para una serie de ubicaciones en la zona geográfica, representando cada punto de datos los datos obtenidos a partir de las mediciones SAR adquiridas a intervalos de tiempo entre el 22 de agosto de 2012 y el 30 de septiembre de 2016. La altura vertical se normaliza con respecto a la medición inicial a 22 de agosto de 2012. Por tanto, cualquier cambio en la altura vertical puede observarse fácilmente en el gráfico. Los conjuntos de datos 1101 muestran un movimiento vertical insignificante a lo largo del periodo de tiempo. Sin embargo, el conjunto de datos 1103 muestra una disminución en la altura vertical durante este periodo de tiempo de aproximadamente 60 mm. Cualquier tendencia inusual en el movimiento vertical del terreno puede ser indicativa de la presencia de una fuga por debajo de la superficie. La cantidad de movimiento vertical del terreno puede depender de muchos factores, que incluyen la velocidad de fuga, la duración de la situación de fuga y el tipo de suelo.
En la figura 12 se muestra un ejemplo de la detección de fugas por debajo de la superficie llevada a cabo por el sistema de monitorización de red de agua 100.
Las imágenes de fase multitemporales SAR de banda C y X 1201a, 1201b se obtienen por el módulo de detector 207 y se remiten al módulo de análisis 209. Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 11A. Cada una de las mediciones SAR de banda C y X se compara con una medición SAR de banda C o X adquirida en un punto ligeramente posterior en el tiempo 1203. Esto permite que el módulo de análisis 209 extraiga un interferograma (tal como se muestra en la figura 11B), comparando el cambio de fase dentro de cada par.
El módulo de análisis 209 aplica entonces un aplanamiento de interferograma para eliminar la contribución de cambio de fase no deseada debido a la curvatura de la Tierra. A continuación, los datos en serie temporal se registran conjuntamente 1207. A continuación, el interferograma se invierte para localizar reflectores SAR coherentes naturales robustos, también conocidos como elementos de dispersión persistentes 1209. Estos elementos de dispersión persistentes pueden indicar un movimiento vertical del terreno para la ubicación particular, tal como puede observarse en la figura 11C como se comentó anteriormente.
El módulo de análisis 209 corrige entonces las contribuciones debidas a la atmósfera terrestre que pueden tener un efecto al cambiar la fase de los datos SAR, y cualquier refinamiento final del desplazamiento observado puede llevarse a cabo 1211.
Las etapas 1201 a 1211 se repiten entonces en diversos puntos en el tiempo para obtener detalles del historial del movimiento vertical del terreno, tal como se muestra en la figura 11D. A continuación, se realiza un análisis estadístico en serie temporal 1213 para identificar ubicaciones que muestran movimiento vertical del terreno que cambia inesperadamente con el tiempo. Esto puede determinarse en comparación con un valor umbral que se usa para indicar un movimiento vertical del terreno anómalo. A continuación, el módulo de análisis 209 envía estos datos al módulo de superposición 213, que realiza un análisis de superposición en comparación con los datos de mapa de red de agua de entrada superponiendo los datos que indican un movimiento vertical anómalo del terreno sobre la red de agua 215. Esto significa que solo se presentan al usuario las ubicaciones en las proximidades de la red de agua.
En la etapa 1219 pueden emitirse los resultados finales, con ubicaciones en las proximidades de la red de agua que muestran un movimiento vertical del terreno que supera el valor umbral enviado al módulo de visualización 215, que a través de la GUI 105 visualiza estos resultados. Este elemento de visualización puede tener la forma de un gráfico, o un mapa que indica las ubicaciones en las que está presente este movimiento anómalo del terreno, tal como se ha comentado en el presente documento para los otros métodos de detección. Esto puede indicar al usuario las zonas en las que puede haber posibles fugas por debajo de la superficie.
Al determinar el movimiento del terreno mediante interferometría, tal como se describió anteriormente, se miden los cambios relativos y, por tanto, no se requiere la elevación real de la zona geográfica en observación para medir el movimiento del terreno. El interferograma indica la cantidad de interferencias generadas entre dos escenas SAR. Los patrones de interferencia se “desenvuelven” entonces para estimar las contribuciones de la topografía, la atmósfera, etc. que contribuyen a la interferencia. Una vez que se estiman estas contribuciones, entonces pueden eliminarse hasta que todo lo que quede sea la interferencia que proviene del movimiento del terreno.
Tal como se muestra en la figura 12, también puede usarse el uso de datos ópticos 1221, tal como se implementa en el método mostrado en la figura 3. Esto puede ser de la misma manera que se ha descrito anteriormente para la detección de fugas superficiales, para eliminar la detección de falsos positivos. Sin embargo, debe entenderse que el uso de datos ópticos para la detección de fugas por debajo de la superficie es completamente opcional.
Además de detectar situaciones de fuga en la red de agua, el sistema de monitorización de red de agua 100 que usa las técnicas de datos de observación de la Tierra dadas a conocer en el presente documento, también puede usarse para detectar la probabilidad de que se produzca una fuga en la red de agua.
Una de las principales causas de las fugas en la red de agua es la intrusión de vegetación, en donde las raíces de plantas o árboles impactan físicamente sobre la red de agua, provocando daños y, en última instancia, una fuga.
El movimiento del terreno en el que se ubica la red de agua también puede ser una causa de fugas en la red de agua. Por ejemplo, si la red de agua es una red de tuberías, la tubería puede estar sometida a presión y tensión, lo que provoca daños físicos a la tubería.
Como la intrusión de la vegetación y la propia red de agua están por debajo del nivel del suelo, y dado que el movimiento del terreno no se observa fácilmente a simple vista, el uso de técnicas de datos de observación de la Tierra por parte del sistema de monitorización de red de agua 100 puede proporcionar una gran cantidad de información que puede usarse para evaluar el riesgo de se produzcan fugas en la red de agua.
El presente sistema determina estos riesgos analizando el movimiento del terreno y la intrusión de vegetación, con atributos conocidos de la red de agua para desarrollar un índice de riesgo. Los atributos pueden comprender cualquiera de la antigüedad de la red de agua, la profundidad a la que se ubica la red de agua y/o el material de construcción de la red de agua. Por tanto, es posible calcular el índice de riesgo para identificar la infraestructura de red de agua que podría experimentar una frecuencia elevada de situaciones de fuga.
Esto permite a las empresas de red de distribución de agua actuar antes de que se produzca una fuga en la red de agua, lo que les permite ahorrar recursos, ya que es más fácil reparar una red de agua antes de que se haya desarrollado una fuga por completo. Esto también reduce la necesidad de cortar el flujo a la red de agua, lo que resultaría necesario cuando se produce una fuga completa para evitar pérdidas de agua. Por tanto, es menos probable que los hogares se queden sin agua durante periodos prolongados, lo que puede ser particularmente problemático en entornos rurales.
El diagrama de flujo de la figura 13 ilustra un método para monitorizar una red de agua para determinar un índice de riesgo tal como lo realiza el sistema de monitorización de red de agua 100 de las figuras 1 y 2.
La etapa 1301 implica obtener, mediante el sistema de monitorización de red de agua 100, un conjunto de datos de radar de apertura sintética (SAR) para una región geográfica. La etapa 1303 implica obtener, mediante el sistema de monitorización de red de agua 100, un conjunto de datos ópticos de la región geográfica que contienen al menos una parte de la red de agua. Ambas etapas 1301 y 1303 son análogas a las etapas 301 y 303 tal como se comentó anteriormente en relación con la figura 3.
La etapa 1305 implica generar, mediante el sistema de monitorización de red de agua 100, una estimación de la intrusión de vegetación en la red de agua basándose, al menos en parte, en el conjunto obtenido de datos ópticos. La etapa 1305 se lleva a cabo por el módulo de análisis 209, tras recibir los datos ópticos desde el módulo de detector 207. Los detalles de la etapa 1305 se comentarán con más detalle a continuación.
La etapa 1307 implica monitorizar, mediante el sistema de monitorización de red de agua, una cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua basándose, al menos en parte, en uno o ambos del conjunto obtenido de datos SAR y el conjunto obtenido de datos ópticos. Los detalles de la etapa 1307 se comentarán con más detalle a continuación.
La etapa 1309 implica generar, mediante el sistema de monitorización de red de agua, un índice de riesgo de fuga basándose, al menos en parte, en la estimación de intrusión de vegetación en la red de agua y la monitorización de la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua.
Tal como se señaló anteriormente, la intrusión de vegetación y el movimiento del terreno son las principales causas ambientales de las fugas en redes de agua. Por tanto, las etapas 1305 y 1307 permiten que el sistema de monitorización de red de agua 100 obtenga estos indicadores útiles, que en la etapa 1309 se usan para generar un índice de riesgo de fuga que indica la probabilidad de fuga en la red de agua.
La generación del índice de riesgo de fugas puede implicar que el módulo de análisis 209 lea un conjunto de datos que definen uno o más valores umbral para cada uno de la estimación generada de intrusión de vegetación en la red de agua y la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua. El módulo de análisis 209 puede entonces asignar una categoría de riesgo a una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en un valor para la estimación generada de intrusión de vegetación en la red de agua o un valor para la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua que supera uno o más de los valores umbral.
El método de la figura 13 puede comprender además obtener un conjunto de datos que definen uno o más atributos físicos de la red de agua en una o más ubicaciones en la región geográfica. El módulo de análisis 209 puede obtener estos atributos físicos a partir de la base de datos externa 217. Los atributos físicos pueden comprender cualquiera de entre edad, profundidad, material de construcción, de la red de agua. En la etapa 1309, el índice de riesgo de fuga puede generarse basándose en los atributos físicos de la red de agua. Esto puede ser adicional a la intrusión de vegetación y al movimiento del terreno.
La estimación de la intrusión de vegetación obtenida por el sistema de monitorización de red de agua en la etapa 1305 se comenta ahora con más detalle en relación con la figura 14.
La figura 14 es un diagrama de flujo que muestra un método para estimar la intrusión de vegetación usando el sistema de monitorización de red de agua 100.
La etapa 1401 implica leer un conjunto de datos que definen uno o más atributos físicos para el suelo a una o más profundidades y en la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua. Los datos que definen los atributos físicos para el suelo pueden obtenerse mediante el módulo de análisis 209 de la base de datos externa 217. Los atributos físicos pueden comprender detalles sobre la textura del suelo a diversas profundidades. En otros casos, los atributos físicos pueden comprender detalles sobre el tipo de suelo a diversas profundidades. Por ejemplo, esto puede ser si el suelo presenta una base de arena o arcilla. Tener detalles sobre el suelo a diversas profundidades puede proporcionar detalles sobre la probabilidad de que la vegetación en las proximidades de la red de agua se introduzca en la red de agua y cause fugas. Por ejemplo, la textura del suelo y la presencia de capas de suelo restrictivas (por ejemplo, bandejas endurecidas) pueden limitar la profundidad del enraizamiento.
La etapa 1403 implica leer un conjunto de datos que definen uno o más atributos físicos para uno o más tipos de vegetación. Estos datos que definen uno o más atributos físicos pueden obtenerse por el módulo de análisis 209 de la base de datos externa 217. Los atributos físicos para la vegetación pueden implicar atributos de enraizamiento habituales para vegetación diferente. Por ejemplo, esto puede implicar detalles sobre la extensión típica de las raíces de un tipo particular de vegetación, o las profundidades habituales a las que pueden crecer las raíces. Estos factores son importantes a la hora de determinar la probabilidad de que la vegetación suponga un riesgo para la red de agua.
La etapa 1405 implica clasificar la vegetación en la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en al menos uno del conjunto obtenido de datos SAR o el conjunto obtenido de datos ópticos. Pueden identificarse fácilmente diferentes tipos de vegetación al exhibir diferentes perfiles de retrodispersión dentro de los datos SAR. Los tipos de vegetación también pueden observarse fácilmente a partir de datos ópticos. Por tanto, al adquirir los datos SAR y ópticos, puede determinarse el tipo de vegetación en las proximidades de una red de agua.
Por tanto, la etapa 1407 implica generar una cantidad estimada de intrusión de vegetación en cada una de la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en el uno o más atributos físicos del suelo, y el uno o más atributos físicos para un tipo de vegetación clasificada en cada ubicación.
La combinación de los atributos físicos del suelo y los atributos físicos para el tipo de vegetación clasificada en cada ubicación, son todos ellos factores que pueden contribuir a la intrusión de vegetación que puede provocar una fuga en la red de agua. El módulo de análisis 209 después de haber recibido todos los atributos físicos puede llevar a cabo la etapa 1407 para estimar esta intrusión de vegetación.
Por ejemplo, una red de agua envejecida, que está muy cerca de mucha vegetación de determinado tipo que se conoce que tiene raíces que se extienden hasta la profundidad de la red de agua, puede indicar intrusión de vegetación. Mientras que, las regiones en las que existe vegetación con raíces poco profundas que no se extienden hasta la profundidad de la red de agua pueden indicar una intrusión de vegetación mínima o nula.
La figura 15 describe la etapa 1307 de la figura 13 con más detalle, estableciendo cómo el sistema de monitorización de red de agua 100 monitoriza el movimiento del terreno alrededor de la red de agua.
La etapa 1501 implica integrar datos del conjunto obtenido de datos SAR usando uno o más procedimientos interferométricos que cuantifican el movimiento vertical del terreno en una o más ubicaciones dentro de la región geográfica correspondientes a las ubicaciones de la red de agua. Los procedimientos interferométricos implican comparar una pluralidad de mediciones SAR para estimar el movimiento del terreno. Los procedimientos interferométricos pueden implicar obtener un par de conjuntos de datos SAR de la misma banda de frecuencia de la zona geográfica y comparar la diferencia de fase entre el par de conjuntos de datos SAR.
La etapa 1503 implica crear un historial en serie temporal usando el movimiento vertical del terreno en la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica. Al adquirir una serie de conjuntos de datos SAR en diferentes momentos, pueden monitorizarse los cambios en el movimiento vertical del terreno.
La etapa 1505 implica identificar, basándose en el historial en serie temporal, las ubicaciones de la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica que tienen un movimiento vertical del terreno que supera uno o más valores umbral.
Tal como se comentó anteriormente para la detección de fugas por debajo de la superficie, los valores umbral pueden determinarse basándose en el umbral establecido según el comportamiento de movimiento del terreno típico o atípico esperado en esa ubicación.
El método de medición del movimiento del terreno tal como se muestra en la figura 15 puede implicar el uso de un análisis estadístico denso en serie temporal de datos SAR. Habitualmente, esto implica el uso de aproximadamente 18 meses de datos. En lugar de usar el método de dispersión persistente tal como se usa para determinar la detección de fugas por debajo de la superficie, en este caso se aplica un método de evaluación de línea de base corta (SBAS) para determinar el movimiento vertical del terreno.
La SBAS puede implicar las siguientes etapas. Inicialmente, se genera un interferograma, como en los métodos dispersos persistentes descritos en el presente documento. Luego se lleva a cabo un nuevo afinamiento y un nuevo aplanado, lo que implica la identificación de puntos de control del suelo, un modelo de elevación digital y los datos de efemérides orbitales adquiridos precisos (por ejemplo, a partir de datos de ESA) para refinar las órbitas (es decir, corregir posibles inexactitudes) y para calcular el desvío de fase para derivar los valores de fase absolutos. A continuación, se realiza una primera inversión, y los interferogramas aplanados de nuevo, junto con los factores de proporcionalidad par por par de altura de fase, se usan para estimar la altura residual y la información relacionada con el desplazamiento. Estos componentes se eliminan de los interferogramas aplanados de nuevo antes de que tenga lugar el proceso de desenvuelta. A continuación, se lleva a cabo una segunda inversión. La segunda inversión se implementa para derivar los desplazamientos fecha por fecha, que se filtran para eliminar las componentes de fase atmosférica y, en última instancia, adaptarse al modelo de velocidad de desplazamiento final. Finalmente, se lleva a cabo la geocodificación, tal como en los métodos de dispersión persistente ya descritos.
En la figura 16 se muestra un método a modo de ejemplo usado para detectar la probabilidad de que se produzca una fuga en la red de agua, mediante la determinación de un índice de riesgo, tal como lo lleva a cabo el sistema de monitorización de red de agua 100.
Las etapas 1601 a 1609 implican generar una estimación de la intrusión de vegetación tal como se expone en la etapa 1305 de la figura 13.
En el método mostrado en la figura 16 en 1601, los atributos físicos del suelo a una o más profundidades se obtienen mediante el módulo de análisis de la base de datos 217. Tal como se muestra, esto incluye propiedades del suelo tales como cobertura vectorial, tal como se conoce comúnmente en los sistemas de información geográfica (SIG). Esto puede incluir cómo se conoce que la textura del suelo cambia a diferentes profundidades. En algunos casos, estos pueden ser datos que se conocen a partir de estudios geográficos de la zona que se mantienen en una base de datos externa 217. En otros casos, el sistema de monitorización de red de agua 100 puede contener esta información. El sistema de monitorización de la red de agua 100 en algunas realizaciones puede medir esta información.
A continuación, el módulo de detector obtiene datos multiespectrales en la etapa 1603 para detectar la vegetación que está presente dentro de la región geográfica de interés. Preferiblemente, se trata de datos ópticos multiespectrales. Aunque puede entenderse que puede usarse cualquier tipo de obtención de imágenes que permita la determinación de la vegetación. Los datos multiespectrales se envían por el módulo de detector al módulo de análisis 209 con el fin de realizar la clasificación del tipo de vegetación en la zona geográfica en investigación. Por ejemplo, esto puede implicar clasificar si la vegetación es bosques, terrenos de pasto o chaparrales. Zonas con altos niveles de determinada vegetación, tales como los bosques, pueden tener un mayor riesgo de intrusión de vegetación. En algunos casos, la clasificación de vegetación puede ser más específica en cuanto al tipo exacto de vegetación. Por ejemplo, puede realizarse identificación de especies arbóreas. Por ejemplo, si el bosque es predominantemente roble, fresno o cualquier otro tipo de especie arbórea.
En la etapa 1609, el módulo de análisis 209, basándose en el tipo de vegetación identificada en la zona geográfica en la etapa 1607, puede obtener de la base de datos 217 atributos físicos de los tipos de vegetación 1605. Tal como se muestra, esto implica profundidades de raíces habituales para diferentes especies arbóreas. Esto se combina entonces con los detalles de las propiedades del suelo a diversas profundidades para determinar la probabilidad de intrusión de vegetación.
Las etapas 1613 a 1625 implican monitorizar una cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua tal como se establece en la etapa 1307 de la figura 13.
Tal como puede observarse, las etapas 1613 a 1625 corresponden a las etapas 1201 a 1213 de la figura 12 usadas para determinar el movimiento del terreno a partir de fugas por debajo de la superficie. La descripción de estas etapas no se describirá en detalle en el presente documento, ya que se aplica la misma discusión que la proporcionada anteriormente.
Las etapas 1613 a 1625 pueden diferir de las etapas 1201 a 1213, ya que en lugar del método de dispersión persistente tal como se conoce comúnmente en la técnica, implican el método de evaluación de línea de base corta (SBAS), que implica la determinación inicial por el módulo de análisis 209 de una línea de base para la posición del terreno a partir de los datos SAR. Como entendería el experto en la técnica, SBAS también puede usarse para detectar fugas por debajo de la superficie.
Una vez que el módulo de análisis 209 ha recibido los detalles de la intrusión de vegetación y el movimiento del terreno en la etapa 1611, puede derivar un índice de riesgo de red de agua umbral. El análisis de superposición se realiza entonces con la red de agua mediante el módulo de superposición 213 usando la entrada de datos de mapa de red de agua. En la etapa final, el módulo de visualización 215 recibe entonces esta información, los resultados finales se emiten 1630 entonces y se visualiza el índice de riesgo por el usuario.
El índice de riesgo puede clasificarse en una pluralidad de categorías. Estas pueden incluir categorías de riesgo alto, medio y bajo, en donde el riesgo alto indica regiones en las que es probable que se produzcan fugas en la red de agua. El índice de riesgo puede visualizarse por el usuario en un elemento de visualización gráfico con color o escala de grises que indica la categoría de riesgo. Este índice de riesgo puede visualizarse de cualquier manera tal como se describió anteriormente en relación con los métodos de detección de fugas en la red de agua.
El índice de riesgo puede requerir calibración y pruebas para determinar su fiabilidad. Esto puede implicar que el módulo de análisis 209 use fugas en la red de agua detectadas por el sistema de monitorización de red de agua 100, usando los métodos descritos anteriormente. La presencia de fugas superficiales, cercanas a la superficie y por debajo de la superficie detectadas por el sistema de monitorización de red de agua 100 puede compararse con el índice de riesgo para validarlo, ya que estas fugas se esperarían en regiones con alto índice de riesgo.
Aunque el uso de detalles de las propiedades físicas de la red de agua no se muestra en la figura 16, puede entenderse que esta información puede incorporarse en cualquier etapa cuando se deriva el índice de riesgo de red de agua. Por tanto, las propiedades físicas de la red de agua pueden usarse en la etapa 1611 junto con el movimiento del terreno y la intrusión de vegetación para desarrollar el índice de riesgo. Alternativamente, las propiedades físicas de la red de agua pueden usarse en la etapa 1609 para estimar la intrusión de vegetación. En otros casos, las propiedades físicas de la red de agua pueden usarse en la etapa 1625 cuando se realiza el análisis estadístico en serie temporal para determinar si es probable que el movimiento del terreno tenga un efecto sobre la red de agua.
Los métodos descritos en el presente documento pueden codificarse como instrucciones ejecutables incorporadas en un medio legible por ordenador, que incluye, sin limitación, almacenamiento legible por ordenador no transitorio, un dispositivo de almacenamiento y/o un dispositivo de memoria. Tales instrucciones, cuando se ejecutan por un procesador (o uno o más ordenadores, procesadores y/u otros dispositivos) provocan que el procesador (el uno o más ordenadores, procesadores y/u otros dispositivos) lleve a cabo al menos una parte de los métodos descritos en el presente documento. Un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio incluye, pero no se limita a, memoria volátil, memoria no volátil, dispositivos de almacenamiento magnéticos y ópticos tales como unidades de disco, cinta magnética, discos compactos (CD), discos versátiles digitales (DVD) u otros medios que son capaces de almacenar código y/o datos.
Cuando se hace referencia a un procesador en el presente documento, debe entenderse que se refiere a un único procesador o a múltiples procesadores conectados de manera operativa entre sí. De manera similar, cuando se hace referencia a una memoria en el presente documento, debe entenderse que se refiere a una única memoria o a múltiples memorias conectadas de manera operativa entre sí.
Los métodos y procedimientos también pueden incorporarse parcial o totalmente en módulos o aparatos de hardware o firmware, de modo que cuando los módulos o aparatos de hardware se activan, realizan los procedimientos y métodos asociados. Los métodos y procedimientos pueden incorporarse usando una combinación de módulos o aparatos de código, datos y hardware.
Los ejemplos de sistemas, entornos y/o configuraciones de procesamiento que pueden ser adecuados para su uso con las realizaciones descritas en el presente documento incluyen, pero no se limitan a, dispositivos informáticos integrados, ordenadores personales, ordenadores servidores (servidores específicos o en la nube (virtuales)), dispositivos portátiles o transportables, sistemas multiprocesador, sistemas basados en microprocesador, decodificadores, electrónica de consumo programable, teléfonos móviles, ordenadores personales (PC) en red, miniordenadores, ordenadores centrales, entornos informáticos distribuidos que incluyen cualquiera de los sistemas o dispositivos anteriores, y similares. Los módulos o aparatos de hardware descritos en esta divulgación incluyen, pero no se limitan a, circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC); matrices de puertas de campo programable (FPGA), procesadores dedicados o compartidos, y/u otros módulos o aparatos de hardware.
Los receptores y transmisores tal como se describen en el presente documento pueden ser independientes o pueden estar comprendidos en transceptores. Un enlace de comunicación tal como se describe en el presente documento comprende al menos un transmisor capaz de transmitir datos a al menos un receptor a través de uno o más canales de comunicación por cable o inalámbricos. Un enlace de comunicación de este tipo puede comprender además opcionalmente uno o más transceptores de retransmisión.
Los dispositivos de entrada de usuario pueden incluir, sin limitación, micrófonos, botones, teclados, pantallas táctiles, paneles táctiles, bolas de seguimiento, palancas de mando y ratones. Los dispositivos de salida de usuario pueden incluir, sin limitación, altavoces, interfaces gráficas de usuario, luces indicadoras y elementos de visualización en braille actualizables. Los dispositivos de interfaz de usuario pueden comprender uno o más dispositivos de entrada de usuario, uno o más dispositivos de salida de usuario, o ambos.
Otras realizaciones resultarán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la consideración de la memoria descriptiva y la práctica de las realizaciones dadas a conocer en el presente documento. Se pretende que la memoria descriptiva y los ejemplos se consideren solo a modo de ejemplo.
Además, cuando esta solicitud ha enumerado las etapas de un método o procedimiento en un orden específico, podría ser posible, o incluso conveniente en determinadas circunstancias, cambiar el orden en el que se realizan algunas etapas, y se pretende que las etapas particulares de las reivindicaciones del método o procedimiento expuestas en el presente documento no se interpreten como que presente un orden específico a menos que tal especificidad de orden se indique expresamente en la reivindicación. Es decir, las operaciones/etapas pueden realizarse en cualquier orden, a menos que se especifique lo contrario, y las realizaciones pueden incluir operaciones/etapas adicionales o inferiores a las divulgadas en el presente documento. Se contempla además que ejecutar o realizar una operación/etapa particular antes, de manera simultánea o después de otra operación se realice según las realizaciones descritas.
Debe entenderse que las etapas para detectar cada uno de estos tipos de fugas no deben limitarse solo a detectar el tipo específico de fuga mencionado. El experto en la técnica entendería que cualquier tipo de fuga en la red de agua puede detectarse mediante cualquier combinación de las etapas anteriores.
Aunque se ha descrito que el movimiento vertical del terreno puede detectarse para indicar la presencia de fugas por debajo de la superficie, en otras situaciones el movimiento podría ser un movimiento horizontal o una combinación de movimientos horizontal y vertical. Aunque se ha descrito que el método de dispersión persistente puede usarse para determinar fugas por debajo de la superficie, puede entenderse que también pueden usarse SBAS u otras técnicas para determinar el movimiento del terreno. Además, tal como se mostró que puede usarse SBAS para determinar el índice de riesgo, puede entenderse que también pueden usarse elementos de dispersión persistentes u otras técnicas para determinar el movimiento del terreno.
La base de datos externa 217 se ha comentado en relación con los métodos anteriores. Sin embargo, debe entenderse que la base de datos externa 217 puede ser realmente una base de datos ubicada dentro del sistema de monitorización de red de agua 100, en lugar de ser externa al mismo. Además, la base de datos externa 217 puede ser realmente una pluralidad de bases de datos diferentes. Cada una de la pluralidad de bases de datos diferentes puede mantenerse por entidades distintas.
Los datos SAR y ópticos descritos en el presente documento pueden adquirirse usando cualquier método conocido. En algunas realizaciones, pueden proporcionarse por una organización externa tal como la NASA o la Agencia Espacial Europea. Estas imágenes pueden obtenerse a partir de satélites tales como Sentinel 1.
Los datos SAR y/u ópticos en serie temporal pueden adquirirse en diversos periodos de tiempo. Por ejemplo, las mediciones pueden adquirirse en cuestión de días, semanas, meses o incluso años. Estas mediciones pueden realizarse de manera periódica. Alternativamente, cuando los datos de satélite solo están disponibles esporádicamente, pueden usarse estos datos.
Los datos ópticos pueden ser cualquiera de datos visibles, UV, IR. Alternativamente, puede usarse cualquier otro tipo de radiación electromagnética. Por ejemplo, pueden usarse ondas de radio. Los métodos anteriores no se ven limitados cuando mencionan datos SAR y ópticos, y cualquier tipo de dato de observación puede sustituirse, tal como entendería el experto en la técnica.
Se ha descrito anteriormente que los datos SAR de amplitud se usan para detectar la presencia de fugas superficiales, y los datos de fase se usan para determinar la humedad del suelo (es decir, cercana a la superficie) y el movimiento del terreno (es decir, el índice de riesgo y por debajo de la superficie). Sin embargo, esto no es necesariamente limitante y puede usarse cualquiera de los datos SAR de fase o amplitud para detectar los diferentes tipos de fugas y/o índice de riesgo.
El uso de datos de observación de la Tierra con una resolución espacial >1 m y una frecuencia de actualización modesta se adapta mejor a fugas más grandes que se desarrollan a lo largo del tiempo en lugar de pequeñas situaciones o estallidos. Estos son los tipos de fugas que más interesan a las empresas de red de distribución de agua. Sin embargo, el uso de un sistema de observación con una mayor resolución y una adquisición de datos con mayor frecuencia permitiría que el sistema detectara fugas de un tamaño pequeño si fuera necesario.
Los datos presentados al usuario, tales como la identificación de fugas y el índice de riesgo, pueden presentarse de cualquier manera que fuera conocida por el experto en la técnica. Por ejemplo, puede presentarse al usuario en forma de una superposición en un mapa de la zona gráfica, tal como se describió anteriormente. La presencia de fugas de cada uno de los diferentes métodos puede visualizarse en algunas realizaciones al usuario dentro de un elemento de visualización. Por ejemplo, esto puede implicar la indicación de fugas superficiales, cercanas a la superficie y por debajo de la superficie que se presentan al usuario en el mismo mapa. Esto puede implicar tener un conmutador que permita al usuario determinar cuáles de los tipos de fugas se visualizan en el mapa. El índice de riesgo también puede añadirse al elemento de visualización. Este también puede tener la capacidad de activarse y desactivarse.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Método para monitorizar una red de agua, comprendiendo el método:
obtener (1301), mediante un sistema de monitorización de red de agua, un conjunto de datos de radar de apertura sintética (SAR) para una región geográfica;
obtener (1303), mediante el sistema de monitorización de red de agua, conteniendo un conjunto de datos ópticos de la región geográfica al menos una parte de la red de agua;
generar (1305), mediante el sistema de monitorización de red de agua, una estimación de intrusión de vegetación en la red de agua basándose al menos en parte en el conjunto obtenido de datos ópticos; monitorizar (1307), mediante el sistema de monitorización de red de agua, una cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua basándose, al menos en parte, en uno o ambos del conjunto obtenido de datos SAR y el conjunto obtenido de datos ópticos; y
generar (1309), mediante el sistema de monitorización de red de agua, un índice de riesgo de fuga basándose, al menos en parte, en la estimación de intrusión de vegetación en la red de agua y la monitorización de la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua.
2. Método según la reivindicación 1, en el que generar la estimación de intrusión de vegetación en la red de agua comprende:
leer (1401) un conjunto de datos que definen uno o más atributos físicos para el suelo a una o más profundidades y en la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua;
leer (1403) un conjunto de datos que definen uno o más atributos físicos para uno o más tipos de vegetación;
clasificar (1405) la vegetación en la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en el conjunto obtenido de datos ópticos; y
generar (1407) una cantidad estimada de intrusión de vegetación en cada una de la una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en el uno o más atributos físicos del suelo, y el uno o más atributos físicos para un tipo de la vegetación clasificada en cada ubicación.
3. Método según la reivindicación 1 o 2, en el que la generación del índice de riesgo de fuga se basa, al menos en parte, en datos que definen uno o más atributos físicos de la red de agua en una o más ubicaciones en la región geográfica.
4. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que monitorizar la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua, comprende:
integrar (1501) datos del conjunto obtenido de datos SAR usando uno o más procedimientos interferométricos que cuantifican el movimiento vertical del terreno en una o más ubicaciones dentro de la región geográfica correspondientes a las ubicaciones de la red de agua;
crear (1503) un historial en serie temporal usando el movimiento vertical del terreno en la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica; y
identificar (1505), basándose en el historial en serie temporal, ubicaciones de la una o más ubicaciones dentro de la región geográfica que tienen un movimiento vertical del terreno que supera uno o más valores umbral.
5. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que generar el índice de riesgo de fuga comprende, además:
leer un conjunto de datos que definen uno o más valores umbral para cada una de la estimación generada de intrusión de vegetación en la red de agua y la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua; y
asignar una categoría de riesgo a una o más ubicaciones a lo largo de la red de agua basándose en un valor para la estimación generada de intrusión de vegetación en la red de agua o un valor para la cantidad de movimiento del terreno alrededor de la red de agua que supera uno o más de los valores umbral.
6. Sistema que comprende:
un procesador; y
una memoria acoplada con y legible por el procesador y que almacena en la misma un conjunto de instrucciones que, cuando se ejecutan por el procesador, provocan que el procesador monitorice una red de agua realizando el método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
7. Medio legible por ordenador no transitorio que comprende un conjunto de instrucciones almacenadas en el mismo que, cuando se ejecutan por un procesador, provocan que el procesador monitorice una red de agua realizando el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
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