Characterization of components of water supply systems from GPR images and tools of intelligent data analysis

[EN] Over time, due to multiple operational and maintenance activities, the networks of water supply systems (WSSs) undergo interventions, modifications or even are closed. In many cases, these activities are not properly registered. Knowledge of the paths and characteristics (status and age, etc.) of the WSS pipes is obviously necessary for efficient and dynamic management of such systems. This problem is greatly augmented by considering the detection and control of leaks. Access to reliable leakage information is a complex task. In many cases, leaks are detected when the damage is already considerable, which brings high social and economic costs. In this sense, non-destructive methods (e.g., ground penetrating radar - GPR) may be a constructive response to these problems, since they allow, as evidenced in this thesis, to ascertain paths of pipes, identify component characteristics, and detect primordial water leaks. Selection of GPR in this work is justified by its characteristics as non-destructive technique that allows studying both metallic and non-metallic objects. Although the capture of information with GPR is usually successful, such aspects as the capture settings, the large volume of generated information, and the use and interpretation of such information require high level of skill and experience. This dissertation may be seen as a step forward towards the development of tools able to tackle the problem of lack of knowledge on the WSS buried assets. The main objective of this doctoral work is thus to generate tools and assess their feasibility of application to the characterization of components of WSSs from GPR images. In this work we have carried out laboratory tests specifically designed to propose, develop and evaluate methods for the characterization of the WSS buried components. Additionally, we have conducted field tests, which have enabled us to determine the feasibility of implementing such methodologies under uncontrolled conditions. The methodologies developed are based on techniques of intelligent data analysis. The basic principle of this work has involved the processing of data obtained through the GPR to look for useful information about WSS components, with special emphasis on the pipes. After performing numerous activities, one can conclude that, using GPR images, it is feasible to obtain more information than the typical identification of hyperbolae currently performed. In addition, this information can be observed directly, e.g. more simply, using the methodologies proposed in this doctoral work. These methodologies also prove that it is feasible to identify patterns (especially with the preprocessing algorithm termed Agent race) that provide fairly good approximation of the location of leaks in WSSs. Also, in the case of pipes, one can obtain such other characteristics as diameter and material. The main outcomes of this thesis consist in a series of tools we have developed to locate, identify and visualize WSS components from GPR images. Most interestingly, the data are synthesized and reduced so that the characteristics of the different components of the images recorded in GPR are preserved. The ultimate goal is that the developed tools facilitate decision-making in the technical management of WSSs, and that such tools can even be operated by personnel with limited experience in handling non-destructive methodologies, specifically GPR.[ES] Con el paso del tiempo, y debido a múltiples actividades operacionales y de mantenimiento, las redes de los sistemas de abastecimiento de agua (SAAs) sufren intervenciones, modificaciones o incluso, son clausuradas, sin que, en muchos casos, estas actividades sean correctamente registradas. El conocimiento de los trazados y características (estado y edad, entre otros) de las tuberías en los SAAs es obviamente necesario para una gestión eficiente y dinámica de tales sistemas. A esta problemática se suma la detección y el control de las fugas de agua. El acceso a información fiable sobre las fugas es una tarea compleja. En muchos casos, las fugas son detectadas cuando los daños en la red son ya considerables, lo que trae consigo altos costes sociales y económicos. En este sentido, los métodos no destructivos (por ejemplo, ground penetrating radar - GPR), pueden ser una respuesta a estas problemáticas, ya que permiten, como se pone de manifiesto en esta tesis, localizar los trazados de las tuberías, identificar características de los componentes y detectar las fugas de agua cuando aún no son significativas. La selección del GPR, en este trabajo se justifica por sus características como técnica no destructiva, que permite estudiar tanto objetos metálicos como no metálicos. Aunque la captura de información con GPR suele ser exitosa, la configuración de la captura, el gran volumen de información, y el uso y la interpretación de la información requieren de alto nivel de habilidad y experiencia por parte del personal. Esta tesis doctoral se plantea como un avance hacia el desarrollo de herramientas que permitan responder a la problemática del desconocimiento de los activos enterrados de los SAAs. El objetivo principal de este trabajo doctoral es, pues, generar herramientas y evaluar la viabilidad de su aplicación en la caracterización de componentes de un SAA, a partir de imágenes GPR. En este trabajo hemos realizado ensayos de laboratorio específicamente diseñados para plantear, elaborar y evaluar metodologías para la caracterización de los componentes enterrados de los SAAs. Adicionalmente, hemos realizado ensayos de campo, que han permitido determinar la viabilidad de aplicación de tales metodologías bajo condiciones no controladas. Las metodologías elaboradas están basadas en técnicas de análisis inteligentes de datos. El principio básico de este trabajo ha consistido en el tratamiento adecuado de los datos obtenidos mediante el GPR, a fin de buscar información de utilidad para los SAAs respecto a sus componentes, con especial énfasis en las tuberías. Tras la realización de múltiples actividades, se puede concluir que es viable obtener más información de las imágenes de GPR que la que actualmente se obtiene con la típica identificación de hipérbolas. Esta información, además, puede ser observada directamente, de manera más sencilla, mediante las metodologías planteadas en este trabajo doctoral. Con estas metodologías se ha probado que también es viable la identificación de patrones (especialmente el pre-procesado con el algoritmo Agent race) que proporcionan aproximación bastante acertada de la localización de las fugas de agua en los SAAs. También, en el caso de las tuberías, se puede obtener otro tipo de características tales como el diámetro y el material. Como resultado de esta tesis se han desarrollado una serie de herramientas que permiten visualizar, identificar y localizar componentes de los SAAs a partir de imágenes de GPR. El resultado más interesante es que los resultados obtenidos son sintetizados y reducidos de manera que preservan las características de los diferentes componentes registrados en las imágenes de GPR. El objetivo último es que las herramientas desarrolladas faciliten la toma de decisiones en la gestión técnica de los SAAs y que tales herramientas puedan ser operadas incluso por personal con una experiencia limitada en el manejo[CA] Amb el temps, a causa de les múltiples activitats d'operació i manteniment, les xarxes de sistemes d'abastament d'aigua (SAAs) se sotmeten a intervencions, modificacions o fins i tot estan tancades. En molts casos, aquestes activitats no estan degudament registrats. El coneixement dels camins i característiques (estat i edat, etc.) de les canonades d'aigua i sanejament fa evident la necessitat d'una gestió eficient i dinàmica d'aquests sistemes. Aquest problema es veu augmentat en gran mesura tenint en compte la detecció i control de fuites. L'accés a informació fiable sobre les fuites és una tasca complexa. En molts casos, les fugues es detecten quan el dany ja és considerable, el que porta costos socials i econòmics. En aquest sentit, els mètodes no destructius (per exemple, ground penetrating radar - GPR) poden ser una resposta constructiva a aquests problemes, ja que permeten, com s'evidencia en aquesta tesi, per determinar rutes de canonades, identificar les característiques dels components, i detectar les fuites d'aigua quan encara no són significatives. La selecció del GPR en aquest treball es justifica per les seves característiques com a tècnica no destructiva que permet estudiar tant objectes metàl·lics i no metàl·lics. Tot i que la captura d'informació amb GPR sol ser reeixida, aspectes com ara la configuració de captura, el gran volum d'informació que es genera, i l'ús i la interpretació d'aquesta informació requereix alt nivell d'habilitat i experiència. Aquesta tesi pot ser vista com un pas endavant cap al desenvolupament d'eines capaces d'abordar el problema de la manca de coneixement sobre els actius d'aigua i sanejament enterrat. L'objectiu principal d'aquest treball doctoral és, doncs, generar eines i avaluar la seva factibilitat d'aplicació a la caracterització dels components de los SAAs, a partir d'imatges GPR. En aquest treball s'han dut a terme proves de laboratori específicament dissenyats per proposar, desenvolupar i avaluar mètodes per a la caracterització dels components d'aigua i sanejament soterrat. A més, hem dut a terme proves de camp, que ens han permès determinar la viabilitat de la implementació d'aquestes metodologies en condicions no controlades. Les metodologies desenvolupades es basen en tècniques d'anàlisi intel·ligent de dades. El principi bàsic d'aquest treball ha consistit en el tractament de dades obtingudes a través del GPR per buscar informació útil sobre els components d'SAA, amb especial èmfasi en la canonades. Després de realitzar nombroses activitats, es pot concloure que, amb l'ús d'imatges de GPR, és factible obtenir més informació que la identificació típica d'hipèrboles realitzat actualment. A més, aquesta informació pot ser observada directament, per exemple, més simplement, utilitzant les metodologies proposades en aquest treball doctoral. Aquestes metodologies també demostren que és factible per identificar patrons (especialment el pre-processat amb l'algoritme Agent race) que proporcionen bastant bona aproximació de la localització de fuites en SAAs. També, en el cas de tubs, es pot obtenir altres característiques com ara el diàmetre i el material. Els principals resultats d'aquesta tesi consisteixen en una sèrie d'eines que hem desenvolupat per localitzar, identificar i visualitzar els components dels SAAS a partir d'imatges GPR. El resultat més interessant és que els resultats obtinguts són sintetitzats i reduïts de manera que preserven les característiques dels diferents components registrats en les imatges de GPR. L'objectiu final és que les eines desenvolupades faciliten la presa de decisions en la gestió tècnica de SAA, i que tals eines poden fins i tot ser operades per personal amb poca experiència en el maneig de metodologies no destructives, específicament GPR.Ayala Cabrera, D. (2015). Characterization of components of water supply systems from GPR images and tools of intelligent data analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59235TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Análisis, caracterización y modelación 3D de fugas de agua en sistemas de abastecimiento de agua mediante imágenes de GPR

Tesis por compendio[ES] Los esfuerzos que hacen los países, en conjunto con organizaciones mundiales, tales como IWA (por International Water Association), ONU-Agua y OMS (Organización Mundial de la Salud), para mitigar el impacto ambiental en el campo de la hidráulica urbana son considerados de vital importancia. Sin embargo, la escasez de los recursos hídricos en el mundo aumenta diariamente. Esto viene dado por el aumento constante de la demanda en los sectores industrial, agrícola y urbano, provocado por el aumento poblacional y el cambio climático. Los administradores de los sistemas de abastecimiento de agua (WSSs, por sus siglas en inglés, water supply systems) se han visto desafiados a suplir la creciente demanda de los diferentes sectores con la cantidad, calidad y eficiencia necesarios y, a su vez, reducir el desperdicio y el mal uso del recurso. Desde esta perspectiva, las fugas de agua son el mayor problema que enfrentan los administradores de estas empresas de servicios públicos. Las fugas en una red provocan problemas de salud, de escasez, económicos y medioambientales. El uso de técnicas de inspección no destructivas debe favorecer una rápida identificación de problemas, para realizar acciones posteriores de reparación en la red. Este trabajo hace uso del GPR (siglas en inglés de ground penetrating radar) como técnica de inspección no destructiva porque: favorece la exploración del subsuelo sin causar alteraciones al medio, es de fácil aplicación y, además, permite obtener pseudo imágenes del subsuelo. Uno de los objetivos de este documento es identificar y extraer características de una fuga en un WSS mediante imágenes de GPR, con el fin último de recrear las fugas a través de modelos 3D. Se realizaron ensayos de laboratorio bajo condiciones controladas donde se emuló una parcela en la cual se había enterrado una tubería con una pequeño orifico que simula una fuga de agua; tras introducir agua al sistema, se realizaron prospecciones con el GPR. Una vez finalizada la exploración del subsuelo, dado que las imágenes de GPR en bruto obtenidas no son fácilmente interpretables por personal no experto, tales imágenes fueron sometidas a procesamiento de datos que favorezcan su fácil interpretación. Este documento presenta dos metodologías de procesamiento de datos que permiten obtener imágenes a partir de las cuales es posible identificar tanto los componentes del sistema como la fuga y su alcance. Las metodologías de tratamiento de datos aplicadas en este documento son una metodología basada en sistemas multi-agente y el filtro de varianza, metodología basada en parámetros estadísticos de segundo orden. Posteriormente, tras aplicar estas metodologías de procesamiento a las imágenes, se sometieron los resultados a un análisis que facilitase la mejor elección evitando la subjetividad del experto. Bajo este concepto, este documento propone el uso conjunto de técnicas multicriterio. Se utilizó el Proceso de Jerarquía Analítica Difusa (FAHP, por sus siglas en inglés, Fuzzy Analytical Hierarchy Process), que permite ponderar varios criterios de evaluación, con el propósito de mitigar la incertidumbre que caracterizan los juicios de los expertos, en conjunto con el método ELECTRE III para obtener la clasificación final de alternativas, todo esto de la manera más objetiva posible. Los resultados de este documento son satisfactorios, permitiendo obtener amplio conocimiento de las fugas y su interacción con el subsuelo, proporcionando pautas para desarrollar posteriormente metodologías de automatización que permitan localizar, seguir y predecir problemas en los WSSs.[CA] Els esforços que fan els països en conjunt amb organitzacions mundials, como ara IWA (per International Water Association), ONU-Agua i OMS (per Organització Mundial de la Salut), per a mitigar l'impacte ambiental en el camp de la hidràulica urbana són considerats de vital importància. No obstant això, l'escassetat dels recursos hídrics en el món augmenta diàriament, donat per l'augment constant de la demanda en els sectors industrial, agrícola i urbà, provocat per l'augment poblacional i el canvi climàtic. Els administradors dels sistemes d'abastiment d'aigua (WSSs, per les seus sigles en anglès, water supply systems) s'han vist desafiats a suplir la creixent demanda dels diferents sectors amb la quantitat, qualitat i eficiència necessaris i, al seu torn, reduir el desaprofitament i el mal ús del recurs. Enfocant aquesta perspectiva, les pèrdues d'aigua són el problema més gran fet front pels directors d'aquestes utilitats. Les pèrdues d'aigua en una xarxa provoquen problemes de salut, d'escassetat, econòmics i mediambientals. L'ús de tècniques d'inspecció no destructives que afavoreixen una ràpida identificació per a realitzar accions de reparació posteriors en la xarxa. Aquest treball fa ús del GPR (sigles en anglès per ground penetrating radar) com a tècnica d'inspecció no destructiva perquè afavoreix l'exploració del subsol sense causar alteracions al entorn, és de fàcil aplicació i a més permet obtenir pseudo imatges del subsol. Un dels objectius d'aquest document és identificar i extraure característiques d'una pèrdua en un WSS mitjançant imatges de GPR, amb la fi última de recrear les pèrdues a través de models 3D. Es van realitzar assajos de laboratori sota condicions controlades on es va emular una parcel¿la en la qual s'ha enterrat una canonada amb una xicotet forat que simula una pèrdua d'aigua; després d'introduir aigua al sistema, s'obtenen prospeccions amb el GPR. Una vegada finalitzada l'exploració del subsol, atès que les imatges de GPR en brut obtingudes no són fàcilment interpretables per personal no expert, són sotmeses a processament de dades que afavorisquen la seua fàcil interpretació. Aquest document presenta dues metodologies de processament de dades que permeten obtenir imatges de les quals és possible identificar tant els components del sistema com la pèrdua i el seu abast. Les metodologies de tractament de dades aplicades en aquest document són una metodologia basada en multi-agents (MABS, per les seves sigles en anglès, multi-agent-based systems) i el filtre de variància, metodologia basada en paràmetres estadístics de segon ordre. Posteriorment, després d'aplicar aquestes metodologies de processament a les imatges se sotmeten els resultats a una anàlisi que faciliti la millor elecció evitant la subjectivitat de l'expert. Sota aquest concepte, aquest document proposa l'ús conjunt de tècniques de decisió multi-criteri (MCDM, per les seves sigles en anglès, multi-criteria decision-making). Es va utilitzar el Procés de Jerarquia Analítica Difusa (FAHP, per les seves sigles en anglès, Fuzzy Analytical Hierarchy Process) el qual s'utilitza per a ponderar diversos criteris d'avaluació, amb el propòsit de mitigar la incertesa que caracteritzen els judicis dels experts, en conjunt amb el mètode ELECTRE III, per a obtenir la classificació final d'alternatives, tot això de la manera més objectiva possible. Els resultats d'aquest document són satisfactoris, permetent obtenir ampli coneixement de les pèrdues d'aigua i la seua interacció amb el subsol, donant-nos la pauta per a desenvolupar posteriorment metodologies d'automatització que permeten localitzar, seguir i predir problemes en els WSSs.[EN] The efforts made by the countries in collaboration with world organizations, such as IWA (for International Water Association), UN-Water and WHO (for World Health Organization), to mitigate the environmental impact in the field of urban hydraulics are considered of vital importance. However, the scarcity of water resources in the world increases daily, given by the constant increase in demand in the industrial, agricultural and urban sectors, caused by the population increase and the climate change. Managers of water supply systems (WSSs) are challenged to supply the growing demand of different sectors with sufficient quantity, quality and efficiency and, in turn, reduce waste and misuse of the resource. Focusing this perspective, water leaks are the biggest problem faced by the managers of these utilities. Leaks in a network cause health, shortage, economic and environmental problems. The use of non-destructive inspection techniques favors rapid identification to carry out subsequent repair actions on the network. This work makes use of the GPR (ground penetrating radar) as a non-destructive inspection technique because: it favors the exploration of the ground without causing alterations to the environment, it is easy to apply, and also allows to obtain pseudo images of the subsoil. This document presents two data processing methodologies that allow obtaining images from which it is possible to identify both the system components and the leak and its scope. The data treatment methodologies applied in this document are a multi-agent-based system (MABS) methodology and the variance filter, a methodology based on second-order statistical parameters. Subsequently, after applying these processing methodologies to the images, the results are subjected to an analysis that eases the best choice, avoiding expert's subjectivity. Under this concept, this document proposes the joint use of two multi-criteria decision-making (MCDM) methods. The Fuzzy Analytical Hierarchy Process (FAHP) is used first to weight various evaluation criteria, in order to mitigate the uncertainty that characterize the experts' judgments, in conjunction with the ELECTRE III method, to obtain the final classification of alternatives in the most objective way. The results of this document are satisfactory, allowing to obtain extensive knowledge of leaks and their interaction with the subsoil, giving a guideline to subsequently develop automation methodologies that allow locating, monitoring and predicting problems in WSSs.Part of this work has been developed under the support of Fundación Carolina PhD and short-term scholarship programOcaña Levario, SJ. (2021). Análisis, caracterización y modelación 3D de fugas de agua en sistemas de abastecimiento de agua mediante imágenes de GPR [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163677TESISCompendi

GPR image analysis to locate water leaks from buried pipes by applying variance filters

[EN] Nowadays, there is growing interest in controlling and reducing the amount of water lost through leakage in water supply systems (WSSs). Leakage is, in fact, one of the biggest problems faced by the managers of these utilities. This work addresses the problem of leakage in WSSs by using GPR (Ground Penetrating Radar) as a non-destructive method. The main objective is to identify and extract features from GPR images such as leaks and components in a controlled laboratory condition by a methodology based on second order statistical parameters and, using the obtained features, to create 3D models that allows quick visualization of components and leaks in WSSs from GPR image analysis and subsequent interpretation. This methodology has been used before in other fields and provided promising results. The results obtained with the proposed methodology are presented, analyzed, interpreted and compared with the results obtained by using a well-established multi-agent based methodology. These results show that the variance filter is capable of highlighting the characteristics of components and anomalies, in an intuitive manner, which can be identified by non-highly qualified personnel, using the 3D models we develop. This research intends to pave the way towards future intelligent detection systems that enable the automatic detection of leaks in WSSs. (C) 2017 Published by Elsevier B.V.Part of this work has been developed under the support of Fundacion Carolina PhD (2014) and short-term scholarship program for the first author (Doctorado y estancias cortas).Ocaña-Levario, SJ.; Carreño-Alvarado, EP.; Ayala Cabrera, D.; Izquierdo Sebastián, J. (2018). GPR image analysis to locate water leaks from buried pipes by applying variance filters. Journal of Applied Geophysics. 152:236-247. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2018.03.025S23624715

A hybrid multicriteria approach to GPR image mining applied to water supply system maintenance

[EN] Data processing techniques for Ground Penetrating Radar (GPR) image mining provide essential information to optimize maintenance management of Water Supply Systems (WSSs). These techniques aim to elaborate on radargrams in order to produce meaningful graphical representations of critical buried components of WSSs. These representations are helpful non-destructive evaluation tools to prevent possible failures in WSSs by keeping them adequately monitored. This paper proposes an integrated multi-criteria decision making (MCDM) approach to prioritize various data processing techniques by means of ranking their outputs, namely their resulting GPR image representations. The Fuzzy Analytic Hierarchy Process (FAHP) is applied to weight various evaluation criteria, with the purpose of managing vagueness and uncertainty characterizing experts' judgments. Then, the Elimination Et Choix Traduisant la REalite III (ELECTRE III) method is used to obtain the final ranking of alternatives. A real case study, focusing on a set of four GPR images as outputs of different data processing techniques, is presented to prove the usefulness of the proposed hybrid approach. In particular, the GPR images are ranked according the evaluation of five criteria namely visualization, interpretation, identification of features, extraction of information and affordability. The findings offer a structured support in selecting the most suitable data processing technique(s) to explore WSS underground. In the presented case, two options, namely the variance filter and the subtraction methods, offer the best results. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.Part of this work has been developed under the support of the Universitat Politecnica de Valencia, Valencia (Spain), grant: UPV mobility program for PhD students, awarded to the first author, and of Fundacion Carolina PhD, within its short stage scholarship program awarded to the second author.Carpitella, S.; Ocaña-Levario, SJ.; Benítez López, J.; Certa, A.; Izquierdo Sebastián, J. (2018). A hybrid multicriteria approach to GPR image mining applied to water supply system maintenance. Journal of Applied Geophysics. 159:754-764. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2018.10.021S75476415

A new WebGIS approach to support ground penetrating radar deployment

En raison de l’agglomération complexe des infrastructures souterraines dans les grandes zones urbaines et des préoccupations accrues des municipalités ou des gouvernements qui déploient des systèmes d’information foncière ou des industries qui souhaitent construire ou creuser, il devient de plus en plus impératif de localiser et de cartographier avec précision les pipelines, les câbles d’énergie hydroélectrique, les réseaux de communication ou les conduites d’eau potable et d’égout. Le géoradar (Ground Penetrating Radar ou GPR) est un outil en géophysique qui permet de produire des images en coupe du sous-sol desquelles de l’information utile sur les infrastructures souterraines peut être tirée. Des expériences antérieures et une analyse documentaire approfondie ont révélé que les logiciels disponibles pour réaliser des levés GPR qui sont utilisés directement sur le terrain et hors site ne reposent pas ou très peu sur des fonctionnalités géospatiales. En outre, l’intégration de données telles que la visualisation de données GPR dans des espaces géoréférencés avec des orthophotos, des cartes, des points d’intérêt, des plans CAO, etc., est impossible. Lorsque disponible, l’ajout d’annotations ou l’interrogation d’objets géospatiaux susceptibles d’améliorer ou d’accélérer les investigations ne proposent pas des interfaces conviviales. Dans ce projet de recherche, une nouvelle approche est proposée pour déployer le GPR et elle est basée sur quatre fonctionnalités issues du Web et des systèmes d’information géographique (WebGIS) jugées essentielles pour faciliter la réalisation de levés GPR sur le terrain. Pour démontrer la faisabilité de cette nouvelle approche, une extension de la plate-forme logicielle existante GVX (conçue et vendue par Geovoxel) appelée GVX-GPR a été développée. GVX-GPR propose aux utilisateurs d’instruments GPR quatre fonctionnalités soit 1) intégration de cartes, 2) géo-annotations et points d’intérêt, 3) géoréférencement et visualisation de radargrammes et 4) visualisation de sections GPR géoréférencées. Afin de tester l’approche WebGIS et GPXGPR, deux sites d’étude ont été relevés par deux professionnels différents, un expert et un non-expert en géophysique, ont été sélectionnés. Une première expérimentation réalisée sur le campus de l’Université Laval à Québec prévoyait l’identification de trois objets enterrés soit un câble électrique, une fibre optique et un tunnel dont leur position XYZ était connue. Le deuxième essai s’est passé à l’Universidade Federal do Rio de Janeiro (Rio de Janeiro, Brésil), avec un professionnel expert en géophysique. Ce 2e site cherchait à reproduire un environnent plus réaliste avec une quantité inconnue d’objets enterrés. Les quatre fonctionnalités proposées par GVX-GPR ont donc été testées et leur intérêt discuté par les deux utilisateurs GPR. Les deux utilisateurs GPR se sont dits très intéressés par l’outil GVX-GPR et ses nouvelles fonctionnalités et ils aimeraient pouvoir l’intégrer à leur travail quotidien car ils y voient des avantages. En particulier, l’approche et GVX-GPR les a aidés à découvrir de nouvelles cibles, à délimiter le territoire à couvrir, à interpréter les données GPR brutes en permettant l’interaction entre les données géospatiales (en ligne) et les profils de données GPR, et finalement pour la cartographie à produire tout en respectant la norme CityGML (donc utile au partage éventuel des données). De même, une fois le système maitrisé, GVX-GPR a permis d’optimiser la durée du levé. Ce projet de maitrise a donc permis d’élaborer une nouvelle approche pour effectuer des levés GPR et proposer un outil logiciel pour tester la faisabilité de celle-ci. Une première étape de validation de la faisabilité et de l’utilité a été réalisée grâce aux deux tests effectués. Évidemment, ces deux tests sont des premiers pas dans une phase plus large de validation qui pourrait s’effectuer, et ils ont ouvert la porte à des ajustements ou l’ajout d’autres fonctionnalités, comme la manipulation des outils de visualisation 3D et l’ajout de filtres et traitement de signal. Nous estimons néanmoins ces premiers tests concluant pour ce projet de maîtrise, et surtout ils démontrent que les instruments GPR gagneraient à davantage intégrer les données et fonctionnalités géospatiales. Nous pensons également que nos travaux vont permettre à des communautés de non spécialistes en géophysique de s’intéresser aux instruments de type GPR pour les levés d’objets enfouis. Notre approche pourra les aider à préparer les données géospatiales utiles à la planification, à effectuer le levé terrain et à produire les cartes associéesDue to the complex agglomeration of underground infrastructures in large urban areas and accordingly increased concerns by municipalities or government who deploy land information systems or industries who want to construct or excavate, it is imperative to accurately locate and suitability map existing underground utility networks (UUN) such as pipelines, hydroelectric power cables, communication networks, or drinking water and sewage conduits. One emerging category of instrument in geophysics for collecting and extracting data from the underground is the ground penetrating radar (GPR). Previous experiments and a thorough literature review revealed that GPR software used in and off the field do not take advantage of geospatial features and data integration such as visualization of GPR data in a georeferenced space with orthophotographies, map, point of interest, CAD plans, etc. Also missing is the capability to add annotation or querying geospatial objects that may improve or expedite the investigations. These functions are long-lived in the geospatial domain, such as in geographic information system (GIS). In this research project, a new approach is proposed to deploy GPR based on four core WebGIS-enabled features, used to support field investigations with GPR. This WebGIS is based on an existing platform called GVX, designed and sold by Geovoxel as a risk management tool for civil engineering projects. In this proposed approach, a generic guideline based on GVX-GPR was developed which users can follow when deploying GPR. This approach is based on four core features which are missing on most GPR software, (1) map integration, (2) geo-annotations and points of interest, (3) radargram georeferencing and visualization, and (4) georeferenced slice visualization. In order to test the designed WebGIS-based approach, two different professionals, an expert in geophysics and a person without any background in geophysics, used the proposed approach in their day-to-day professional practice. The first experiment was conducted at Université Laval (Québec – Canada) when the subject undertook an area to a survey in order to identify 3 possible targets premapped. The second, with a Geophysics-specialist, took place in Rio de Janeiro, at Universidade Federal do Rio de Janeiro’s campus. This study covered an area counting on an unknown number of buried objects, aiming at reproducing a realistic survey scenario. Four new feature were added and discussed with GPR practitioners. Both GPR user declared to be very interested by the proposed by the tool GVX-GPR and its features, being willing to apply this software on their daily basis due to the added advantages. Particularly, this approach has aided these professionals to find new buried objects, delimit the survey area, interpret raw GPR data by allowing geospatial data interaction and GPR profiles, and, finally, to produce new maps compliant with standards such as CityGML. Also, once mastered, the technology allowed the optimization of survey time. This project enabled the development of a new approach to leverage GPR surveys and proposed a new tool in order to test the approach’s feasibility. A first step into the validation of this proposal has been taken towards a feasibility and utility evaluation with two tests accomplished. Unmistakably, these are the first steps of a likely larger validation process, opening up new possibilities for the continuity of the project such as the addition of signal processing techniques and 3D data handling. We nevertheless consider these conclusive for this master’s project, above all demonstrating the value add by geospatial data integration and functions to GPR instruments. This work is also intended to the community of newcomers, or interested in GPR, to further explore this technology, since this approach shall facilitate the preparation, execution, and post-processing phases of a GPR survey

Improving Water Supply System Components Visualization into GPR Images

[EN] This work focuses on the use of easy-to-apply procedures that allow rapid visualization of components of water supply systems (WSSs) by non-highly qualified personnel. We use a methodology that does not alter the conditions and characteristics of the environment (nondestructive methods), specifically the study of images obtained with ground penetrating radar (GPR). The study is based on the analysis and interpretation of the wave amplitude, then applying a series of image corrections, so that the display and handling of data is improved. The results are promising as a subjective and repeatable methodology to visualize buried pipes efficiently. The goal is to generate know-how to be able to train intelligent systems for the characterization of components of WSSsPart of this work has been developed under the support of an FPI (Formación de Personal Investigador)-UPV (Universitat Politècnica de València) scholarship granted to the first author by the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID) of the Universitat Politècnica de València.Ayala Cabrera, D.; Ocana-Levario, SJ.; Izquierdo Sebastián, J.; Pérez García, R. (2014). Improving Water Supply System Components Visualization into GPR Images. Athens journal of technology & engineering. 1(4):253-261. http://hdl.handle.net/10251/63179S2532611

3D Representation of (Buried) Water Supply Elements using Pre-Processed GPR Images

[EN] In this paper, a ground penetrating radar (GPR) is used as a non-destructive method to assess the buried elements of water supply systems (WSSs). The aim is the detection of various pipe materials (such as plastic and metallic, among others), and the identification of other important aspects (e.g. water leakage). This work seeks to use the visualization advantages of the subsoil characteristics provided by pre-processed GPR images. These features, which are represented as anomalies into the images, are extracted and merged to generate 3D models. The 3D representations obtained facilitate elucidation by personnel non-highly skilful in the interpretation of data from non-destructive techniques. The work is performed on GPR images of WSS pipes taken from strategic locations of urban environments. The goal is to promote the use of these technologies in the WSSs intended to generate relevant information that allows the adequate and dynamic technical management of these systems. The results and analyses are presented in this paper.Part of this work has been developed under the support of an FPI-UPV scholarship granted to the first author by the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID) of the Universitat Politècnica de València. Additionally, we wish to thank the AQUARUM consortium for their help in field data capturing.Ayala Cabrera, D.; Ocaña Levario, SJ.; Izquierdo Sebastián, J.; Pérez García, R. (2015). 3D Representation of (Buried) Water Supply Elements using Pre-Processed GPR Images. Atiner's Conference Paper Series. WAT2015(1706):3-15. http://hdl.handle.net/10251/74270S315WAT2015170

Assessing the Viability of Complex Electrical Impedance Tomography (EIT) with a Spatially Distributed Sensor Array for Imaging of River Bed Morphology: a Proof of Concept (Study)

This report was produced as part of a NERC funded ‘Connect A’ project to establish a new collaborative partnership between the University of Worcester (UW) and Q-par Angus Ltd. The project aim was to assess the potential of using complex Electrical Impedance Tomography (EIT) to image river bed morphology. An assessment of the viability of sensors inserted vertically into the channel margins to provide real-time or near real-time monitoring of bed morphology is reported. Funding has enabled UW to carry out a literature review of the use of EIT and existing methods used for river bed surveys, and outline the requirements of potential end-users. Q-par Angus has led technical developments and assessed the viability of EIT for this purpose. EIT is one of a suite of tomographic imaging techniques and has already been used as an imaging tool for medical analysis, industrial processing and geophysical site survey work. The method uses electrodes placed on the margins or boundary of the entity being imaged, and a current is applied to some and measured on the remaining ones. Tomographic reconstruction uses algorithms to estimate the distribution of conductivity within the object and produce an image of this distribution from impedance measurements. The advantages of the use of EIT lie with the inherent simplicity, low cost and portability of the hardware, the high speed of data acquisition for real-time or near real-time monitoring, robust sensors, and the object being monitored is done so in a non-invasive manner. The need for sophisticated image reconstruction algorithms, and providing images with adequate spatial resolution are key challenges. A literature review of the use of EIT suggests that to date, despite its many other applications, to the best of our knowledge only one study has utilised EIT for river survey work (Sambuelli et al 2002). The Sambuelli (2002) study supported the notion that EIT may provide an innovative way of describing river bed morphology in a cost effective way. However this study used an invasive sensor array, and therefore the potential for using EIT in a non-invasive way in a river environment is still to be tested. A review of existing methods to monitor river bed morphology indicates that a plethora of techniques have been applied by a range of disciplines including fluvial geomorphology, ecology and engineering. However, none provide non-invasive, low costs assessments in real-time or near real-time. Therefore, EIT has the potential to meet the requirements of end users that no existing technique can accomplish. Work led by Q-par Angus Ltd. has assessed the technical requirements of the proposed approach, including probe design and deployment, sensor array parameters, data acquisition, image reconstruction and test procedure. Consequently, the success of this collaboration, literature review, identification of the proposed approach and potential applications of this technique have encouraged the authors to seek further funding to test, develop and market this approach through the development of a new environmental sensor

Integrated Use of Space, Geophysical and Hyperspectral Technologies Intended for Monitoring Water Leakages in Water Supply Networks

Remote sensing has been used for water management purposes over the years. This book describes the combination of satellite imagery, in-situ spectroradiometric data and radar techniques for the identification of water leakages in the water supply network in both rural and urban areas in Cyprus. This book presents a holistic approach combining new technologies for a complete system of water distribution network leakage detection management, by combining Global Navigation Satellite Systems (GNSS), Geographical Information Systems (GIS), Satellite Remote Sensing techniques as well Geophysical surveys such as ground penetrating radar (GPR), Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and spectro-radiometric measurements, which can be used to effectively identify and monitor water leakages

Using Ground Penetrating Radar and attribute analysis for identifying depositional units in a fluvial-aeolian interaction environment: The Guandacol Valley, northwest Argentina

This paper deals with the application of the Ground Penetrating Radar (GPR) method and the analysis of attributes of the GPR data to characterize and interpret a fluvial-aeolian interaction field located in the Guandacol Valley, northwest Argentina. Several profiles over dunes, interdunes, aeolian mesoforms, and fluvial channels have been acquired. Each data section is analyzed by using standard images of the amplitude of the electric field, as well as representations of different attributes of the reflections such as contrast, dip, curvature, parallelism, and RMS frequency. The analysis of attributes improves the interpretation of the subsurface, by quantifying and making evident properties of the reflection patterns that characterize the sedimentary units. The information obtained using the GPR profiles allows defining seven radar packages, which are useful for reconstructing the internal structure of the fluvial-aeolian succession. Packages 1, 2 and 3 illustrate the stratification of different types of low-sinuosity and high-sinuosity aeolian dunes, as well as aeolian mesoforms. Package 4 corresponds to horizontal or low-angle inclined reflectors obtained in both sandy interdunes and upper parts of several aeolian dunes. A muddy bed that covers most of the area (package 5) probably indicates a period of climate amelioration linked to a high level of the water table. The fluvial component of the fluvial-aeolian succession exhibits two different packages; package 6 represents the infill of partially incised fluvial channels with frequent incisions (concave-up bounding surfaces) and bars (convex-up surfaces). Package 7 is composed of the stacking of parallel to subparallel horizontal reflectors, without concave-up surfaces that indicate deep channels. Finally, we propose a conceptual model that relates the principal radar packages with the temporal evolution of the fluvial-aeolian interaction field of Guandacol Valley.Fil: Zabala Medina, Peter. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Limarino, Carlos Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Geociencias Básicas, Aplicadas y Ambientales de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Geociencias Básicas, Aplicadas y Ambientales de Buenos Aires; ArgentinaFil: Bonomo, Nestor Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Geociencias Básicas, Aplicadas y Ambientales de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Geociencias Básicas, Aplicadas y Ambientales de Buenos Aires; ArgentinaFil: Salvó Bernárdez, Salomé Candela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Geociencias Básicas, Aplicadas y Ambientales de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Geociencias Básicas, Aplicadas y Ambientales de Buenos Aires; ArgentinaFil: Osella, Ana Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin