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

Reconocimiento de patrones para la identificación de tuberías enterradas en sistemas de abastecimiento de agua a partir de imágenes de GPR

[EN] This document is proposed with the objective to create a first approach through the development of a methodological tool that allows an automatic localization of pipelines in the water supply systems (WSS), by using GPR (Ground Penetrating Radar) as a non destructive inspection technique. To do so, a methodology that permits identification and patterns extraction through image analysis previously obtained by the GPR. To develop this job, laboratory essays were done under controlled conditions on a dry-soil filled tank, where 4 different materials pipelines were previously buried; afterwards, GPR prospections were taken over the tank. Radargrams or GPR images were obtained by doing so, beeing the starting point to develop this investigation. Next, images were subjected through different procedures to identify patterns. After applying the past procedures results were obtained first of all upgrading visualization of pipelines in the images, additionally some materials patters proper to each of the buried pipelines were identified, analyzed, and subsequently compared between them, evaluating their differences. Finally, the results obtained allowed the reconstruction of the pipelines using 3D modeling. To end up, we must indicate that the procedure presented is simple and easy to obtain, giving the possibility to serve as a first approach to develop an automatic system that allows to localize and characterize WSS pipelines, and most important, that this does not be restricted to the subjective criteria of an specific person.[ES] Este trabajo se propone con el objetivo de realizar un primer avance hacia el desarrollo de una herramienta metodológica que permita la localización automática de tuberías en los sistemas de abastecimiento de agua (SAA), haciendo uso del GPR (Ground Penetrating Radar) como técnica de inspección no destructiva. Para ello se propone una metodología que permita la identificación y extracción de patrones a través del análisis de imágenes obtenidas con GPR. Para el desarrollo del trabajo fueron realizados ensayos en laboratorio bajo condiciones controladas sobre un tanque lleno de suelo seco, donde se enterraron 4 tuberías de materiales diferentes; posteriormente, sobre él fueron tomadas las prospecciones con GPR. Con ello se obtuvieron las imágenes o radargramas, que fueron el punto de partida para el desarrollo del trabajo. A continuación, las imágenes fueron sometidas a los procedimientos planteados para lograr la identificación de patrones. Tras la aplicación del procedimiento planteado se obtuvieron resultados prometedores, primeramente logrando mejorar la visualización de tuberías en las imágenes; adicionalmente, fue posible la identificación de algunos patrones propios para cada material de tubería enterrada, los cuales, posteriormente, fueron analizados y comparados entre ellos, evaluando las diferencias encontradas. Finalmente, los resultados obtenidos nos permiten la reconstrucción de las tuberías en modelos 3D. Para acabar, debemos indicar que el procedimiento planteado es sencillo y de fácil aplicación, proporcionando la posibilidad de servir como primer planteamiento hacia el desarrollo de un sistema automático que permita ser capaces de localizar y caracterizar las tuberías de los SAA y, principalmente, que ello no dependa del criterio (subjetivo) de una persona específica.Ocaña Levario, SJ. (2014). Reconocimiento de patrones para la identificación de tuberías enterradas en sistemas de abastecimiento de agua a partir de imágenes de GPR. http://hdl.handle.net/10251/53782Archivo delegad

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

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

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

Probabilistic maps for buried pipes location based on GPR images

In this work, statistical methodologies are used to generate automatic probabilistic maps of pipe layouts in water supply systems (WSS) based on street surveys using ground penetrating radar (GPR). Probabilistic maps are based on the analysis of GPR images along with a multi-agent generation of pseudo-random walks, and a process to discard areas with less probability of pipe existence. This is an iterative procedure that we have integrated into a system that produces GPR sampling walks, and eventually set up a reliable location map of buried pipes. As a result the survey time is optimized and the amount of data needed to conduct records of the components of WSS is minimized.Ayala Cabrera, D.; Izquierdo Sebastián, J.; Pérez García, R.; Ocaña Levario, SJ. (2014). Probabilistic maps for buried pipes location based on GPR images. International Journal of Complex Systems in Science. 4(1):27-34. http://hdl.handle.net/10251/57599S27344