農業植保的精準導航——基於RTK技術的地理信息採集 | 雷鋒網公開課

雷鋒網新智造按：植保作業中，我們經常會遇到掉高升高或者飛不直的現象，不管那種現象都會造成重噴或漏噴現象，很難做到所謂的精準作業，目前飛控高度測量主要以氣壓計為主（氣壓計受環境影響很大），即使有些飛控採用氣壓計和雷達，超聲波或雷射的融合技術，也只能在一定程度上改善定高誤差，由於衛星軌道誤差，電離層，對流層對GPS定位影響很大，GPS定位精度也無法滿足精準作業的要求，而引入RTK（Real - time kinematic，載波相位差分技術）可以使飛行誤差控制在釐米級範圍內，則大大提高了飛行質量。

高精度的地理信息，是精準農業的基礎。本期雷鋒網硬創公開課邀請到極飛地理負責人遊春成，為我們詳細講解什麼是RTK技術，為什麼要在農業植保中使用 RTK 技術以及RTK 技術如何在農田勘測、無人機飛行中運用。以下為嘉賓分享內容實錄。相對視頻文中做了刪減，完整內容可觀看視頻。關注雷鋒網(公眾號：雷鋒網(公眾號：雷鋒網))旗下微信公眾號「新智造」，回復「PPT」可獲取嘉賓完整PPT。

大家好，先做一下自我介紹，我叫遊春成，湖南人，在地理行業從業17年，從2001年開始一直做地理信息，在國內兩家上市公司待過，曾供職於國內測繪領域著名上市企業中海達，任技術總監多年。我之前也做過其他項目，2012年，給百度街景做了一個360度的項目，後面還做了智慧城市。

站在農田裡，我一直想怎麼把高科技應用到農田裡，2016年，我加入極飛，組建了極飛地理團隊。我們在地理信息上有一些積累，在極飛這裡，我們在思考怎麼讓地理信息技術為農田勘測、無人機飛行和農村導航提供高精度的定位信息，讓高精度地理信息在農村創造更多的價值。2016年我們帶領團隊為超過15萬架次的植保無人機提供RTK精準導航服務；推出了XGeomatics™ C2000全自主智能測繪無人機。

什麼是RTK？（叫獸版）

我準備了兩種解釋方法，第一種專業一點，我稱為「叫獸版」。我們都知道GPS的接收原理，載波信號通過衛星傳遞，通過時間差到了接收端，這個過程至少會與4顆衛星通訊。也就是說，你的接收模塊至少會接到4顆衛星的信號，然後計算距離、取平均值、確定位置，這樣你就會大致知道你所在的坐標、高度，得出自己所在的位置。

但是，由於大氣層的影響，如電離層、對流層等種種，非常複雜。所以在使用民用級GPS的時候，我們會發現誤差比較大，比如你要上立交橋，它會問你要去橋上還是橋下；去農村，沒有路的時候，你會發現導航的坐標和你的實際位置差別是比較大的。

RTK技術是什麼？它運用一些相似性的原理來消除誤差，也就是說，它的載波信號，通過一個已知坐標進行觀測，把RTCM數字和相鄰的進行解算，所以它有一個「地面基站」的概念。

什麼是RTK？（吃瓜群眾版）

下面是簡單版，我們同樣先來了解下GPS的工作原理，以及到底是什麼引起了誤差，即誰讓GPS跑偏了？

1. 大氣層影響

大氣層中的電離層和對流層對電磁波的折射效應，使得GPS 信號的傳播速度發生變化，從而讓GPS 信號產生延遲。

2. 衛星星曆誤差

由於衛星運行中受到複雜的外力作用，而地面控制站和接收終端無法測定和掌握其規律，從而無法消除產生的誤差。這裡面，其實它的星曆的固定軌跡也有一定的公差。

3. 衛星鐘差

指GPS 衛星時鐘與GPS標準時間的差別。衛星上使用銫原子鐘，所以兩者的時間也許不同步，就像你的手錶跟你家客廳掛鐘的時間不同步一樣。

4. 多路徑效應。

多路徑效應可能大家聽得比較多了，GPS信號也有可能是在不同障礙物間反射後才被接收到，由此產生誤差。

這些因素疊加之後，它會變得很複雜，使得GPS在民用級別都是5-10米的誤差，在農村，可能是幾十米的誤差，甚至更多。那怎麼把誤差消除呢？這就是RTK技術（RTK，Real-time Kinematic，載波相位差分）。

RTK不是新技術，它在傳統測繪行業已經用了10幾年，已經很成熟了。它的定位精度能到釐米級，甚至在傳統的橋梁測繪領域，精度可以達到毫米級。它的原理主要是進行聯合解算，由衛星和參考的地面站，再加上移動採集數據，進行共同修正差分，所以RTK就代表了實時差分技術。

那什麼是「差分」？ 差分就是把GPS 的誤差想方設法分離出去。具體做法是，在已知位置的參考點上裝上基準站——參考點通常使用國家的基準點，它是一個釐米級甚至毫米級的位置點——通過RTCM數據就能知道它的定位。也就是說，這個基準站會說明兩件事：告訴我所在的精準位置在哪裡；我接到數據時的精準時間。然後把這個數據發送給想要獲取高精度定位信息的移動站，後者就可以通過它獲取的這個信息，修正或消除：大氣層鐘的傳播誤差、衛星星曆誤差和衛星鐘差，把精準度做到釐米級。

當然，這個基站不能離你的移動站太遠，參考位置是80公裡以內，但是由於每個地方不一樣，所在區域的地形不一樣，如山地、丘陵等（實際距離還要是視情況而定）。在新疆，70公裡的距離，也能達到釐米級的精準度，而在湖北、河南，可能就要距離40到50公裡。

極飛怎麼用RTK技術？

極飛在哪裡使用了RTK技術？一個是在傳統的移動基站、手持測繪器和固定基站上，一個是在P20無人機上。我們的固定基站會架到一個已知點上，在田間作業時，移動基站就可以固定基站連接，獲取到一個絕對坐標，這個坐標會給到P20無人機或手持測繪器使用。

2014—2016年間，我們都在用這種傳統的方式來測繪農田。先拿著測繪的杆子，根據田邊的不同的形狀進行打點，獲取一個釐米級的田邊塊，飛機根據這個邊塊和站務生成航線，所以P20才能做到自動飛行，大大降低了人為的誤差和勞動強度，甚至晚上也可以作業，大大提高了植保效率。

隨著RTK技術的增強及在北鬥衛星導航系統上的應用，RTK的應用一定是農業的未來，它代表的是對農業的精細化管理。只有RTK技術才能保證自動化機械按照精準的航線，精確施藥、耕地、收割等，所以我們非常期待在北鬥的應用更加深化。北鬥正在加速發展，到2020年將基本覆蓋全球，現在，它在東南亞已經很好用了。

原來我們用GPS手飛無人機的時候，經常把農田打成了足球場，為什麼說是足球場？你看下面的圖片，有一塊是綠色的，有一塊已經被打成黃黃的了，這就說明有的地方打到了，有些地方沒打到，還有的地方打多了，這就是噴藥遇到的最大問題：噴灑不均勻、重噴、漏噴，使得效果很不好，所以現在很多地方手飛無人機遭到了農戶的牴觸，他們會認為無人機不如傳統的背著噴霧器去灑藥。

怎樣樣讓效果好？首先要保證飛行精準，在這個前提下噴得均勻，效果就非常棒了。

第二個應用，精準不僅是讓機械自動化更精準，同時可以對農田的信息化進行一個精細管理。過去，大家都知道自己的地大約是多少，10畝、50畝。但是，五十幾畝，甚至精確到小數點後兩個數字是不知道的。因為目前農戶關注的主要是產量，所以在用藥時，一般會多打一點，保證害蟲被殺死。

如果我們精準地知道地有多大，它的配藥、施肥、用藥才能得到控制，這樣才能讓土地和農作物健康地成長。

另外，過去拖拉機在農田作業的時候，還有一個非常麻煩的問題，作業完成不知道該收多少錢，農戶說20畝，那就是20畝，存在很大的計量問題。

過去，我們使用RTK技術，是圍著田塊一步一步走出來的，對於一般人來說，一天能夠走300-500畝已經很不錯了，我們的小夥子最高的時候能走到2000多畝。在洪湖，水有時會沒到胸口；在水田，走完會渾身泥土。他們在用這樣的方式實現精準的時候，我們就在想，我們是一家科技公司，能不能有更高效的方式來做測繪工作。

所以在3月20日，我們推出了一個測繪無人機極飛地理 XGeomatics C2000 ，它可以全自動地測繪，幫助大家解決地有多大、多精準的問題。為什麼叫C2000？因為C代表測繪，2000就是飛一次可以測繪2000畝，就是這麼簡單直接。

解決「找不到路」

RTK技術還可用於農田導航。我們在城市都是用高德導航、百度導航，但是，在農村怎樣導航？這需要兩種數據：一是路網數據，二是農田的基準坐標數據，這就需要RTK的技術支持。

利用RTK的技術，可以把路網數據搞得很清楚。在農田導航中，比如你要去某個田塊，使用RTK技術可以精準地把你帶過去。當然，導航還離不開移動端的支持，在鎮上，你可以使用高德導航，當你去到田邊的時候，就可以使用我們的導航技術。

數據服務，改變農業本質

農村的改變，需要基本的數據化，數據服務才是改變農業的本質。有了RTK的技術，基於RTK的無人機測繪，無人機植保加上雲計算，能夠構成高精準的農田基本數據，這樣，不僅可以做到農田歸屬，精細化管理才是它更重要的應用。

以精準的地理信息為核心，大家能對農田的所屬，以及用藥、施肥或者是播種、收割的時候才會比較精準。為什麼要把RTK技術放到傳統的機械裡來？第一個，就是為了讓農業機械走直，使每一粒種子播種得都非常均勻，每一次灑藥的時候利用率也能最大，收割的時候不會浪費。如果播種的時候彎彎曲曲，就會影響植保、收割。去年我們在新疆就遇到這樣的事情，新疆的棉花是機械化收割，但是每次收完後還會有10%的棉花在地裡，仍然需要人工去撿起來。這首先是因為前面機械播種的時候，種的不好，其次是對機械的控制不精準。

第二個，對高精準數據的應用，可以提高對農田的科學管理。未來，數據加上遙感，我們就能知道蟲害是不是快到了，這樣就能把現在事後做的事情提前到事情來做。比如在蟲卵期，我們就可以提前殺掉害蟲，更加節省用藥。

農業的發展是以機器代替人工，以更智能的機器代替傳統的機器，而更智能的機器需要精準數據做支撐，比如，未來你向作業隊說出你的精準位置，收割機、施藥作業隊就可以上門服務，你只要支付費用就可以了。

所以，RTK技術不只是應用在飛機上，傳統的耕、種、管、收都可以應用。例如，土地的利用率怎麼達到最大化？到底是種兩年，還是三年？現在基本是3年一輪種，有時候這片土地已經更適合小麥了，但農戶是不知道的，他可能今年還在種玉米。原來我們都是靠天吃飯，今年種什麼，怎麼種，用什麼肥料，都是根據經驗，如果我們能利用數位化，告訴他這塊土地適合種什麼，到底是缺氮，還是缺鉀，用藥的時候就會非常精準。現在沒有這種技術是怎麼辦的？農戶看到玉米黃黃的，就多補一點肥，補多少？不知道。

我們說要控制食品，其實就要在種植階段控制，讓它的生長符合規律，能夠用最小的施藥來控制蟲害。當然，純綠色更好，不過這還需要我們用生態的方法來改變。

RTK技術是一個很成熟的技術，可以幫助到農業精細化管理、精細化播種、精細化施肥，這樣的話，農業的收益才能最大化。我們還發現，對產量的預測、農資的歷史消費數據還比較缺失，也就是說，農戶是很缺少金融的支持的，收割前的耕地、播種、施肥，所有的錢都要自己付。農民想承包1000畝的土地，每畝可能要投入500-800元，一共就需要80萬元，這對農戶的壓力是非常大的。能不能倒過來，耕種的時候有金融支持，收割的時候再以果實來償還？這樣，他就能儘快把規模擴大。

所以我們覺得未來的農業一定是精準化、數據化為核心，這樣，整個農業的智能化、智慧化就很快到來了。

現在，農村基本上都以小孩、老人，以及照顧小孩的婦女為主，農田裡年輕人越來越少，所以農村裡需要科學技術，來讓年輕人覺得從事農業生產能掙錢，還能過得很體面。比如用無人機可以在農村掙8萬塊錢，在城市也是掙8萬，他就願意回到農村來，因為能夠照顧自己的父母、小孩，生活質量還不降低。

所以我們希望更多的人參與進來，了解、利用RTK技術，有更多的機械把農戶從繁重的勞動中釋放出來，為我們的食品安全、農作物做一些貢獻。

新智造Q1：如何解決多路徑效應？

遊：這是一個比較複雜的問題，簡單來說，就是讓地面基站分布更密集，有更多共同的路徑的衛星信號源，這樣可以減少或者消除誤差。一般來說，在農業，大部分障礙來源於防風林，還有一些杆塔、信號塔、供電房等等。這種情況，採用就近架設移動基站的方式來解決，採用雙路徑來保障信號的到達，其中雙路徑是電臺和無線網絡。

新智造Q2：RTK擺站後再調高調低基站會怎樣影響數據？ 

遊：看來這位朋友已經在應用RTK了。調高調低有影響的，主要影響是高程數據，如果高度跟實際差別大，可能導致無法固定解。我建議兩種方式：第一種：調整之後再獲取一次靜態，第二種：採用增高杆，增高杆是固定的，直接在原來的值上增加這個杆的值。

新智造Q3：RTK技術對基站的依賴大嗎？如果當地基站數量少，RTK技術能多大程度上提高飛行精度？如何解決這個問題呢？  

遊：RTK技術對基站的依賴大嗎？ 可以說很依賴。目前無線網絡情況穩定性還是有一定局限性，在農村，很多地方沒有網絡信號，甚至打電話都很困難，這個時候沒有移動基站，無人機難以獲取差分數據。如果當地基站數量少，RTK技術能採用相對精度來解決，比如說，打一個水泥樁，用RTK採集數據，下次在此區域作業的時候，把移動基站放在此水泥樁上，輸入上次一樣的坐標，一樣飛的釐米級精度。如果只用RTK擺靜態，則誤差在1米左右，單點靜態主要看採用的RTK主板參數。基站少，可以多使用移動基站，一般來說，一個固定站可以覆蓋30～80公裡的位置。也就是說：採用RTK技術，一定是需要依賴基站的，目前主要是三種方式：國家CORS、或千尋帳號、或基站。

新智造Q4：有沒很好的方式解決橋梁下面或港口弱GPS環境下如何定位和避障的方式？

遊：這位朋友問的就很專業了。在弱GPS和橋梁下，換句話來說就是非常容易丟星，RTK難以達到固定解，一般目前的做法都是綜合應用RTK＋慣導，或者綜合應用RTK＋慣導＋視覺，綜合根據環境，來設置佔比，要經過大量的實際數據，才能獲取比較好的效果，比如視覺的雙目避障。

新智造Q5：使用RTK技術的植保無人機，成本要高出多少？目前它是一種必要的技術嗎？哪些農田作業要用到這麼高精度的定位？

遊：目前隨著RTK的技術成熟，成本已經大幅度下降，隨著在各個行業的規模應用，還會有繼續下降的空間。就單從設備的費用來說，是增加了RTK設備的成本，但實際上一套RTK設備可以共用，比如用在10套作業設備上，目前RTK設備目前的成本從5千到幾萬不等，主要看主板，是國產的還是國外的，是多星還是單星的。目前它是一種必要的技術，在無人機植保領域中，從今年我們看到很多植保公司都說標配或選配RTK技術了，那麼不僅僅是無人機植保，還有耕地、種、收割，隨著土地流轉，小田變成大田，大田採用規模化機器幫助農業，國家倡導的精準農業，這是一個趨勢。

新智造Q6：RTK對農村土地確權測量可以嗎？

遊：當然可以，而且很多地方都在應用RTK做土地確權。有個合作夥伴有一百多套RTK設備，主要就用在土地確權，目前就開始希望用上我們的C2000來做土地確權。

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