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农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

本文作者:蒋鸿昌 2017-04-04 11:24 专题:硬创公开课
导语:本期硬创公开课,雷锋网邀请到极飞地理负责人游春成,为大家带来“农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集”的主题分享。

雷锋网新智造按:植保作业中,我们经常会遇到掉高升高或者飞不直的现象,不管那种现象都会造成重喷或漏喷现象,很难做到所谓的精准作业,目前飞控高度测量主要以气压计为主(气压计受环境影响很大),即使有些飞控采用气压计和雷达,超声波或激光的融合技术,也只能在一定程度上改善定高误差,由于卫星轨道误差,电离层,对流层对GPS定位影响很大,GPS定位精度也无法满足精准作业的要求,而引入RTK(Real - time kinematic,载波相位差分技术)可以使飞行误差控制在厘米级范围内,则大大提高了飞行质量。

高精度的地理信息,是精准农业的基础。本期雷锋网硬创公开课邀请到极飞地理负责人游春成,为我们详细讲解什么是RTK技术,为什么要在农业植保中使用 RTK 技术以及RTK 技术如何在农田勘测、无人机飞行中运用。以下为嘉宾分享内容实录。相对视频文中做了删减,完整内容可观看视频。关注雷锋网(公众号:雷锋网)(公众号:雷锋网)旗下微信公众号「新智造」,回复「PPT」可获取嘉宾完整PPT。

大家好,先做一下自我介绍,我叫游春成,湖南人,在地理行业从业17年,从2001年开始一直做地理信息,在国内两家上市公司待过,曾供职于国内测绘领域著名上市企业中海达,任技术总监多年。我之前也做过其他项目,2012年,给百度街景做了一个360度的项目,后面还做了智慧城市。

站在农田里,我一直想怎么把高科技应用到农田里,2016年,我加入极飞,组建了极飞地理团队。我们在地理信息上有一些积累,在极飞这里,我们在思考怎么让地理信息技术为农田勘测、无人机飞行和农村导航提供高精度的定位信息,让高精度地理信息在农村创造更多的价值。2016年我们带领团队为超过15万架次的植保无人机提供RTK精准导航服务;推出了XGeomatics™ C2000全自主智能测绘无人机。

什么是RTK?(叫兽版)

我准备了两种解释方法,第一种专业一点,我称为“叫兽版”。我们都知道GPS的接收原理,载波信号通过卫星传递,通过时间差到了接收端,这个过程至少会与4颗卫星通讯。也就是说,你的接收模块至少会接到4颗卫星的信号,然后计算距离、取平均值、确定位置,这样你就会大致知道你所在的坐标、高度,得出自己所在的位置。

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

但是,由于大气层的影响,如电离层、对流层等种种,非常复杂。所以在使用民用级GPS的时候,我们会发现误差比较大,比如你要上立交桥,它会问你要去桥上还是桥下;去农村,没有路的时候,你会发现导航的坐标和你的实际位置差别是比较大的。

RTK技术是什么?它运用一些相似性的原理来消除误差,也就是说,它的载波信号,通过一个已知坐标进行观测,把RTCM数字和相邻的进行解算,所以它有一个“地面基站”的概念。

什么是RTK?(吃瓜群众版)

下面是简单版,我们同样先来了解下GPS的工作原理,以及到底是什么引起了误差,即谁让GPS跑偏了?

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

1. 大气层影响

大气层中的电离层和对流层对电磁波的折射效应,使得GPS 信号的传播速度发生变化,从而让GPS 信号产生延迟。

2. 卫星星历误差

由于卫星运行中受到复杂的外力作用,而地面控制站和接收终端无法测定和掌握其规律,从而无法消除产生的误差。这里面,其实它的星历的固定轨迹也有一定的公差。

3. 卫星钟差

指GPS 卫星时钟与GPS标准时间的差别。卫星上使用铯原子钟,所以两者的时间也许不同步,就像你的手表跟你家客厅挂钟的时间不同步一样。

4. 多路径效应。

多路径效应可能大家听得比较多了,GPS信号也有可能是在不同障碍物间反射后才被接收到,由此产生误差。

这些因素叠加之后,它会变得很复杂,使得GPS在民用级别都是5-10米的误差,在农村,可能是几十米的误差,甚至更多。那怎么把误差消除呢?这就是RTK技术(RTK,Real-time Kinematic,载波相位差分)。

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

RTK不是新技术,它在传统测绘行业已经用了10几年,已经很成熟了。它的定位精度能到厘米级,甚至在传统的桥梁测绘领域,精度可以达到毫米级。它的原理主要是进行联合解算,由卫星和参考的地面站,再加上移动采集数据,进行共同修正差分,所以RTK就代表了实时差分技术。

那什么是“差分”? 差分就是把GPS 的误差想方设法分离出去。具体做法是,在已知位置的参考点上装上基准站——参考点通常使用国家的基准点,它是一个厘米级甚至毫米级的位置点——通过RTCM数据就能知道它的定位。也就是说,这个基准站会说明两件事:告诉我所在的精准位置在哪里;我接到数据时的精准时间。然后把这个数据发送给想要获取高精度定位信息的移动站,后者就可以通过它获取的这个信息,修正或消除:大气层钟的传播误差、卫星星历误差和卫星钟差,把精准度做到厘米级。

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

当然,这个基站不能离你的移动站太远,参考位置是80公里以内,但是由于每个地方不一样,所在区域的地形不一样,如山地、丘陵等(实际距离还要是视情况而定)。在新疆,70公里的距离,也能达到厘米级的精准度,而在湖北、河南,可能就要距离40到50公里。

极飞怎么用RTK技术?

极飞在哪里使用了RTK技术?一个是在传统的移动基站、手持测绘器和固定基站上,一个是在P20无人机上。我们的固定基站会架到一个已知点上,在田间作业时,移动基站就可以固定基站连接,获取到一个绝对坐标,这个坐标会给到P20无人机或手持测绘器使用。

2014—2016年间,我们都在用这种传统的方式来测绘农田。先拿着测绘的杆子,根据田边的不同的形状进行打点,获取一个厘米级的田边块,飞机根据这个边块和站务生成航线,所以P20才能做到自动飞行,大大降低了人为的误差和劳动强度,甚至晚上也可以作业,大大提高了植保效率。

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

随着RTK技术的增强及在北斗卫星导航系统上的应用,RTK的应用一定是农业的未来,它代表的是对农业的精细化管理。只有RTK技术才能保证自动化机械按照精准的航线,精确施药、耕地、收割等,所以我们非常期待在北斗的应用更加深化。北斗正在加速发展,到2020年将基本覆盖全球,现在,它在东南亚已经很好用了。

原来我们用GPS手飞无人机的时候,经常把农田打成了足球场,为什么说是足球场?你看下面的图片,有一块是绿色的,有一块已经被打成黄黄的了,这就说明有的地方打到了,有些地方没打到,还有的地方打多了,这就是喷药遇到的最大问题:喷洒不均匀、重喷、漏喷,使得效果很不好,所以现在很多地方手飞无人机遭到了农户的抵触,他们会认为无人机不如传统的背着喷雾器去洒药。

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

怎样样让效果好?首先要保证飞行精准,在这个前提下喷得均匀,效果就非常棒了。

第二个应用,精准不仅是让机械自动化更精准,同时可以对农田的信息化进行一个精细管理。过去,大家都知道自己的地大约是多少,10亩、50亩。但是,五十几亩,甚至精确到小数点后两个数字是不知道的。因为目前农户关注的主要是产量,所以在用药时,一般会多打一点,保证害虫被杀死。

如果我们精准地知道地有多大,它的配药、施肥、用药才能得到控制,这样才能让土地和农作物健康地成长。

另外,过去拖拉机在农田作业的时候,还有一个非常麻烦的问题,作业完成不知道该收多少钱,农户说20亩,那就是20亩,存在很大的计量问题。

过去,我们使用RTK技术,是围着田块一步一步走出来的,对于一般人来说,一天能够走300-500亩已经很不错了,我们的小伙子最高的时候能走到2000多亩。在洪湖,水有时会没到胸口;在水田,走完会浑身泥土。他们在用这样的方式实现精准的时候,我们就在想,我们是一家科技公司,能不能有更高效的方式来做测绘工作。

所以在3月20日,我们推出了一个测绘无人机极飞地理 XGeomatics C2000 ,它可以全自动地测绘,帮助大家解决地有多大、多精准的问题。为什么叫C2000?因为C代表测绘,2000就是飞一次可以测绘2000亩,就是这么简单直接。

解决“找不到路”

RTK技术还可用于农田导航。我们在城市都是用高德导航、百度导航,但是,在农村怎样导航?这需要两种数据:一是路网数据,二是农田的基准坐标数据,这就需要RTK的技术支持。

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

利用RTK的技术,可以把路网数据搞得很清楚。在农田导航中,比如你要去某个田块,使用RTK技术可以精准地把你带过去。当然,导航还离不开移动端的支持,在镇上,你可以使用高德导航,当你去到田边的时候,就可以使用我们的导航技术。

数据服务,改变农业本质

农村的改变,需要基本的数据化,数据服务才是改变农业的本质。有了RTK的技术,基于RTK的无人机测绘,无人机植保加上云计算,能够构成高精准的农田基本数据,这样,不仅可以做到农田归属,精细化管理才是它更重要的应用。

农业植保的精准导航——基于RTK技术的地理信息采集 | 硬创公开课

以精准的地理信息为核心,大家能对农田的所属,以及用药、施肥或者是播种、收割的时候才会比较精准。为什么要把RTK技术放到传统的机械里来?第一个,就是为了让农业机械走直,使每一粒种子播种得都非常均匀,每一次洒药的时候利用率也能最大,收割的时候不会浪费。如果播种的时候弯弯曲曲,就会影响植保、收割。去年我们在新疆就遇到这样的事情,新疆的棉花是机械化收割,但是每次收完后还会有10%的棉花在地里,仍然需要人工去捡起来。这首先是因为前面机械播种的时候,种的不好,其次是对机械的控制不精准。

第二个,对高精准数据的应用,可以提高对农田的科学管理。未来,数据加上遥感,我们就能知道虫害是不是快到了,这样就能把现在事后做的事情提前到事情来做。比如在虫卵期,我们就可以提前杀掉害虫,更加节省用药。

农业的发展是以机器代替人工,以更智能的机器代替传统的机器,而更智能的机器需要精准数据做支撑,比如,未来你向作业队说出你的精准位置,收割机、施药作业队就可以上门服务,你只要支付费用就可以了。

所以,RTK技术不只是应用在飞机上,传统的耕、种、管、收都可以应用。例如,土地的利用率怎么达到最大化?到底是种两年,还是三年?现在基本是3年一轮种,有时候这片土地已经更适合小麦了,但农户是不知道的,他可能今年还在种玉米。原来我们都是靠天吃饭,今年种什么,怎么种,用什么肥料,都是根据经验,如果我们能利用数字化,告诉他这块土地适合种什么,到底是缺氮,还是缺钾,用药的时候就会非常精准。现在没有这种技术是怎么办的?农户看到玉米黄黄的,就多补一点肥,补多少?不知道。

我们说要控制食品,其实就要在种植阶段控制,让它的生长符合规律,能够用最小的施药来控制虫害。当然,纯绿色更好,不过这还需要我们用生态的方法来改变。

RTK技术是一个很成熟的技术,可以帮助到农业精细化管理、精细化播种、精细化施肥,这样的话,农业的收益才能最大化。我们还发现,对产量的预测、农资的历史消费数据还比较缺失,也就是说,农户是很缺少金融的支持的,收割前的耕地、播种、施肥,所有的钱都要自己付。农民想承包1000亩的土地,每亩可能要投入500-800元,一共就需要80万元,这对农户的压力是非常大的。能不能倒过来,耕种的时候有金融支持,收割的时候再以果实来偿还?这样,他就能尽快把规模扩大。

所以我们觉得未来的农业一定是精准化、数据化为核心,这样,整个农业的智能化、智慧化就很快到来了。

现在,农村基本上都以小孩、老人,以及照顾小孩的妇女为主,农田里年轻人越来越少,所以农村里需要科学技术,来让年轻人觉得从事农业生产能挣钱,还能过得很体面。比如用无人机可以在农村挣8万块钱,在城市也是挣8万,他就愿意回到农村来,因为能够照顾自己的父母、小孩,生活质量还不降低。

所以我们希望更多的人参与进来,了解、利用RTK技术,有更多的机械把农户从繁重的劳动中释放出来,为我们的食品安全、农作物做一些贡献。

新智造Q1:如何解决多路径效应?

游:这是一个比较复杂的问题,简单来说,就是让地面基站分布更密集,有更多共同的路径的卫星信号源,这样可以减少或者消除误差。一般来说,在农业,大部分障碍来源于防风林,还有一些杆塔、信号塔、供电房等等。这种情况,采用就近架设移动基站的方式来解决,采用双路径来保障信号的到达,其中双路径是电台和无线网络。

新智造Q2:RTK摆站后再调高调低基站会怎样影响数据? 

游:看来这位朋友已经在应用RTK了。调高调低有影响的,主要影响是高程数据,如果高度跟实际差别大,可能导致无法固定解。我建议两种方式:第一种:调整之后再获取一次静态,第二种:采用增高杆,增高杆是固定的,直接在原来的值上增加这个杆的值。

新智造Q3:RTK技术对基站的依赖大吗?如果当地基站数量少,RTK技术能多大程度上提高飞行精度?如何解决这个问题呢?  

游:RTK技术对基站的依赖大吗? 可以说很依赖。目前无线网络情况稳定性还是有一定局限性,在农村,很多地方没有网络信号,甚至打电话都很困难,这个时候没有移动基站,无人机难以获取差分数据。如果当地基站数量少,RTK技术能采用相对精度来解决,比如说,打一个水泥桩,用RTK采集数据,下次在此区域作业的时候,把移动基站放在此水泥桩上,输入上次一样的坐标,一样飞的厘米级精度。如果只用RTK摆静态,则误差在1米左右,单点静态主要看采用的RTK主板参数。基站少,可以多使用移动基站,一般来说,一个固定站可以覆盖30~80公里的位置。也就是说:采用RTK技术,一定是需要依赖基站的,目前主要是三种方式:国家CORS、或千寻账号、或基站。

新智造Q4:有没很好的方式解决桥梁下面或港口弱GPS环境下如何定位和避障的方式?

游:这位朋友问的就很专业了。在弱GPS和桥梁下,换句话来说就是非常容易丢星,RTK难以达到固定解,一般目前的做法都是综合应用RTK+惯导,或者综合应用RTK+惯导+视觉,综合根据环境,来设置占比,要经过大量的实际数据,才能获取比较好的效果,比如视觉的双目避障。

新智造Q5:使用RTK技术的植保无人机,成本要高出多少?目前它是一种必要的技术吗?哪些农田作业要用到这么高精度的定位?

游:目前随着RTK的技术成熟,成本已经大幅度下降,随着在各个行业的规模应用,还会有继续下降的空间。就单从设备的费用来说,是增加了RTK设备的成本,但实际上一套RTK设备可以共用,比如用在10套作业设备上,目前RTK设备目前的成本从5千到几万不等,主要看主板,是国产的还是国外的,是多星还是单星的。目前它是一种必要的技术,在无人机植保领域中,从今年我们看到很多植保公司都说标配或选配RTK技术了,那么不仅仅是无人机植保,还有耕地、种、收割,随着土地流转,小田变成大田,大田采用规模化机器帮助农业,国家倡导的精准农业,这是一个趋势。

新智造Q6:RTK对农村土地确权测量可以吗?

游:当然可以,而且很多地方都在应用RTK做土地确权。有个合作伙伴有一百多套RTK设备,主要就用在土地确权,目前就开始希望用上我们的C2000来做土地确权。


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