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

雷锋网按：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。

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？

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。