by James Huang 

27 2 月, 2022

無人機測繪該選擇RTK或PPK?

無人機用途廣泛,具有低成本高效益的特點,被廣泛運用於各個方面,而無人機測繪就是其中一項主軸應用。 無人機測繪或測量任務的重要關鍵在於準確性精確度,當我們操作無人機來執行時,可以使用GPS校正技術啟用精確定位位置資訊,目前有兩種新興和發展中的方法可以達到精確定位的目的,那就是我們常聽到的RTK(實時動態差分定位技術)及PPK(事後差分定位技術),而RTK和PPK的基礎是建立在部署地面控制點(GCP)的傳統方法之上。

HI,大家好,我是James,這次我將跟大家分享在無人機測繪中做常聽到的RTK和PPK,到底該如何做選擇,在本篇文章中,你會學習到:

  • 全球定位系統的發展
  • 什麼是GCP?
  • 什麼是RTK?
  • 什麼是PPK?
  • 無人機測繪的未來

那麼我們開始吧!


無人機測繪知識 : 全球定位系統 GPS


身在空中,但在地面引導我們


全球定位系統(GPS)是一個衛星網路,用於跟蹤位置並輔助導航。對於我們許多人來說,GPS可能仍然像魔術一樣,但這項技術實際上已經存在了一段時間。想想你的智能手機,它使用GPS技術隨時跟蹤你的位置,包括你目前所處的位置。

儘管如此,智能手機仍然是相對較新的。GPS系統最初由美國軍方於1970年代開發,在幾十年內向公眾開放,現在已成為我們日常生活的一部分。

我們知道任何只要擁有標準GPS接收器的人都可以確定他們在地球上的位置,就像智慧手機只要開啟隱私權設定,就會啟動GPS定位。然而,這樣的精確度並不是100%,當需要更精確的位置時,必須糾正GPS數據。當無人機工作者對地圖進行建模或勘測且對於精度需求至關重要的地點時,如何得到更接確的位置就很重要!

我們在做無人機測繪時會需要一些方法來即時校正GPS數據或在收集GPS數據後進行應用校正,而這就把我們帶到了GCP、PPK和RTK技術。「使用哪一個」以及該如何使用」,都對無人機測繪或測量項目有重大的影響。



無人機測繪知識 : 「精確的位置」是無人機測繪基本條件

沒有能力返回準確位置資訊的標準無人機本質上只是一個帶有攝像頭的飛行器 - 非常適合在美麗的地方拍攝視頻,但對於測量目的沒有發揮多大用處。


保持時間限制和預算對於某些無人機操作至關重要,尤其在無人機測繪和測量上更是如此。隨著專案規模的擴大,這些基本要求變得更加重要!


傳統上,取得準確位置數據的責任在於地面測量員。自古以來,隨著探險家開始穿越地球尋找新的土地和珍貴的奇跡,測量技術不斷發展。但基本事實仍然是:要確定位置和距離,需要記錄物體的位置,並計算每個點之間的距離和角度。



無人機測繪知識 : 地面控制點GCP介紹

什麼是地面控制點GCP?

地面控制點(GCP:ground control point)就是以「取得精確位置」為原則所構建的,GCP其實只是位於地面上具有準確已知座標的位置或物體(大都以黑白方格呈現)。GCP 用於提供精確的地理參考,使用GCP能夠使無人機在測會建模時得到非常準確的數據,瞭解無人機的確切位置以及它在兩個地方之間行駛了多遠,而GCP就是在飛行無人機時實現定位精度的原始方法。通過在收集任何數據之前選擇和標出已知坐標,測量員可以提高準確性並為其整個項目提供參考框架,但採用這種方法可能會很費力,因為它需要佈局並精確定位許多控制點,在某些情況下,布局GCP所花費的時間比進行無人機測繪本身的時間還要多。

地面控制點GCP的缺點?

地面控制點GCP最讓人覺得麻煩點就是要花大量的時間設置且要依照測量面積大小做佈點規劃,GCP 應盡可能均勻分佈,同時仍能顯示邊界和地形範圍,設置原則如下:


GCP佈署數量: 均勻分布

建立精確的無人機測繪地圖所需的部屬數量取決於測繪區域的大小和地形範圍,通常設置至少4-5個地面控制點GCP。一個大範圍的專案測繪有可能會部屬多達10多個地面控制點。地面控制點並不是部屬越多越好,重點在於均勻分布在測繪區域內,讓整體測繪區域能夠更精確。


GCP設置間距: 適度調整

為了讓建模流程更準確,GCP定面控制點設置的間隔距離也很重要,若真的要有一個數字依據的話,地面控制點之間的設置距離建議為350-400M,相距太遠會造成數據模型扭曲。另外一點就是地面控制點GCP設置需距離地圖邊界至少15M。


GCP設置分配: 角落和中心

利用地面控制點GCP來定義地圖的邊界非常重要,我建議可以在每個地圖角落放置一個 GCP,地圖的中心放置一個,這樣一來可以讓覆蓋範圍最佳化。當地圖上有地形落差時,我們可以在最高點最低點分別設置一個地面控制點進行涵蓋。




無人機測繪知識 : 什麼是RTK和PPK?

RTK:實時動態差分定位技術

無人機測繪該選擇RTK或PPK?


也稱為實時動態技術(RTK:Real Time Kinematic),是一種GPS校正技術,可在無人機從現場測量和捕獲圖像時對位置數據進行即時校正。RTK需要有另外一個設備作為基準站,基準站接收到的衛星信號通過無線通信網實時發給用戶。用戶接收機將接收到的衛星信號和收到基準站信號實時聯合解算,求得基準站和移動站間的坐標數據,在戶外空曠場域可以達到取得近公分等級的即時定位精度,為高精準定位需求的應用。

無人機RTK處理記錄GPS資訊,並在飛行期間捕獲的圖像對拍攝的圖像進行地理標記。基準站還將原始GPS數據發送到無人機。軟體將這些資訊與無人機自己的觀測結果相結合,以準確移動站相對於基準站的位置,數據透過行動數據、藍牙或 WiFi 連接傳送。

移動站

RTK無人機


RTK無人機攜帶機載GNSS RTK接收器,只要將基準站位置架在已知坐標點的位置上,就可以精確計算出移動站(也就是無人機)的精確位置。  DJI Phantom 4 RTK 搭載全新RTK 模組,擁有更強大的抗磁干擾能力和精準定位能力,提供即時厘米級定位資料,顯著提升圖像元數據的絕對精準度且具備支援PPK 後處理能力。

PPK:事後差分定位技術

無人機測繪該選擇RTK或PPK?


也稱為動態後處理技術(PPK:post processed kinematic), 同樣也是一種 GPS 校正技術技術,系統也和RTK一樣,是由基準站和移動站組成,可在收集和上傳位置數據后對其進行校正。數據可以上傳到雲端進行處理,或者在飛行結束後使用桌面上的專業軟體進行處理,確定接收機之間厘米級的相對位置,最後引入基準站的已知坐標,從而獲得移動站在地方坐標系中的坐標 ,所以說PPK其實就是省掉中間無線電傳輸的通訊環節

使用PPK技術,無人機將地理標記所收集的每個圖像的座標,這時候基準站也在使用精確的三角測量計算來記錄位置資訊。當無人機飛行結束後,兩組GPS數據將進行匹配並進行校正不準確的GPS數據,為正在測量的點提供了精確的地理標記。

移動站

PPK無人機

PPK無人機攜帶機載GNSS PPK接收器,該接收器從衛星收集數據並記錄下來以便在飛行後進行GPS數據校正。收集來自附近基準站的GNSS接收器的衛星數據,並在飛行後將其與無人機數據相結合以糾正衛星信號錯誤,使精度降低到釐米級範圍。就PPK技術而言,不需要GNSS基準站到無人機基之間的連接,相較於RTK無人機具有更大的靈活性。

無人機測繪該選擇RTK或PPK?


無人機測繪知識 : 該選擇RTK還是PPK?

那麼無人機測繪時到底該選擇RTK還是PPK呢?

因為效率總是重要的一環,能即時地收集到座標數據可能會立即引導我們使用RTK技術,但RTK並不一定優於PPK,至少在即時數據上是肯定的,這兩種技術非常相似,但哪種技術最適合無人機測繪專案其實很大程度上取決於手頭任務的性質。

首先我們先來分析一下這兩種技術的優缺點....

RTK的優缺點

由於部署RTK無人機可以即時校正現場數據和整個飛行過程中的地理標記,因此RTK省去後續處理的時間。

但是,使用RTK系統的無人機需要持續維持一致性的連接狀態,如果無人機在大面積上航測飛行,距離太遠可能會導致信號中斷。如果信號丟失,則可能導致校正數據丟失,並導致整個飛行過程所校正的數據出現不準確的誤差。RTK在沒有樹木,山脈或其他障礙物和地標的平坦地形中運行良好,但只要移動站(無人機)和基準站中間隔有建築或是障礙物,就會導致基準站到移動站之間ˇ的數據傳輸中斷。

這就像我們在開車時,對於路況不熟悉的你,當GPS信號中斷擾亂衛星導航系統時,會讓我們暫時迷路,但當無人機測繪和測量時,確保數據結果的精確性是重要關鍵 !

優點

  • 即時校正現場數據且高精度定位
  • 過程中如果能確保訊號穩定,則不需使用 GCP
  • 時間效益較高

缺點

  • 非常依賴訊號穩定程度,因為過程容易發生差錯
  • 大面積測繪容易發生訊號中斷,作業距離有限 
  • 障礙物遮蔽容易導致數據失準 

PPK的優缺點

有一個觀點認為,PPK系統實際上可以比RTK的實時記錄更快,因為PPK不需要團隊或人力到現場花時間部屬數據連接設備,實際節省的時間必須取決於現場條件和無人機部署區域的規模。但有一點我們必須要知道,那就是使用PPK技術在無人機測繪飛行結束後必須花上不少時間處理收集的數據並實施GPS校正。

當然,PPK基本上會比RTK更可靠,因為它不用依賴無人機和基準站之間的信號強度或GPS通信。PPK系統具有更大的靈活性,並且可以在更具挑戰性的環境中飛行,不像RTK系統可能會被破壞訊號的大型障礙物阻擋,導致訊號中斷產生誤差縫隙。

PPK無人機在長途飛行中的表現將優於RTK無人機,PPK無人機特別適合超視距飛行(BVLOS)。

優點

  • 不容易受地形限制,適合超視距飛行任務(BVLOS)
  • 不需要GNSS 基準站與無人機之間的通訊連結
  • 設置更簡單 , 不依賴鏈路連結即可達到高精度定位
  • 不需要GCP 

缺點

  • 無法即時接收校正數據
  • 事後數據處理較花時間 

RTK VS PPK 

(手機版內容可以水平滑動觀看)
Header

RTK

PPK

訊號影響

受障礙物遮蔽斷訊

不容易斷訊

通訊方式

電台或網路/差分資料

不需通訊技術/靜態資料

定位方式

實時動態差分定位技術

事後差分定位技術

作業模式

基準站+移動站

基準站+移動站

定位精度

釐米級精度

釐米級精度

作業半徑

短距離

長距離

結論:到底該選擇RTK還是PPK?

沒有絕對勝出的方案 ,只有最適合的選擇 ! 

看完以上的RTK及PPK的優缺點及比較後,我們可以知道同樣都可以達到釐米及精度的條件下,RTK和PPK之間到底如何做選擇?

RTK在飛行期間就可以獲得校正數據這方面似乎很誘人,但在實際條件下,障礙物可能會阻擋或中斷信號,飛行可能會超出信號的強度,RTK技術存在著必須考慮的關鍵性弱點,那就是不夠穩定。在最好的情況下,基準站和無人機之間的通信鏈路保持不變,RTK可以達到與PPK相同的絕對精度。

真要做比較的話,在不以時間效益為前提下,PPK在任何情況都會比RTK更可靠。

為什麼?答案就在於PPK的工作原理不需要在固定基準站和無人機之間保持鏈接,能降低數據校正中斷的風險,因此這種方法提供了更可靠的數據校正和更輕鬆的設置。如果有常在使用無人機的經驗,其實訊號鏈接中斷是很常發生的事,PPK這部分算是彌補RTK的缺陷。

我個人認為如何做出對的選擇方案最終還是取決於專案規模和客戶需求,以上的優缺點分析重點在於幫助你(無人機工作者)做出最適合專案的判斷和選擇,選擇在於「時間效益」或是穩定可靠,不論你最終選擇RTK或是PPK,都必須建立會喪失另一方優勢的認知,因此我所建議選擇區分如下:



無人機測繪的未來: 節省時間和金錢

事實上,RTK及PPK技術就是為減少或消除對GCP的依賴需求所開發,不只能節省時間,更能降低成本並提高準確性!

這是一項多年來一直與地面上的不同工具一起使用的技術。直到最近無人機應用逐漸廣泛,它才被作為攝影測量無人機的附加元件。  採用這種方法可以有效消除或減少所需的GCP數量。據估計,利用這項技術可以節省在無人機測繪設置上花費的高達75%的時間和金錢。並可以產生釐米級的精確數據。

RTK和PPK正在迅速成為行業標準,GCP在未來將有被完全取代的可能,GPS校正技術將成為常態 - 因為它能夠獲取更可靠的數據,更快,更容易。而這近年來,由於PPK的可靠性讓它在各領域都有突出的表現,也彌補了RTK的不足,這也說明GPS校正技術正在持續優化當中,而我們在不久的將來就可以有所見證.......

在每一個行業當中,無人機應用所帶來的價值就是:節省時間和金錢....

無人機測繪該選擇RTK或PPK?


總結

看完以上的內容,不知道大家對於無人機測繪知識中的RTK和PPK是否有更深一層的認識了呢?

至少我們可以知道不論哪一種是"最佳"的GPS校正技術或是"最適合"正在規劃的專案,很明顯,配備GPS校正系統的無人機正在徹底改變地圖測量,這是因為無人機所帶來的效率、數據取得和圖像品質方面都能夠兼顧,更重要的是讓無人機工作者能夠安全完成任務且不用暴露在風險當中,這就足夠證明無人機的價值了,對吧 !

以上就是這篇文章內容,感謝大家的閱讀,讓我們一起創造無人機價值,往成為無人機工作者的目標前進吧 !



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Last Updated on 2022-05-02 by James Huang

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關於作者James

James是一名勞力上班族,由於對無人機非常熱愛,在休假之餘努力自我培養無人機相關能力,創辦DronesBoy無人機男孩網站幫助初入無人機領域的新手們,在短時間內獲取成為無人機飛手應具備的知識能力。一心只想專注於價值的付出,希望透過網站實踐自我理念並傳遞正向價值觀,人生很短,抓緊每一刻,認真得做自己想做的事。

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