干貨來了！一篇文章讓你用好精靈 4 多光譜

精靈 4 多光譜版無人機(jī)自 2019 年發(fā)布以來，已經(jīng)在科研、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境生態(tài)監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了幫助用戶更好地使用產(chǎn)品，我們今天針對(duì) 5 個(gè)精靈 4 多光譜最常見的問題進(jìn)行解答：

1、如何提高精靈 4 多光譜的數(shù)據(jù)采集效率？

2、大疆智圖處理精靈 4 多光譜數(shù)據(jù)時(shí)，能否得到單波段的反射率值？

3、為何大疆智圖的指數(shù)圖有條紋或斑塊狀？

4、如何解讀和使用大疆智圖計(jì)算的植被指數(shù)？

5、精靈 4 多光譜重建結(jié)果文件分別是什么？

精靈 4 多光譜的數(shù)據(jù)采集效率主要受飛機(jī)的飛行高度、測區(qū)距離、航線和相機(jī)設(shè)置影響。在飛行高度 180 米時(shí)，精靈 4 多光譜 1 架次的采集面積約為 0.47km2（700 畝）左右，如果采集效率落后于這個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以使用以下方式來提高效率：

1、選擇最佳飛行高度

飛行高度越低，地面采樣距離（GSD）越小，地面物體分辨率越高，看得越清楚，但作業(yè)總時(shí)長會(huì)延長。因此需要根據(jù)拍攝的對(duì)象和目的來選擇最優(yōu)飛行高度。以農(nóng)業(yè)作物長勢(shì)監(jiān)測為例子，應(yīng)該根據(jù)不同作物、不同生長階段來選擇最優(yōu)飛行高度。

水稻不同生長階段的飛行高度推薦

如果不確定飛行高度對(duì)應(yīng)的分辨率是否足夠，可以把精靈 4 多光譜相機(jī)模式調(diào)至 Live NDVI 模式，然后手動(dòng)起飛抬升飛機(jī)，觀察在某高度下是否能清晰看到觀測對(duì)象。

同時(shí)，需要注意測區(qū)內(nèi)是否有障礙物，飛機(jī)飛行高度必須高于測區(qū)內(nèi)所有障礙物高度。

2、設(shè)置合適的重疊率

提高重疊率可以一定程度上優(yōu)化建模質(zhì)量，但重疊率過高會(huì)增加航線延長作業(yè)時(shí)間。因此我們推薦使用航向 80%、旁向 70% 的重疊率設(shè)置。

3、設(shè)置等時(shí)間隔拍照模式^[1]

相機(jī)拍照模式有“等時(shí)間隔”和“航點(diǎn)懸停”兩種拍照模式?！暗葧r(shí)間隔”不需要停頓，飛行效率更高。在大多數(shù)場景下，建議使用“等時(shí)間隔”拍照設(shè)置等時(shí)間隔拍照模式。

但是，在起伏大的山區(qū)，“等時(shí)間隔”可能存在同一組照片多個(gè)波段之間拍攝場景差別過大的情況，造成重建失敗。因此，如果在山區(qū)航測時(shí)，若使用“等時(shí)間隔”拍攝出現(xiàn)重建失敗，建議切換到“航點(diǎn)懸停”模式。

4、選擇靠近測區(qū)的起飛地點(diǎn)

飛機(jī)起飛降落地點(diǎn)應(yīng)該盡量靠近測區(qū)，使得起降航程最短。如果測區(qū)覆蓋范圍較大，建議在測區(qū)中央?yún)^(qū)域起飛。

單波段的反射率值通常用于單波段分析、多種指數(shù)計(jì)算、基于多個(gè)波段的地物分類等用途。在不進(jìn)行反射率輻射校正時(shí)，大疆智圖可以輸出單波段的 DN 值影像，和五個(gè)常用的植被指數(shù)---NDVI、NDRE、 OSAVI、 LCI、 GNDVI，但不輸出單波段的反射率值影像。

如果需要得到單波段的反射率值影像，可以使用反射率輻射校正板和大疆智圖的輻射校正功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。以下介紹如何使用反射率板和輻射校正功能得到單波段反射率：

1、首先準(zhǔn)備 2-3 塊已知反射率的反射率板（無品牌限制，業(yè)界通用的均可）。

2、拍攝反射率板照片，具體步驟如下：

• 將反射板平鋪于測區(qū)附近的地面上。

• 將相機(jī)模式設(shè)置為 Auto，EV 值保持為 0，調(diào)整云臺(tái)為 -90°。

• 精靈 4 多光譜起飛至反射率板 7 倍邊長的高度。調(diào)整飛機(jī)位置使得反射率板在相機(jī)畫面中央，注意反射率板上不要有陰影。手動(dòng)拍攝一組照片。

• AE 鎖定。

3、精靈 4 多光譜進(jìn)行正常航測作業(yè)。

4、作業(yè)結(jié)束后，在大疆智圖新建航測重建任務(wù)，并按照正常重建步驟導(dǎo)入航測照片，但先不進(jìn)行重建。

5、進(jìn)入大疆智圖“輻射校正”界面。

• 在“標(biāo)定板 1”、“標(biāo)定板 2”、“標(biāo)定板 3”的各個(gè)波段內(nèi)分別導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的手動(dòng)拍攝的照片，并填寫各標(biāo)定板、各波段對(duì)應(yīng)的反射率值。

  
  

• 為每一個(gè)標(biāo)定板的波段在照片中框出約 2/3 位置。大疆智圖將讀取該 2/3 位置內(nèi)的柵格數(shù)值進(jìn)行反射率轉(zhuǎn)換參數(shù)。

6、完成“輻射校正”設(shè)置后，返回主界面，開始重建重建結(jié)果的單波段影像，即result_Blue、 result_Green、 result_NIR、 result_Red、 result_RedEdge，其數(shù)值即是反射率值。

精靈 4 多光譜影像處理結(jié)果的條紋或斑塊，可以大致分成三種現(xiàn)象：航線角度和太陽方位角不垂直所造成的條紋、強(qiáng)光下農(nóng)田的 hotspot 現(xiàn)象、曝光鎖定造成的光斑，以下是形成的原因和解決方案：

1、航線角度和太陽方位角不垂直所造成的條紋

通常在可見光影像中看不到條紋，而 NDVI 等植被指數(shù)中能看到。明暗交替的條紋正好和航線重合，一條明條和一條暗條紋分別對(duì)應(yīng)一條航線。如下圖 NDVI 所示：

NDVI中的條紋

這是由于飛機(jī)向前飛行時(shí)候，機(jī)身有一定傾角。如果航線方向和太陽光線入射方向（太陽方位角）不垂直，那么飛機(jī)來回飛行時(shí)，飛機(jī)頂上的光強(qiáng)傳感器平面和太陽方位角的夾角發(fā)生了變化，導(dǎo)致光強(qiáng)傳感器接收到的太陽輻射在來回變化。而因?yàn)楣鈴?qiáng)傳感器的輻射數(shù)值用于植被指數(shù)計(jì)算，因此造成植被指數(shù)出現(xiàn)了明暗條紋。當(dāng)太陽高度角越低，這個(gè)現(xiàn)象越明顯。

太陽方位角和太陽高度角示意圖

要避免此問題，采集時(shí)候請(qǐng)注意以下兩點(diǎn)：

• 設(shè)置主航線角度垂直于太陽方位角

  GS Pro 規(guī)劃航線時(shí)，會(huì)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶柗轿唤?。連上飛機(jī)后，點(diǎn)擊任務(wù)高級(jí)設(shè)置，主航線角度選擇自動(dòng)，將根據(jù)太陽方位角，自動(dòng)規(guī)劃出一條垂直太陽方位角的航線。建議在任何時(shí)刻都將自動(dòng)主航線角度選上。

• 在太陽高度角高于 30°時(shí)進(jìn)行采集

  在作業(yè)前，可以事先看下測區(qū)作業(yè)時(shí)間的太陽高度角。GS Pro 任務(wù)頁面左滑，點(diǎn)擊 sun 圖標(biāo)，可以查詢太陽高度角。

2、強(qiáng)光下農(nóng)田的 hotspot 現(xiàn)象

強(qiáng)光之下，由于土地或作物冠層比較平滑，會(huì)產(chǎn)生類似鏡面反射的現(xiàn)象，導(dǎo)致照片一邊較亮一邊較暗。重建之后出現(xiàn)了“漸變”條紋，稱之為“hotspot”現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象在可見光和植被指數(shù)中都可以觀察得到。

農(nóng)田重建后的 hotspot 條紋

當(dāng)前業(yè)界針對(duì)這個(gè)問題未有完善的解決方案，因此我們建議避免在強(qiáng)光之下，例如正午太陽猛烈時(shí)進(jìn)行采集，以規(guī)避這個(gè)問題。

3、曝光鎖定造成的光斑

如果在拍攝過程光照變化較大，例如云層遮擋太陽等，而相機(jī)的曝光設(shè)置了鎖定 （AE 鎖定），那么可能出現(xiàn)明顯光斑。

建議在作業(yè)時(shí)將 AE 解鎖，可見光模式設(shè)置為中央測光，多光譜模式設(shè)置為全局測光以保持測光一致。

大疆智圖會(huì)基于精靈 4 多光譜的 5 個(gè)光譜波段（藍(lán)，綠，紅，紅邊，近紅外），計(jì)算 5 個(gè)常用的植被指數(shù)---NDVI，NDRE，OSAVI，LCI、GNDVI。植被指數(shù)是利用植被在光譜上的吸收反射特征，通過組合計(jì)算不同的光譜波段，得到的無量綱指數(shù)。植被指數(shù)通常是蓋度、葉綠色含量、生物量等多個(gè)因素的綜合體現(xiàn)。

植被光譜反射曲線^[2]

5 個(gè)植被指數(shù)的計(jì)算公式如下：

1、NDVI 歸一化植被指數(shù)

NDVI 是最常用的植被指數(shù)。由上圖得知，綠色植被在近紅外波段反射率較強(qiáng)，在紅光波段發(fā)射率較弱，且越是密集、葉綠素含量越高的植被，這個(gè)規(guī)律越是強(qiáng)烈。

因此通過歸一化差值的方式計(jì)算的 NDVI，可以用來表征地面植被密集程度和植物的葉綠素含量。NDVI 數(shù)值為 -1 到 1，通常正值表示有植被覆蓋，數(shù)值越高，植被越密集或葉綠素含量越高。0 和負(fù)值表示巖石、裸土、水體等非植被覆蓋。

在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上，NDVI 可以用于診斷作物的葉綠素、氮素含量，從而指導(dǎo)合理施用氮肥。在林業(yè)應(yīng)用上，NDVI 可以用于計(jì)算森林覆蓋面積或城市綠化率。在環(huán)境監(jiān)測上，NDVI 可以用于監(jiān)測水體藻類發(fā)生程度。

2、NDRE^[3]

雖然 NDVI 在大多數(shù)場景中，可以有效用于診斷植被葉綠素含量，但 NDVI 有其局限性，因?yàn)橛梅蔷€性方式計(jì)算近紅外和紅光的差值，在高植被區(qū) NDVI 靈敏度較低，也就是 NDVI 的“飽和”現(xiàn)象。

為了應(yīng)對(duì) NDVI 的這個(gè)缺陷，就引入了 NDRE。NDRE 在計(jì)算公式上，用紅邊波段取代了 NDVI 中的紅色波段。紅邊是紅光和近紅外波段中間的一個(gè)過度波段，是葉綠素在紅光區(qū)域的吸收和在近紅外區(qū)域的反射之間的界限。因此，NDRE 在高植被區(qū)，例如農(nóng)田作物封行之后，可以更靈敏地反映植被的葉綠素含量。

3、OSAVI 優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)

OSAVI 主要在 NDVI 的基礎(chǔ)上將土壤因素納入考量，在植被生長初期、密度不高的時(shí)候，可以更好地排除土壤影響、反映植被的葉綠素含量。因此 OSAVI 比較適用于植被稀疏或者農(nóng)田作物出苗初期的植被健康度診斷。

4、LCI 葉面葉綠素指數(shù)

LCI 對(duì)于判斷植物的葉子的葉綠素和含氮量有較好的效果，而相比之下 NDVI 通常用于判斷整個(gè)冠層的葉綠素和含氮量。

5、GNDVI

有部分研究表明，GNDVI 相比 NDVI 能更穩(wěn)定地探測植被，因此 GDNVI 也經(jīng)常用于植被覆蓋監(jiān)測、植被和作物健康度調(diào)查中。

綜上所述，在看出苗狀況、作物長勢(shì)、雜草分布密度等日常巡田環(huán)節(jié)，使用 NDVI 可以滿足大多數(shù)需求。而作物生長模型等研發(fā)過程，也會(huì)涉及到其他幾個(gè)植被指數(shù)的使用。

精靈 4 多光譜的數(shù)據(jù)重建結(jié)束后，除了可以直接在大疆智圖和大疆智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)上看到高清影像和 5 個(gè)植被指數(shù)圖，還可以得到單波段圖、數(shù)字表面模型、語義圖，此外大疆智圖還提供經(jīng)過渲染的植被指數(shù)圖。

如果是使用大疆智圖重建，在任務(wù)下的“打開任務(wù)文件夾”選項(xiàng)打開項(xiàng)目文件夾。以上文件均存放在“map”文件夾內(nèi)：

如果是使用大疆農(nóng)業(yè)平臺(tái)進(jìn)行重建，則可以在云重建的下載頁面獲取以上結(jié)果。

以下是主要結(jié)果文件的說明：

高清影像

result.tif、result.tfw 這兩個(gè)文件是高清影像的 geotiff 柵格圖，可在一般 GIS 軟件打開使用。

植被指數(shù)圖

放在 index_map 這個(gè)文件夾里。植被指數(shù)也是 geotiff 柵格圖，可在一般 GIS 軟件打開使用。

單波段指數(shù)圖

result_Blue、result_Green、result_NIR、result_Red、 result_RedEdge 這五個(gè)圖層是對(duì)應(yīng)的五個(gè)單波段圖。當(dāng)沒有進(jìn)行反射率輻射校正時(shí)，它們是單波段的 DN 值；使用了反射率輻射校正后，他們是單波段的反射率值。每個(gè)文件均為 geotiff 柵格圖，可在一般 GIS 軟件打開使用。單波段指數(shù)圖更常用于科研工作中。

數(shù)字表面模型^[4]

dsm.tif,、dsm.tfw；數(shù)字表面模型即地表的海拔高程圖?？捎糜跍y量土地海拔高程、地勢(shì)起伏、和農(nóng)田地塊的平整狀況。大疆智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)的“高程分析”即是用這個(gè)數(shù)字表面模型來對(duì)測區(qū)高程進(jìn)行分析。

語義圖

segment.tif, segment.tfw；大疆智圖和大疆智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)基于高清影像用機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)分類的地物類型。該結(jié)果可以用來評(píng)估一個(gè)地方的農(nóng)田、樹木、建筑、水面等覆蓋面積和分布。

除了上述的問題以外，在使用的過程中如果還有遇到其他的疑問，歡迎咨詢。