DJI大疆行業應用:一篇文章讓你用好 DJI大疆精靈4 多光譜

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精靈4 多光譜版無人機自2019 年發布以來，已經在科研、農業、林業、環境生態監測等多個領域得到廣泛應用。為了幫助用戶更好地使用產品，我們今天針對5 個精靈4 多光譜最常見的問題進行解答：

1、如何提高精靈4 多光譜的數據採集效率？

2、大疆智圖處理精靈4 多光譜數據時，能否得到單波段的反射率值？

3、為何大疆智圖的指數圖有條紋或斑塊狀？

4、如何解讀和使用大疆智圖計算的植被指數？

5、精靈4 多光譜重建結果文件分別是什麼？

如何提高精靈4 多光譜的數據採集效率

精靈4 多光譜的數據採集效率主要受飛機的飛行高度、測區距離、航線和相機設置影響。在飛行高度180 米時，精靈4 多光譜1 架次的採集面積約為0.47km²（700 畝）左右，如果採集效率落後於這個數據標準，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，地面採樣距離（GSD）越小，地面物體分辨率越高，看得越清楚，但作業總時長會延長。因此需要根據拍攝的對象和目的來選擇最優飛行高度。以農業作物長勢監測為例子，應該根據不同作物、不同生長階段來選擇最優飛行高度。

生育期	高度	說明
出苗期	60-80米	作物的出苗期可以用此高度飛行。
分蘗期	80-100米	開始分蘗後到分蘗晚期可以用此高度飛行。
拔節期	100-150米	開始拔節後到封行之前可以用此高度飛行。
拔節後期	150-200米	作物封行之後，也就是幾乎看不到地下之後，可以用此高度飛行。

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應的分辨率是否足夠，可以把精靈4 多光譜相機模式調至Live NDVI 模式，然後手動起飛抬升飛機，觀察在某高度下是否能清晰看到觀測對象。

同時，需要注意測區內是否有障礙物，飛機飛行高度必須高於測區內所有障礙物高度。

2、設置合適的重疊率

提高重疊率可以一定程度上優化建模質量，但重疊率過高會增加航線延長作業時間。因此我們推薦使用航向80%、旁向70% 的重疊率設置。

3、設置等時間隔拍照模式^[1]

相機拍照模式有“等時間隔”和“航點懸停”兩種拍照模式。“等時間隔”不需要停頓，飛行效率更高。在大多數場景下，建議使用“等時間隔”拍照設置等時間隔拍照模式。

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

4、選擇靠近測區的起飛地點

飛機起飛降落地點應該盡量靠近測區，使得起降航程最短。如果測區覆蓋範圍較大，建議在測區中央區域起飛。

大疆智圖處理精靈4 多光譜數據時，能否得到單波段的反射率值

單波段的反射率值通常用於單波段分析、多種指數計算、基於多個波段的地物分類等用途。在不進行反射率輻射校正時，大疆智圖可以輸出單波段的DN 值影像，和五個常用的植被指數—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行轉換。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、首先準備2-3 塊已知反射率的反射率板（無品牌限制，業界通用的均可）。

2、拍攝反射率板照片，具體步驟如下：

將反射板平鋪於測區附近的地面上。
將相機模式設置為Auto，EV 值保持為0，調整雲台為-90°。
精靈4 多光譜起飛至反射率板7 倍邊長的高度。調整飛機位置使得反射率板在相機畫面中央，注意反射率板上不要有陰影。手動拍攝一組照片。
AE 鎖定。

3、精靈4 多光譜進行正常航測作業。

4、作業結束後，在大疆智圖新建航測重建任務，並按照正常重建步驟導入航測照片，但先不進行重建。

5、進入大疆智圖“輻射校正”界面。

在“標定板1”、“標定板2”、“標定板3”的各個波段內分別導入對應的手動拍攝的照片，並填寫各標定板、各波段對應的反射率值。
為每一個標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 位置內的柵格數值進行反射率轉換參數。

6、完成“輻射校正”設置後，返回主界面，開始重建重建結果的單波段影像，即result_Blue、 result_Green、 result_NIR、 result_Red、 result_RedEdge，其數值即是反射率值。

為何大疆智圖的指數圖有條紋或斑塊狀

精靈4 多光譜影像處理結果的條紋或斑塊，可以大致分成三種現象：航線角度和太陽方位角不垂直所造成的條紋、強光下農田的hotspot 現象、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應一條航線。如下圖NDVI 所示：

NDVI中的條紋

這是由於飛機向前飛行時候，機身有一定傾角。如果航線方向和太陽光線入射方向（太陽方位角）不垂直，那麼飛機來回飛行時，飛機頂上的光強傳感器平面和太陽方位角的夾角發生了變化，導致光強傳感器接收到的太陽輻射在來回變化。而因為光強傳感器的輻射數值用於植被指數計算，因此造成植被指數出現了明暗條紋。當太陽高度角越低，這個現象越明顯。

太陽方位角和太陽高度角示意圖

要避免此問題，採集時候請注意以下兩點：

設置主航線角度垂直於太陽方位角

GS Pro 規劃航線時，會自動計算當時當地的太陽方位角。連上飛機後，點擊任務高級設置，主航線角度選擇自動，將根據太陽方位角，自動規劃出一條垂直太陽方位角的航線。建議在任何時刻都將自動主航線角度選上。

在太陽高度角高於30°時進行採集

在作業前，可以事先看下測區作業時間的太陽高度角。GS Pro 任務頁面左滑，點擊sun 圖標，可以查詢太陽高度角。

2、強光下農田的hotspot 現象

強光之下，由於土地或作物冠層比較平滑，會產生類似鏡面反射的現象，導致照片一邊較亮一邊較暗。重建之後出現了“漸變”條紋，稱之為“hotspot”現象。這個現像在可見光和植被指數中都可以觀察得到。

農田重建後的hotspot 條紋

當前業界針對這個問題未有完善的解決方案，因此我們建議避免在強光之下，例如正午太陽猛烈時進行採集，以規避這個問題。

3、曝光鎖定造成的光斑

如果在拍攝過程光照變化較大，例如雲層遮擋太陽等，而相機的曝光設置了鎖定（AE 鎖定），那麼可能出現明顯光斑。

建議在作業時將AE 解鎖，可見光模式設置為中央測光，多光譜模式設置為全局測光以保持測光一致。

如何解讀使用大疆智圖計算的植被指數

大疆智圖會基於精靈4 多光譜的5 個光譜波段（藍，綠，紅，紅邊，近紅外），計算5 個常用的植被指數—NDVI，NDRE，OSAVI，LCI、GNDVI。植被指數是利用植被在光譜上的吸收反射特徵，通過組合計算不同的光譜波段，得到的無量綱指數。植被指數通常是蓋度、葉綠色含量、生物量等多個因素的綜合體現。

植被光譜反射曲線^[2]

5 個植被指數的計算公式如下：

植被指數	計算公式
NDVI	(近紅外-紅光)/(近紅外+紅光)
NDRE	(近紅外-紅邊)/(近紅外+紅邊)
OSAVI	(近紅外-紅光)/(近紅外+紅光+0.16)
LCI	(近紅外-紅邊)/(近紅外+紅光)
GNDVI	(近紅外-綠光)/(近紅外+綠光)

1、NDVI 歸一化植被指數

NDVI 是最常用的植被指數。由上圖得知，綠色植被在近紅外波段反射率較強，在紅光波段發射率較弱，且越是密集、葉綠素含量越高的植被，這個規律越是強烈。

因此通過歸一化差值的方式計算的NDVI，可以用來表徵地面植被密集程度和植物的葉綠素含量。NDVI 數值為-1 到1，通常正值表示有植被覆蓋，數值越高，植被越密集或葉綠素含量越高。0 和負值表示岩石、裸土、水體等非植被覆蓋。

在農業應用上，NDVI 可以用於診斷作物的葉綠素、氮素含量，從而指導合理施用氮肥。在林業應用上，NDVI 可以用於計算森林覆蓋面積或城市綠化率。在環境監測上，NDVI 可以用於監測水體藻類發生程度。

2、NDRE ^[3]

雖然NDVI 在大多數場景中，可以有效用於診斷植被葉綠素含量，但NDVI 有其局限性，因為用非線性方式計算近紅外和紅光的差值，在高植被區NDVI 靈敏度較低，也就是NDVI 的“飽和”現象。

為了應對NDVI 的這個缺陷，就引入了NDRE。NDRE 在計算公式上，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過度波段，是葉綠素在紅光區域的吸收和在近紅外區域的反射之間的界限。因此，NDRE 在高植被區，例如農田作物封行之後，可以更靈敏地反映植被的葉綠素含量。

3、OSAVI 優化土壤調整植被指數

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

4、LCI 葉面葉綠素指數

LCI 對於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 通常用於判斷整個冠層的葉綠素和含氮量。

5、GNDVI

有部分研究表明，GNDVI 相比NDVI 能更穩定地探測植被，因此GDNVI 也經常用於植被覆蓋監測、植被和作物健康度調查中。

綜上所述，在看出苗狀況、作物長勢、雜草分佈密度等日常巡田環節，使用NDVI 可以滿足大多數需求。而作物生長模型等研發過程，也會涉及到其他幾個植被指數的使用。

精靈4 多光譜重建結果文件分別是什麼

精靈4 多光譜的數據重建結束後，除了可以直接在大疆智圖和大疆智慧農業平台上看到高清影像和5 個植被指數圖，還可以得到單波段圖、數字表面模型、語義圖，此外大疆智圖還提供經過渲染的植被指數圖。

如果是使用大疆智圖重建，在任務下的“打開任務文件夾”選項打開項目文件夾。以上文件均存放在“map”文件夾內：

如果是使用大疆農業平台進行重建，則可以在雲重建的下載頁面獲取以上結果。

以下是主要結果文件的說明：

高清影像

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

植被指數圖

放在index_map 這個文件夾裡。植被指數也是geotiff 柵格圖，可在一般GIS 軟件打開使用。

單波段指數圖

result_Blue、result_Green、result_NIR、result_Red、 result_RedEdge 這五個圖層是對應的五個單波段圖。當沒有進行反射率輻射校正時，它們是單波段的DN 值；使用了反射率輻射校正後，他們是單波段的反射率值。每個文件均為geotiff 柵格圖，可在一般GIS 軟件打開使用。單波段指數圖更常用於科研工作中。

數字表面模型^[4]

dsm.tif,、dsm.tfw；數字表面模型即地表的海拔高程圖。可用於測量土地海拔高程、地勢起伏、和農田地塊的平整狀況。大疆智慧農業平台的“高程分析”即是用這個數字表面模型來對測區高程進行分析。