智能森林羅盤(pán)儀在森林資源一類(lèi)清查中的應(yīng)用研究

劉獻(xiàn)倫 ，喬洪波 ，劉佃軍 ，胡海燕 ，張津濤 ，何雨菲

（1.山東省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院，濟(jì)南 250014；2.濟(jì)陽(yáng)縣林業(yè)局，山東 濟(jì)陽(yáng) 251400；3.廣州市休波曼智能科技有限公司，廣州 510760）

國(guó)家森林資源連續(xù)清查（簡(jiǎn)稱一類(lèi)清查），是森林資源監(jiān)測(cè)體系的重要組成部分，以省（市、區(qū)）為單位，以抽樣調(diào)查理論為基礎(chǔ)，采用固定樣地調(diào)查為主進(jìn)行定期實(shí)測(cè)的方法[1]。

在 《森林調(diào)查技術(shù)》[2]、《中國(guó)森林資源清查》和《第九次全國(guó)森林資源清查山東省清查操作細(xì)則》[3]中，都把森林羅盤(pán)儀作為樣地測(cè)設(shè)的必備工具。在《森林調(diào)查技術(shù)》一書(shū)中，甚至用了一個(gè)整章專門(mén)講解了羅盤(pán)儀。森林羅盤(pán)儀自從出現(xiàn)至今已有70余年歷史，因其原理和構(gòu)造所限，雖然幾經(jīng)改進(jìn)，但是總體變化不大，無(wú)論是精度還是操控性都沒(méi)有多少提高，已經(jīng)不能適應(yīng)林業(yè)調(diào)查技術(shù)現(xiàn)代化的需要。隨著GPS、半導(dǎo)體芯片、信息技術(shù)的發(fā)展，一種新型羅盤(pán)——電子羅盤(pán)，應(yīng)運(yùn)而生。我們?cè)跐?jì)南市的歷下區(qū)、濟(jì)陽(yáng)縣選取了兩塊一類(lèi)調(diào)查國(guó)定樣地，從精度、效率、工作強(qiáng)度三個(gè)方面，對(duì)智能森林羅盤(pán)儀與森林羅盤(pán)儀在一類(lèi)調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明：智能森林羅盤(pán)儀達(dá)到了一類(lèi)調(diào)查精度要求；其精度、效率都要高于森林羅盤(pán)儀；工作強(qiáng)度明顯降低，在一類(lèi)調(diào)查中可以取代森林羅盤(pán)儀。

1 羅盤(pán)儀

1.1 森林羅盤(pán)儀

DQL-16ZL型經(jīng)緯激光羅盤(pán)儀是哈爾濱光學(xué)儀器廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的最新型號(hào)，目前在一類(lèi)調(diào)查中普遍使用。因此，我們選其作為對(duì)比研究的參照。

1.2 電子羅盤(pán)儀

電子羅盤(pán)儀是隨著GPS、半導(dǎo)體芯片、信息技術(shù)的發(fā)展，在本世紀(jì)初才發(fā)明的，它利用傳感器模塊測(cè)量地球磁場(chǎng)強(qiáng)度，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算被測(cè)量點(diǎn)的磁方位角、橫滾角、俯仰角。傳感器由一個(gè)三軸磁力計(jì)和一個(gè)三軸速度計(jì)組成，被封裝在一個(gè)模塊里，它們共同作用，來(lái)檢測(cè)地球的磁場(chǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電子羅盤(pán)儀的廠家不少。廣州休波曼智能科技有限公司根據(jù)林業(yè)調(diào)查的實(shí)際需要，對(duì)電子羅盤(pán)儀進(jìn)行了多次改進(jìn)，推出了最新產(chǎn)品——TC01型智能森林羅盤(pán)儀。TC01型智能森林羅盤(pán)儀是一款集定位、定向、測(cè)距等功能于一體的產(chǎn)品，在國(guó)土、地質(zhì)、礦產(chǎn)等行業(yè)應(yīng)用廣泛。TC01型智能森林羅盤(pán)儀配有望遠(yuǎn)鏡，可以精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)；另外還配有三腳架，對(duì)中準(zhǔn)確，儀器穩(wěn)固。因此，我們選其作為研究的對(duì)象。

1.3 羅差的測(cè)定

羅差是某一羅盤(pán)在某一區(qū)域、某一時(shí)間段使用時(shí)的固定值。李軼濤在《森林資源清查中羅差的測(cè)定與計(jì)算》[4]一文中，對(duì)羅差的概念、影響、測(cè)量、計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)敘述。這是測(cè)算羅差的傳統(tǒng)方法，因受圖紙變形、量角器刻劃、人眼分辨能力等因素的影響，獲取的磁方位角的理論值精度不高。王鳳瑧等人在《利用亞米級(jí)GPS測(cè)量森林羅盤(pán)儀羅差的研究》[5]中，提出了一種羅差測(cè)算的新方法。這種方法獲取的磁方位角的理論值精度很高，但需要高精度GPS，一般縣區(qū)林業(yè)局難以進(jìn)行。我們?cè)诹_差測(cè)算中獲取磁方位角理論值的方法是：首先將地形圖掃描成電子版；再利用遙感或者地信（地理信息系統(tǒng)）軟件進(jìn)行幾何校正[6]；最后利用軟件的測(cè)量工具獲取磁方位角的理論值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，操作簡(jiǎn)便，無(wú)需其它設(shè)備。

2 固定樣地概況

為了測(cè)試結(jié)果具有代表性，我們?cè)跐?jì)南市的歷下區(qū)的山區(qū)和濟(jì)陽(yáng)縣的平原分別選取了一塊一類(lèi)調(diào)查國(guó)定樣地。兩塊樣地的概況見(jiàn)表1。

3 對(duì)比研究方法

3.1 精度

（1）磁方位角誤差測(cè)定方法

在野外通視、平坦區(qū)域選取A、B兩點(diǎn)，兩點(diǎn)距離500米左右。采用厘米級(jí)定位精度的RTK——實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法（Real-timekinematic），測(cè)量?jī)牲c(diǎn)坐標(biāo)。首先計(jì)算AB方向的坐標(biāo)方位角，再通過(guò)地形圖上的方向改正角，計(jì)算AB方向的磁方位角。由于RTK的定位精度很高，這個(gè)磁方位角可以看做是AB方向的理論值。

將羅盤(pán)儀安置在A點(diǎn)，測(cè)量AB方向的實(shí)測(cè)磁方位角。羅盤(pán)儀的實(shí)測(cè)值減去羅差后與RTK的理論值的差值，就是羅盤(pán)儀誤差。

羅盤(pán)儀誤差=RTK的理論值—（羅盤(pán)儀的實(shí)測(cè)值—羅差）

磁方位角的誤差必須更換地點(diǎn)，重復(fù)測(cè)定，取其平均。

（2）磁方位角誤差

根據(jù)我們的多次重復(fù)測(cè)定，森林羅盤(pán)儀磁方位角的誤差平均值是33分，智能森林羅盤(pán)儀磁方位角的誤差平均值是26′。

（3）距離誤差

TC01型智能森林羅盤(pán)儀具有紅外激光測(cè)距功能，測(cè)距范圍1～500m，最佳測(cè)距范圍10～100m，最佳測(cè)距精度1/5000。但是，在逆光和強(qiáng)光照（中午）情況下，由于紅外激光發(fā)散，測(cè)距效果不好；另外在灌木茂密和樹(shù)木側(cè)枝繁亂的林分中，如側(cè)柏林，由于阻擋，難以使用。

3.2 效率

森林羅盤(pán)儀一次角度讀數(shù)平均需要35秒，TC01型智能森林羅盤(pán)儀一次角度讀數(shù)平均需要3秒。這在林分樣地中，由于樣木測(cè)角任務(wù)很大，TC01型智能森林羅盤(pán)儀可以明顯提高工作效率。連續(xù)、重復(fù)觀測(cè)森林羅盤(pán)儀角度讀數(shù)，視線容易模糊。視力不好的觀測(cè)員必須借助放大鏡才能進(jìn)行。在樣木位置圖的測(cè)繪中，包括瞄準(zhǔn)、讀數(shù)、記錄、測(cè)距等環(huán)節(jié)，兩種儀器用時(shí)相差很大，TC01型智能森林羅盤(pán)儀效率提高3倍以上，詳見(jiàn)表2。

表1 測(cè)試樣地概況表

表2 樣木位置測(cè)繪用時(shí)對(duì)比表

3.3 工作強(qiáng)度

在樣木位置圖的測(cè)繪中，需要測(cè)量樣木至樣地某一角點(diǎn)的距離。傳統(tǒng)方法是用皮尺，在樹(shù)間穿行，尤其是山區(qū)，爬上爬下，工作強(qiáng)度很高。由于TC01型智能森林羅盤(pán)儀采用了紅外激光測(cè)距，工作強(qiáng)度顯著降低。

4 研究結(jié)果

在 《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》中，固定樣地測(cè)設(shè)精度規(guī)定：樣地定位——引線方位角誤差小于1度，引線距離誤差小于1%；樣地周界——新設(shè)或改設(shè)樣地周界測(cè)量閉合差小于0.5%，復(fù)位樣地周界長(zhǎng)度誤差小于1%[7]。我們的研究結(jié)果表明：TC01型智能森林羅盤(pán)儀達(dá)到了一類(lèi)調(diào)查精度要求；其精度、效率都要高于森林羅盤(pán)儀，工作強(qiáng)度明顯降低；在一類(lèi)調(diào)查中可以取代森林羅盤(pán)儀。

除了傳統(tǒng)羅盤(pán)的方位角，TC01型智能森林羅盤(pán)還可以測(cè)量橫滾角、俯仰角、產(chǎn)狀、GPS方位、當(dāng)前時(shí)間、目標(biāo)距離等諸多數(shù)據(jù)，它是一個(gè)多合一的產(chǎn)品，整體上較傳統(tǒng)羅盤(pán)具有很大的優(yōu)越性。根據(jù)我們的實(shí)際操作，主要分五個(gè)方面介紹TC01型智能森林羅盤(pán)儀的其它優(yōu)點(diǎn)。

4.1 分辨率

TC01型智能森林羅盤(pán)儀方位角分辨率0.10°（6′），重復(fù)觀測(cè)差值 0.05°（3′）；森林羅盤(pán)儀方位角分辨率 0.17°（10′），重復(fù)觀測(cè)差值 0.17°（10′）。 TC01型智能森林羅盤(pán)儀方位角分辨率明顯高于森林羅盤(pán)儀。

4.2 適應(yīng)性

森林羅盤(pán)儀在二級(jí)風(fēng)力影響下，指針明顯擺動(dòng)，讀數(shù)困難，精度降低。TC01型智能森林羅盤(pán)儀在六級(jí)風(fēng)力下讀數(shù)穩(wěn)定（六級(jí)風(fēng)力以上主要是三腳架的晃動(dòng)，造成讀數(shù)略有變化）。此外，TC01型智能森林羅盤(pán)儀還具有防水、防塵能力，其適應(yīng)性明顯高于森林羅盤(pán)儀。

4.3 定位和導(dǎo)航功能

TC01型智能森林羅盤(pán)儀內(nèi)嵌了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），采用美國(guó)GPS+中國(guó)BD雙定位，并且做了差分運(yùn)算，使定位精度能達(dá)到亞米級(jí)，可以代替手持GPS。該羅盤(pán)儀不僅有定位功能，還有導(dǎo)航功能。輸入目的地的坐標(biāo)，該羅盤(pán)儀會(huì)根據(jù)當(dāng)前所在的位置，指示用戶前行方向和距離。

4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、導(dǎo)出、加密功能

電子羅盤(pán)內(nèi)置了16M的FLASH芯片，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，最多可以存儲(chǔ)32688條數(shù)據(jù)，省去了紙質(zhì)記錄的麻煩。電子羅盤(pán)的側(cè)壁有個(gè)Mini USB接口，它既是充電接口，也是數(shù)據(jù)傳輸接口。該Mini USB的數(shù)據(jù)線做了加密處理，顛倒了USB的D+D-兩根線，普通的Mini USB線插入電腦后無(wú)法識(shí)別設(shè)備。

4.5 手機(jī)APP

為了體現(xiàn)羅盤(pán)的智能化優(yōu)越性，TC01羅盤(pán)儀還有配套APP，這樣使用者通過(guò)手機(jī)APP就可以代替手動(dòng)控制羅盤(pán)儀，APP上的所有界面與羅盤(pán)儀完全相同。

5 討論

電子羅盤(pán)儀對(duì)電子設(shè)備（如手機(jī)）、磁金屬（如電線）非常敏感，水平狀態(tài)對(duì)讀數(shù)也有一定的影響，操作時(shí)需要注意。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有幾個(gè)廠家生產(chǎn)電子羅盤(pán)儀，型號(hào)較多。由于時(shí)間限制，我們未對(duì)其它型號(hào)的電子羅盤(pán)儀進(jìn)行研究。