曾文靜，鄢前飛

(中南林業(yè)科技大學林學院，湖南 長沙 410004)

1 手機指南針概述與研究進展

指南針，其前身是司南，是用來判別方位的簡單儀器，常用于大地測量、旅行、航海以及軍事等各方面。目前指南針機械式產(chǎn)品主要用于方向辨別，風水定位，指南針與羅盤結(jié)合構(gòu)成羅盤指南針又簡稱羅盤儀，常見的產(chǎn)品有森林羅盤儀、地質(zhì)羅盤儀等，羅盤儀結(jié)合電子技術(shù)與傳感技術(shù)有了電子羅盤儀產(chǎn)品。

手機指南針是智能手機中的一個硬件，也是智能手機中的一個軟件，又被稱為電子羅盤。手機指南針能根據(jù)手機的位置不同顯示俯仰角和方位角，同時手機指南針與傳統(tǒng)羅盤一樣，可以根據(jù)地標來估計自己所處的位置，有經(jīng)驗的用戶使用起來就如同使用GPS一樣，可以控制行進方向等[1]。

根據(jù)博思數(shù)據(jù)發(fā)布的《2018-2023年中國手機電子羅盤市場分析與行業(yè)調(diào)查報告》，手機電子羅盤行業(yè)發(fā)展具有較高的成熟度，手機電子羅盤市場產(chǎn)業(yè)有相當?shù)募夹g(shù)革新趨勢，手機電子羅盤行業(yè)有很好產(chǎn)能及增速的發(fā)展空間[2]。

眾所周知，物體空間位置信息不外乎距離與方向2個要素，林業(yè)界森林、林分與林木的空間位置信息均涉及到距離與方向2個要素。林業(yè)上已有的方位角測量工具有傳統(tǒng)的森林羅盤儀、手持GPS和全站儀[3]。

在森林測量環(huán)境十分惡劣且極為復(fù)雜的情況下，傳統(tǒng)的方位測量工具——森林羅盤儀很有可能由于雜灌草過密，林內(nèi)的通視條件太差而使視線受阻或由于地形破碎而無法架設(shè)[4]。這樣就會使得方位測量很難達到所要求的精度，同時也嚴重地降低了森林調(diào)查質(zhì)量，進而影響到林業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營活動的正常進行[5]。此外，羅盤儀還具有難于架設(shè)、長度換算、坡度誤差等一系列基本問題[6]。

手持 GPS 測量由于受到衛(wèi)星星歷、接收機誤差和傳播路徑的影響，其誤差與觀測的距離無關(guān)，故手持 GPS 在小面積測量中誤差偏大[7]，且據(jù)相關(guān)資料表明，當使用手持 GPS 測量有林地、疏林地、灌木林地面積時，受林分郁閉度的影響較大。隨著林分郁閉度的增加，其影響精度也會增加，變化幅度相應(yīng)地也會增大[8]。

有學者對全站儀在林業(yè)上的應(yīng)用作了嘗試，如郭宗河、鄭進風2位學者于2001年在《測繪通報》上發(fā)表了《全站儀面積測量及其精度分析》一文，研究結(jié)果表明，全站儀可以勝任面積測量工作，同時為了提高精度，應(yīng)把全站儀安置在多邊形內(nèi)部最佳[9]。雖然全站儀測量結(jié)果精度較高，但考慮到林業(yè)上使用的實用性和可操作性[10]，特別是測區(qū)內(nèi)有林木時，需要繞邊界測量，使用全站儀既費時又費工，且投資較大，使用全站儀不太現(xiàn)實[7]。因此，全站儀很難在林業(yè)基層得到推廣應(yīng)用。

基于林業(yè)界多年來一直在使用傳統(tǒng)的森林羅盤儀，其效率精度并不高且操作與攜帶不便，另一方面是基于智能手機十分普及，智能手機均可裝備有電子指南針的高新科技及其發(fā)展態(tài)勢，盡管手機指南針技術(shù)已趨穩(wěn)定與成熟，但迄今為止，手機指南針在林業(yè)上的應(yīng)用仍未見有文獻報道，是否存在認識上的誤區(qū)，如手機指南針只是一種風水住宅的定位“神器”，或者只是一種玩具，是否精度不夠高，對此，筆者有必要將手機指南針運用到林業(yè)實際工作中去檢測檢驗，研究的目的與內(nèi)容首先在于對手機指南針在標準地中開展精度與效率測驗，然后通過調(diào)查研究，試圖在林業(yè)調(diào)查中摸索出一套行之有效的方法，能使手機指南針有效地運用在森林測量方位角及方向定位上，本研究旨在為林業(yè)調(diào)查工作摸索方法與探討經(jīng)驗。

2 手機指南針軟件的選擇

2.1 手機指南針軟件的對比分析

以目前市面上銷量較多的華為暢享9S智能手機為例，從華為應(yīng)用市場手機應(yīng)用包中可搜索到有關(guān)電子指南針的產(chǎn)品10余種，搜尋應(yīng)用商店最常見的產(chǎn)品有重力指南針、萬能指南針、地圖指南針、全能指南針等品名，逐一下載對比使用，篩選依據(jù)為測量方位的準確性、穩(wěn)定性、磁場強度為20～70μT(磁場強度為20～70μT則不需要校準)、能顯示經(jīng)緯度、海拔、可設(shè)置鎖定讀數(shù)功能等，對比分析見表1。

表1 各種手機指南針軟件性能對比

本次實驗選擇的是云石科技公司于2018年10月31日發(fā)布的版本號為3.1.12的重力指南針應(yīng)用程序，該產(chǎn)品在市場上評價優(yōu)良、界面良好、性能穩(wěn)定。

2.2 重力指南針簡介

重力指南針是Android手機的一款智能指南針應(yīng)用程序，安卓用戶可以在手機自帶的應(yīng)用商店下載并使用。該款應(yīng)用程序啟動速度快且可免費使用。重力指南針應(yīng)用程序具有指南針、地圖和水平儀3個功能，詳情界面見圖1，圖2，圖3，其中指南針功能中可以顯示經(jīng)緯度、海拔和磁場強度，此外非常簡單地顯示了度數(shù)和真北，并且可以鎖定讀數(shù)，設(shè)計較為人性化。在網(wǎng)絡(luò)無法連接的情況下指南針功能也可啟用。

3 實驗地概況

為探索真實實驗森林環(huán)境下手機指南針在森林調(diào)查中的應(yīng)用效果，本次實驗地點選擇在湖南省長沙市大山?jīng)_森林公園。該公園屬湖南省省級森林公園，公園位于長沙縣東部偏北的路口鎮(zhèn)境內(nèi)，地處北緯28°2′58″～28°24′58″，東經(jīng)113°17′31″～113°19′08″。東與瀏陽縣交界，南與長沙縣的春華鎮(zhèn)接壤，東西寬2.8 km，南北長3.5 km，土地總面積419.4 hm2，其中長沙縣林業(yè)科學研究所國有土地面積186.1 hm2，其余土地為路口鎮(zhèn)水庫管理站和路口村集體土地[11]。

實驗地屬中亞熱帶濕潤大陸性季風氣候，公園范圍由3個沖溝及桂花湖和向家沖水庫2個水體構(gòu)成，園內(nèi)森林茂密，彎多、小沖溝多，形成了特有的小氣候環(huán)境。總的氣候特征是溫和，熱量豐富，降水充沛，日照充足，四季分明，云層較多，無霜期長。

4 手機指南針在標準地調(diào)查中的應(yīng)用研究

4.1 手機指南針精度測試

4.1.1實驗方法

手機指南針在空曠地帶具有較好性能，為探究在復(fù)雜的森林環(huán)境下是否能達到森林羅盤儀的測量效果，采用手機指南針與森林羅盤儀作對比實驗，以檢驗手機指南針測量方位角的精度。

在一定點測量某一物體的方位角，分別將手機指南針與森林羅盤儀放在同一選定點觀察位置進行方位角測量與讀數(shù)，手機指南針有固定支架，固定支架采用網(wǎng)購映客手機直播三角支架(圖4)。該支架采用萬向球形云臺設(shè)計，可實現(xiàn)360°角度調(diào)節(jié)，鋁制伸縮桿可拉伸2.1 m，手機指南針與羅盤儀對照測量示意圖如圖5所示，為提高手機指南針測量精度，在試驗中采用三角尺重合指針且垂直于手機屏幕來確定三點一線，后期改進設(shè)計了一個瞄準裝置。

4.1.2資料收集

在大山?jīng)_森林公園選取4個林分作相應(yīng)的4個實驗區(qū)，分別是杉木實驗區(qū)1，杉木實驗區(qū)2，馬尾松實驗區(qū)3與馬尾松實驗區(qū)4。每個實驗區(qū)作17個選點，共68個實驗點，每個區(qū)中每個點有其林分結(jié)構(gòu)的差異性和代表性，除林分起源外，本實驗著重考慮林分郁閉度與林分徑級結(jié)構(gòu)2項因子，郁閉度分為疏(郁閉度0.2～0.39)、中(郁閉度0.4～0.69)、密(郁閉度0.7以上)3個類別，直徑結(jié)構(gòu)分為小徑材(林分平均直徑12 cm以下)、中徑材(林分平均直徑12～28 cm)與大徑材(林分平均直徑28 cm以上)3個類型。環(huán)境因子著重考慮林分坡度和下木覆蓋度。研究手機指南針在林內(nèi)是否適應(yīng)與可行性的指標是指南針磁場強度大于20μt，方位角讀數(shù)在手機靜止情況下0.5 min內(nèi)讀數(shù)穩(wěn)定，若手機靜止狀態(tài)下0.5 min內(nèi)讀數(shù)穩(wěn)定且2次讀數(shù)不超過1°，則認為本實驗過程具有效性,森林環(huán)境的適應(yīng)性指標等級為好，否則為差。在此前提下，再作羅盤儀對照實驗，分別記錄兩者觀測同一物體的方位角，并計算兩者的絕對誤差(表2)。

4.1.3資料分析

通過表2，對68個對照實驗進行分析得出絕對誤差頻率統(tǒng)計表(表3)。

1)手機指南針68個點實驗分析結(jié)果表明，手機磁場強度讀數(shù)與方位角讀數(shù)均十分穩(wěn)定，均達到好的等級，亦即適應(yīng)性指標好，不論什么環(huán)境下，林內(nèi)與空曠地手機指南針具有一致性，亦即手機指南針與林分密度、坡度、林木大小等因子無關(guān)，只與所在地磁場和大地磁場有關(guān)，手機指南針在林內(nèi)具有普適性、穩(wěn)定性和可靠性。

表2 華為暢享9S重力指南針V3.1.12與哈光DQL-12Z型森林羅盤儀精度對比

2)根據(jù)精度對比性測驗，手機指南針與羅盤儀的讀數(shù)誤差不超過±2°，最大誤差不超過±4°，誤差呈現(xiàn)正態(tài)分布，以誤差為0°的頻數(shù)最多，有27次，占39.71%(表3、圖6、圖7)。

另外，進行絕對誤差的樣本統(tǒng)計(表4)。

統(tǒng)計結(jié)果表明，手機指南針與羅盤儀的樣本誤差平均差為0.102°，絕對平均差僅差1.14°，標準差僅為1.61°，若將羅盤儀測量結(jié)果視為真實值，對68套實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，手機指南針平均精度為99.6%,作單樣本平均數(shù)的假設(shè)測驗，標本標準誤為0.201 6，計算t值為0.1029/0.2016=0.5106，查自由度DF=68-1=67，T0.05=1.996，t=0.5106<1.996，推斷：H0:μ=0，即手機指南針與羅盤儀在方位角測量誤差上無顯著差異。綜合上述分析認為，手機指南針具有羅盤儀相同的測量精度。

表3 手機指南針與羅盤儀絕對誤差頻率統(tǒng)計

圖6 手機指南針與羅盤儀對比性精度測驗

圖7 手機指南針與羅盤儀絕對誤差頻率

表4 手機指南針與羅盤儀絕對誤差樣本統(tǒng)計

4.2 手機指南針在標準地調(diào)查中與羅盤儀作對比性效率試驗

為驗證手機指南針相較于羅盤儀在森林調(diào)查中的效率，在大山?jīng)_森林公園不同林分條件下分別用手機指南針和羅盤儀配合皮尺、花桿完成了16個25 m×25 m的標準地實測實驗，分別記作1號標準地、2號標準地至16號標準地，并記錄其閉合差和完成標準地設(shè)置時間，完成人員為論文小組成員共5人，其中一人作記錄，一人操作指南針和羅盤儀，一人操作花桿，兩人操作皮尺，此次試驗不進行每木檢尺。具體研究步驟如下：

第一步：選擇標準地。選擇具有代表性的標準地，必須設(shè)置在同一林分內(nèi)，不能跨越林分，不能跨越小河、道路或伐開的調(diào)查線，設(shè)在混交林內(nèi)時，其樹種、林分密度分布應(yīng)均勻。記錄好標準地信息，確定好1號起點。

第二步：設(shè)置標準地。分別用手機指南針和羅盤儀配合皮尺、花桿進行標準地設(shè)置，要求2次設(shè)置方位角相同，保持變量單一。

第三步：記錄好標準地設(shè)置完成的工作時間和閉合差。

第四步：內(nèi)業(yè)計算與分析。

16個標準地以5號標準地和12號標準地為例，外業(yè)調(diào)查記錄表如表5，表6。

5號標準地實驗結(jié)果表明，采用手機指南針完成設(shè)置標準地的時間為25 min，采用羅盤儀完成設(shè)置標準地的時間為32 min，手機指南針效率比羅盤儀提高7 min。手機指南針的絕對閉合差為0.35 m，羅盤儀的絕對閉合差為0.41 m，手機指南針的絕對閉合差比羅盤儀小0.06 m，且兩者的相對閉合差均滿足標準地設(shè)置要求，即相對閉合差不大于1/200。

12號標準地實驗結(jié)果表明，采用手機指南針完成設(shè)置標準地的時間為42 min，采用羅盤儀完成設(shè)置標準地的時間為46 min，手機指南針效率比羅盤儀提高4 min。手機指南針的絕對閉合差為0.45 m，羅盤儀的絕對閉合差為0.44 m，手機指南針的絕對閉合差比羅盤儀大0.01 m，且兩者的相對閉合差均滿足標準地設(shè)置要求，即相對閉合差不大于1/200。

表5 手機指南針與羅盤儀效率對比(5號標準地)

表6 手機指南針與羅盤儀效率對比(12號標準地)

分別用手機指南針與羅盤儀配合花桿、皮尺設(shè)置16個標準地的效率對比如表7所示，標準地平均絕對誤差對比和平均完成時間對比分別如圖8和圖9所示。

由表7可知，在16個25 m×25 m標準地設(shè)置中，采用手機指南針設(shè)置標準地的絕對閉合差平均值為0.42 m，采用羅盤儀設(shè)置標準地的絕對閉合差平均值為0.49 m，通過對比，采用手機指南針設(shè)置標準地的絕對閉合差平均值比羅盤儀小0.07 m，采用手機指南針設(shè)置標準地的相對閉合差平均值為0.84/200，有2個標準地相對閉合差大于1/200，不符合要求，采用羅盤儀設(shè)置標準地相對閉合差平均值為0.98/200，有3個標準地相對閉合差大于1/200。在16個25 m×25 m標準地設(shè)置中，采用手機指南針平均完成時間約為34 min，采用羅盤儀平均完成時間約為38 min，采用手機指南針完成標準地設(shè)置的時間較羅盤儀縮短4 min。

表7 手機指南針與羅盤儀效率對比

由圖8可知，在16個25 m×25 m標準地設(shè)置中，僅有2個手機指南針設(shè)置標準地的相對閉合差大于羅盤儀，其余手機指南針設(shè)置標準地的閉合差皆小于羅盤儀設(shè)置標準地的閉合差。

由圖9可知，在16個25 m×25 m標準地設(shè)置中，有13個標準地手機指南針的完成設(shè)置時間低于羅盤儀，有3個標準地手機指南針的完成設(shè)置時間高于羅盤儀。

綜上所述，在符合標準地設(shè)置要求的前提下，手機指南針的效率略高于羅盤儀。

4.3 自制手機指南針改進瞄準裝置

在本次實地測量中，采用三角尺的一條邊重合指針且垂直手機屏幕來進行瞄準，為確保手機指南針的指針、人眼、被測樹木處于同一平面，減少人為誤差，提高手機指南針判定方向的精度，筆者設(shè)計了一個如圖10所示的屏幕支架配合10倍單筒望遠鏡和三腳架使用。

圖10中手機尺寸以iPhone6sPlus為例，手機屏幕支架為軟硅膠材質(zhì)，可取換，不影響手機的日常使用且對手機外形不會造成刮傷。利用該款手機屏幕支架固定10倍單筒望遠鏡，通過設(shè)計制作，將支架卡座卡在手機屏幕正中間，以保證望遠鏡與手機指南針的指針構(gòu)成的平面與手機屏幕所在平面垂直，從而確保手機指南針的指針、人眼、被測樹木三點一線。同時屏幕支架皆依據(jù)美學理論嚴格控制比例，提供給用戶最佳的美學體驗。望遠鏡與手機屏幕的連接處間隔20 mm,既不影響手機指南針屏幕讀數(shù)，也將材料成本和美學體驗結(jié)合到最佳。

望遠鏡為10倍單筒望遠鏡，與羅盤儀的鏡頭類似，鏡內(nèi)設(shè)置3條豎直線，能夠快速判別被測樹木或花桿是否與手機指南針的指針重合，作者查詢資料得知,10倍單筒望遠鏡價格30～300元不等。手機三腳架為作者查詢搜集資料所得，市場上普遍將該產(chǎn)品用于視頻直播和拍照，價格20～200元不等。整套改進瞄準裝置成本可控制在500元以內(nèi)，相較于羅盤儀的購買和維護成本，該裝置將是林業(yè)調(diào)查測量工具的一大進步。由于時間和成本有限，本產(chǎn)品尚未作出成品，若經(jīng)市場檢驗具有可推廣性，該產(chǎn)品將嘗試向市場推廣。

圖10 手機指南針改進瞄準裝置

5 結(jié)論

通過手機重力指南針V3.1.12與哈光DQL-12Z型森林羅盤儀在森林調(diào)查中進行精度、效率對比分析，研究結(jié)果表明，手機指南針不受森林環(huán)境的影響，在精度上，手機指南針方位角測量與羅盤儀測量誤差的標準差僅為1.61°，t檢驗結(jié)果表明，手機指南針與羅盤儀在方位角測量誤差上無顯著差異。結(jié)合皮尺設(shè)置16個25 m×25 m的標準地實驗中，手機指南針的平均設(shè)置完成時間為34 min，羅盤儀為38 min，手機指南針略提高工效4 min，因此，手機指南針在標準地調(diào)查中的完成效率略高于森林羅盤儀。另外，分析與探討手機指南針在林業(yè)調(diào)查中的注意事項與操作技術(shù)，創(chuàng)新性地設(shè)計了減少手機指南針使用時人為誤差的屏幕支架。由于時間和成本有限，該屏幕支架未制作成為成品，待成品制作完成后，將結(jié)合手機指南針繼續(xù)研究其如何提高精度，并研究分析手機指南針的適用性。手機指南針具有數(shù)字化快捷讀數(shù)、攜帶與操作簡便等優(yōu)點，如果手機指南針采用固定支架并安裝瞄準裝置，可替代羅盤儀成為森林標準地調(diào)查信息化、數(shù)字化工具。