智能森林罗盘仪在森林资源一类清查中的应用研究

刘献伦 ，乔洪波 ，刘佃军 ，胡海燕 ，张津涛 ，何雨菲

（1.山东省林业监测规划院，济南 250014；2.济阳县林业局，山东 济阳 251400；3.广州市休波曼智能科技有限公司，广州 510760）

国家森林资源连续清查（简称一类清查），是森林资源监测体系的重要组成部分，以省（市、区）为单位，以抽样调查理论为基础，采用固定样地调查为主进行定期实测的方法[1]。

在 《森林调查技术》[2]、《中国森林资源清查》和《第九次全国森林资源清查山东省清查操作细则》[3]中，都把森林罗盘仪作为样地测设的必备工具。在《森林调查技术》一书中，甚至用了一个整章专门讲解了罗盘仪。森林罗盘仪自从出现至今已有70余年历史，因其原理和构造所限，虽然几经改进，但是总体变化不大，无论是精度还是操控性都没有多少提高，已经不能适应林业调查技术现代化的需要。随着GPS、半导体芯片、信息技术的发展，一种新型罗盘——电子罗盘，应运而生。我们在济南市的历下区、济阳县选取了两块一类调查国定样地，从精度、效率、工作强度三个方面，对智能森林罗盘仪与森林罗盘仪在一类调查中的应用进行了对比研究。结果表明：智能森林罗盘仪达到了一类调查精度要求；其精度、效率都要高于森林罗盘仪；工作强度明显降低，在一类调查中可以取代森林罗盘仪。

1 罗盘仪

1.1 森林罗盘仪

DQL-16ZL型经纬激光罗盘仪是哈尔滨光学仪器厂有限责任公司生产的最新型号，目前在一类调查中普遍使用。因此，我们选其作为对比研究的参照。

1.2 电子罗盘仪

电子罗盘仪是随着GPS、半导体芯片、信息技术的发展，在本世纪初才发明的，它利用传感器模块测量地球磁场强度，再根据测量结果，计算被测量点的磁方位角、横滚角、俯仰角。传感器由一个三轴磁力计和一个三轴速度计组成，被封装在一个模块里，它们共同作用，来检测地球的磁场。

目前，国内生产电子罗盘仪的厂家不少。广州休波曼智能科技有限公司根据林业调查的实际需要，对电子罗盘仪进行了多次改进，推出了最新产品——TC01型智能森林罗盘仪。TC01型智能森林罗盘仪是一款集定位、定向、测距等功能于一体的产品，在国土、地质、矿产等行业应用广泛。TC01型智能森林罗盘仪配有望远镜，可以精确瞄准目标；另外还配有三脚架，对中准确，仪器稳固。因此，我们选其作为研究的对象。

1.3 罗差的测定

罗差是某一罗盘在某一区域、某一时间段使用时的固定值。李轶涛在《森林资源清查中罗差的测定与计算》[4]一文中，对罗差的概念、影响、测量、计算进行了详细叙述。这是测算罗差的传统方法，因受图纸变形、量角器刻划、人眼分辨能力等因素的影响，获取的磁方位角的理论值精度不高。王凤瑧等人在《利用亚米级GPS测量森林罗盘仪罗差的研究》[5]中，提出了一种罗差测算的新方法。这种方法获取的磁方位角的理论值精度很高，但需要高精度GPS，一般县区林业局难以进行。我们在罗差测算中获取磁方位角理论值的方法是：首先将地形图扫描成电子版；再利用遥感或者地信（地理信息系统）软件进行几何校正[6]；最后利用软件的测量工具获取磁方位角的理论值。这种方法的优点是精度高，操作简便，无需其它设备。

2 固定样地概况

为了测试结果具有代表性，我们在济南市的历下区的山区和济阳县的平原分别选取了一块一类调查国定样地。两块样地的概况见表1。

3 对比研究方法

3.1 精度

（1）磁方位角误差测定方法

在野外通视、平坦区域选取A、B两点，两点距离500米左右。采用厘米级定位精度的RTK——实时动态差分法（Real-timekinematic），测量两点坐标。首先计算AB方向的坐标方位角，再通过地形图上的方向改正角，计算AB方向的磁方位角。由于RTK的定位精度很高，这个磁方位角可以看做是AB方向的理论值。

将罗盘仪安置在A点，测量AB方向的实测磁方位角。罗盘仪的实测值减去罗差后与RTK的理论值的差值，就是罗盘仪误差。

罗盘仪误差=RTK的理论值—（罗盘仪的实测值—罗差）

磁方位角的误差必须更换地点，重复测定，取其平均。

（2）磁方位角误差

根据我们的多次重复测定，森林罗盘仪磁方位角的误差平均值是33分，智能森林罗盘仪磁方位角的误差平均值是26′。

（3）距离误差

TC01型智能森林罗盘仪具有红外激光测距功能，测距范围1～500m，最佳测距范围10～100m，最佳测距精度1/5000。但是，在逆光和强光照（中午）情况下，由于红外激光发散，测距效果不好；另外在灌木茂密和树木侧枝繁乱的林分中，如侧柏林，由于阻挡，难以使用。

3.2 效率

森林罗盘仪一次角度读数平均需要35秒，TC01型智能森林罗盘仪一次角度读数平均需要3秒。这在林分样地中，由于样木测角任务很大，TC01型智能森林罗盘仪可以明显提高工作效率。连续、重复观测森林罗盘仪角度读数，视线容易模糊。视力不好的观测员必须借助放大镜才能进行。在样木位置图的测绘中，包括瞄准、读数、记录、测距等环节，两种仪器用时相差很大，TC01型智能森林罗盘仪效率提高3倍以上，详见表2。

表1 测试样地概况表

表2 样木位置测绘用时对比表

3.3 工作强度

在样木位置图的测绘中，需要测量样木至样地某一角点的距离。传统方法是用皮尺，在树间穿行，尤其是山区，爬上爬下，工作强度很高。由于TC01型智能森林罗盘仪采用了红外激光测距，工作强度显著降低。

4 研究结果

在 《国家森林资源连续清查技术规定（2014）》中，固定样地测设精度规定：样地定位——引线方位角误差小于1度，引线距离误差小于1%；样地周界——新设或改设样地周界测量闭合差小于0.5%，复位样地周界长度误差小于1%[7]。我们的研究结果表明：TC01型智能森林罗盘仪达到了一类调查精度要求；其精度、效率都要高于森林罗盘仪，工作强度明显降低；在一类调查中可以取代森林罗盘仪。

除了传统罗盘的方位角，TC01型智能森林罗盘还可以测量横滚角、俯仰角、产状、GPS方位、当前时间、目标距离等诸多数据，它是一个多合一的产品，整体上较传统罗盘具有很大的优越性。根据我们的实际操作，主要分五个方面介绍TC01型智能森林罗盘仪的其它优点。

4.1 分辨率

TC01型智能森林罗盘仪方位角分辨率0.10°（6′），重复观测差值 0.05°（3′）；森林罗盘仪方位角分辨率 0.17°（10′），重复观测差值 0.17°（10′）。 TC01型智能森林罗盘仪方位角分辨率明显高于森林罗盘仪。

4.2 适应性

森林罗盘仪在二级风力影响下，指针明显摆动，读数困难，精度降低。TC01型智能森林罗盘仪在六级风力下读数稳定（六级风力以上主要是三脚架的晃动，造成读数略有变化）。此外，TC01型智能森林罗盘仪还具有防水、防尘能力，其适应性明显高于森林罗盘仪。

4.3 定位和导航功能

TC01型智能森林罗盘仪内嵌了全球卫星导航系统（GNSS），采用美国GPS+中国BD双定位，并且做了差分运算，使定位精度能达到亚米级，可以代替手持GPS。该罗盘仪不仅有定位功能，还有导航功能。输入目的地的坐标，该罗盘仪会根据当前所在的位置，指示用户前行方向和距离。

4.4 数据存储、导出、加密功能

电子罗盘内置了16M的FLASH芯片，用于存储数据，最多可以存储32688条数据，省去了纸质记录的麻烦。电子罗盘的侧壁有个Mini USB接口，它既是充电接口，也是数据传输接口。该Mini USB的数据线做了加密处理，颠倒了USB的D+D-两根线，普通的Mini USB线插入电脑后无法识别设备。

4.5 手机APP

为了体现罗盘的智能化优越性，TC01罗盘仪还有配套APP，这样使用者通过手机APP就可以代替手动控制罗盘仪，APP上的所有界面与罗盘仪完全相同。

5 讨论

电子罗盘仪对电子设备（如手机）、磁金属（如电线）非常敏感，水平状态对读数也有一定的影响，操作时需要注意。

现在国内有几个厂家生产电子罗盘仪，型号较多。由于时间限制，我们未对其它型号的电子罗盘仪进行研究。