手机指南针在标准地调查中的应用研究

曾文静，鄢前飞

(中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410004)

1 手机指南针概述与研究进展

指南针，其前身是司南，是用来判别方位的简单仪器，常用于大地测量、旅行、航海以及军事等各方面。目前指南针机械式产品主要用于方向辨别，风水定位，指南针与罗盘结合构成罗盘指南针又简称罗盘仪，常见的产品有森林罗盘仪、地质罗盘仪等，罗盘仪结合电子技术与传感技术有了电子罗盘仪产品。

手机指南针是智能手机中的一个硬件，也是智能手机中的一个软件，又被称为电子罗盘。手机指南针能根据手机的位置不同显示俯仰角和方位角，同时手机指南针与传统罗盘一样，可以根据地标来估计自己所处的位置，有经验的用户使用起来就如同使用GPS一样，可以控制行进方向等[1]。

根据博思数据发布的《2018-2023年中国手机电子罗盘市场分析与行业调查报告》，手机电子罗盘行业发展具有较高的成熟度，手机电子罗盘市场产业有相当的技术革新趋势，手机电子罗盘行业有很好产能及增速的发展空间[2]。

众所周知，物体空间位置信息不外乎距离与方向2个要素，林业界森林、林分与林木的空间位置信息均涉及到距离与方向2个要素。林业上已有的方位角测量工具有传统的森林罗盘仪、手持GPS和全站仪[3]。

在森林测量环境十分恶劣且极为复杂的情况下，传统的方位测量工具——森林罗盘仪很有可能由于杂灌草过密，林内的通视条件太差而使视线受阻或由于地形破碎而无法架设[4]。这样就会使得方位测量很难达到所要求的精度，同时也严重地降低了森林调查质量，进而影响到林业生产和经营活动的正常进行[5]。此外，罗盘仪还具有难于架设、长度换算、坡度误差等一系列基本问题[6]。

手持 GPS 测量由于受到卫星星历、接收机误差和传播路径的影响，其误差与观测的距离无关，故手持 GPS 在小面积测量中误差偏大[7]，且据相关资料表明，当使用手持 GPS 测量有林地、疏林地、灌木林地面积时，受林分郁闭度的影响较大。随着林分郁闭度的增加，其影响精度也会增加，变化幅度相应地也会增大[8]。

有学者对全站仪在林业上的应用作了尝试，如郭宗河、郑进风2位学者于2001年在《测绘通报》上发表了《全站仪面积测量及其精度分析》一文，研究结果表明，全站仪可以胜任面积测量工作，同时为了提高精度，应把全站仪安置在多边形内部最佳[9]。虽然全站仪测量结果精度较高，但考虑到林业上使用的实用性和可操作性[10]，特别是测区内有林木时，需要绕边界测量，使用全站仪既费时又费工，且投资较大，使用全站仪不太现实[7]。因此，全站仪很难在林业基层得到推广应用。

基于林业界多年来一直在使用传统的森林罗盘仪，其效率精度并不高且操作与携带不便，另一方面是基于智能手机十分普及，智能手机均可装备有电子指南针的高新科技及其发展态势，尽管手机指南针技术已趋稳定与成熟，但迄今为止，手机指南针在林业上的应用仍未见有文献报道，是否存在认识上的误区，如手机指南针只是一种风水住宅的定位“神器”，或者只是一种玩具，是否精度不够高，对此，笔者有必要将手机指南针运用到林业实际工作中去检测检验，研究的目的与内容首先在于对手机指南针在标准地中开展精度与效率测验，然后通过调查研究，试图在林业调查中摸索出一套行之有效的方法，能使手机指南针有效地运用在森林测量方位角及方向定位上，本研究旨在为林业调查工作摸索方法与探讨经验。

2 手机指南针软件的选择

2.1 手机指南针软件的对比分析

以目前市面上销量较多的华为畅享9S智能手机为例，从华为应用市场手机应用包中可搜索到有关电子指南针的产品10余种，搜寻应用商店最常见的产品有重力指南针、万能指南针、地图指南针、全能指南针等品名，逐一下载对比使用，筛选依据为测量方位的准确性、稳定性、磁场强度为20～70μT(磁场强度为20～70μT则不需要校准)、能显示经纬度、海拔、可设置锁定读数功能等，对比分析见表1。

表1 各种手机指南针软件性能对比

本次实验选择的是云石科技公司于2018年10月31日发布的版本号为3.1.12的重力指南针应用程序，该产品在市场上评价优良、界面良好、性能稳定。

2.2 重力指南针简介

重力指南针是Android手机的一款智能指南针应用程序，安卓用户可以在手机自带的应用商店下载并使用。该款应用程序启动速度快且可免费使用。重力指南针应用程序具有指南针、地图和水平仪3个功能，详情界面见图1，图2，图3，其中指南针功能中可以显示经纬度、海拔和磁场强度，此外非常简单地显示了度数和真北，并且可以锁定读数，设计较为人性化。在网络无法连接的情况下指南针功能也可启用。

3 实验地概况

为探索真实实验森林环境下手机指南针在森林调查中的应用效果，本次实验地点选择在湖南省长沙市大山冲森林公园。该公园属湖南省省级森林公园，公园位于长沙县东部偏北的路口镇境内，地处北纬28°2′58″～28°24′58″，东经113°17′31″～113°19′08″。东与浏阳县交界，南与长沙县的春华镇接壤，东西宽2.8 km，南北长3.5 km，土地总面积419.4 hm2，其中长沙县林业科学研究所国有土地面积186.1 hm2，其余土地为路口镇水库管理站和路口村集体土地[11]。

实验地属中亚热带湿润大陆性季风气候，公园范围由3个冲沟及桂花湖和向家冲水库2个水体构成，园内森林茂密，弯多、小冲沟多，形成了特有的小气候环境。总的气候特征是温和，热量丰富，降水充沛，日照充足，四季分明，云层较多，无霜期长。

4 手机指南针在标准地调查中的应用研究

4.1 手机指南针精度测试

4.1.1实验方法

手机指南针在空旷地带具有较好性能，为探究在复杂的森林环境下是否能达到森林罗盘仪的测量效果，采用手机指南针与森林罗盘仪作对比实验，以检验手机指南针测量方位角的精度。

在一定点测量某一物体的方位角，分别将手机指南针与森林罗盘仪放在同一选定点观察位置进行方位角测量与读数，手机指南针有固定支架，固定支架采用网购映客手机直播三角支架(图4)。该支架采用万向球形云台设计，可实现360°角度调节，铝制伸缩杆可拉伸2.1 m，手机指南针与罗盘仪对照测量示意图如图5所示，为提高手机指南针测量精度，在试验中采用三角尺重合指针且垂直于手机屏幕来确定三点一线，后期改进设计了一个瞄准装置。

4.1.2资料收集

在大山冲森林公园选取4个林分作相应的4个实验区，分别是杉木实验区1，杉木实验区2，马尾松实验区3与马尾松实验区4。每个实验区作17个选点，共68个实验点，每个区中每个点有其林分结构的差异性和代表性，除林分起源外，本实验着重考虑林分郁闭度与林分径级结构2项因子，郁闭度分为疏(郁闭度0.2～0.39)、中(郁闭度0.4～0.69)、密(郁闭度0.7以上)3个类别，直径结构分为小径材(林分平均直径12 cm以下)、中径材(林分平均直径12～28 cm)与大径材(林分平均直径28 cm以上)3个类型。环境因子着重考虑林分坡度和下木覆盖度。研究手机指南针在林内是否适应与可行性的指标是指南针磁场强度大于20μt，方位角读数在手机静止情况下0.5 min内读数稳定，若手机静止状态下0.5 min内读数稳定且2次读数不超过1°，则认为本实验过程具有效性,森林环境的适应性指标等级为好，否则为差。在此前提下，再作罗盘仪对照实验，分别记录两者观测同一物体的方位角，并计算两者的绝对误差(表2)。

4.1.3资料分析

通过表2，对68个对照实验进行分析得出绝对误差频率统计表(表3)。

1)手机指南针68个点实验分析结果表明，手机磁场强度读数与方位角读数均十分稳定，均达到好的等级，亦即适应性指标好，不论什么环境下，林内与空旷地手机指南针具有一致性，亦即手机指南针与林分密度、坡度、林木大小等因子无关，只与所在地磁场和大地磁场有关，手机指南针在林内具有普适性、稳定性和可靠性。

表2 华为畅享9S重力指南针V3.1.12与哈光DQL-12Z型森林罗盘仪精度对比

2)根据精度对比性测验，手机指南针与罗盘仪的读数误差不超过±2°，最大误差不超过±4°，误差呈现正态分布，以误差为0°的频数最多，有27次，占39.71%(表3、图6、图7)。

另外，进行绝对误差的样本统计(表4)。

统计结果表明，手机指南针与罗盘仪的样本误差平均差为0.102°，绝对平均差仅差1.14°，标准差仅为1.61°，若将罗盘仪测量结果视为真实值，对68套实验数据进行统计，手机指南针平均精度为99.6%,作单样本平均数的假设测验，标本标准误为0.201 6，计算t值为0.1029/0.2016=0.5106，查自由度DF=68-1=67，T0.05=1.996，t=0.5106<1.996，推断：H0:μ=0，即手机指南针与罗盘仪在方位角测量误差上无显著差异。综合上述分析认为，手机指南针具有罗盘仪相同的测量精度。

表3 手机指南针与罗盘仪绝对误差频率统计

图6 手机指南针与罗盘仪对比性精度测验

图7 手机指南针与罗盘仪绝对误差频率

表4 手机指南针与罗盘仪绝对误差样本统计

4.2 手机指南针在标准地调查中与罗盘仪作对比性效率试验

为验证手机指南针相较于罗盘仪在森林调查中的效率，在大山冲森林公园不同林分条件下分别用手机指南针和罗盘仪配合皮尺、花杆完成了16个25 m×25 m的标准地实测实验，分别记作1号标准地、2号标准地至16号标准地，并记录其闭合差和完成标准地设置时间，完成人员为论文小组成员共5人，其中一人作记录，一人操作指南针和罗盘仪，一人操作花杆，两人操作皮尺，此次试验不进行每木检尺。具体研究步骤如下：

第一步：选择标准地。选择具有代表性的标准地，必须设置在同一林分内，不能跨越林分，不能跨越小河、道路或伐开的调查线，设在混交林内时，其树种、林分密度分布应均匀。记录好标准地信息，确定好1号起点。

第二步：设置标准地。分别用手机指南针和罗盘仪配合皮尺、花杆进行标准地设置，要求2次设置方位角相同，保持变量单一。

第三步：记录好标准地设置完成的工作时间和闭合差。

第四步：内业计算与分析。

16个标准地以5号标准地和12号标准地为例，外业调查记录表如表5，表6。

5号标准地实验结果表明，采用手机指南针完成设置标准地的时间为25 min，采用罗盘仪完成设置标准地的时间为32 min，手机指南针效率比罗盘仪提高7 min。手机指南针的绝对闭合差为0.35 m，罗盘仪的绝对闭合差为0.41 m，手机指南针的绝对闭合差比罗盘仪小0.06 m，且两者的相对闭合差均满足标准地设置要求，即相对闭合差不大于1/200。

12号标准地实验结果表明，采用手机指南针完成设置标准地的时间为42 min，采用罗盘仪完成设置标准地的时间为46 min，手机指南针效率比罗盘仪提高4 min。手机指南针的绝对闭合差为0.45 m，罗盘仪的绝对闭合差为0.44 m，手机指南针的绝对闭合差比罗盘仪大0.01 m，且两者的相对闭合差均满足标准地设置要求，即相对闭合差不大于1/200。

表5 手机指南针与罗盘仪效率对比(5号标准地)

表6 手机指南针与罗盘仪效率对比(12号标准地)

分别用手机指南针与罗盘仪配合花杆、皮尺设置16个标准地的效率对比如表7所示，标准地平均绝对误差对比和平均完成时间对比分别如图8和图9所示。

由表7可知，在16个25 m×25 m标准地设置中，采用手机指南针设置标准地的绝对闭合差平均值为0.42 m，采用罗盘仪设置标准地的绝对闭合差平均值为0.49 m，通过对比，采用手机指南针设置标准地的绝对闭合差平均值比罗盘仪小0.07 m，采用手机指南针设置标准地的相对闭合差平均值为0.84/200，有2个标准地相对闭合差大于1/200，不符合要求，采用罗盘仪设置标准地相对闭合差平均值为0.98/200，有3个标准地相对闭合差大于1/200。在16个25 m×25 m标准地设置中，采用手机指南针平均完成时间约为34 min，采用罗盘仪平均完成时间约为38 min，采用手机指南针完成标准地设置的时间较罗盘仪缩短4 min。

表7 手机指南针与罗盘仪效率对比

由图8可知，在16个25 m×25 m标准地设置中，仅有2个手机指南针设置标准地的相对闭合差大于罗盘仪，其余手机指南针设置标准地的闭合差皆小于罗盘仪设置标准地的闭合差。

由图9可知，在16个25 m×25 m标准地设置中，有13个标准地手机指南针的完成设置时间低于罗盘仪，有3个标准地手机指南针的完成设置时间高于罗盘仪。

综上所述，在符合标准地设置要求的前提下，手机指南针的效率略高于罗盘仪。

4.3 自制手机指南针改进瞄准装置

在本次实地测量中，采用三角尺的一条边重合指针且垂直手机屏幕来进行瞄准，为确保手机指南针的指针、人眼、被测树木处于同一平面，减少人为误差，提高手机指南针判定方向的精度，笔者设计了一个如图10所示的屏幕支架配合10倍单筒望远镜和三脚架使用。

图10中手机尺寸以iPhone6sPlus为例，手机屏幕支架为软硅胶材质，可取换，不影响手机的日常使用且对手机外形不会造成刮伤。利用该款手机屏幕支架固定10倍单筒望远镜，通过设计制作，将支架卡座卡在手机屏幕正中间，以保证望远镜与手机指南针的指针构成的平面与手机屏幕所在平面垂直，从而确保手机指南针的指针、人眼、被测树木三点一线。同时屏幕支架皆依据美学理论严格控制比例，提供给用户最佳的美学体验。望远镜与手机屏幕的连接处间隔20 mm,既不影响手机指南针屏幕读数，也将材料成本和美学体验结合到最佳。

望远镜为10倍单筒望远镜，与罗盘仪的镜头类似，镜内设置3条竖直线，能够快速判别被测树木或花杆是否与手机指南针的指针重合，作者查询资料得知,10倍单筒望远镜价格30～300元不等。手机三脚架为作者查询搜集资料所得，市场上普遍将该产品用于视频直播和拍照，价格20～200元不等。整套改进瞄准装置成本可控制在500元以内，相较于罗盘仪的购买和维护成本，该装置将是林业调查测量工具的一大进步。由于时间和成本有限，本产品尚未作出成品，若经市场检验具有可推广性，该产品将尝试向市场推广。

图10 手机指南针改进瞄准装置

5 结论

通过手机重力指南针V3.1.12与哈光DQL-12Z型森林罗盘仪在森林调查中进行精度、效率对比分析，研究结果表明，手机指南针不受森林环境的影响，在精度上，手机指南针方位角测量与罗盘仪测量误差的标准差仅为1.61°，t检验结果表明，手机指南针与罗盘仪在方位角测量误差上无显著差异。结合皮尺设置16个25 m×25 m的标准地实验中，手机指南针的平均设置完成时间为34 min，罗盘仪为38 min，手机指南针略提高工效4 min，因此，手机指南针在标准地调查中的完成效率略高于森林罗盘仪。另外，分析与探讨手机指南针在林业调查中的注意事项与操作技术，创新性地设计了减少手机指南针使用时人为误差的屏幕支架。由于时间和成本有限，该屏幕支架未制作成为成品，待成品制作完成后，将结合手机指南针继续研究其如何提高精度，并研究分析手机指南针的适用性。手机指南针具有数字化快捷读数、携带与操作简便等优点，如果手机指南针采用固定支架并安装瞄准装置，可替代罗盘仪成为森林标准地调查信息化、数字化工具。