吳向榮，李郅明，黃錦龍，賈峰，余肖翰，劉曉春（.國家海洋局廈門海洋預(yù)報臺，福建廈門36000；.蘇州市數(shù)字城市工程研究中心有限公司，江蘇蘇州5000）

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海洋水動力數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品三維可視化表達(dá)探討

吳向榮1，李郅明1，黃錦龍1，賈峰1，余肖翰1，劉曉春2
（1.國家海洋局廈門海洋預(yù)報臺，福建廈門361000；2.蘇州市數(shù)字城市工程研究中心有限公司，江蘇蘇州215000）

摘要：利用可視化及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了海洋預(yù)報結(jié)果三維可視化，將數(shù)值預(yù)報結(jié)果所要表達(dá)的內(nèi)容以直觀的三維形式展示出來，提供一個直觀、生動、動態(tài)、逼真且多方位、多角度預(yù)報結(jié)果展示平臺，并通過對海洋水動力要素(海浪、潮位、海流)可視化表達(dá)方法探討分析，說明海洋預(yù)報三維可視化研究具有廣闊的應(yīng)用前景，必將成為海洋預(yù)報結(jié)果展示發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)值預(yù)報；虛擬現(xiàn)實；虛擬海洋環(huán)境；可視化

1　引言

海洋環(huán)境預(yù)報、海洋災(zāi)害預(yù)警服務(wù)是以實時海洋觀測資料為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)為手段，對未來海洋環(huán)境演變做出預(yù)測，并且對即將可能發(fā)生的海洋災(zāi)害做出預(yù)警。海洋環(huán)境預(yù)報、海洋災(zāi)害預(yù)警服務(wù)為協(xié)助海洋行政主管部門在海洋防災(zāi)減災(zāi)工作方面提供了科技支撐，提高了海洋職能部門的決策能力，極大地降低了海洋災(zāi)害給社會經(jīng)濟(jì)造成的損失，保障人民生命、財產(chǎn)安全。

但是，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，當(dāng)前的海洋環(huán)境預(yù)報和海洋災(zāi)害預(yù)警服務(wù)已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，尤其是海洋環(huán)境預(yù)報產(chǎn)品以及海洋環(huán)境預(yù)警信息二維形式表達(dá)，在刻畫復(fù)雜海洋環(huán)境及海洋環(huán)境要素時空關(guān)系方面存在不足，給政府職能部門和海洋管理部門的使用帶來不便，同時也不利于普通大眾對海洋數(shù)值預(yù)報信息的認(rèn)知，阻礙了海洋數(shù)值預(yù)報信息的普及。

三維可視化技術(shù)為海洋數(shù)值預(yù)報要素的表達(dá)提供了新的發(fā)展方向，愈來愈多的研究者開始探索如何將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于海洋環(huán)境要素的分析、處理與表達(dá)，這也是海洋環(huán)境和信息多維動態(tài)可視化研究的熱點之一。目前，海洋要素的三維可視化研究主要體現(xiàn)在海岸帶場景建模、海浪等要素的三維模擬等方面。如Damien等研究了一種自適應(yīng)網(wǎng)格模型來生成海面效果，并將PM譜與Gerstner模型相結(jié)合從而生成深海波浪[1]；Pozzer等研究了如何采用凹凸紋理映射方法來對海浪進(jìn)行建模的方法，最終利用固體空間動畫技術(shù)對海浪進(jìn)行三維動畫模擬[2]；王勝正在構(gòu)建了一個新穎的海浪模擬架構(gòu)基礎(chǔ)上，研究了一個基于統(tǒng)計模型與FFT的波浪生成方法[3]；Google也于2009年初推出了可以大范圍展現(xiàn)海底地形的Google Ocean[4]。但是，這些研究主要是面向海洋環(huán)境或單一要素的可視化，且功能較為單一，沒有將海洋水動力多要素集成進(jìn)來。另外，基于真實數(shù)據(jù)場的數(shù)值預(yù)報三維可視化研究還相對較少，鮮有基于三維技術(shù)構(gòu)建海洋預(yù)報信息可視化產(chǎn)品的案例。為解決現(xiàn)有數(shù)值預(yù)報結(jié)果單一、抽象的局限性，本文對海洋預(yù)報三維可視化進(jìn)行了初探，將三維可視化技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于海洋預(yù)報工作中，以數(shù)值預(yù)報結(jié)果作為水動力要素本底數(shù)據(jù)，通過可視化模型計算，模擬海洋真實場景（海面起伏、潮漲潮落、礁石岸線淹沒等），并利用三維建模技術(shù)再現(xiàn)海岸和海面景觀，最終加上實際光照條件下的光影效果，將實時動態(tài)的海洋場景與靜態(tài)的岸邊景物相結(jié)合，模擬展示預(yù)報結(jié)果，為決策部門和廣大市民提供一個直觀、生動、動態(tài)、逼真且多方位、多角度的預(yù)報結(jié)果展示平臺。

2　關(guān)鍵技術(shù)

海洋水動力數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品三維可視化將科學(xué)可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，在虛擬地理環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品科學(xué)可視化，并支持交互式操作，在對預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)可視化同時，還增強(qiáng)了用戶的沉浸感。

目前大多數(shù)的海洋數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品表達(dá)主要是以二維圖形方法進(jìn)行展現(xiàn)，輔助以經(jīng)緯度網(wǎng)格線和簡單的二維地圖作為背景。本文探討不只是將海洋現(xiàn)象的科學(xué)可視化從二維提升到三維，而且還引入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建了三維虛擬地理環(huán)境，同時又增加了時間維，將各項預(yù)報信息按時間進(jìn)行動態(tài)顯示。

2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

基于三維可視化技術(shù)，同時結(jié)合海岸帶高程數(shù)據(jù)、海岸帶及近岸遙感影像數(shù)據(jù)、岸線數(shù)據(jù)、水深地形數(shù)據(jù)等，研究構(gòu)建海岸帶三維地形與海洋水體環(huán)境的方法，并選擇典型的海岸陸地景觀（如房屋、道路、綠地等）建立三維模型，構(gòu)建出虛擬的近海海洋三維場景要素，以生成一個逼真的海洋虛擬環(huán)境。

三維海洋環(huán)境建模在海洋預(yù)報中起著重要的作用，通過基于數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）構(gòu)建海岸帶模型，可以準(zhǔn)確地模擬海水對海岸線及陸地的淹沒情況，從而為海洋災(zāi)害預(yù)防和減災(zāi)提供定量定性的輔助決策服務(wù)。

2.2數(shù)據(jù)場的可視化映射技術(shù)

海洋預(yù)報產(chǎn)品可視化系統(tǒng)主要研究在三維虛擬地理環(huán)境中實現(xiàn)對海洋數(shù)據(jù)的科學(xué)可視化，幫助用戶理解那些錯綜復(fù)雜且以規(guī)模龐大的數(shù)字形式呈現(xiàn)的海洋現(xiàn)象。

由于系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)是以NetCDF格式輸出的數(shù)值預(yù)報結(jié)果數(shù)據(jù)集，所以需要先將這些數(shù)據(jù)集處理為三維空間數(shù)據(jù)場模型，然后實現(xiàn)對三維數(shù)據(jù)場的可視化。這需要對數(shù)值預(yù)報模擬模型生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，針對每種數(shù)據(jù)的特點進(jìn)行數(shù)據(jù)集的自適應(yīng)歸一化處理；結(jié)合不同的海洋要素可視化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，形成幾何數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)；再利用OpenGL繪制三維場景，將不同時刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)加載，從而實現(xiàn)動態(tài)顯示。

3　海洋水動力要素仿真探討

以基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、海岸帶及近岸高程數(shù)據(jù)、水深地形數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，以海洋水動力數(shù)值模式輸出信息產(chǎn)品為支撐，引入實時三維可視化技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建出虛擬的海洋場景要素，搭建逼真的基于真實海洋地理信息數(shù)據(jù)的交互式三維海洋虛擬環(huán)境，探討海洋水動力要素可視化方法，包括海浪、潮位、海流等海洋要素的展示。分析海洋數(shù)值模式輸出數(shù)據(jù)格式，再通過OpenGL三維可視化技術(shù)，構(gòu)建海面網(wǎng)格，進(jìn)行海洋環(huán)境要素建模，網(wǎng)格賦值、添加紋理渲染，從而將抽象、難于理解的海洋水動力數(shù)值預(yù)報結(jié)果以三維圖形圖像的形式予以展示（見圖1）。

圖1　系統(tǒng)框架圖

3.1海洋場景可視化建模

三維海洋場景的虛擬建模主要包括海洋地理環(huán)境數(shù)據(jù)處理和利用獲得的信息進(jìn)行三維建模兩個重要部分。本文研究的三維海洋虛擬場景的建模需要獲得海岸帶的坐標(biāo)、高程和重要場景信息并對其進(jìn)行預(yù)處理。對擬建模的海洋地理環(huán)境進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，包括DEM數(shù)據(jù)、戶外紋理采集等。利用DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建出三維地形模型；戶外采集的地物紋理經(jīng)過處理后用于構(gòu)建三維實體模型，包括建筑物、道路、林木等實體模型共同組成地物模型集；將地物模型和三維地形進(jìn)行匹配，并運(yùn)用此數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何網(wǎng)格建模，為紋理映射做準(zhǔn)備；同時結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)和實地圖像數(shù)據(jù)，與幾何網(wǎng)格互相匹配形成最終的三維海洋場景模型。該場景可以直觀清晰的展現(xiàn)地形的起伏情況以及城市建筑物的分布情況，從而可以更準(zhǔn)確地模擬出海洋預(yù)報結(jié)果的參照物，為海洋災(zāi)害預(yù)防和減災(zāi)提供輔助決策服務(wù)（見圖2）。

在構(gòu)建三維地形模型中，可采用GRID格式的DEM或TIN格式的DEM。由于本系統(tǒng)建模地區(qū)面積不大，為了較好的表現(xiàn)復(fù)雜地形，在綜合研究后，最終選擇采用TIN格式的DEM來構(gòu)建三維地形模型。TIN數(shù)據(jù)能充分利用地貌的點、線來較好地表示復(fù)雜地形，并可根據(jù)實地情況和不同地形選取合適的采樣點個數(shù)，有效地進(jìn)行地形分析和繪制立體圖。但其數(shù)據(jù)存儲與操作復(fù)雜，一般適于表示較小區(qū)域的高精度地形，而且在模型構(gòu)造和紋理映射上也會耗費(fèi)大量計算時間。但近年來計算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展迅速，多數(shù)支持圖形顯示的硬件都對三角網(wǎng)構(gòu)建進(jìn)行了優(yōu)化，在TIN數(shù)據(jù)的快速生成、壓縮存儲以及應(yīng)用等方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。

3.2海洋水動力數(shù)值預(yù)報結(jié)果可視化

探討海洋水動力要素可視化模擬方法（包括海浪模擬、潮位模擬和海流模擬），分析數(shù)值預(yù)報模式輸出格式，探索海洋水動力要素數(shù)值模式模擬結(jié)果可視化的方法并予以實現(xiàn)，借助三維可視化技術(shù)將難理解的、抽象的海洋水動力數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)通過三維圖形、圖像等表達(dá)形式進(jìn)行展示。

3.2.1海浪可視化

海浪三維可視化的基本過程是：首先對海浪數(shù)值模式輸出的預(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后提取海浪點，并構(gòu)建海面網(wǎng)格；再利用海浪譜，構(gòu)建海浪波；進(jìn)而對海面進(jìn)行紋理映射及光照處理，渲染后即可得到海浪的可視化結(jié)果。最后利用OpenGL繪制三維場景，將時間作為另外一維加入，通過迭代更新網(wǎng)格點的參數(shù)值，得到海浪的動態(tài)表示。主要步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)處理

為了減少數(shù)據(jù)冗余，提高效率，將海浪場預(yù)報的樣本數(shù)據(jù)沿地形范圍截??；同時將海浪場的坐標(biāo)與海洋場景地理環(huán)境坐標(biāo)統(tǒng)一至同一坐標(biāo)系統(tǒng)，并根據(jù)浪高值，將海洋點和陸地點區(qū)分開，提取海浪點。

（2）構(gòu)建海面網(wǎng)格

本文采用基于視點的多分辨率劃分的網(wǎng)格模型[5]來構(gòu)建海面網(wǎng)格，其基本思想是：以觀察者的視點作參照點，距離參照點近的地方分辨率較高，距離參照點遠(yuǎn)的地方分辨率劃分較低。整個海面可以劃分成大量平鋪不等的正方形，由于網(wǎng)格隨著視點移動而變化，避免了對無窮海域的剪裁，節(jié)省存儲空間。如何把握網(wǎng)格劃分粒度則需要在實驗中反復(fù)測試，在實時性和真實感之間選取最佳效果。使用基于視點的多分辨率網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)對海面進(jìn)行繪制，它能基于視點實時高效的生成多層次網(wǎng)格，離視點近的海面劃分的網(wǎng)格小，數(shù)目多，相反離視點遠(yuǎn)的海面劃分的網(wǎng)格大，數(shù)目就少。這樣視點近處的海面就呈現(xiàn)出較好的真實感，視點遠(yuǎn)處的海面被自動地進(jìn)行了平滑。所以采用基于視點原理的不規(guī)則網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繪制海浪，當(dāng)視點變化移動時，海浪的繪制速度和逼真度并不會降低，也沒有明顯的圖像跳躍現(xiàn)象。該方法由于采用多層不規(guī)則網(wǎng)格，計算量相對較小，通過鼠標(biāo)、鍵盤實時選取控制模擬區(qū)域，便于實現(xiàn)。

（3）海浪建模

海浪模型的建立是海浪模擬的基礎(chǔ)，它很大程度上決定了海浪模擬效果的優(yōu)劣。目前，常用的海浪建模方法主要有：基于動力模型、基于幾何造型、基于海浪譜和基于粒子系統(tǒng)4種。綜合考慮效率和效果兩個指標(biāo)，選擇基于海浪譜建模方法。

海浪譜又稱為“能量譜”，是用來表示作為隨機(jī)過程的海浪的能量與各組成波的分布關(guān)系。海浪譜通常根據(jù)定點波剖面記錄，通過特殊的譜分析方法計算得到?；诤＠俗V的建模方法采用適當(dāng)?shù)暮＠俗V反演方法模擬海浪，通常采用線性迭加法。這種方法概念清晰，計算快速方便，且模擬結(jié)果和海浪譜比較吻合，利用率較高。目前，F(xiàn)FT方法（快速傅利葉變換）是線性疊加法中應(yīng)用較多的。基于海浪譜建模方法的核心思想是模擬生成一個與真實海面有相同譜性的高度場。而通過FFT則可以合成一個類似海浪譜分布的高度場?；贔FT變化的海浪模擬，是眾多海浪模擬方法中效果比較逼真的一種模擬方法。且與基于動力模型方法比較起來，其計算量小，更適合實時虛擬海浪的生成，具有一定真實性。

（4）海浪渲染

如果只通過波高來表現(xiàn)海浪的起伏，形成的動態(tài)海面只是一個粗糙的輪廓，缺乏真實感，為了生成更加逼真的海浪，必須對海浪模型進(jìn)行實時渲染，即添加海面紋理，進(jìn)行紋理映射及光照處理等海浪渲染手段，才可得到逼真的海浪可視化效果。同時利用OpenGL技術(shù)繪制三維場景，將時間作為另外一維加入，主要表現(xiàn)為海浪場預(yù)報數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示和更新。從而可以通過迭代更新網(wǎng)格點的參數(shù)值，得到海浪的動態(tài)表示（見圖3）。

圖2　地形和建筑物可視化

圖3　海浪可視化效果展示

3.2.2潮位可視化

潮位的變化，描述的是海洋表面高度周期性的漲落現(xiàn)象。潮位的可視化著重表現(xiàn)海洋漲落潮過程的起伏形態(tài)，對潮間帶沙灘、巖石、堤防等淹沒程度及范圍的變化過程，并添加各種光照效果以營造出較真實的場景。潮位模擬可視化實現(xiàn)的過程為：

（1）數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)一高程：由于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)高程采用的是85黃零，模擬潮位數(shù)據(jù)需統(tǒng)一到85黃零高程基面。

高、低潮處理：潮位數(shù)據(jù)包括整點數(shù)據(jù)以及高、低潮數(shù)據(jù)。高、低潮數(shù)據(jù)代表著一天中海面高度漲落的極值現(xiàn)象，不可忽略，為了能夠?qū)⒏?、低潮?zhǔn)確地體現(xiàn)出來，將高、低潮數(shù)據(jù)按時間填充到整點的潮位數(shù)據(jù)中。

潮位網(wǎng)格賦值：建立潮位網(wǎng)格，網(wǎng)格坐標(biāo)采用與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一的坐標(biāo)系。

（2）潮位可視化方法

潮位網(wǎng)格賦值完成后，基于潮位值構(gòu)建海面網(wǎng)格，并添加紋理進(jìn)行渲染，從而得到海面的表達(dá)。然后隨著時間變化將海面的高度按照潮位值進(jìn)行變化，從而達(dá)到潮位的三維可視化。

（3）動態(tài)顯示

將整點時間和高潮時刻潮位情景按順序連續(xù)顯示，實現(xiàn)動態(tài)效果，并實時顯示預(yù)報時間、潮位值及高、低潮等信息（見圖4）。

3.3.3海流可視化

海流屬于流體的運(yùn)動，是海水在海洋中的流動。對于流體的運(yùn)動，現(xiàn)實中是無法直觀表現(xiàn)的。流體的運(yùn)動在計算機(jī)實現(xiàn)方面，計算機(jī)是要通過圖形來表現(xiàn)可見物的，不可見的流體需要借助其他符號或物體來表現(xiàn)。在傳統(tǒng)的預(yù)報中，流場通過歐拉法的靜態(tài)圖像進(jìn)行展示，使用符號和顏色表達(dá)。對于海流的表現(xiàn)形式，本研究采用幾何體——三維箭頭的方式，用箭頭的方向指示海流的方向，箭頭的長度與流速大小成比例，顏色表達(dá)流速的大小。

目前在動態(tài)顯示方面，基于歐拉法的流場無法表現(xiàn)出海水運(yùn)動位置變化以及海水運(yùn)動等效果。為提高流場運(yùn)動模擬的真實效果，本研究采用拉格朗日法追蹤流體中各質(zhì)點的運(yùn)動過程，從而展現(xiàn)流體中各水質(zhì)點隨時間變化的運(yùn)動軌跡及其運(yùn)動速度和方向。具體做法為通過Delaunays三角形化方法實現(xiàn)網(wǎng)格自動剖分和局部加密網(wǎng)格將流場劃分生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在流場中布設(shè)一定量水質(zhì)點作為跟蹤目標(biāo)，采用射線尋址掃描的方法來尋找質(zhì)點運(yùn)動的位置，經(jīng)轉(zhuǎn)換及函數(shù)插值算法，著重對流速矢量分布進(jìn)行合理地控制及流場幾何邊界的處理，以矢量箭頭表示當(dāng)前時刻的流速和流向，隨著時間的推移，跟蹤所有水質(zhì)點的位置變化，從而營造出海流運(yùn)動以及海水輻聚、輻散等效果（見圖5）。

圖4　潮汐可視化效果展示

圖5　海流可視化效果展示

4　結(jié)論與展望

本研究利用三維可視化技術(shù)，構(gòu)建基于真實地理數(shù)據(jù)的虛擬海洋場景，探討了海洋水動力要素可視化展示方法，通過浪、潮、流的可視化將海洋水動力數(shù)值預(yù)報結(jié)果所要表達(dá)的內(nèi)容以直觀的三維形式展示出來。本文研究的海洋水動力數(shù)值預(yù)報結(jié)果三維可視化是海洋預(yù)報三維可視化展示的一次有效嘗試，但是由于預(yù)報模式網(wǎng)格空間分辨率較粗，數(shù)據(jù)稀疏且變化不大，無法細(xì)致體現(xiàn)出局部變化情況。因受計算能力的限制，同時考慮到用戶的操作等待時間不能過長，部分可視化模塊的實現(xiàn)只能選擇計算相對簡單的仿真技術(shù)，如果為了追求逼真度，需大規(guī)模、頻繁地使用如粒子系統(tǒng)等復(fù)雜的仿真技術(shù)，其計算量將急劇增長，這對仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響是災(zāi)難性的。因此本研究不管是在數(shù)值預(yù)報的精細(xì)化程度和準(zhǔn)確率上，還是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用上，都有很大的提升空間。

隨著科技的發(fā)展海洋預(yù)報三維可視化必將是未來預(yù)報的發(fā)展趨勢，其應(yīng)用前景是廣闊的。用三維場景來展示預(yù)報，使得數(shù)值預(yù)報的計算結(jié)果一目了然，并且預(yù)報數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)作比對，實時視頻與模擬場景作進(jìn)一步參照，將使海洋預(yù)報三維可視化系統(tǒng)成為一個直觀、生動、動態(tài)、逼真且多方位、多角度的預(yù)報結(jié)果展示平臺。

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Discussion for marine forecast 3-D visualization

WU Xiang-rong1, LI Zhi-ming1, HUANG Jin-long1, JIAFeng1, YU Xiao-han1, LIU Xiao-chun2
(1. Xiamen Marine Forecast Station of SOA, Xiamen 361008 China; 2. Suzhou Digital City Engineering Research Center Co.,LTD, Suzhou 215000 China)

Abstract：Based on the visualization and virtual reality technology, the marine forecast results shown in a 3D visualization way are realized. The expression of numerical prediction results in the form of 3D intuitively could provide the public an intuitive, vivid, dynamic, realistic and multi-faceted, multi-angle forecasting results showing platform. Through discussion of the visual display method of marine hydrodynamic elements including wave, tide, currents and so on, it illustrate 3D visualization research of marine forecast has a board application prospect, and will certainly become the trend of marine forecast results show.

Key words：numerical forecast; virtual reality; virtual marine environment; visualization

作者簡介：吳向榮（1974-），女，高級工程師，碩士研究生，主要從事海洋觀測預(yù)報工作。E-mail：wxr_xm@163.com

基金項目：國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項（201005036）

收稿日期：2014-06-11

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.012

中圖分類號：P317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）02-0079-06