基于TM數(shù)據(jù)的地下煤火區(qū)地表溫度反演與驗(yàn)證

姬洪亮，塔西甫拉提·特依拜，蔡忠勇，師慶東，魏 軍，夏 軍

(1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830006;2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046;4.新疆煤田滅火工程局，烏魯木齊 830000)

基于TM數(shù)據(jù)的地下煤火區(qū)地表溫度反演與驗(yàn)證

姬洪亮1，塔西甫拉提·特依拜2，3，蔡忠勇4，師慶東2，3，魏 軍4，夏 軍2，3

(1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830006;2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046;4.新疆煤田滅火工程局，烏魯木齊 830000)

以新疆維吾爾自治區(qū)水西溝火區(qū)為例，利用與Landsat 5衛(wèi)星2011年7月31日過(guò)境同時(shí)段的紅外輻射計(jì)地表溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)多種方法獲取了像元尺度的地表溫度實(shí)測(cè)值，并對(duì)基于TM數(shù)據(jù)反演地表溫度的單窗算法、普適性單通道算法和Weng算法得到的地下煤火區(qū)地表溫度進(jìn)行對(duì)比分析與驗(yàn)證。結(jié)果表明，3種遙感反演算法得到的水西溝地下煤火區(qū)地表溫度的空間分布趨勢(shì)一致，其中，單窗算法與普適性單通道算法較為接近，研究區(qū)整體的平均地表溫度差值為1.60℃。與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，3種反演算法結(jié)果均低于地表溫度實(shí)測(cè)值。其中，普適性單通道算法與地面實(shí)測(cè)值一致性最好，決定系數(shù)R2為0.886，均方差為1.48℃，其反演結(jié)果符合地下煤火區(qū)溫度的空間分布規(guī)律，高溫異常區(qū)范圍明顯;反演結(jié)果符合要求，在地下煤火區(qū)地表溫度獲取中具有一定的適用性，為提升新疆地下煤火區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)能力選擇了有效方法。

地下煤火;地表溫度;反演;驗(yàn)證;算法

0 引言

地下煤火是指在自然條件下的煤體與空氣接觸后，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從氧化自燃到劇烈燃燒后形成一定規(guī)模，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響的煤自燃現(xiàn)象［1］。地下煤層自燃引發(fā)的煤田火災(zāi)已經(jīng)成為我國(guó)重大的自然災(zāi)害之一，它造成不可再生能源的損失、國(guó)土資源的破壞和生態(tài)環(huán)境的污染。我國(guó)政府已把煤田火區(qū)自燃災(zāi)害的治理列入“中國(guó)21世紀(jì)議程”［2］。近年來(lái)，全球氣候變化與全球變暖等焦點(diǎn)問(wèn)題也給地下煤火區(qū)的研究帶來(lái)了新的使命，使地下煤火區(qū)問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)與科學(xué)界的一致關(guān)注。如何對(duì)地下煤火進(jìn)行探測(cè)與監(jiān)測(cè)是煤炭資源和災(zāi)害研究的一個(gè)新方向與新熱點(diǎn)，也是治理地下煤火的基礎(chǔ)［3］。

利用遙感技術(shù)探測(cè)煤田火區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并體現(xiàn)出了巨大的價(jià)值與潛力。國(guó)外學(xué)者Sebnem［4］等探討了遙感和GIS技術(shù)在煤火監(jiān)測(cè)、礦區(qū)塌陷、生態(tài)修復(fù)中有關(guān)環(huán)境影響問(wèn)題等方面的應(yīng)用，利用遙感技術(shù)可以更加迅速地評(píng)估礦區(qū)溫度模式，支持區(qū)域地質(zhì)制圖，得出相關(guān)的火區(qū)熱點(diǎn);Mishra［5］等利用 Landsat－7 ETM+數(shù)據(jù)對(duì)印度 Jharia煤田火區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)普朗克黑體輻射公式進(jìn)行地表溫度反演，然后利用熱成像儀對(duì)反演溫度進(jìn)行驗(yàn)證，證明利用ETM+數(shù)據(jù)可以很好地監(jiān)測(cè)煤田火區(qū)范圍。我國(guó)學(xué)者采用遙感手段對(duì)新疆奇臺(tái)北山［6］、內(nèi)蒙古烏達(dá)礦區(qū)［7］、寧夏汝箕溝礦區(qū)［8］等地進(jìn)行了地下煤火的監(jiān)測(cè)。研究和實(shí)驗(yàn)表明，利用TM熱紅外數(shù)據(jù)可以初步圈定煤田火區(qū)的范圍，對(duì)后續(xù)的煤田滅火工程具有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多依據(jù)遙感反演的火區(qū)地表溫度差異圈定火區(qū)范圍，但反演算法各不相同，尚沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的適宜于各類(lèi)地下煤火區(qū)的最佳反演算法。

本文以新疆典型地下煤火區(qū)——水西溝火區(qū)為研究區(qū)，基于TM數(shù)據(jù)，使用單窗算法［9］、普適性單通道算法［10］和 Weng算法［11］反演了研究區(qū)的地表溫度，并利用紅外輻射計(jì)測(cè)量得到的地面溫度對(duì)遙感反演結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。比較3種基于TM數(shù)據(jù)的地表溫度遙感反演算法結(jié)果，選取最優(yōu)反演算法，快速、準(zhǔn)確地圈定地下煤火燃燒范圍，為今后對(duì)地下煤火燃燒狀態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)、地下煤火造成的經(jīng)濟(jì)損失和周邊生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估提供相對(duì)精確的熱力學(xué)指標(biāo)，為提升新疆地下煤火區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)能力選擇了有效方法。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)天山北麓準(zhǔn)噶爾含煤區(qū)南緣的昌吉回族自治州吉木薩爾縣，地跨E88°55'～88°58'，N43°55'～43°57'之間，面積約為5 km2，隸屬于準(zhǔn)南煤田。研究區(qū)地處歐亞大陸腹地，具典型的溫帶大陸性干旱氣候特征，夏季局部氣溫高，最高溫度達(dá)36℃以上，煤層露頭紅外輻射溫度可達(dá)65℃以上，接近煤層氧化自燃的臨界溫度(60～80℃);晝夜溫差大于40℃，促使煤層露頭及圍巖風(fēng)化破裂加劇，為裂隙發(fā)育提供了良好的通風(fēng)供氧條件;研究區(qū)年降水量為327 mm，而同期蒸發(fā)量1866 mm，無(wú)霜期149 d，降水量與蒸發(fā)量之間的巨大差異使煤層露頭長(zhǎng)期處于干燥狀態(tài)或短暫濕潤(rùn)后又重新干燥的循環(huán)狀態(tài)。研究區(qū)地形主要為構(gòu)造剝蝕低山丘陵和洪積臺(tái)地，基巖出露較好，總體南高北低。火區(qū)周邊除礦山外無(wú)其他建設(shè)?；饏^(qū)位于低山丘陵的陽(yáng)坡地帶，山體陰影對(duì)煤田火區(qū)影響較小。研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，水西溝為常年地表流水，水量不大，主要是天山北麓融化雪水和溝兩側(cè)泉水補(bǔ)給。研究區(qū)位置如圖1(a)所示。

圖1 研究區(qū)位置與圖像Fig.1 The location and TM image of study area

2 實(shí)驗(yàn)概況與研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)在新疆維吾爾自治區(qū)吉木薩爾縣水西溝礦區(qū)進(jìn)行，選取Landsat－5 TM圖像(圖1(b))，成像時(shí)間為2011年7月31日(軌道號(hào)為143/029)，天氣晴朗，無(wú)風(fēng)，能見(jiàn)度高，在衛(wèi)星過(guò)境的前后2 h內(nèi)(衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間為地方時(shí)10:28)完成陸地表面溫度采集過(guò)程，保證了與衛(wèi)星影像采集準(zhǔn)同步。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)選取了一塊以煤火露頭區(qū)為中心的南北長(zhǎng)800 m、東西寬1000 m的實(shí)驗(yàn)地(圖1(c))。觀測(cè)期間利用手持式紅外輻射計(jì)進(jìn)行地表溫度的網(wǎng)格式測(cè)量，即4人分別從實(shí)驗(yàn)地4個(gè)角點(diǎn)出發(fā)(甲在西北角向東觀測(cè)，乙在東北角向西觀測(cè)，到角點(diǎn)后成之字線路向南觀測(cè)，丙、丁則反向而行)，以5 m為間隔，最后取同一點(diǎn)上往返測(cè)量的4個(gè)溫度值的平均值作為該測(cè)量點(diǎn)的最終地表溫度值，以消除由于數(shù)據(jù)采集時(shí)間差而造成的誤差，使數(shù)據(jù)具有良好的可比性。在后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中把落在同一個(gè)圖像像素網(wǎng)格中的溫度值進(jìn)行平均，作為該網(wǎng)格的實(shí)際溫度值，并與后期溫度反演的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與驗(yàn)證。

2.2 地表溫度遙感反演算法

采用3種較為常用的遙感反演算法進(jìn)行陸地表面溫度反演，分別是覃志豪等［9］根據(jù)地表熱輻射傳導(dǎo)方程建立的適用于TM熱紅外波段反演地表溫度的單窗算法;Jimёnez－ Mun～oz和Sobrino［10］提出的利用TM遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度的普適性單通道算法;Weng等［11］提出的基于TM數(shù)據(jù)的地表溫度反演算法(Weng算法)。

2.3 3種遙感反演算法之間的優(yōu)缺點(diǎn)比較

單窗算法、普適性單通道算法和Weng算法各有所長(zhǎng)，其相互之間的優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見(jiàn)表1。

表1 3種地表溫度反演方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Comparing the advantages and disadvantages by three different algorithms of land surface temperatume

2.4 地表比輻射率的計(jì)算

文中提到的3種遙感反演算法都涉及到一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即地表比輻射率ε，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到地表溫度反演的精度。地表比輻射率主要取決于地表的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從衛(wèi)星影像像元的尺度來(lái)看，地球表面不同區(qū)域的地表結(jié)構(gòu)可以大體視作由3種類(lèi)型構(gòu)成:水面、城鎮(zhèn)和自然表面。水面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;城鎮(zhèn)位于城市和附近，主要由道路、各種建筑和房屋組成;自然表面主要是指各種天然陸地表面、林地和農(nóng)田等［12］。綜合前人的研究成果［12－13］，本文首先對(duì)研究區(qū)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，由于研究區(qū)內(nèi)水體較少，故可將遙感圖像分為城鎮(zhèn)像元和自然表面像元2種類(lèi)型，二者的比輻射率估算分別根據(jù)式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算，即

式中:εbuilt－up和 εsurface分別為城鎮(zhèn)像元和自然表面像元的地表比輻射率;Pv為植被覆蓋度，計(jì)算式為

式中:NDVI為歸一化植被指數(shù)，分別取NDVIv=0.70和 NDVIs=0.05，當(dāng)某個(gè)像元的 NDVI＞ 0.70時(shí)，Pv=1; 當(dāng) NDVI＜0.05 時(shí)，Pv=0。

3 結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 3種遙感反演算法結(jié)果比較

根據(jù)3種不同的遙感反演算法，本文基于實(shí)驗(yàn)區(qū)2011年7月31日TM遙感數(shù)據(jù)，反演得到了煤火區(qū)的地表溫度分布圖(圖2)。

圖2 3種算法反演出的地表溫度分布圖(基于2011年7月31日TM圖像)Fig.2 Distribution of land surface temperature retrieved by 3 different algorithms based on the TM image on June 31，2011

從圖2中可以看出:3種算法得到的地下煤火區(qū)地表溫度空間分布趨勢(shì)基本一致，可以清晰地看到一片呈“倒7”形狀的高亮異常區(qū)域，這片區(qū)域?qū)?yīng)于地下煤火區(qū)的主要分布區(qū)域，溫度明顯比周邊的植被下墊面和其他自然表面高。說(shuō)明3種地表溫度反演算法均能較好地反映地下煤火區(qū)地表溫度在不同下墊面上的空間分布趨勢(shì)。

比較也發(fā)現(xiàn)，3種反演算法的結(jié)果之間存在一定差異，普適性單通道算法得到的地表溫度要略高于其余2種算法，而Weng算法得到的地表溫度相對(duì)最低。為了更好地分析3種反演算法得到的地表溫度之間的定量關(guān)系，將利用單窗算法反演得到的地表溫度作為基準(zhǔn)，分別對(duì)利用普適性單通道算法和Weng算法進(jìn)行反演得到的溫度差值進(jìn)行分析(圖3，表2)。

圖3 不同算法間地表溫度差值直方圖Fig.3 Histogram of land surface temperature differences during different algorithms

表2 3種反演算法得到的地表溫度的比較Tab.2 Comparison of retrieved land surface temperature among 3 algorithms (℃)

結(jié)果表明，普適性單通道算法與單窗算法得到的平均地表溫度的差值多集中在1.50～1.70℃左右，研究區(qū)整體平均溫度差值為1.60℃;單窗算法與Weng算法反演得到的平均地表溫度差值多集中在2.00～2.50℃左右，研究區(qū)整體平均溫度相差2.22℃。

3.2 反演結(jié)果的驗(yàn)證

判別遙感反演地表高溫異常區(qū)為煤火區(qū)的依據(jù)需要加入更多的手段與方法，如利用高分辨率遙感影像進(jìn)行目視判讀解譯，排除其他非煤礦區(qū)熱異常點(diǎn)以及收集更多地形、地貌數(shù)據(jù)對(duì)熱異常點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)家知識(shí)檢驗(yàn)等，都可以更高效、更準(zhǔn)確地提取煤火區(qū)。本文簡(jiǎn)化了這一步驟，采用專(zhuān)家先驗(yàn)知識(shí)和研究區(qū)實(shí)地考察，人為地縮小熱異常區(qū)范圍，采集煤田火區(qū)地表溫度進(jìn)行遙感反演算法結(jié)果的驗(yàn)證，為后期更進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)采集樣點(diǎn)地表溫度數(shù)據(jù)142個(gè)，均勻分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)。通過(guò)對(duì)遙感反演地表溫度的結(jié)果與地表溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)3種遙感反演算法在地表溫度的反演精度上進(jìn)行驗(yàn)證。反演地表溫度值與實(shí)測(cè)地表溫度值進(jìn)行回歸分析的結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種遙感反演算法的地表溫度驗(yàn)證Fig.4 Validations of land surface temperature retrieved by 3 different algorithms

從圖4中可以看出:單窗算法、普適性單通道算法和Weng算法反演的地表溫度與實(shí)測(cè)地表溫度值呈一元線性相關(guān)，決定系數(shù)R2分別為0.908，0.886和0.856。單窗算法的反演結(jié)果與實(shí)測(cè)地表溫度值線性相關(guān)性最高，普適性單通道算法次之。3種算法的決定系數(shù)R2均大于0.850，證明反演結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)要求。3種算法與實(shí)測(cè)溫度線性擬合斜率接近1，分別為0.938，0.970 和 0.886，表明遙感反演結(jié)果均低于實(shí)測(cè)地面溫度值，其中普適性單通道算法的反演結(jié)果與實(shí)測(cè)地表溫度值一致性最好，與地面實(shí)測(cè)值最為接近，其次為單窗算法。

為進(jìn)一步揭示不同算法反演得到的地表溫度與實(shí)測(cè)地表溫度值之間的差異情況，將反演數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做差值分析，結(jié)果如表3所示。

表3 3種反演算法得到的地表溫度與實(shí)測(cè)地表溫度值的比較Tab.3 Comparison of retrieved land surface temperature and ground measurement among 3 algorithms(℃)

同時(shí)采用平均絕對(duì)百分比誤差和均方差兩種統(tǒng)計(jì)量，將3種反演算法得到的地表溫度與地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)計(jì)算公式為

均方差(RMSE)計(jì)算公式為

式中:Pi為第i種條件下的計(jì)算值;Qi為第i種條件下的參考值;為總樣本數(shù)參考值的平均值;n為樣本數(shù)，1≤i≤n。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 3種反演算法得到的地表溫度與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的定量分析Tab.4 Quantitative analysis of retrieved land surface temperature and ground measurement among 3 algorithms

從表4中可以看出，普適性單通道算法得到的地表溫度與地面實(shí)測(cè)值最為接近，其次為單窗算法，最后為Weng算法。

4 結(jié)論

1)文中采用的3種反演算法均能較好地反映水西溝地下煤火區(qū)地表溫度的空間分布趨勢(shì)，高溫異常區(qū)范圍明顯，證明基于TM數(shù)據(jù)利用遙感算法反演煤田火區(qū)地表熱異常具有一定的可行性。其中單窗算法反演的溫度值小于普適性單通道算法，而Weng算法反演的地表溫度值最低。普適性單通道算法與單窗算法得到的平均地表溫度的差值多集中在1.50～1.70℃左右，研究區(qū)整體平均溫度相差1.60℃;單窗算法與Weng算法反演得到的平均地表溫度的差值多集中在2.00～2.50℃左右，研究區(qū)整體平均溫度相差2.22℃。

2)利用紅外輻射計(jì)的地表溫度實(shí)測(cè)值對(duì)3種算法得到的地表溫度值進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:普適性單通道算法得到的地表溫度與地面實(shí)測(cè)值最為接近，二者呈線性相關(guān)，決定系數(shù)R2為0.886，截距為0時(shí)的斜率為0.970，平均絕對(duì)百分比誤差和均方差分別為2.992%和1.476℃。綜合比較可知，在水西溝地下煤火區(qū)地表溫度反演應(yīng)用中普適性單通道算法要優(yōu)于單窗算法和Weng算法。

通過(guò)對(duì)水西溝地下煤火區(qū)地表溫度的反演，證明了將遙感技術(shù)應(yīng)用于地下煤火研究領(lǐng)域具有重要價(jià)值，能夠更加快速準(zhǔn)確地圈定地下煤火燃燒范圍，提高煤田滅火效率，為今后對(duì)地下煤火燃燒狀態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)、地下煤火造成的經(jīng)濟(jì)損失和周邊生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估提供相對(duì)精確的熱力學(xué)指標(biāo)。在地表溫度反演過(guò)程中，減少大氣參數(shù)的估算誤差、土地利用覆被分類(lèi)誤差及地表比輻射率的估算誤差等因素對(duì)利用多種算法反演地下煤火區(qū)地表溫度的影響，更好地提升溫度反演精度，仍有待今后開(kāi)展進(jìn)一步的研究和探討。

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［9］覃志豪，Zhang M H，Karnieli A，等.用陸地衛(wèi)星TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法［J］.地理學(xué)報(bào)，2001，56(4):456 －466.Qin Z H，Zhang M H，Karnieli A，et al.Mono－ window Algorithm for Retrieving Land Surface Temperature from Landsat TM6 Data［J］.Acta Geographica Sinica，2001，56(4):456 － 466(in Chinese with English Abstract).

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The Inversion and Verification of Land Surface Temperature for Coal Fire Areas Based on TM Data

JI Hong － liang1，TASHPOLAT·Tiyip2，3，CAI Zhong － yong4，SHI Qing － dong2，3，WEI Jun4，XIA Jun2，3
(1.Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Urumqi 830006，China;2.College of Resources and Environment Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China;3.Key Laboratory of Oasis Ecology Under Ministry of Education，Xinjiang University，Urumqi 830046，China;4.Xinjiang Coal Field Fire－fighting Engineering Bureau，Urumqi 830000，China)

With the coal fire area of the Shuixigou mine in Xinjiang as an example and on the basis of observation data of infrared radiometer at the same time of passing aviation of Landsat 5 on June 31，2011，the authors calculated surface temperature at pixel scale using several schemes，comparatively studied the surface temperature of the coal fire area inversed by mono－window algorithm，and generalized single－channel algorithm and Weng algorithm with TM data.The results show that all the three algorithms show a consistent distribution of surface temperature of the Shuixigou underground coal fire area，and the mono－window algorithm and generalized singlechannel algorithm have the smallest difference in the average surface temperature of the whole study area，which is about 1.60℃.Through a comparison with the ground measurements，a lower difference value is obtained by all the three algorithms，and the retrieved data by generalized single－channel algorithm are highly close to the data retrieved by mono － window algorithm，wih the regression coefficient and RMSE being 0.886 and 1.48℃respectively.The retrieval results of generalized single－channel algorithm are in line with the spatial distribution law of the temperature of the underground coal fire area，and the high－temperature anomaly district is obvious.The result of the retrieved data of surface temperature is acceptable and the generalized single－channel algorithm is somewhat effective in acquisition of the LST of the underground coal fire area，thus providing a reference for the dynamic monitoring and evaluation of underground coal fire areas.

underground coal fire;surface temperature;inversion;verification;algorithm

TP 722.5;P 237

A

1001－070X(2012)04－0101－06

2012－07－16;

2012－09－06

新疆維吾爾自治區(qū)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):201033122)。

10.6046/gtzyyg.2012.04.17

姬洪亮(1988－)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镚IS開(kāi)發(fā)與遙感技術(shù)應(yīng)用研究。E－mail:hongliang1120@yahoo.cn。

塔西甫拉提·特依拜(1958－)，男(維吾爾族)，畢業(yè)于東京理科大學(xué)遙感應(yīng)用研究所(工學(xué)博士)，教授(博士生導(dǎo)師)，主要從事遙感技術(shù)及其應(yīng)用研究。

(責(zé)任編輯:李 瑜)