全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺體系框架和運行機制研究

張煜星，許等平，任怡，黃國勝，韓愛惠

（國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設計院，北京100714）

全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺體系框架和運行機制研究

張煜星，許等平，任怡，黃國勝，韓愛惠

（國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設計院，北京100714）

針對全國林地資源數(shù)據(jù)多源、量大、管理手后段落后和利用低效的問題，該文對全國林地資源數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)采集方法、建庫技術(shù)和數(shù)據(jù)庫功能進行了論述，剖析了其成果數(shù)據(jù)的類型、特征、數(shù)量，構(gòu)建了全國林地資源數(shù)據(jù)庫，設計了數(shù)據(jù)庫和平臺集成的關(guān)鍵技術(shù)框架，開發(fā)實現(xiàn)了成果數(shù)據(jù)的預處理工具、數(shù)據(jù)服務平臺和二三維應用顯示等主要子系統(tǒng)，在全國林地資源信息服務平臺建設中得到應用，實現(xiàn)和驗證了該文所設計的關(guān)鍵技術(shù)的科學性和先進性，最后對數(shù)據(jù)服務平臺應用模式和運維機制進行了探討。

林地資源數(shù)據(jù)；體系框架；服務平臺；運行機制；數(shù)字林業(yè)

1 引 言

全國林地資源數(shù)據(jù)庫即全國林地“一張圖”數(shù)據(jù)庫建設，是在覆蓋全國的1∶5萬（或1∶2.5萬、1∶1萬）遙感底圖的基礎上，結(jié)合二類調(diào)查數(shù)據(jù)和現(xiàn)地調(diào)查資料，歷經(jīng)2年多，于2012年底建成集遙感底圖、林地圖斑（圖屬一一對應）、林地專題等成果數(shù)據(jù)于一體的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)量達到了100TB，為實現(xiàn)林地資源信息化、數(shù)字化，林地資源管理由以“數(shù)管地”實現(xiàn)以“數(shù)和圖管地”現(xiàn)邁出了堅實的第一步。本文就數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫構(gòu)架及服務功能實現(xiàn)技術(shù)進行論述。另外，2012年和2013年進行了全國林地變更調(diào)查試點，2014年開始，全國林地變更調(diào)查全面展開，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)更新量巨大，因此，如何利用先進的技術(shù)和可行的解決方案，實現(xiàn)對全國林地“一張圖”數(shù)據(jù)的有序管理、及時更新、高效使用和信息挖掘，更好地為國家森林資源管理、監(jiān)督和監(jiān)測服務，是目前急需研究解決的問題。

2 平臺數(shù)據(jù)來源和采集技術(shù)方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)

使用遙感數(shù)據(jù)基準年為2009年，遙感數(shù)據(jù)類型包括覆蓋遼寧等7個省級單位的0.25m～1m的航空影像數(shù)據(jù)（1∶1萬標準分幅3.7萬幅）；覆蓋黑龍江等21個省級單位的2.5m分辨率SPOT5（或ALOS）的衛(wèi)星正射影像數(shù)據(jù)（3116景、塊）；覆蓋新疆等3個省級單位的5m的RapidEye衛(wèi)星正射影像數(shù)據(jù)（862景、塊）。

2.1.2 基礎地理信息數(shù)據(jù)

包括覆蓋全國的1∶400萬、1∶100萬、1∶25萬等基礎地理數(shù)據(jù)要素（行政境界、鐵路、公路、水系、居民點等）；覆蓋全國的1∶5萬比例尺的DEM數(shù)據(jù)。

2.1.3 林地資源數(shù)據(jù)

各省按照國家林業(yè)局有關(guān)規(guī)程［1－3］，以省為單位，判讀調(diào)查區(qū)劃后，形成的無縫拼接的林地資源矢量數(shù)據(jù)，以ArcGIS GDB或ArcGIS shp格式組織存儲，全國共區(qū)劃林地資源圖斑6738.88萬個，每個圖斑包含基礎因子、林地因子、管理因子、林分因子等共計42項屬性數(shù)據(jù)。

2.1.4 其他數(shù)據(jù)

包括各類數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃代碼、林地資源代碼數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)等。以省為單位，采用XLS或DBF格式存儲。

2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)方法

2.2.1 遙感底圖制作

按照國家林業(yè)局圖像處理的有關(guān)的要求［4］，改進傳統(tǒng)人工校正的圖像處理模式，引進和消化PCI GeoImaging Accelerator（GXL）的自動化圖像處理技術(shù)，利用其在自動化處理、項目管理、圖像處理算法、勻色和多任務并行的數(shù)據(jù)處理技術(shù)優(yōu)勢，采用數(shù)據(jù)集中處理的模式，進行了覆蓋全國遙感影像的正射校正、圖像融合、增強拉伸，鑲嵌分幅，根據(jù)各省區(qū)相關(guān)單位使用的地形圖比例尺和工作實際需求，進行標準分幅處理，形成可用于林地圖斑判讀所需的遙感底圖數(shù)據(jù)。

2.2.2 遙感數(shù)據(jù)林地資源解譯

各省在國家林業(yè)局下發(fā)的遙感底圖上，依據(jù)現(xiàn)有森林資源規(guī)劃設計調(diào)查成果、公益林區(qū)劃界定成果，結(jié)合最近期的森林經(jīng)營活動檔案等資料，開發(fā)信息提取工具或利用目視判讀技術(shù)，進行林地判讀區(qū)劃。對于各省兩年以內(nèi)的森林資源規(guī)劃設計調(diào)查成果，可以直接應用，輔助判讀區(qū)劃林地邊界；兩年以上的森林資源規(guī)劃設計調(diào)查成果，須結(jié)合必要的補充調(diào)查后，判讀區(qū)劃林地邊界；沒有開展森林資源規(guī)劃設計調(diào)查的省份，采用遙感判讀勾繪和現(xiàn)地核實相結(jié)合的方法，確定本省林地邊界。林地資源數(shù)據(jù)全部更新到2009年底的最新數(shù)據(jù)。

2.2.3 二類調(diào)查數(shù)據(jù)（森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)）與遙感解譯數(shù)據(jù)匹配

在林地資源解譯數(shù)據(jù)的基礎上，進行空間數(shù)據(jù)拓撲檢查，疊加二類調(diào)查圖形和屬性數(shù)據(jù)，進行分析關(guān)聯(lián)，使圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一一對應，達到圖屬匹配，必要時，進行外業(yè)補充調(diào)查。

2.2.4 林地資源數(shù)據(jù)庫建庫

按照數(shù)據(jù)庫標準要求，將林地各空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)字典等分類分層，質(zhì)量檢查（主要進行拓撲檢查、屬性邏輯檢查、面積匯總檢查等）合格后，構(gòu)建無縫拼接和相互套合的全國林地資源數(shù)據(jù)庫（圖1），構(gòu)建全國林地資源數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)基礎。

圖1 全國林地資源數(shù)據(jù)庫建設需求

3 平臺技術(shù)框架

全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的技術(shù)框架由基礎層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應用服務層和用戶層5個部分組成。采用分層技術(shù)框架，層與層間相互支撐，各層間邏輯上是一個整體，在實施時又相對獨立，既降低系統(tǒng)平臺建設的復雜度，為系統(tǒng)平臺的設計和建設提供清晰的接口，也為將來系統(tǒng)平臺的進一步擴展和應用奠定了基礎［5－7］，如圖2所示。

4 平臺設計與實現(xiàn)

4.1 平臺設計

全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的設計包括如下幾部分內(nèi)容。

4.1.1 數(shù)據(jù)庫設計

針對全國林地資源數(shù)據(jù)特點，數(shù)據(jù)庫設計包括基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、遙感底圖數(shù)據(jù)庫、林地圖斑數(shù)據(jù)庫、林地專題數(shù)據(jù)庫等。對于基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、林地圖斑數(shù)據(jù)等空間矢量數(shù)據(jù)庫，需要對其進行坐標轉(zhuǎn)換、整合、規(guī)范，建庫空間數(shù)據(jù)庫；對于遙感底圖和林地專題圖，需要進行預處理，為成果發(fā)布提供支撐，此外，根據(jù)數(shù)據(jù)查詢檢索的需要，需構(gòu)建屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和專題圖數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)庫。對于不同類型的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)采用“數(shù)據(jù)庫＋文件系統(tǒng)”的設計方案，即全國林地資源數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)存儲在商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，利用成熟空間數(shù)據(jù)引擎，對空間矢量數(shù)據(jù)進行管理；對于服務發(fā)布和顯示調(diào)用的數(shù)據(jù)，則以文件型數(shù)據(jù)庫方式存儲。

4.1.2 預處理與服務發(fā)布工具功能設計

針對全國林地“一張圖”建設產(chǎn)出的遙感底圖、林地專題圖以及基礎地理信息（DEM）等，利用瓦片金字塔模型、數(shù)據(jù)壓縮算法、相關(guān)圖像處理和配圖制圖模塊，設計開發(fā)預處理工具（影像地形編譯、矢量編譯、專題圖瓦片生成等），使其能分區(qū)域、分專題進行各專題瓦片生產(chǎn)，在服務發(fā)布工具的支撐下，形成林地資源數(shù)據(jù)各類數(shù)據(jù)服務，為服務平臺的數(shù)據(jù)部署和數(shù)據(jù)快速瀏覽奠定基礎。

4.1.3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能設計

圖2 全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的技術(shù)框架

設計開發(fā)全國林地資源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對全國林地數(shù)據(jù)的集中組織管理、編輯、查詢、顯示、可視化表達、制圖、維護等功能，以圖形、表格、GIS和虛擬化相結(jié)合的方式，直觀、準確、動態(tài)地管理全國林地“一張圖”各個方面的數(shù)據(jù)，為全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺提供數(shù)據(jù)和工具支撐。

4.1.4 服務平臺設計

全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺是整個信息服務承載平臺，是全國林地資源數(shù)據(jù)庫對外提供服務的有效途徑，主要實現(xiàn)林地資源數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)和其他基礎數(shù)據(jù)的資源展現(xiàn)，為后續(xù)林地資源管理業(yè)務系統(tǒng)的建設提供數(shù)據(jù)、功能服務，避免數(shù)據(jù)的重新規(guī)整和功能的重復開發(fā)，其功能由空間信息發(fā)布、服務管理、基礎地圖與專題圖管理和顯示等模塊組成。

4.1.5 二三維一體化應用系統(tǒng)功能設計

采用二維、三維的空間地理信息表現(xiàn)手段來顯示林地資源數(shù)據(jù)如林地分布圖、遙感底圖、DEM、界線、標注等專題圖層的組織控制、疊加顯示；可利用信息查詢功能，實現(xiàn)不同行政級別的查詢和定位；對于不同統(tǒng)計單位的林地統(tǒng)計結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行瀏覽查看；在三維環(huán)境中實現(xiàn)各專題數(shù)據(jù)的無縫漫游、飛行等功能。

4.2 功能實現(xiàn)

4.2.1 開發(fā)環(huán)境和工具

全國林地“一張圖”數(shù)據(jù)管理和服務平臺的主要開發(fā)環(huán)境如下：

（1）操作系統(tǒng)：Windows Sever 2008Enterprise R2（64位）；

（2）數(shù)據(jù)庫：Oracle 10g、ArcSDE 10.0；

（3）預處理工具開發(fā)：ArcEngine、Evia Earth SDK；

（4）前臺展示：Flex SDK 4.5；

（5）后臺服務：VgsMapSever、Tomcat6.0；

（6）開發(fā)集成工具：Eclipse Indigo、Adobe Flash Builder 4.5、jdk 6.0。

4.2.2 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

全國林地資源空間數(shù)據(jù)庫按照數(shù)據(jù)格式可以分為矢量數(shù)據(jù)（DLG）、柵格數(shù)據(jù)（DOM、DRG、DEM）和元數(shù)據(jù)（MetaData）三大類。對于矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用SDE模型進行數(shù)據(jù)組織。根據(jù)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和SDE的數(shù)據(jù)模型，空間數(shù)據(jù)庫的邏輯層次結(jié)構(gòu)劃為5級，即總庫－分庫－子庫－邏輯層－物理層；空間數(shù)據(jù)的物理層設計相對應的屬性字段，方便管理和信息查詢。對于柵格成果數(shù)據(jù)，以瓦片形式存儲于文件型數(shù)據(jù)庫，并有相應元數(shù)據(jù)記錄；對于系統(tǒng)元數(shù)據(jù)及其他非空間數(shù)據(jù)，通過結(jié)構(gòu)化后，存儲到大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Oracle 10g中。

4.2.3 主要功能實現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)預處理功能實現(xiàn)

采用金字塔模型的柵格地圖切片技術(shù)，實現(xiàn)對林地資源各專題數(shù)據(jù)的預處理，提高了各專題數(shù)據(jù)的調(diào)用和顯示效率；開發(fā)遙感底圖的真彩色勻色和配圖功能模塊，使得網(wǎng)絡影像地圖的發(fā)布效果達到良好制圖效果；林地專題圖采用統(tǒng)一的配圖方案與模版技術(shù)，標準化了制圖流程和成果，提高了制圖效率；實現(xiàn)了林地“一張圖”瓦片服務系統(tǒng)與ArcGIS 10.0的無縫集成，使林地“一張圖”成果數(shù)據(jù)的應用方便性大大增強。

（2）服務平臺功能實現(xiàn)

林地資源服務平臺實現(xiàn)的功能包括空間信息資源共享與服務、平臺管理、專題地圖瀏覽與應用等幾個部分功能。其中，空間信息資源共享與服務主要包括數(shù)據(jù)瀏覽操作、地圖服務瀏覽、功能服務瀏覽功能等；平臺管理主要包括地圖服務管理與注冊、功能服務管理、系統(tǒng)管理、元數(shù)據(jù)管理、日志管理及安全管理等；專題地圖瀏覽與應用主要包括地圖基本GIS操作、服務聚合、圖層控制、搜索查詢等功能模塊。

（3）二三維一體化應用系統(tǒng)功能實現(xiàn)

在服務平臺的支撐下，構(gòu)建二三維一體化空間門戶應用（目前構(gòu)建的為內(nèi)網(wǎng)政務版），實現(xiàn)不同層次的林地資源數(shù)據(jù)如林地分布圖、遙感底圖、DEM、界線、標注及遙感底圖的疊加顯示、瀏覽查詢、林地資源圖斑屬性信息的點擊查詢、按省、市、縣、鄉(xiāng)、村進行逐級定位查詢、統(tǒng)計報表查詢以及多專題圖層在二三維中無縫漫游、瀏覽、飛行等功能。

5 應用模式和運維機制研究

全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺建設是一項龐大的、長期的、復雜的系統(tǒng)工程，除了平臺的頂層技術(shù)方案設計和關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)等因素之外，運行機制的研究也是推進建設平臺必須要考慮的重要因素。頂層技術(shù)方案設計完成后，運行維護機制對全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的運行使用效果具有重要的作用。

5.1 應用模式

隨著“數(shù)字林業(yè)”、“智慧林業(yè)”的提出和迅速普及，林業(yè)資源信息服務平臺建設和應用不再只面向局部或少數(shù)人群，作為林業(yè)資源信息服務平臺的核心全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺也是如此。因此，要滿足政府、科研院所、企事業(yè)單位和社會大眾的應用，迫切要求全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺在系統(tǒng)建設上更專業(yè)，并能提出“數(shù)據(jù)－軟件－模型－網(wǎng)絡－服務”一體化解決方案和相關(guān)軟件支撐，如圖3所示。

圖3 全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的應用模式與軟件支撐

從政府部門、科研機構(gòu)和社會公眾等用戶視角看，全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺至少應滿足以下幾個方面的應用：

（1）直接應用模式

一是各種基礎地圖的瀏覽和查詢。各林業(yè)主管部門和政府其他職能部門通過政務內(nèi)網(wǎng)（專網(wǎng)、保密網(wǎng)）、政務外網(wǎng)直接查詢?yōu)g覽各種比例尺的最新林業(yè)區(qū)劃、遙感影像、林地規(guī)劃、森林分布、場圃、自然保護區(qū)等信息；二是數(shù)字地圖數(shù)據(jù)或產(chǎn)品的共享和交換使用。在相關(guān)政策和機制保障下，通過線上和線下手段，在林業(yè)部門內(nèi)部和各政府職能部門之間可以共享各種電子專題地圖數(shù)據(jù)。例如林業(yè)部門可以共享國土部門的數(shù)據(jù)或產(chǎn)品，國土部門也可以共享林業(yè)部門的數(shù)據(jù)或產(chǎn)品。

（2）數(shù)據(jù)接口模式

對于各林地、森林資源管理或技術(shù)部門，已經(jīng)配備了相關(guān)GIS軟件或者已有相對成熟的應用系統(tǒng)，可以通過全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺提供的符合國家標準規(guī)范的WMS／WFS等各類服務接口，將林地專題圖和數(shù)據(jù)集成到相關(guān)部門的應用系統(tǒng)中，避免重復建設，也擴展了和豐富了應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，如在開發(fā)國家級林地占用征收審批系統(tǒng)、公益林網(wǎng)上監(jiān)管系統(tǒng)時，集成所需要的林地資源數(shù)據(jù)服務等。

（3）二次開發(fā)模式

對于前期基礎薄弱的林地、森林資源管理部門，可以直接利用全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺提供的二次開發(fā)接口，根據(jù)自己的需求進行業(yè)務應用開發(fā)，快速共享數(shù)據(jù)和服務，擴展全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的應用范圍。

5.2 運維機制

5.2.1 技術(shù)保障機制

在平臺建設技術(shù)上，共享先進技術(shù)和技術(shù)力量，從進一步研發(fā)的頂層設計到信息資源整合和共享，應該盡量引入國內(nèi)外成熟技術(shù)，實現(xiàn)跨越式發(fā)展；在標準采用和制定上，盡可能地采用或制定一些成熟技術(shù)的標準，使平臺在建設過程中有統(tǒng)一的接口技術(shù)和標準可依；在平臺的功能構(gòu)造上，應該從目前森林資源管理的實際出發(fā)，選擇最需要的最可能實現(xiàn)的功能建設，并對未來的建設目標有相應的規(guī)劃。

5.2.2 數(shù)據(jù)更新機制

數(shù)據(jù)更新機制包括工作機制和數(shù)據(jù)更新技術(shù)機制。全國林地資源數(shù)據(jù)更新的工作機制是建立國家、省、縣多級聯(lián)動、分級匯交的工作機制。在技術(shù)方面，國家要強化高分辨率遙感影像的處理分發(fā)、技術(shù)總體指導、質(zhì)量抽檢；省級層面，要加強更新工作的進度控制、技術(shù)培訓和質(zhì)量保證；縣級林業(yè)主管單位是更新的主體，要加強隊伍建設、專業(yè)技術(shù)人員的培訓等。目前，數(shù)據(jù)的審核和匯交，是以離線拷貝方式進行，未來可以探索在保密網(wǎng)環(huán)境下，以縣級、省級、國家級數(shù)據(jù)中心方式進行數(shù)據(jù)逐級審核、逐級提交，以確保數(shù)據(jù)在不同層次上的一致性、準確性，同時也能提高數(shù)據(jù)的更新效率，更能保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

5.2.3 運行維護機制

平臺建成后的運維和升級發(fā)展問題，也是平臺運行機制里需要重點考慮的。目前，我國林業(yè)行業(yè)還沒有真正的數(shù)據(jù)服務平臺，其運維模式?jīng)]有現(xiàn)成的可以借鑒，因此，迫切需要引進國內(nèi)外成熟穩(wěn)定的平臺運維模式，確定全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺運維機制，摒棄“重建設、輕運維”的錯誤思想，加強平臺運行維護的技術(shù)和經(jīng)費支撐，不斷吸納新技術(shù)和新手段，升級服務平臺，實現(xiàn)服務的可持續(xù)。

6 結(jié)束語

本文分析了全國林地資源數(shù)據(jù)來源、采集方法和成果數(shù)據(jù)的類型、特征、數(shù)量，首次構(gòu)建了全國林地資源數(shù)據(jù)庫，設計了全國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的框架和主要功能，實現(xiàn)了全國林地資源數(shù)據(jù)的多維度展現(xiàn)和可視化，實現(xiàn)了全國林地資源專題數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)的整合、發(fā)布，為林地、森林資源乃至林業(yè)業(yè)務系統(tǒng)提供強大空間數(shù)據(jù)支撐；項目采用國產(chǎn)自主軟件開發(fā)包進行了數(shù)據(jù)預處理工具、服務平臺和二三維應用等主要功能的開發(fā)，在全國林地資源信息服務平臺建設中得到應用，驗證了設計的科學性和可行性。本文對服務平臺的運行機制進行了探討，希望能對我國林地資源數(shù)據(jù)服務平臺的建設有所益處。

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Research Framework and Operating Mechanism of Nationwide Forest－land Resources Data Service Platform

ZHANG Yu－xing，XU Deng－ping，REN Yi，HUANG Guo－sheng，HAN Ai－h(huán)ui
（Academy of Forest Inventory and Planning，State Forestry Administration，Beijing100714）

In this study，we introduced the sources and collection methods of the forest－land resource data，and designed the national forest－land resource database by analyzing the types，characteristics and quantity of data.On this basis，we designed the database and key technology framework of platform integration，and then developed a tool to achieve pre－processing of forestland，data service platform and 2D／3Dapplication display subsystem which has been applied in the construction of national forest resources information service platform.Moreover，the key technologies with scientific and advanced natures in this study were implemented and verified.At the end，the data services platform application mode and operation and maintenance mechanisms were discussed.

forest－land resources data；system framework；service platform；operating mechanism；digital forestry

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.023

TP79

A

1000－3177（2015）138－0126－05

2014－11－05

2015－01－06

張煜星（1964～），男，教授，高級工程師，主要從事森林資源監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測和林業(yè)信息化等管理和研究工作。

E－mail：zhangyuxing212＠163.com

許等平（1976～），男，高級工程師，主要從事森林資源監(jiān)測及“3S”技術(shù)林業(yè)應用工作。

E－mail：bj119xdp＠163.com