中國(guó)現(xiàn)今板塊運(yùn)動(dòng)對(duì)陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性影響

岳彩亞，黨亞民，楊 強(qiáng)，韓雪麗1，

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

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中國(guó)現(xiàn)今板塊運(yùn)動(dòng)對(duì)陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性影響

岳彩亞1,2，黨亞民2，楊 強(qiáng)2，韓雪麗1，2

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

中國(guó)大陸板塊的整體漂移及其二級(jí)板塊之間的相互運(yùn)動(dòng)必然會(huì)對(duì)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的基準(zhǔn)站穩(wěn)定性造成一定的影響。本文使用最新5年的陸態(tài)網(wǎng)連續(xù)基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出各站點(diǎn)的速度，從而分析二級(jí)板塊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；并利用極限誤差橢圓法對(duì)陸態(tài)網(wǎng)中各基準(zhǔn)站進(jìn)行逐個(gè)分析，判斷其穩(wěn)定性。結(jié)果表明：各板塊間的運(yùn)動(dòng)速度存在差異，特別是川滇地區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)相對(duì)活躍；陸態(tài)網(wǎng)中穩(wěn)定性較差的臺(tái)站大部分是分布在板塊與板塊的交接處。

二級(jí)板塊；陸態(tài)網(wǎng)；基準(zhǔn)站穩(wěn)定性；極限誤差橢圓

地殼是指由巖石組成的固體外殼，即地球固體圈層的最外層。在漫長(zhǎng)的地球歷史中，地殼并不是靜止的，而是在不斷的發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式主要有大陸漂移、板塊運(yùn)動(dòng)、火山爆發(fā)、地震等[1-2]。中國(guó)大陸處于亞歐板塊的東南邊緣，運(yùn)動(dòng)活躍，其中包含了由板塊間和板塊內(nèi)部造成的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及由大氣荷載和海潮荷載造成的非構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，尤其是位于新疆維吾爾自治區(qū)、四川省、云南省、青海省以及環(huán)渤海地區(qū)的二級(jí)板塊運(yùn)動(dòng)更為活躍[3]。中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))由260個(gè)連續(xù)觀測(cè)站和2 000個(gè)不定期觀測(cè)站構(gòu)成，主要用于監(jiān)測(cè)中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)、重力場(chǎng)形態(tài)及變化、大氣圈對(duì)流層水汽含量變化及電離層離子濃度的變化以及現(xiàn)代大地測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的建立和維持[4]。本文針對(duì)中國(guó)大陸整體漂移以及二級(jí)板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)給陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站造成影響，利用陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站的兩期觀測(cè)數(shù)據(jù)(間隔為1 a)采用極限誤差橢圓法進(jìn)行位移顯著性檢驗(yàn)，并對(duì)2010—2014年5年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，得出基準(zhǔn)站的速度場(chǎng)。

1 陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性檢驗(yàn)判別原則

1.1 極限誤差橢圓

極限誤差橢圓是一種比較實(shí)用的測(cè)站逐點(diǎn)分析檢驗(yàn)方法。原理是通過(guò)對(duì)兩期觀測(cè)得到測(cè)站點(diǎn)的位移量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，間隔可為10天、1個(gè)月、或者一年。判斷位移顯著的標(biāo)準(zhǔn)是取2倍的誤差橢圓與兩期測(cè)站點(diǎn)位移值做差，若差值為正，則位移不顯著，點(diǎn)位穩(wěn)定；反之，若差值為負(fù)，則位移顯著，點(diǎn)位不穩(wěn)定，即GPS網(wǎng)不穩(wěn)定[4-5]。

任意方向φ的位差：

Qφφ=Qxxcos2φ+Qyysin2φ+Qxysin2φ,

(1)

(2)

式中:Qxx和Qyy分別為X方向和Y方向坐標(biāo)差的協(xié)因數(shù)，Qxy為坐標(biāo)差互協(xié)因素，σ02為單位權(quán)中誤差，Qψψ和σψ2分別為方向的協(xié)因數(shù)和位差。

位差的極大值和極小值[6]：

(3)

(4)

式中:E和F為位差的極大值和位差的極小值，ψE和ψF為位差極大值和極小值的方向，其他參數(shù)同上。

誤差橢圓方程為

(5)

式中：τ為以極大值E、原點(diǎn)O和極小值F為坐標(biāo)系時(shí)，由縱軸E轉(zhuǎn)過(guò)的角度。利用點(diǎn)位誤差橢圓可求某點(diǎn)在任意方向的位差，但這種方法只能對(duì)一個(gè)待定點(diǎn)分析，如果對(duì)一個(gè)網(wǎng)中的所有點(diǎn)分析時(shí)，需要做出每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差橢圓[4]。

1.2 點(diǎn)位中誤差

判斷測(cè)站點(diǎn)位移顯著性時(shí)，首先要確定點(diǎn)的解算精度是否滿足判斷的要求，在精度許可的情況下進(jìn)行判斷。確定點(diǎn)位在平面上位置時(shí)，通常是對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，然后取觀測(cè)的平均值為點(diǎn)的真位置。這樣處理會(huì)消除部分偶然誤差，但是和點(diǎn)的真正位置間仍有些差異，而點(diǎn)位中誤差可以表示兩者差異大小，并可以對(duì)所求觀測(cè)值進(jìn)行精度評(píng)定[7]。

點(diǎn)位中誤差計(jì)算式：

(6)

(7)

2 算例分析與討論

2.1 我國(guó)二級(jí)板塊和速度場(chǎng)

二級(jí)板塊是對(duì)我國(guó)大陸所處的歐亞板塊進(jìn)一步的劃分。張培震，鄧起東等人在劃分的一級(jí)板塊的前提下，將我國(guó)及其周邊板塊劃分成22個(gè)活動(dòng)地塊[8-9]。中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)研究所的程鵬飛、成英燕等在此基礎(chǔ)上利用“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”1999—2009年GNSS數(shù)據(jù)獲得中國(guó)大陸二級(jí)板塊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)圖。

黨亞民、成英燕等人利用2010—2013年GNSS速度場(chǎng)解算結(jié)果建立了新一代的二級(jí)板塊運(yùn)動(dòng)模型[10]，與以前的二級(jí)板塊相比，大致趨勢(shì)相同，局部地方有變化。王閻昭等人對(duì)我國(guó)川滇地區(qū)板塊進(jìn)行了二級(jí)板塊的細(xì)分，郭曉虎等人在此基礎(chǔ)上對(duì)該地區(qū)板塊的細(xì)分做了調(diào)整[3,11]。

本文對(duì)2010—2014年的陸態(tài)網(wǎng)GPS連續(xù)運(yùn)行站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行GAMIT基線解算和GLOBK網(wǎng)平差求得陸態(tài)網(wǎng)GPS站在ITRF框架下的速度場(chǎng)(見(jiàn)圖1)。其中根據(jù)實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造因素，某些二級(jí)板塊的具體劃分延伸到了中國(guó)周邊，如阿爾泰、中蒙等。控制站選用我國(guó)境內(nèi)和周邊的15個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的IGS站，二級(jí)板塊劃分圖引用于寧一鵬(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院)對(duì)2010—2013年GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)處理得到的速度值，并通過(guò)歐拉方程計(jì)算得到。

從所有測(cè)站的速度矢量方向分析整個(gè)中國(guó)大陸板塊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可明顯發(fā)現(xiàn)該板塊呈現(xiàn)整體的右旋趨勢(shì)，其中青藏高原有向東北方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而整個(gè)新疆省的準(zhǔn)格爾地區(qū)幾乎是向東運(yùn)動(dòng)；華北、東北等地的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致，均具有往西南方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。針對(duì)于二級(jí)板塊來(lái)分析，其中祁連、柴達(dá)木、巴彥碦拉三個(gè)板塊每年以大約3 cm的速度往東運(yùn)動(dòng)，除此之外，以大約7 mm的速度向南方向運(yùn)動(dòng)；川滇塊體和滇西南塊體的運(yùn)動(dòng)速度都較大，東西方向和南北方向每年的運(yùn)動(dòng)量級(jí)均在幾個(gè)厘米，但二者相比較，東西方向運(yùn)動(dòng)差值約為1～2 cm，而南北方向運(yùn)動(dòng)差值在1 cm之內(nèi)，并且川滇塊體又受到了穩(wěn)定的華南塊體的阻擋作用，造成該塊體內(nèi)部出現(xiàn)了一系列的構(gòu)造斷裂。這種板塊之間速度的差異以及相互擠壓、拉張的錯(cuò)動(dòng)形式導(dǎo)致該地區(qū)淺源地震高發(fā)；其他板塊之間雖然運(yùn)動(dòng)速度不同，但是差異非常小，大約為5～10 mm，因此可以斷定這些二級(jí)板塊之間的相對(duì)穩(wěn)定性較強(qiáng)，表1列出了各個(gè)二級(jí)板塊的歐拉極經(jīng)度、歐拉極緯度、板塊旋轉(zhuǎn)角速度。

圖1 二級(jí)板塊與速度場(chǎng)

板塊Ωx/mmΩy/mmΩz/mm阿爾泰0．003698190．00631559-0．00192016阿拉善-0．00013589-0．001168370．00461742巴顏喀拉-0．007418880．00444183-0．00471648柴達(dá)木-0．00586247-0．002199090．00090439鄂爾多斯0．00078528-0．000931230．00102315華北-0．00064023-0．00034373-0．00180664華南0．00235635-0．00009065-0．00187859拉薩-0．006744700．000948700．00228967魯東黃海-0．003807490．001306140．00495304川滇-0．001711180．000202520．01252943滇西南0．005347670．005423280．00495803南海-0．003637370．00068539-0．00666137羌塘0．00256915-0．00360407-0．02373197祁連0．00014614-0．002064370．00390548塔里木0．00467856-0．00229841-0．00023514天山-0．00396391-0．00796372-0．00023843燕山-0．00038571-0．00098934-0．00099382中朝-0．00074375-0．00119492-0．00341840中蒙0．000793790．000796980．00059158準(zhǔn)格爾0．00268490-0．00160713-0．00121154

2.2 陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

中國(guó)大陸所處亞歐板塊的邊緣，其運(yùn)動(dòng)顯著，地質(zhì)斷裂構(gòu)造非常顯著[12]，并且各個(gè)板塊之間存在相互運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)差異隨著地方不同差異大小也不相同。大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是用于監(jiān)測(cè)中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)、重力場(chǎng)形態(tài)及變化、大氣圈對(duì)流層水汽含量變化、電離層離子濃度的變化以及現(xiàn)代大地測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的建立。為了能夠更好的發(fā)揮構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的作用，對(duì)網(wǎng)中測(cè)站點(diǎn)的穩(wěn)定性分析尤為重要。本文分別用2013年1月1—10日、2014年1月1—10日兩期陸態(tài)網(wǎng)觀測(cè)值進(jìn)行站點(diǎn)位移顯著性分析。用GAMIT/GLOBK求出前后兩期的單日解，剔除壞的數(shù)據(jù)，后求出一個(gè)平均坐標(biāo)。

圖2是剔除陸態(tài)網(wǎng)中解算不符合要求的測(cè)站點(diǎn)后，通過(guò)極限誤差橢圓(其中k=2)判斷測(cè)站點(diǎn)的分布。實(shí)心圓點(diǎn)為測(cè)站不穩(wěn)定點(diǎn)，三角形點(diǎn)為測(cè)站穩(wěn)定點(diǎn)。從點(diǎn)位的分布可知不穩(wěn)定點(diǎn)主要分布在二級(jí)板塊的邊界處，其中川滇、滇西南、環(huán)渤海地區(qū)不穩(wěn)定點(diǎn)居多；整個(gè)華南地區(qū)測(cè)站點(diǎn)穩(wěn)定性較好，除了板塊邊界處一些點(diǎn)不穩(wěn)定，其他的點(diǎn)基本都是穩(wěn)定狀態(tài)；天山和塔里木邊界處的點(diǎn)穩(wěn)定的較多，可說(shuō)明這兩個(gè)二級(jí)板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不是很明顯。本文用測(cè)站穩(wěn)定率來(lái)描述測(cè)站的穩(wěn)定程度，穩(wěn)定率定義為2倍極限橢圓誤差與測(cè)站點(diǎn)位移量之間的差值與測(cè)站點(diǎn)位移量的比值。穩(wěn)定率的值為正，極限誤差大于測(cè)站位移量，測(cè)站穩(wěn)定；相反，其值為負(fù)時(shí)，測(cè)站位移量大于極限誤差，測(cè)站不穩(wěn)定。若比值從正向接近0說(shuō)明測(cè)站雖然穩(wěn)定，但其穩(wěn)定性較低；若比值越接近1說(shuō)明此點(diǎn)的穩(wěn)定性程度較高。反之，若比值從負(fù)向接近0說(shuō)明此測(cè)站不穩(wěn)定，但其不穩(wěn)定性并不明顯；若比值越接近-1說(shuō)明此點(diǎn)的不穩(wěn)定性程度較高。

圖2 測(cè)站點(diǎn)位穩(wěn)定性分析

對(duì)所有測(cè)站點(diǎn)的穩(wěn)定率做統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 測(cè)站穩(wěn)定性分析

從表2可以看出：陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站的穩(wěn)定率大部分在-10%～10%之間，部分站點(diǎn)超過(guò)這個(gè)范圍(均方差等表示的區(qū)間)，表明部分測(cè)站相對(duì)穩(wěn)定性或者相對(duì)不穩(wěn)定性是顯著的，如測(cè)站YNTH，其穩(wěn)定率為12.34%，說(shuō)明這個(gè)測(cè)站相對(duì)不穩(wěn)定性較為顯著(穩(wěn)定的也要舉例)。二級(jí)板塊的邊緣處的測(cè)站雖然有的呈現(xiàn)出穩(wěn)定性，但是其穩(wěn)定程度并不高，如測(cè)站XJQH和YONG，穩(wěn)定率是從正向接近于0；同樣在板塊內(nèi)部的一些點(diǎn)雖然表現(xiàn)出不穩(wěn)定，但是其穩(wěn)定率是從負(fù)向接近0，說(shuō)明這個(gè)測(cè)站不穩(wěn)定性并非顯著，如SDRC和SNXY。這種情況可能是由于板塊內(nèi)部的變形引起局部地區(qū)地殼隆起或者下沉，但這個(gè)結(jié)論還有待進(jìn)一步證明。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)2010—2014年5年的陸態(tài)網(wǎng)臺(tái)站連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，從而得到網(wǎng)中測(cè)站的速度值；并對(duì)兩期觀測(cè)值(間隔周期為一年)做測(cè)站點(diǎn)位顯著性分析。得到結(jié)論如下：

1)將測(cè)站速度場(chǎng)展到中國(guó)二級(jí)板塊上，結(jié)果表明整個(gè)中國(guó)大陸的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)呈現(xiàn)右旋狀態(tài)，對(duì)于二級(jí)板塊而言，祁連、柴達(dá)木、巴彥碦拉三個(gè)板塊每年以約3 cm的速度往東運(yùn)動(dòng)，并且以約7 mm的速度向南方向運(yùn)動(dòng)；川滇地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速度向東西方向接近4 cm，南北方向接近2 cm，而滇西南板塊東西方向運(yùn)動(dòng)速度約2.5 cm，南北方向約為1.4 cm，羌塘和拉薩板塊運(yùn)動(dòng)速度約為2.7 cm，這樣造成川滇板塊和羌塘、拉薩板塊之間出現(xiàn)斷裂，而川滇板塊在不斷地推擠華南板塊和滇西南板塊。尤其在東西方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)更加明顯，這種板塊之間大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能就是導(dǎo)致該地區(qū)淺源地震高發(fā)的原因；其他板塊之間雖然運(yùn)動(dòng)速度不同，但是差異非常小，大約為5～10 mm，可以斷定這些二級(jí)板塊之間的相對(duì)穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2)中國(guó)大陸板塊整體漂移和二級(jí)板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站穩(wěn)定性造成的影響主要集中在板塊斷裂邊界處。通過(guò)極限誤差橢圓法分析得到不穩(wěn)定測(cè)站點(diǎn)主要分布在板塊間的交接處，不穩(wěn)定程度一般在10%以下；在板塊邊緣處的一些點(diǎn)雖然被判斷為穩(wěn)定的，但是其穩(wěn)定程度相對(duì)內(nèi)部點(diǎn)是比較低的；在板塊內(nèi)部有些點(diǎn)呈現(xiàn)不穩(wěn)定，原因可能是由于板塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了局部隆起或者下沉。

3)中國(guó)大陸二級(jí)板塊之間運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，對(duì)陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站造成的穩(wěn)定性影響不可忽略，為保證基準(zhǔn)站坐標(biāo)精確，需要每年對(duì)陸態(tài)網(wǎng)整體平差更新坐標(biāo)，為其他應(yīng)用提供精確的參考資料。

[1] 程鵬飛，成英燕，秘金鐘，等. CGCS2000板塊模型構(gòu)建[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013(2):159-167.

[2] MEADE B J，HAGER B H. Block models of crustal motion in southern California constrained by GPS measurements[J]. J Geophys Res，2005,110(B03403).doi：10.1029/2004JB0032009.

[3] 郭曉虎，魏東平，張克亮. GPS約束下川滇地區(qū)主要斷裂現(xiàn)今活動(dòng)速率的估算方法[J]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2013，30(1)：74-81.

[4] 劉光明，唐穎哲，秦顯平，等. 陸態(tài)網(wǎng)GPS精密定軌方法與精度分析[J]. 測(cè)繪工程，2013，22(4)：38-41.

[5] 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組. 誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2008：183-190.

[6] 王大勇，王堅(jiān)，王彬，等. GPS網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下的穩(wěn)定性檢驗(yàn)[J]. 測(cè)繪科學(xué)，2013(2)，87-89.

[7] 程祥，陳廷武. 地鐵GPS控制網(wǎng)的布設(shè)與穩(wěn)定性分析[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2013(12)：12-14.

[8] 尹暉，楊睿，陳鵬云. 監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)方法與應(yīng)用[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與工程版)，2010，32(6)：861-863.

[9] 張培震，王敏，甘衛(wèi)軍，等. GPS觀測(cè)的活動(dòng)斷裂滑動(dòng)速率及其對(duì)現(xiàn)今大陸動(dòng)力作用的制約[J]. 地學(xué)前緣，2003(增1)：81-92.

[10] 寧一鵬. 中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的GNSS分析與建模[D]. 青島：山東科技大學(xué)，2014.

[11] 王閻昭，王恩寧，沈正康,等.基于GPS資料約束反演川滇地區(qū)主要斷裂現(xiàn)今活動(dòng)速率[J]. 中國(guó)科學(xué)(D輯：地球科學(xué))，2008,38(5)：582-597.

[12] 王偉. 中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的GPS分析與構(gòu)造變形模擬[D]. 北京：中國(guó)地震局地球物理研究所，2013.

[13] 馬志敏.甘肅省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)測(cè)試分析[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016,39(3)：122-124.

[責(zé)任編輯：李銘娜]

The influence of China’s current plate movement on reference station stability of the land state network

YUE Caiya1，2，DANG Yamin2，YANG Qiang2，HAN Xueli1，2

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China)

The whole drift of the continental plate and mutual movement between the two plates will inevitably affect the stability of the reference station in the tectonic environment monitoring network in China. In this paper, the velocity of each station is calculated by using the latest 5 years’ land data base station observation data, and the movement trend of the two-stage plate is analyzed. The results show that there is a difference between the velocity of the plates, especially the plate movement in the Sichuan&Yunnan region. Most of the stations with poor stability in terrestrial networks are located at the junction between the plates.

two-stage plate; land state network; reference station stability; limit error ellipse

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.03.007

2016-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41474011)；國(guó)家青年基金資助項(xiàng)目(41404034)

岳彩亞(1990-)，男，碩士研究生.

韓雪麗(1991-)，女，碩士.

P227

A

1006-7949(2017)03-0032-05

引用著錄：岳彩亞，黨亞民，楊強(qiáng)，等.中國(guó)現(xiàn)今板塊運(yùn)動(dòng)對(duì)陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性影響[J].測(cè)繪工程，2017，26(3)：32-36.