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熱紅外遙感(第2版)
( 簡體 字)
作者:田國良,柳欽火,陳良富等類別:1. -> 電子工程 -> 電子電氣
   2. -> 教材 -> 數位影像處理
出版社:電子工業出版社熱紅外遙感(第2版) 3dWoo書號: 37678
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NT售價: 590
出版日:1/1/2014
頁數:584
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ISBN:9787121223082 加入購物車加到我的最愛 (請先登入會員)
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第1章 熱紅外遙感基礎 1
1.1 熱輻射的基本概念與定律 1
1.1.1 表征輻射特性的基本概念 1
1.1.2 熱輻射的基本定律 3
1.2 物體的熱紅外輻射特性 6
1.2.1 太陽熱紅外輻射特性 6
1.2.2 地表熱紅外輻射特性 7
1.3 大氣熱紅外輻射傳輸方程 11
1.3.1 大氣成分及其分布 11
1.3.2 大氣的吸收、散射與輻射特性 12
1.3.3 大氣輻射傳輸方程 14
1.3.4 熱紅外輻射在大氣中的傳輸 15
1.3.5 遙感傳感器寬通道的熱紅外輻射傳輸方程 18
1.3.6 熱紅外輻射大氣傳輸計算軟件 20
1.4 熱紅外遙感研究前沿綜述 22
1.4.1 熱紅外遙感載荷發展簡介 22
1.4.2 熱紅外遙感輻射傳輸模型研究前沿 26
1.4.3 熱紅外遙感反演研究進展 28
1.4.4 熱紅外遙感應用領域展望 29
參考文獻 30
第2章 熱紅外遙感信息探測 32
2.1 熱紅外遙感系統 32
2.1.1 熱紅外遙感系統發展 32
2.1.2 熱紅外探測平臺 33
2.1.3 熱紅外遙感系統的成像特性和觀測試驗方法 36
2.1.4 熱紅外輻射方向特性4種野外測量方法比較 43
2.2 熱紅外設備定標 44
2.2.1 發射前的實驗室定標 44
2.2.2 星上黑體定標 48
2.2.3 在軌場地絕對輻射定標 52
2.2.4 交叉定標 61
2.2.5 小結 62
2.3 熱紅外圖像預處理 62
2.3.1 幾何校正 62
2.3.2 相對輻射校正 65
2.3.3 熱紅外遙感數據大氣校正 68
參考文獻 72
第3章 熱紅外遙感信息模型 75
3.1 熱紅外遙感信息模型概況 75
3.1.1 遙感信息模型與熱紅外遙感信息模型 75
3.1.2 熱紅外遙感信息模型的發展和認識過程 75
3.1.3 熱紅外遙感信息模型的影響因素與模型類型 78
3.2 比輻射率和溫度的概念與一般模型 78
3.2.1 有關溫度的基本概念 78
3.2.2 同溫均質表面比輻射率及其方向性 80
3.2.3 非同溫非均質表面的等效溫度與比輻射率 82
3.3 組分有效比輻射率及其矩陣表達 84
3.3.1 二維平面像元組分有效比輻射率 84
3.3.2 三維非同溫混合像元組分有效比輻射率 85
3.3.3 組分有效比輻射率的矩陣表達 87
3.4 考慮溫差的發射率的定義及普朗克定律尺度效應 90
3.4.1 平面混合像元溫差導致的發射率視在增量 90
3.4.2 三維結構像元多次散射導致的發射率視在增量 90
3.5 普朗克定律的尺度效應和地表熱輻射公式的尺度校正 91
3.5.1 非同溫黑體平面上普朗克定律的尺度效應 91
3.5.2 非同溫黑體表面有效發射率大于1的物理意義 94
3.5.3 三維結構非同溫黑體表面普朗克定律的尺度效應 95
3.5.4 真實地表熱輻射公式的尺度校正 96
3.6 連續植被熱輻射模型 98
3.6.1 連續植被熱輻射參數與概念 98
3.6.2 連續植被冠層無散射模型 104
3.6.3 連續植被冠層一次散射熱輻射模型 105
3.6.4 作物冠層的熱紅外輻射傳輸模型的通量模型 107
3.7 行結構熱紅外遙感信息模型 113
3.7.1 行結構模型特點與簡介 113
3.7.2 行結構箱型模型 114
3.7.3 行結構孔隙率模型 115
3.7.4 行結構亮溫模型 122
3.8 熱紅外計算機模擬統計模型 136
3.8.1 蒙特卡羅模擬方法簡介 137
3.8.2 植被冠層熱輻射的蒙特卡羅模擬計算 139
3.8.3 連續植被熱輻射的蒙特卡羅模擬結果與驗證[3] 143
參考文獻 148
第4章 熱紅外遙感計算機模擬模型 155
4.1 熱紅外輻射傳輸計算機模擬模型概述 155
4.1.1 地表溫熱紅外輻射方向性計算機模擬的意義 155
4.1.2 熱輻射方向性模型研究現狀 157
4.1.3 植被冠層組分溫度分布模擬研究現狀 158
4.2 地表真實場景計算機模擬 160
4.3 植被冠層組分溫度分布計算機模擬模型 161
4.3.1 ECUPID模型參數化方案 161
4.3.2 ECUPID模型敏感性分析 162
4.3.3 ECUPID模型的模擬驗證 162
4.4 植被冠層熱紅外輻射方向性計算機模擬模型 166
4.4.1 TRGM模型構建 166
4.4.2 TRGM模型參數化方案 168
4.4.3 TRGM模型軟件開發 169
4.4.4 TRGM模型敏感性分析 170
4.4.5 熱紅外輻射方向性模型的比較和驗證 176
4.5 植被冠層熱紅外輻射方向性計算機模擬系統及應用 181
4.5.1 模擬系統介紹 181
4.5.2 模擬系統敏感性分析 182
4.5.3 作物冠層內部溫度時空分布特征的模擬與分析 187
4.5.4 典型農作物冠層方向亮溫的模擬與分析 191
參考文獻 196
第5章 地表溫度遙感反演 200
5.1 地表溫度遙感反演的基本理論 200
5.1.1 地表參數遙感反演方法概述 200
5.1.2 地表溫度反演的基本問題 203
5.1.3 地表溫度遙感定量反演的發展 205
5.2 地表溫度發射率分離算法 208
5.2.1 溫度發射率分離的典型算法 208
5.2.2 溫度發射率分離方法在遙感圖像數據中的應用 213
5.2.3 估算地表發射率的其他方法 214
5.3 像元平均溫度的遙感反演 215
5.3.1 單通道法 215
5.3.2 多通道法(劈窗算法) 217
5.3.3 多時相法 223
5.4 組分溫度的遙感反演 232
5.4.1 組分溫度反演的意義和所依賴的條件 232
5.4.2 多角度基于大氣校正產品的組分溫度反演 233
5.4.3 多角度與劈窗算法結合的組分溫度反演 239
5.4.4 其他組分溫度反演算法的可能性分析 240
5.4.5 組分溫度遙感反演的信息分析 243
5.5 地表溫度和發射率反演的前沿問題與展望 245
參考文獻 245
第6章 熱紅外高光譜遙感反演 250
6.1 溫室氣體二氧化碳和甲烷的熱紅外高光譜遙感反演 250
6.1.1 基于熱紅外高光譜數據的CO2濃度反演 251
6.1.2 甲烷的熱紅外高光譜遙感反演 258
6.1.3 反演實驗和驗證 260
6.2 熱紅外高光譜數據的溫度和發射率分離 264
6.2.1 原理與方法 264
6.2.2 基于迭代的溫度與發射率分離 265
6.2.3 發射率測量 268
6.3 基于星載熱紅外高光譜數據的大氣地表參數一體化反演 276
6.3.1 原理與方法 276
6.3.2 大氣窗口的選擇 278
6.3.3 基于星載高光譜數據的一體化反演方法 279
參考文獻 284
第7章 地表凈輻射遙感估算 288
7.1 地表凈輻射遙感估算概述 288
7.1.1 地表凈輻射概念 288
7.1.2 地表凈輻射Rn遙感估算原理 289
7.1.3 研究現狀與發展趨勢 291
7.1.4 Rn估算的不確定性分析 293
7.2 短波凈輻射遙感估算 294
7.2.1 直接估算法 294
7.2.2 下行短波輻射遙感估算 295
7.2.3 地表反照率反演 298
7.2.4 短波凈輻射遙感估算不確定性分析 304
7.3 長波凈輻射遙感估算 305
7.3.1 長波輻射遙感估算原理 305
7.3.2 大氣下行長波輻射遙感估算模型 307
7.3.3 上行長波輻射遙感估算模型 312
7.3.4 長波輻射遙感估算的不確定性分析 313
7.4 實例分析 315
7.4.1 下行短波輻射估算 315
7.4.2 反照率反演 317
7.4.3 長波輻射估算 319
參考文獻 321

第8章 農田蒸散遙感定量監測 327
8.1 概述 327
8.1.1 自然界的蒸發與蒸散 327
8.1.2 蒸發測量與遙感蒸散估算的意義 328
8.1.3 相關的基本概念 330
8.2 農田蒸散遙感信息模型 333
8.2.1 單層模型 333
8.2.2 雙層模型 337
8.2.3 其他模型 341
8.3 遙感定量估算農田蒸散的方法 343
8.3.1 基本流程 343
8.3.2 遙感參數反演和數據準備 345
8.3.3 有效能量的計算 345
8.3.4 阻抗的計算 346
8.4 蒸散遙感的空間尺度問題 349
8.4.1 蒸散遙感的空間尺度效應分析 349
8.4.2 蒸散估算的空間尺度誤差糾正方法 356
8.5 蒸散遙感的時間尺度擴展方法 361
8.5.1 由瞬時到日蒸散的計算方法 361
8.5.2 陸面數據同化的方法 364
8.6 驗證及不確定性分析 365
8.6.1 驗證 365
8.6.2 不確定性分析 367
參考文獻 370
第9章 土壤水分與旱情遙感監測 378
9.1 旱情概述 378
9.2 干旱概念、指標與特征 379
9.2.1 干旱概念 379
9.2.2 干旱指標 380
9.2.3 干旱特征 382
9.3 旱情分布特征與旱情遙感監測概述 383
9.4 遙感與旱情監測 385
9.4.1 遙感與土壤濕度監測 385
9.4.2 遙感光譜波段與旱情監測 386
9.5 植被指數/地表溫度與土壤濕度 388
9.5.1 地表溫度與植被指數 388
9.5.2 LST/NDVI斜率與土壤濕度 389
9.5.3 地表溫度與植被指數特征空間 389
9.5.4 溫度植被干旱指數 391
9.5.5 地表溫度植被指數特征空間模型 391
9.5.6 影響植被指數和地表溫度關系的因素 394
9.5.7 空間土壤濕度概念 397
9.6 土壤水分與旱情的遙感監測模型和方法 397
9.6.1 熱慣量模型 397
9.6.2 基于能量平衡的土壤水分遙感監測模型 402
9.6.3 基于水量平衡的土壤水分遙感監測模型 404
9.6.4 作物缺水指數模型 405
9.6.5 其他方法和模型 405
9.7 旱情遙感監測系統設計與實驗 409
9.7.1 黃淮海平原地區旱情遙感監測系統 409
9.7.2 中國旱情的VCI法監測系統 410
9.7.3 中國旱情的Ts/NDVI法監測系統 418
9.7.4 中國旱情的健康指數法監測系統 419
9.8 干旱監測與制圖 423
9.8.1 旱情監測與制圖示例 423
9.8.2 精度檢驗與評價 428
參考文獻 435
第10章 城市熱環境遙感監測 441
10.1 城市環境系統概述 441
10.2 城市熱環境特征 443
10.2.1 基本概念 443
10.2.2 城市環境熱場的形成原因 445
10.2.3 城市熱環境特征 446
10.3 城市熱環境遙感監測 448
10.3.1 熱紅外遙感監測主要研究內容 448
10.3.2 城市熱環境監測現狀與發展趨勢 448
10.3.3 城市熱環境模型和方法研究 451
10.3.4 城市熱環境主要參數測量和計算方法 458
10.3.5 城市熱景觀遙感監測 464
10.3.6 城市熱島遙感監測 467
10.3.7 城市熱污染(熱異常)監測 469
10.4 城市人居熱環境評價 469
10.4.1 城市人居環境評價意義 469
10.4.2 城市人居熱環境評價原則與步驟 470
10.4.3 城市人居熱環境評價指標 471
10.4.4 城市熱環境景觀評價體系 471
參考文獻 472
第11章 森林火災遙感監測 478
11.1 森林火災的基本特征 478
11.1.1 森林及其燃燒 478
11.1.2 中國森林火災的規律 479
11.1.3 中國森林防火監測體系 482
11.2 林火監測方法 486
11.2.1 圖像信息增強處理 487
11.2.2 閾值法 488
11.2.3 Lee和Tag技術 488
11.2.4 應用NDVI值監測火災 489
11.2.5 MODIS火點識別算法 489
11.2.6 基于人工神經元網絡的林火監測方法 493
11.2.7 專家系統方法 496
11.3 系統驗證 508
11.4 森林火災預警 511
11.4.1 森林火險預報研究概況 511
11.4.2 森林火險預報研究方法 512
11.4.3 森林火險預報發展趨勢 513
11.4.4 全國森林火險預報系統的研究 514
11.4.5 全國森林火險預報系統的運行 516
參考文獻 519
第12章 熱紅外遙感在其他領域中的應用 521
12.1 熱紅外遙感在地質領域的應用 521
12.1.1 熱紅外溫度地質填圖 521
12.1.2 水資源勘查 524
12.1.3 熱慣量地質填圖 525
12.1.4 熱紅外光譜地質填圖 525
12.1.5 熱紅外用于星際探測 528
12.2 紅外遙感在軍事方面的應用 528
12.2.1 紅外偵察 529
12.2.2 紅外夜視 531
12.2.3 紅外制導 534
12.2.4 紅外隱身和紅外預警 538
12.3 秸稈焚燒熱紅外監測應用 541
12.3.1 秸稈焚燒監測的意義 541
12.3.2 秸稈焚燒像元亮溫的模擬 542
12.3.3 秸稈焚燒火點監測算法 543
12.3.4 秸稈焚燒監測結果與驗證 545
12.4 震前熱紅外溫度異常研究 547
12.4.1 震前熱異常現象 547
12.4.2 震前熱異常信息提取 549
12.4.3 應用實例和前景 553
參考文獻 562
針對當前遙感發展的現狀和趨勢,本書結合中國的特點,系統闡述了熱紅外遙感基礎以及熱紅外信息探測、信息模型、定量反演和應用等方面的發展狀況、學科前沿問題、發展趨勢和應用成果,包括熱紅外遙感在我國的攀登計劃和重大基礎研究計劃(G2000077900)中以及其他方面取得的最新重要進展和重要成果。
  全書共12章,其中第1至6章為熱紅外遙感基礎、儀器、模型和信息定量反演的理論和方法;第7至12章為熱紅外遙感的應用,分別總結了熱紅外遙感在地表凈輻射的遙感估算,農田蒸散的定量遙感監測,土壤水分與旱情的遙感監測,城市熱環境遙感監測,森林火災的遙感監測,以及其他領域中的應用。

第2版前言
  
  自《熱紅外遙感》一書出版以來,熱紅外遙感無論在技術、理論方法和應用等方面都得到了進一步發展。例如,熱紅外遙感技術在探測器件的靈敏度、信噪比和分辨率等方面都有了進一步提升,熱紅外遙感系統不僅能探測地表寬波段信息,而且人們開發了高光譜熱紅外遙感儀器,其反演地表溫度、大氣參數、溫室氣體等的能力得到進一步提高。熱紅外遙感研究的主要目的,是精確地獲取地表(包括植被、土壤、巖石和水體等的表面)溫度。理論反演—地表溫度和比輻射率的分離方法,大氣與地表參數一體化反演等也有了新的進展。多角度、多光譜和熱紅外遙感的結合,為熱紅外遙感反演地表溫度提供了更好的信息源。利用多角度遙感可以明顯增加地物三度空間的信息量,可以改善大氣輻射糾正的能力。熱紅外遙感應用得到進一步拓展,已經在地表溫度反演、城市熱島效應監測、林火監測、旱災監測、探礦、探地熱和巖溶區探水等領域都有很廣泛的應用。近年來針對全球變化和氣候變暖研究,熱紅外遙感也發揮了重要作用,特別是在地表能量平衡、溫室氣體反演和監測等方面得到進一步應用。利用主動熱紅外輻射源——熱紅外激光雷達是推動熱紅外遙感發展的新思路, 熱紅外激光雷達的開發和更廣泛應用,將使熱紅外遙感在空間分辨率和信息源的信息量方面得到突破性的發展,人們探測地物結構方面的能力也將大幅度提高。
  承蒙廣大讀者的厚愛,《熱紅外遙感》第1版已經售完;應讀者的要求,經與出版社協商,決定在原書的基礎上進行再版。第2版由原來的9章擴展為12章,新增了第4章“熱紅外遙感計算機模擬模型”、第6章“熱紅外高光譜遙感反演”和第7章“地表凈輻射遙感估算”3章,并對原有章節進行了修改和補充。其中,第1章“熱紅外遙感基礎”增加了“熱紅外遙感研究前沿綜述”一節;第2章“熱紅外遙感信息探測”將2.1.3節改為“熱紅外遙感系統的成像特性和觀測試驗方法”,除保留FOV效應外增加了熱紅外遙感系統的成像特性;第3章“熱紅外遙感信息模型”內容較多,將熱紅外計算機模擬模型部分調整到第4章;第4章“熱紅外遙感計算機模擬模型”重點論述了熱紅外輻射傳輸計算機模擬模型,包括植被冠層組分溫度分布計算機模擬模型、植被冠層熱紅外輻射方向性計算機模擬模型和植被冠層熱紅外輻射方向性計算機模擬系統;第5章“地表溫度和發射率的遙感反演”,將紅外高光譜數據的反演方法調整到第6章,刪除了“遙感綜合反演”一節,將其中一些有用的內容簡化后補充到“組分溫度反演”一節中,另外對單通道溫度反演方法做了一些擴充。第6章“熱紅外高光譜遙感反演”包括溫室氣體的熱紅外高光譜遙感反演、熱紅外高光譜數據的溫度和發射率分離、基于星載熱紅外高光譜數據的大氣地表參數一體化反演。第7章“地表凈輻射遙感估算”包括地表凈輻射遙感估算原理、短波凈輻射遙感估算、長波凈輻射遙感估算等。第8章“農田蒸散遙感定量監測”,改寫了遙感估算蒸散方法和驗證的部分內容,突出了蒸散遙感的空間尺度和時間尺度擴展方法,并獨立成為兩節。第9章“土壤水分與旱情遙感監測”,在土壤水分與旱情的遙感監測模型中新增加了植被健康指數模型,在旱情遙感監測系統設計與實驗中增加了中國旱情的健康指數法監測系統。第10章“城市熱環境遙感監測”,增加了城市熱環境模型和方法研究的一些內容,補充了熱紅外定量遙感地面主要參數的反演算法的內容。第11章“森林火災遙感監測”,補充了一些具有現勢性的數據和內容,增加了遙感監測的實例。第12章“熱紅外遙感在其他領域中的應用”,增加了熱紅外遙感軍事應用的部分內容,特別是增加了“秸稈焚燒熱紅外監測應用”和“熱紅外地震前溫度異常研究”這兩節新的內容。
  本書為作者所在團隊集體的成果,參加第2版修改和撰寫的人員有:第1章柳欽火,第2章杜永明,第3章陳良富,第4章柳欽火、張陽、黃華國,第5章劉強,第6章田國良、陳良富、肖青、杜永明、何茜、張瑩,第7章柳欽火、張海龍、余珊珊,第8章辛曉洲,第9章田國良,第10章歷華,第11章覃先林,第12章田國良、肖青、陳良富、張元生、賀寶華、魏從信。
  本書的編寫得到電子工業出版社及相關編輯的大力支持和協助,在此表示衷心的感謝。由于本書是研究團隊集體成果的總結,對于參與這些項目和本書編寫工作的人員的付出和貢獻表示深深的謝意。
  由于本書涉及內容廣泛,著者水平有限,疏漏和不足之處敬請批評指正。
  
   著 者
   2013年8月于北京
  
  
  

第1版前言
  人類的發展經歷了三個階段:第一個階段是人類通過制造工具,擴展體力活動的能力;第二個階段通過提高判斷能力,尋求更清晰和更廣泛的理解與判斷事物的標準;而人類近年來致力于增強獲得輸入信息的能力,擴大感覺范圍或增添新的感官,使我們的大腦能接收到更多的信息,正是人類發展的第三階段。在這個階段中,對地觀測系統的發展,為人類在宇宙空間探測地球提供了強有力的技術和手段,包括紅外技術在內的計量、探測技術的發展已經把人類的感官由5種增加到6種。這些高新技術已經成為新的產業和投資熱點,創造了巨大的財富和無法預計的社會效益。其中以衛星定位和紅外熱成像兩項技術最為突出。
  自然界中一切物體只要其溫度大于絕對零度,都可以輻射紅外線,因此利用探測儀器測定目標的本身和背景之間的紅外輻射可以得到不同的紅外圖像——目標表面溫度分布圖像。紅外熱成像技術使人眼不能直接看到的目標表面熱輻射分布,變成人眼可以看到的代表目標表面熱輻射分布的熱圖像。熱紅外線(或稱熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。熱輻射可以使人們在完全無光的夜晚,清晰地觀察到地表的情況。熱輻射的這個特點使人們可以利用它來對物體進行全天時無接觸溫度測量和熱狀態分析,為資源探測和環境監測等方面提供一個重要的檢測技術手段。
  自20世紀70年代以來,紅外探測技術得到了飛速發展,對地觀測衛星不僅可以利用儀器探測地表的可見光和近紅外信息,而且可以獲得地球表面的熱紅外信息,擴大了人類獲取信息的能力,熱紅外遙感得到了迅速的發展。例如,在80年代初美國專門發射了熱容量探測衛星,之后各國在氣象衛星上都裝載了熱紅外遙感儀器。隨著熱紅外遙感應用的擴大,熱紅外遙感的空間分辨率從幾十千米,到5 km、1 km,再到120 m和60 m,而探測波段也從1個發展為5個(ASTER)。航空熱紅外遙感儀器無論在空間分辨率、探測波段和探測能力等方面都比衛星發展得更加迅速。這些為熱紅外遙感應用提供了豐富的信息。
  我國科學家早在20世紀70年代就研制成功航空熱紅外成像儀,氣象衛星風云系列、海洋衛星和資源衛星系列等都裝載了我國自行研制的熱紅外遙感儀器,在遙感應用中發揮了重要作用。他們圍繞著熱紅外遙感機理和模型、數據的處理與分析、地表參數的定量反演及熱紅外遙感應用等方面開展了大量研究,取得了一批十分有價值的成果,形成了精干的熱紅外遙感研究隊伍。
  包括熱紅外遙感在內的遙感技術已經成為當今世界各國展現科技實力、促進社會經濟發展、進行國力競爭、維護國家安全的重要領域,國家在農業與糧食安全、土地資源、水資源與礦產資源調查、生態與環境安全、災害監測和國防安全等方面對遙感的戰略需求越來越迫切。為了更好地推動熱紅外遙感的研究和應用,以及數字中國的建設,我們重點總結了國家攀登預選項目“地球表面能量交換的定量遙感”、國家重點基礎研究項目(973)“地球表面時空多變要素的定量遙感理論與應用(G2000077900)”、多個國家自然科學基金項目(40371087、40371088)、國家“八五”和”九五”科技攻關項目以及國家高技術項目(863)等的研究成果,匯集成本書。
  本書由田國良提出撰寫大綱,并完成全書的修改定稿,各章主要編寫人員如下:前言,田國良;第1章,柳欽火;第2章,余濤、張勇;第3章,陳良富、李小文、徐希孺等;第4章,劉強、柳欽火;第5章,辛曉洲、田國良;第6章,田國良、辛景峰、馮強;第7章,葉慶華、余濤、田國良;第8章,易浩若、覃先林;第9章,肖青。
  本書的編寫得到《數字中國叢書》編委會的指導和大力支持,并得到了李小文院士、徐希孺教授和顧興發研究員等的熱心指導,以及范聞捷副教授的幫助,在此表示衷心感謝。本書是著者所在研究團隊集體完成的成果總結和提煉,對于參加研究的所有科研人員的辛勤勞動表示深深的謝意。
  本書的內容涉及一些前沿問題,正在探索中,反映了我們最近的研究進展和想法。由于水平有限,錯誤在所難免,敬請讀者批評指正。
  
   著 者
   2005年10月
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