地球物理學(xué)研究

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1、地球物理學(xué)研究 【內(nèi)容提要】城市是現(xiàn)代社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)和生活的重心，隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)一步加劇，國(guó)內(nèi)外城市化的進(jìn)程迅速發(fā)展。我國(guó)在面臨WTO挑戰(zhàn)的同時(shí)，必將面對(duì)我國(guó)城市機(jī)體迅速擴(kuò)大所產(chǎn)生的各類與地學(xué)研究有關(guān)的問(wèn)題。城市地球物理學(xué)在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。主要論述城市地球物理學(xué)這一新興學(xué)科的發(fā)生與發(fā)展、城市地球物理學(xué)重要的社會(huì)價(jià)值、關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題、主要的研究方法、當(dāng)前的研究?jī)?nèi)容以及與城市地球物理學(xué)發(fā)展有關(guān)的問(wèn)題，希望得到社會(huì)各界和有關(guān)部門的關(guān)注。 1國(guó)內(nèi)外城市化進(jìn)程發(fā)展?fàn)顩r 當(dāng)前，城市的快速發(fā)展已成為全球的共同趨勢(shì)。聯(lián)合國(guó)的統(tǒng)計(jì)資料【1】表明，人口城市化的趨勢(shì)在不斷地加速發(fā)展。圖1表示了這

2、種發(fā)展趨勢(shì)。從圖1可以看出，1950年的世界人口約為25億，其中僅有30%的人口生活在城市。到20世紀(jì)末，城市人口大幅度增加，已經(jīng)達(dá)到世界人口的50%。根據(jù)圖1所示數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2025年，城市人口將占據(jù)世界人口的60%。城市數(shù)量和城市人口的迅速增長(zhǎng)對(duì)人居環(huán)境提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。表1給出了世界上人口在100萬(wàn)以上的城市數(shù)量的增長(zhǎng)【1】。從1950-1995年期間，全世界擁有百萬(wàn)人口以上的城市數(shù)目由83個(gè)增加到325個(gè)，說(shuō)明95年城市數(shù)量是50年的3.9倍，這種趨勢(shì)在第三世界國(guó)家尤為明顯，同一時(shí)期城市的數(shù)目增加了6.3倍。 表11950-1995年間人口在百萬(wàn)以上的城市數(shù)目 Table1City

3、numbersofpopulationbeyondonemillionbetween1950to1995 年代195019951995:1950 第三世界城市數(shù)342136.3 發(fā)達(dá)國(guó)家城市數(shù)491122.3 全世界城市數(shù)833253.9 我國(guó)的城市化進(jìn)程與世界同步，近年來(lái)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢(shì)。圖2給出了我國(guó)城市數(shù)量增加的數(shù)據(jù)【2】。 2城市化促進(jìn)自然科學(xué)新領(lǐng)域的產(chǎn)生與發(fā)展 我們首先以傳統(tǒng)的地理學(xué)為例。近幾十年來(lái)，尤其是第二次世界大戰(zhàn)以后城市地理研究發(fā)展迅速，內(nèi)容和影響都超過(guò)了傳統(tǒng)地理學(xué)，成為人文地理學(xué)的一門重要分支學(xué)科。對(duì)城市進(jìn)行地理學(xué)研究始于19世紀(jì)。第二次世界大戰(zhàn)以后，許多

4、國(guó)家的城市需要重建，世界范圍內(nèi)的城市化進(jìn)程加速，這些都要求對(duì)城市進(jìn)行全面的研究和規(guī)劃，促使大批地理學(xué)家投入城市研究或城市規(guī)劃工作。新興的城市地理學(xué)的核心問(wèn)題是研究區(qū)域的空間組織與城市內(nèi)部的空間組織兩種地域系統(tǒng)的關(guān)系。圍繞這兩種地域系統(tǒng)，具體的研究?jī)?nèi)容有：城市化研究、城市分類研究、城市體系研究、城市群和大城市集群區(qū)研究、城市綜合地理研究等。城市地理學(xué)在城市化進(jìn)程中逐漸形成了獨(dú)特的研究方法：早期數(shù)量方法、系統(tǒng)分析方法、城市信息系統(tǒng)方法、空間抽樣調(diào)查方法等。此外，地圖是地理研究的傳統(tǒng)工具。航空像片和衛(wèi)星像片在城市地理研究中表現(xiàn)出重要作用，是研究城市時(shí)空變化關(guān)系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 附圖 圖1全世界城市化

5、城市人口百分比【1】 Fig.1Percentageofurbanpopulationamongthetotalpopulationinworldcities 附圖 圖2中國(guó)城市數(shù)目隨時(shí)間的變化【2】 Fig.2NumberofcitiesinChina 以典型的工程科學(xué)——建筑學(xué)為例，隨著城市化現(xiàn)象的迅速推進(jìn)，建筑學(xué)向廣度和深度發(fā)展。孤立地、狹隘地研究建筑現(xiàn)象已經(jīng)說(shuō)明不了問(wèn)題，滿足不了需要?？陀^實(shí)際已經(jīng)按照系統(tǒng)工程的規(guī)律伸展了它固有的領(lǐng)域。城市及其區(qū)域已經(jīng)逐步形成了一個(gè)開(kāi)放的復(fù)雜的巨系統(tǒng)。城市化對(duì)建筑科學(xué)的影響，使得系統(tǒng)的思想進(jìn)入到傳統(tǒng)的建筑科學(xué)，進(jìn)一步突出了新的建筑科學(xué)的關(guān)系——

6、人與環(huán)境的關(guān)系【3】。錢學(xué)森考慮到中國(guó)傳統(tǒng)的文化藝術(shù)和自然特色等種種因素，形象地提出了山水城市的理念，這一思想對(duì)建筑科學(xué)的發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的意義。 以地球物理學(xué)為例，城市化問(wèn)題使得傳統(tǒng)地球物理學(xué)的研究方法、研究對(duì)象和研究?jī)?nèi)容面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。20世紀(jì)初，地震波證實(shí)了地球鐵核的存在，證明了2900km深度存在地核與地幔的邊界。30年代，地球物理方法發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)核的存在，在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家提出了地球內(nèi)部分層模型。20世紀(jì)中期，各種地球物理勘探方法初步形成。40～50年代，地球物理學(xué)的主要研究對(duì)象是勘探固體礦產(chǎn)資源，60～70年代在此基礎(chǔ)上增加了石油和天然氣，80～90年代又增加了水資源。隨著工業(yè)

7、化進(jìn)程的加快，環(huán)境問(wèn)題也日益成為地球物理學(xué)的研究對(duì)象?？偠灾?，20世紀(jì)地球物理學(xué)的研究對(duì)象是以自然資源為主。20世紀(jì)末的全球性城市化發(fā)展趨勢(shì)，使21世紀(jì)的地球物理學(xué)不可避免地要面對(duì)諸多的城市問(wèn)題。80年代以來(lái)，由于地球科學(xué)各分支學(xué)科的日益成熟和全球環(huán)境問(wèn)題的日益突出，人們認(rèn)識(shí)到地球各圈層相互作用以及人類活動(dòng)的重要性，地球科學(xué)的發(fā)展開(kāi)始進(jìn)入地球系統(tǒng)科學(xué)的新時(shí)代。城市地球物理學(xué)的發(fā)展在這樣的時(shí)代背景下產(chǎn)生。城市地球物理學(xué)是一個(gè)全新的概念，是地球科學(xué)國(guó)際研究前沿的新興學(xué)科。傳統(tǒng)地球物理學(xué)的主要研究對(duì)象是自然現(xiàn)象，而城市地球物理學(xué)則主要研究自然現(xiàn)象與人類活動(dòng)的相互作用。因此，在城市地球物理學(xué)研究中，

8、除了自然科學(xué)問(wèn)題之外，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)與社會(huì)的結(jié)合、各相關(guān)學(xué)科的綜合及與各社會(huì)部門的協(xié)調(diào)。圖3表示了城市地球物理學(xué)與環(huán)境科學(xué)和地理學(xué)之間的關(guān)系，這三者既有各自獨(dú)特的研究領(lǐng)域，又有密切相關(guān)的交叉研究?jī)?nèi)容。 附圖 圖3城市地球物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地理學(xué)之間的關(guān)系 Fig.3Relationshipamongurbangeophysics,environmentalsciencesandgeography 3城市地球物理研究的社會(huì)需求 (1)城市建設(shè)?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)21世紀(jì)的城市在向高空發(fā)展的同時(shí)，也將向地下索取空間，建設(shè)深層地下都市已經(jīng)在科學(xué)家構(gòu)想之中。20世紀(jì)平面式的城市功能在21世紀(jì)將從地下

9、、地上兩個(gè)方面重新進(jìn)行立體配置。在一系列城市建設(shè)活動(dòng)中，迫切需求地學(xué)界利用地球物理的觀測(cè)和預(yù)測(cè)方法對(duì)城市地下空間的結(jié)構(gòu)給出定量的描述，為城市規(guī)劃積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 (2)城市災(zāi)害。人類大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)—工程活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，已經(jīng)達(dá)到了與自然地質(zhì)作用相提并論的程度，而且發(fā)展速度快、影響范圍大。各種災(zāi)害無(wú)情地破壞著人類的居住空間，給人類的生存造成威脅。這些災(zāi)害發(fā)生在地學(xué)研究的領(lǐng)域，迫切需求地學(xué)界利用地球物理的觀測(cè)和預(yù)測(cè)方法對(duì)各種起因的城市地質(zhì)災(zāi)害和對(duì)環(huán)境的破壞進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。 (3)城市地下污染。原生環(huán)境的缺陷以及由人為因素造成的地下環(huán)境污染，在地下水的作用下，對(duì)生態(tài)與工業(yè)構(gòu)成極大的危害，迫切需求地學(xué)

10、界利用地球物理的觀測(cè)和預(yù)測(cè)方法調(diào)查地下水的分布，為制定防治規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 4城市地球物理研究的主要科學(xué)問(wèn)題及其研究方法 城市地球物理學(xué)作為一門新興學(xué)科，其主要特點(diǎn)是學(xué)科的交叉性及其社會(huì)服務(wù)性，城市地球物理不僅與地學(xué)界的其他學(xué)科有廣泛的交叉性，而且與地學(xué)界以外的諸如人文類、社科類學(xué)科也有不可缺少的交叉內(nèi)容。城市地球物理研究的最終任務(wù)是服務(wù)于社會(huì)，科學(xué)研究的核心問(wèn)題是人與自然的關(guān)系問(wèn)題。具體解釋為： (1)城市近地表結(jié)構(gòu)與地質(zhì)災(zāi)害的相互作用關(guān)系。天然與人為的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)城市構(gòu)成極大的危害。這些災(zāi)害改變和破壞近地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)，近地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)從客觀上阻止或促成地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。二者之間的相互作用關(guān)

11、系是科學(xué)研究的問(wèn)題之一。 (2)城市近地表結(jié)構(gòu)與地下基礎(chǔ)設(shè)施和地下建筑的相互作用關(guān)系。地下基礎(chǔ)設(shè)施是城市的命脈，地下基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)規(guī)劃以及地下建筑計(jì)劃需要對(duì)近地表結(jié)構(gòu)的觀測(cè)與評(píng)價(jià)，大型地下建筑有可能改變城市地下應(yīng)力場(chǎng)的平衡，二者之間的相互作用關(guān)系在未來(lái)城市發(fā)展中為地學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究空間。 (3)城市近地表結(jié)構(gòu)與地下環(huán)境污染的相互作用關(guān)系。地下環(huán)境污染破壞生態(tài)環(huán)境、危害人類健康，地下環(huán)境污染直接受控于地下水的分布，同時(shí)受控于近地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)。對(duì)地下水的分布及其浸染走向的研究是防止和治理地下環(huán)境污染的重要依據(jù)。 城市地球物理學(xué)研究方法主要依靠觀測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。觀測(cè)

12、是地球物理學(xué)研究得天獨(dú)厚的手段，數(shù)字地震臺(tái)陣、地球信息系統(tǒng)、INSAR計(jì)劃、淺層地球物理觀測(cè)在地學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)起到了透視地下的作用，是實(shí)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)定量化與可視化研究的基本條件。針對(duì)城市問(wèn)題的地球物理觀測(cè)，需要在提高儀器動(dòng)態(tài)范圍的基礎(chǔ)上獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，需要研究城市特定環(huán)境下的觀測(cè)方式。認(rèn)識(shí)淺層介質(zhì)的復(fù)雜性以及地球物理數(shù)據(jù)的特殊性是研究城市各類問(wèn)題數(shù)據(jù)處理方法的出發(fā)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理方法研究應(yīng)該從基礎(chǔ)研究出發(fā)，研究地震波場(chǎng)、電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)分布規(guī)律以獲得清晰的三維地下圖像。保證足夠的信息量是對(duì)城市問(wèn)題做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，綜合性研究在評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)中至關(guān)重要。地球物理學(xué)中

13、各類方法的優(yōu)化與組合以及與地學(xué)研究領(lǐng)域中其他學(xué)科的交叉，包括與非地學(xué)研究領(lǐng)域相關(guān)學(xué)科的交叉是開(kāi)展城市地球物理評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)研究的主要方向。 5城市地球物理現(xiàn)階段主要研究?jī)?nèi)容 (1)城市條件下地球物理觀測(cè)方法研究。城市條件下的地球物理觀測(cè)比常規(guī)野外條件下的觀測(cè)表現(xiàn)出更多的復(fù)雜性。需要在已知的典型地下結(jié)構(gòu)的條件下進(jìn)行足夠多的觀測(cè)方法實(shí)驗(yàn)，針對(duì)“源”的問(wèn)題，研究電磁波與彈性波的聚束發(fā)射，研究綜合方法的同時(shí)觀測(cè)技術(shù)以及時(shí)移觀測(cè)技術(shù)，并根據(jù)已知條件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的差別，分別城市條件下觀測(cè)噪聲與干擾的特殊性，發(fā)現(xiàn)規(guī)律性，為實(shí)際的工業(yè)性調(diào)查提供指導(dǎo)性方案。 (2)城市介質(zhì)地球物理

14、正演算法研究。城市地下介質(zhì)除受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)外，更多地受到人為因素的改造，演變成為難以保存其原生地質(zhì)痕跡的、極其復(fù)雜的地下介質(zhì)。其地球物理響應(yīng)與以往的地球物理觀測(cè)必將表現(xiàn)出極大的差異。因此，必須以城市地下條件的特殊性為介質(zhì)模型，研究地球物理正演計(jì)算方法，認(rèn)識(shí)城市介質(zhì)條件下觀測(cè)數(shù)據(jù)的基本性質(zhì)和形成規(guī)律。 (3)城市地球物理數(shù)據(jù)處理方法研究。城市地球物理需要采用非常規(guī)觀測(cè)方式，其觀測(cè)數(shù)據(jù)包含了大量意想不到的噪聲。認(rèn)識(shí)噪聲的特征和有效地消除噪聲，保護(hù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分辨率是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)時(shí)移觀測(cè)數(shù)據(jù)研究四維數(shù)據(jù)處理方法。在信號(hào)分析與數(shù)字處理方法研究中，需要充分吸收現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)技術(shù)，開(kāi)展適用于城

15、市特定問(wèn)題的處理方法研究，為綜合評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。 (4)城市介質(zhì)三維可視化研究。城市地下介質(zhì)覆蓋在水泥路面、綠地和建筑物之下。傳統(tǒng)的鉆井或探槽式觀察方法在現(xiàn)代化城市中即落后又不適用。這項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效反演對(duì)城市地下介質(zhì)實(shí)現(xiàn)三維空間可視化描述，提供三維精細(xì)成像結(jié)果。對(duì)典型問(wèn)題開(kāi)展有針對(duì)性的反演算法研究，為三維精細(xì)成像和可視化描述以及綜合評(píng)價(jià)提供有效資料。 6城市地球物理研究需要社會(huì)關(guān)注 城市地球物理研究如何落實(shí)與如何發(fā)展是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。大專院校和研究機(jī)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)行必要的學(xué)科調(diào)整，實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，應(yīng)該積極參與城市地球物理研究相關(guān)工程項(xiàng)目，在學(xué)科之間進(jìn)行經(jīng)常性交流。工業(yè)

16、、商業(yè)與企業(yè)部門應(yīng)該面向用戶，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，為城市地球物理技術(shù)的研究提供場(chǎng)所和經(jīng)濟(jì)支撐，同時(shí)有必要參與各種研究活動(dòng)，各學(xué)術(shù)團(tuán)體應(yīng)該相互配合，設(shè)立城市地球物理專業(yè)委員會(huì)，在學(xué)術(shù)刊物上開(kāi)辟專欄廣泛宣傳城市地球物理研究的科研成果，各專業(yè)學(xué)會(huì)之間也應(yīng)進(jìn)行廣泛交流。政府部門應(yīng)該做出具體計(jì)劃，以便各職能管理部門統(tǒng)籌安排，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配與協(xié)調(diào)，要選擇典型城市和典型項(xiàng)目作為依托，開(kāi)展研究工作，在基礎(chǔ)研究方面需要得到自然科學(xué)基金和國(guó)家相關(guān)部門的支持。 應(yīng)該充分估計(jì)到地球物理各種方法在目前技術(shù)條件下的難點(diǎn)，要通過(guò)研究地球物理新方法、新技術(shù)提出新的認(rèn)識(shí)、加強(qiáng)科技創(chuàng)新尤其是原始性創(chuàng)新。要集中精力利用地球物理數(shù)據(jù)

17、編制城市地下三維結(jié)構(gòu)的圖像，當(dāng)前城市地球物理研究的主題是“城市三維地圖(3-DImagingofUrbanUnderground)”（注：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì).中國(guó)內(nèi)地—香港城市地球物理戰(zhàn)略研討會(huì)，香港大學(xué).2001.）。 7城市地球物理研究的技術(shù)支撐條件 近20年來(lái)，地理信息系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)，乃至空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的建設(shè)和“數(shù)字地球”戰(zhàn)略的提出，使得獲取地球信息的手段達(dá)到了前所未有的高度，不僅使全球的制圖和動(dòng)態(tài)性制圖成為可能，而且在環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、區(qū)域與城市規(guī)劃等方面也發(fā)揮著極為重要的作用。21世紀(jì)將廣泛采用高分辨率的觀測(cè)系統(tǒng)（地面、海洋和空間對(duì)地觀測(cè)）、高靈敏度和高準(zhǔn)確度的分析測(cè)試系

18、統(tǒng)（包括微粒、微量、納米級(jí)和超微量）、不同條件下的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、建立在動(dòng)力學(xué)及高性能計(jì)算基礎(chǔ)上的數(shù)值模似以及數(shù)字化的地球信息系統(tǒng)，此外，現(xiàn)代化的觀測(cè)技術(shù)與設(shè)施也將成為開(kāi)展城市地球物理研究必要的支撐條件。 圈層相互作用研究是地球科學(xué)20世紀(jì)90年代以來(lái)的全新發(fā)展方向，方興未艾。這些研究將導(dǎo)致交叉學(xué)科、綜合學(xué)科的興起與發(fā)展，形成整體性的地球系統(tǒng)科學(xué)。地球及其各圈層是一個(gè)整體。一些地球科學(xué)問(wèn)題固然有區(qū)域性的一面，但這種區(qū)域性是寓于全球性之中的。在一定意義上，只有更好地了解全球才能更好地了解區(qū)域。同時(shí)，區(qū)域也是全球的窗口，區(qū)域性是通向全球性的大門。地球科學(xué)方面的“全球變化及其區(qū)域響應(yīng)”研究計(jì)劃，則為

19、城市問(wèn)題的研究提供了廣泛的科學(xué)基礎(chǔ)。 8結(jié)語(yǔ) 地球不僅在自然力作用下發(fā)生變化，而且人類活動(dòng)作為地球上有關(guān)過(guò)程的一種作用力將進(jìn)一步得到深入研究。21世紀(jì)將從人—地關(guān)系的角度審視環(huán)境的變化，為人類社會(huì)與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)理論基礎(chǔ)，使人居環(huán)境得到最大限度地改善，同時(shí)又要保持地球的“健康”演化。在新千年和新世紀(jì)來(lái)臨之際，地學(xué)界應(yīng)該重新考慮地學(xué)發(fā)展的方向和重點(diǎn)，使地學(xué)研究在人類社會(huì)發(fā)展中體現(xiàn)出自身的價(jià)值。在新世紀(jì)，地學(xué)在應(yīng)用研究領(lǐng)域所面臨的主要任務(wù)是合理地利用地球資源，幫助工業(yè)界解決難題，改善地球的可居住性。為此，作為地學(xué)領(lǐng)域主要學(xué)科之一的地球物理學(xué)應(yīng)該做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 收稿日期：2002

20、-01-08；修回日期：2002-05-23． 【參考文獻(xiàn)】 【1】UnitedNations.WorldDemographicEstimatesandProjections(1950-2025).NewYork:PressofUnitedNations,1990. 【2】NationalStatiticsBureauofChina.50Yearsofcitydreams.ChinaDaily,NationalDaySpecial:50thAnniversary,1999-10-01(1).［國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.50年的城市夢(mèng).中國(guó)日?qǐng)?bào)國(guó)慶50周年?？?999-10-01(1).］ 【3】ZhouGanzhi.Urbanarea-atypicalopencomplicatedmacrosystem.In:SongJian,ed.ProceedingofworkgrouponQianXuesensContributionandAcademicIdeas.Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress,2001.［周干峙.城市及其地區(qū)——一個(gè)典型的開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng).見(jiàn)：宋健主編.錢學(xué)森的科學(xué)貢獻(xiàn)暨學(xué)術(shù)思想研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2001.］