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文檔簡(jiǎn)介

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)China University of Mining and TechnologyWebGIS 前沿應(yīng)用與趨勢(shì)分析姓 名: 王雋雄中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院2016-06-13 摘要:隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展, GIS擁有了更先進(jìn)的工具和手段,使得 GIS 得到了飛速發(fā)展,而 Internet 和 GIS的結(jié)合則催生了 WebGIS 。在大量瀏覽近幾 年登載在國(guó)內(nèi)各類媒體上的有關(guān)學(xué)術(shù)論文、 研究報(bào)告、學(xué)位論文以及應(yīng)用實(shí)例的 基礎(chǔ)上,本文概括了 WebGIS 的主要特點(diǎn),總結(jié)了 WebGIS 的關(guān)鍵問題和實(shí)現(xiàn)技 術(shù),在此基礎(chǔ)上對(duì) WebGIS 的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望分析。關(guān)鍵詞:

2、WebGIS; 分布式; VRGIS; 數(shù)字地球 ; ArcGIS Mobile前言21 世紀(jì)科技在飛速發(fā)展,而計(jì)算機(jī)技術(shù)的日臻成熟更是將人類科技的發(fā)展帶入了一個(gè)爆炸式增長(zhǎng)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上,由于社會(huì)對(duì)地理信息系統(tǒng)(GIS)的巨大需求,GIS應(yīng)用日益廣泛,而計(jì)算機(jī)科學(xué)又為 GIS 提供了先進(jìn)的工具和手段, 使 GIS 技術(shù)更加成熟。 隨著智能手機(jī)、 平板電腦等移動(dòng)智能終端的發(fā)展, Android 和 IOS 等智能系統(tǒng)的智能化,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與地理信息的融合在企業(yè)應(yīng)用中也逐 漸發(fā)揮著越來越重要的作用。移動(dòng) GIS 的出現(xiàn)無疑為大眾生活方式的改變和企 業(yè)工作效率的提高提供了新的機(jī)遇和模式?;ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的

3、迅速普及更使 GIS 的 發(fā)展發(fā)生了質(zhì)的變化, Internet 已成為 GIS 新的操作平臺(tái)。 Internet 和 GIS 的結(jié)合 即 WebGIS,它改變了地理信息的獲取、傳輸、發(fā)布、共享和應(yīng)用的方式。利用 Internet在 Web上發(fā)布和出版地理信息,為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、制作 專題地圖和分析的功能,從而實(shí)現(xiàn)地理信息的操作和共享,已經(jīng)成為 GIS 發(fā)展 的必然趨勢(shì)。WebGIS 概述WebGIS 定義WebGIS又叫網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng), 是建立在 Web 技術(shù)上的一種特殊環(huán)境下的 地理信息系統(tǒng),是從單機(jī)及主從式計(jì)算機(jī)上轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的地理信息系統(tǒng)的 泛稱,它強(qiáng)調(diào)地理信息系統(tǒng)的

4、工作環(huán)境是網(wǎng)絡(luò)。 WebGIS 是基于網(wǎng)絡(luò)的客戶機(jī) / 服務(wù)器( client/server)分布式系統(tǒng),以 Web頁(yè)面作為 GIS 軟件的用戶界面,把 Internet 和 GIS 技術(shù)結(jié)合在一起,能夠進(jìn)行交互操作。WebGIS 的特點(diǎn)2.2.1 更廣泛的訪問范圍: 全球范圍內(nèi)任意一個(gè)客戶可同時(shí)訪問多個(gè)位于世 界各地不同的 WebGIS 服務(wù)器上的最新數(shù)據(jù), Internet 所特有的這些優(yōu)勢(shì)大大方 便了 WebGIS 的數(shù)據(jù)管理,使分布式的多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)管理和合成更易于實(shí)現(xiàn)。2.2.2平臺(tái)獨(dú)立性:無論客戶機(jī)與服務(wù)器是何種機(jī)器,操作系統(tǒng)如何,或者 服務(wù)器端使用何種 WebGIS軟件,由于使用

5、了通用的 Web 瀏覽器,用戶都可透 明訪問 WebGIS 數(shù)據(jù)庫(kù),在本機(jī)或某個(gè)服務(wù)器上進(jìn)行分布式部件的動(dòng)態(tài)組合和空 間數(shù)據(jù)的協(xié)同處理與分析,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享。2.2.3真正大眾化的 GIS:以往的 GIS 由于成本高、技術(shù)難度大,往往成了 少數(shù)專業(yè)人士擁有的專業(yè)工具, 很難推廣。 而且對(duì)于每個(gè)用戶來說, 在每個(gè)客戶 端都要配備昂貴的專業(yè) GIS 軟件,但用戶經(jīng)常使用的卻只是一些最基本的功能, 這在實(shí)際上造成了極大的浪費(fèi)。 WebGIS則給更多的用戶提供了使用 GIS 的機(jī)會(huì)。 WebGIS 在客戶端通常只須使用通用瀏覽器進(jìn)行瀏覽和查詢 (有時(shí)還要加入一些 免費(fèi)使用的插件、 Active

6、X 控件等 ),從而大大降低了系統(tǒng)成本。2.2.4平衡高效的計(jì)算負(fù)載:以往的 G1S大多使用文件服務(wù)器結(jié)構(gòu)的處理方 式,其處理能力完全依賴于客戶端, 效率較低。而 WebGIS 能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源, 將基礎(chǔ)性、 全局性的處理交由服務(wù)器執(zhí)行, 而把數(shù)據(jù)量較小的簡(jiǎn)單操作交給客戶 端去完成。這種計(jì)算模式能靈活高效地尋求計(jì)算負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載在服務(wù)器端 和客戶端的合理分配,是一種較理想的優(yōu)化模式。2.2.5良好的可擴(kuò)展性: WebGlS 很容易與 Web 中的其他信息服務(wù)進(jìn)行無縫 集成,可以建立靈活多樣的 GIS 應(yīng)用。例如隨著通信終端向多媒體和移動(dòng)化方 向發(fā)展,數(shù)字移動(dòng)電話、 PDA( 個(gè)人數(shù)字助理

7、 )將成為 WebGIS 的客戶端, Application Protocol) ,服務(wù)器和 WebGIS服務(wù)器將連為一體。WebGIS 的發(fā)展現(xiàn)狀從定義出發(fā) WebGIS網(wǎng)( 絡(luò)地理信息系統(tǒng) )可以理解是在 Web上的 GIS,就是利 用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和 www 技術(shù),完善和擴(kuò)展傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)功能的新技術(shù)。借 助 WebGIS,人們可以在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布空間數(shù)據(jù),也可以在www 的任一節(jié)點(diǎn)上利用瀏覽器訪問地理信息,進(jìn)行空間檢索和空間分析。與傳統(tǒng) GIS 系統(tǒng)相比, WebGIS具有以下特點(diǎn):一是更廣泛的信息共享;二是平臺(tái)無關(guān)性;三是節(jié)省系 統(tǒng)成本;四是降低技術(shù)難度等。從而使得 GIS突破了專業(yè)限

8、制,開始進(jìn)入千家萬 戶,標(biāo)志著 GIS的系統(tǒng)集成技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。地理信息系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過近 40年的發(fā)展, 已經(jīng)逐步進(jìn)入了計(jì)算機(jī)技術(shù)主流, 從 而能夠在更廣泛的領(lǐng)域?yàn)楦嗟挠脩籼峁┛臻g信息服務(wù)。 WebGIS新的發(fā)展趨勢(shì) 是GIS技術(shù)和 Intearct技術(shù)新的發(fā)展方向的體現(xiàn)。自1963年世界上第一個(gè)用于土地資源管理的加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)誕生以來,經(jīng)過多年的發(fā)展, 傳統(tǒng)的GIS技術(shù)已經(jīng)成熟。 正廣泛應(yīng)用于防震減災(zāi)、 環(huán)境監(jiān)測(cè)、電子政務(wù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)土資源信息服務(wù)、電力部門等領(lǐng)域并發(fā)揮著 巨大的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式技術(shù)的出現(xiàn),尤其是 Internet 的蓬勃

9、發(fā)展,人們對(duì) GIS的要求也發(fā)生了很大的變化,以往多用于單一部門內(nèi)部 的GIS系統(tǒng)已無法滿足信息化時(shí)代信息分布和資源共享的需求,越來越多的人希 望在 Internet上也能訪問到 GIS數(shù)據(jù)。而另一方面, Internet 技術(shù)的發(fā)展也為 GIS 面向社會(huì)提供了技術(shù)支持, 1998 年美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)柼岢龅摹皵?shù)字地球”概念更為 GIS 的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、全球 化和大眾化提供了來自政府和社會(huì)的廣泛支持。網(wǎng)絡(luò) GIS 的概念應(yīng)運(yùn)而生,而 Web瀏覽器是基于 Internet的信息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)界面, 因此 GIS與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合以 形成一個(gè)基于 Internet技術(shù)的 WebGIS集成平臺(tái)自然成為當(dāng)前 G

10、IS 研究領(lǐng)域的一 個(gè)重要方向, WebGIS也成為“數(shù)字地球”的核心軟件平臺(tái)之一。 有了 WebGIS, 人們可以通過 Web 任意發(fā)布地理數(shù)據(jù)、地理信息、空間服務(wù)以及一切他們?cè)敢?與他人共享的 GIS 資源,而同樣的,世界各地的人們也可以從 Internet 上任何一 個(gè) Web 站點(diǎn)訪問到其他人提供的共享資源。 同時(shí),WebGIS 還很自然地拓寬了地 圖出版渠道,降低了數(shù)據(jù)散發(fā)成本,提高了地理數(shù)據(jù)的共享程度。目前國(guó)際上對(duì)于 WebGIS 軟件技術(shù)的研究比較一致, 基本上集中在空間數(shù)據(jù) 模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、 空間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、 分布式策略和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的空間信息 組織管理等方面。隨著 GIS

11、 空間信息科學(xué)和分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,對(duì) WebGIS 的研究重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面 :(1)適合網(wǎng)絡(luò)的 WebGIS 體系結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的框架,決定一個(gè)系 統(tǒng)的運(yùn)行模式。WebGIS是網(wǎng)絡(luò) GIS,如何將 Web計(jì)算技術(shù)與 GIS 理論結(jié)合起來, 綜合構(gòu)件技術(shù)及對(duì)象技術(shù),提出一個(gè)良好的適用于 Web 計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)體系結(jié) 構(gòu),是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的前提。(2)適合 Web計(jì)算的空間數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 地理空間數(shù)據(jù)是 GIS 的基 礎(chǔ),一直在 GIS 研究中占有重要地位, WebGIS 對(duì)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理提出了 新的要求,需要對(duì)空間數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的研究。(3)空間信息

12、的分布式計(jì)算策略與實(shí)施方案。與傳統(tǒng)的桌面GIS 不同,WebGIS對(duì)于分布式計(jì)算的要求很高,因此需要對(duì)空間信息的分布式運(yùn)算策略和 具體實(shí)施方案進(jìn)行研究。(4)空間信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議與智能空間信息代理。(5)基于 MetaData 空間信息 Web 集成方案。利用元數(shù)據(jù)空間信息進(jìn)行集 成管理是 WebGIS 發(fā)展的必然,是實(shí)現(xiàn)“數(shù)字地球”的關(guān)鍵所在。(6)Web 計(jì)算環(huán)境下的空間信息安全性問題。信息安全是網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的 核心問題之一,在 WebGIS中也必然要考慮到信息不受非法訪問和非法修改等信 息安全性問題。(7)WebGIS中的多用戶訪問與并發(fā)控制機(jī)制。 WebGIS 將提供互聯(lián)網(wǎng)上成 千上

13、萬的用戶同時(shí)訪問, 如何保證并發(fā)的正確和最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的能力來更 好地滿足用戶的訪問需求,是使 WebGIS成為名副其實(shí)的網(wǎng)絡(luò) GIS 的關(guān)鍵。WebGIS 的主要技術(shù)方法WebGIS 的發(fā)展與應(yīng)用GIS 發(fā)展方向是高性能、低成本、開放性、互操作性和靈活性目 5。隨著空 間理論和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展, WebGIS 從技術(shù)上將向著更具有互操作性和更加 開放化、網(wǎng)絡(luò)化、分布化、移動(dòng)化、可視化的方向發(fā)展;從應(yīng)用上將向著更高層 次的數(shù)字地球、地球信息科學(xué)及大眾化的方向擴(kuò)展。5.1 基于分布式計(jì)算的 WebGIS隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來,分布式計(jì)算正成為新的計(jì)算模式, WebGIS必然與分 布式計(jì)算的結(jié)相

14、合。目前,分布式 WebGIS 應(yīng)用已從簡(jiǎn)單的在分布式 Web 瀏覽 器上顯示地圖,發(fā)展到了基于互聯(lián)網(wǎng)的功能綜合,遠(yuǎn)程的用戶可以享受普通的GIS 數(shù)據(jù),并與其他用戶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊?,F(xiàn)階段,發(fā)展分布式 WebGIS應(yīng)用技術(shù) 集中體現(xiàn)在用品、客戶機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊 3 個(gè)方面6。目前,國(guó)際、國(guó)內(nèi)都十分注重分布式 WebGIS 的發(fā)展,有關(guān)專家認(rèn)為 GIS 發(fā)展趨勢(shì)的核心是地理信息開放的分布式計(jì)算。第二代互聯(lián)網(wǎng)( Next Generation Internet,NGI )帶寬瓶頸是 WebGIS 不能很好地解決地理空間數(shù)據(jù)復(fù)雜應(yīng)用的一個(gè)主要原 因。第二代互聯(lián)網(wǎng)( NGI )是指高性能的計(jì)算機(jī)及其通信協(xié)議,

15、它主要解決的問 題是提高網(wǎng)上信息的傳輸速率, 預(yù)計(jì)高達(dá) 650Mbps,是目前互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)傳輸速 率的十幾倍。許多國(guó)家都非常重視 NGI 的研究,中國(guó)正在推廣作為 NGI 關(guān)鍵技 術(shù)的 Ipv6。隨著 NGI 技術(shù)的發(fā)展, WebGIS 的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸將被打破, 其發(fā)展和 應(yīng)用將得到更大的提高。互操作和開放式 GIS 的應(yīng)用如何能使不同格式、 不同代碼、 不同標(biāo)準(zhǔn)體系的數(shù)據(jù)和不同比例尺、 不同精 度、不同時(shí)序的地理空間信息進(jìn)行互操作、共享,已成為 WebGIS 進(jìn)一步發(fā)展中 急待解決的問題。互操作 GIS( Iitertop-erable GIS)、開放式 GIS(Open GIS)的 出現(xiàn)和

16、地理標(biāo)記語(yǔ)言( Geography Markup Language,GML )的應(yīng)用為解決這些 難題提供了很好的方法?;ゲ僮?GIS 是一個(gè)新的 GIS集成平臺(tái),它能實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)環(huán)境下多個(gè) GIS 或 應(yīng)用系統(tǒng)之間的相互通信和協(xié)作, 可以完成某一特定任務(wù), 而且這一過程對(duì)于實(shí) 現(xiàn)語(yǔ)言、執(zhí)行環(huán)境和建立模型是透明的。 Open GIS 是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下, 根據(jù)開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)( Open GIS Consortium,OGC)所提出的開放地理 互操作規(guī)范和軟件框架構(gòu)建的 GIS。它將 GIS 技術(shù)、分布處理技術(shù)、面向?qū)ο蠓?法、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)信息獲取方法有效地結(jié)合起來,使 GIS 始終處

17、于一種有 組織、開放式的狀態(tài),從而使它們具有良好的互操作性,它是未來 WebGIS 一個(gè) 重要的發(fā)展方向。隨著 GML 的普及和地理信息編碼的統(tǒng)一,數(shù)據(jù)的互操作和共 享將成為可能。以上 3 種技術(shù)和規(guī)范將引導(dǎo) WebGIS向更加開放的方向發(fā)展。VR 技術(shù)與 WebGIS 的結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí) GIS(VRGIS )是目前 GIS 發(fā)展的一個(gè)前沿。虛擬 GIS 就是 GIS 與虛擬地理環(huán)境( VR)技術(shù)的結(jié)合,其核心技術(shù)是 VR,主要通過虛擬建模語(yǔ)言 (VRML )把 GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到 VR 中,為人們提供一個(gè)逼真的模擬環(huán)境。 GIS用 戶在計(jì)算機(jī)上就能處理真三維的客觀世界, 在客觀世界的虛擬環(huán)境中將

18、能更加有 效地管理和分析空間實(shí)體數(shù)據(jù)。 VRGIS 的關(guān)鍵技術(shù)是 3D 和 4D 的建模技術(shù)、數(shù)據(jù)模型的研究、 海量數(shù)據(jù)的存貯和管理、 三維顯示技術(shù)與可視化技術(shù)的集成、 面 向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)研究及其與三維實(shí)時(shí)顯示技術(shù)的集成等??傊?, VRGIS 是 GIS 最引人入勝的一個(gè)領(lǐng)域,目前的研究主要集中于虛擬城市。GIS 更廣泛的服務(wù)集成 數(shù)字地球數(shù)字地球是指以地球?yàn)閷?duì)象, 以地理空間為主線, 將信息組織起來以實(shí)現(xiàn)地 球數(shù)字化或信息化的復(fù)雜系統(tǒng)。數(shù)字地球具有空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化 和可視化等特征, 它為人類提供了一種全新認(rèn)識(shí)地球的方式。 作為新一代的電子 地圖和 GIS,數(shù)字地球的應(yīng)用非常

19、廣泛, 既可用于全球環(huán)境變化和社會(huì)可持續(xù)發(fā) 展,也可以應(yīng)用于政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域,對(duì)人類與自然的平衡和協(xié)調(diào)起到了 不可估量的作用。 數(shù)字地球作為一門新興的學(xué)科, 主要由基礎(chǔ)理論、 技術(shù)體系和 應(yīng)用領(lǐng)域 3 部分構(gòu)成,它所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)是信息交換標(biāo)準(zhǔn)、 海量數(shù)據(jù)的存貯 和管理等。ArcGIS 與移動(dòng)客戶端的結(jié)合ArcGIS將 GIS的應(yīng)用從辦公室拓展到了移動(dòng)領(lǐng)域。 提供了 5 種移動(dòng)應(yīng)用的解 決方案,可以滿足簡(jiǎn)單和復(fù)雜的移動(dòng)應(yīng)用的需求,包括如下內(nèi)容:ArcGIS Mobile:包含一個(gè)以任務(wù)為向?qū)У囊苿?dòng)應(yīng)用程序, 此應(yīng)用程序適用于 Windows Mobile 和 Windows 設(shè)備,并使

20、用 Web 服務(wù)架構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)與辦公室之間 同步信息。還包含一個(gè)用于構(gòu)建專用應(yīng)用程序的SDK,所構(gòu)建的程序既適用于Windows Mobile 設(shè)備也適用于 Windows(筆記本電腦 / 平板電腦)設(shè)備。ArcGIS Mobile 可將 ArcGIS的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到野外,并通過將以任務(wù)為中心 的野外應(yīng)用程序運(yùn)用于車載 Windows 觸摸設(shè)備和手持式 Windows Mobile 設(shè)備。 它包含一個(gè) SDK,開發(fā)人員可借助它來使用針對(duì)業(yè)務(wù)的任務(wù)和工作流,擴(kuò) 展 ArcGIS Mobile 野 外 應(yīng) 用 程 序 。 開 發(fā) 人 員 也 可 使 用 ArcGIS Mobile SDK將 ArcGI

21、S技術(shù)嵌入到現(xiàn)有的一系列業(yè)務(wù)移動(dòng)應(yīng)用程序中。ArcPad:用于 Windows 移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng) GIS技術(shù)。ArcPad 為野外用戶通過 手持和移動(dòng)設(shè)備提供了數(shù)據(jù)庫(kù)訪問、制圖、 GIS和 GPS的綜合應(yīng)用。通過 ArcPad 可以實(shí)現(xiàn)快速,便捷的數(shù)據(jù)采集,大大提高了野外數(shù)據(jù)的可用性和有效性。ArcGIS for IOS:包含應(yīng)用程序和開發(fā)者 API,應(yīng)用程序可從 iTunes App Store 免費(fèi)下載,適用于 Apple iPhone、iPad 和 iPod Touch;Object-C 開發(fā)人員使用 ArcGIS API for IOS 可以開發(fā)專用于 IOS 設(shè)備的應(yīng)用程序,這些應(yīng)用程

22、序可在企業(yè)內(nèi)部 部署,也可通過 Apple App Store 對(duì)公眾開放。隨著 iPhone這類觸屏設(shè)備的流行, Esri推出了 ArcGISfor IOS,將 GIS的應(yīng)用 從辦公室拓展到了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。包括了蘋果的 iPhone, iPod Touch和 iPad 這類設(shè)備 上的應(yīng)用,用戶可從 iTunes App Store免費(fèi)下載和使用 ArcGIS.com或者用戶自己 服務(wù)器發(fā)布的地圖服務(wù)。使用 ArcGISAPI for IOS,用戶可以開發(fā)基于 IOS設(shè)備的各種應(yīng)用,可在企業(yè) 內(nèi)部署,也可通 Apple App Store提供給公眾。ArcGIS for Windows Phone:包含應(yīng)用程序和開發(fā)者 API,應(yīng)用程序可從 Windows Phone Marketplace免費(fèi)下載,適用于 Windows Phone設(shè)備; Silverlight 開發(fā)人員使用 Arc

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