任婷婷 ,辛慶強(qiáng) ,許洪滔 ,潘 亮 ,呂 猷
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院自2004年起開始籌建內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)庫(kù),截至目前已經(jīng)形成了一定的規(guī)模,數(shù)據(jù)庫(kù)包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、文檔數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體資源數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容涉及土地資源、水資源、氣候資源、生物資源、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、土地退化和環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等10大門類和384個(gè)小類;并建成基于地理信息的管理信息系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)資源信息綜合管理的功能。該數(shù)據(jù)庫(kù)的建成為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用中心自2013年成立以來,依托農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用中心,對(duì)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的玉米、小麥等主要農(nóng)作物種植面積進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)掌握種植分布、年際變化等情況。在2016年該中心參與了“東北主要農(nóng)作物分布一張圖”的制作,負(fù)責(zé)了內(nèi)蒙古東二盟(市)(興安盟和呼倫貝爾市)主要農(nóng)作物分布一張圖的制作,在開展該項(xiàng)工作的過程中積累了一定的數(shù)據(jù),并且基于農(nóng)作物分布數(shù)據(jù)對(duì)主要農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)、旱情等進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2017年,該中心利用遙感手段對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的休耕輪作任務(wù)開展了核查工作。利用多源遙感數(shù)據(jù),將遙感手段滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)監(jiān)管的主要發(fā)展方向,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用中心在“十二五”期間完成了前期準(zhǔn)備、項(xiàng)目承攬、項(xiàng)目實(shí)施、穩(wěn)步推進(jìn)、成果匯總、數(shù)據(jù)積累等多項(xiàng)工作之后,具備了一定的硬件與軟件條件開展一系列農(nóng)情遙感監(jiān)測(cè)計(jì)劃。
由于各旗(縣)地圖數(shù)據(jù)多、發(fā)布數(shù)據(jù)多、歷史數(shù)據(jù)多,且應(yīng)用展示交互錯(cuò)綜復(fù)雜,同時(shí)還要考慮后期地圖快速發(fā)布維護(hù),需要強(qiáng)有力的技術(shù)體系作為支撐,因此,在進(jìn)行內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng)開發(fā)時(shí),設(shè)計(jì)了以集成為核心的總體架構(gòu)。
①智能數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ):結(jié)合遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)全面展示農(nóng)作物信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)便捷入庫(kù)和查詢,隨時(shí)提取、展示、管理包括農(nóng)作物時(shí)間節(jié)點(diǎn)、空間位置、面積變化、長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量等信息。數(shù)據(jù)安全:實(shí)現(xiàn)單用戶和多用戶的數(shù)據(jù)編輯,保障數(shù)據(jù)安全,可公開,可組織內(nèi)分享,建立安全的管理機(jī)制。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析:實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)情數(shù)據(jù)綜合分析,導(dǎo)出分析結(jié)果。
②多元數(shù)據(jù)展示。將平面和三維技術(shù)相結(jié)合,分層次、多時(shí)相地將冗雜多源數(shù)據(jù)整合,系統(tǒng)、直觀地展示相關(guān)農(nóng)作物空間位置等信息,實(shí)現(xiàn)“圖、表、報(bào)告”多維度、多種方式的可視化表達(dá)。
③服務(wù)能力提升。對(duì)成果數(shù)據(jù)包括遙感影像、矢量數(shù)據(jù)、專題地圖以及多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)分享和上傳,供管理部門使用和決策。
1.1.1 數(shù)據(jù)體系的建設(shè)
①數(shù)據(jù)分類體系??茖W(xué)的分類體系是數(shù)據(jù)高效瀏覽和檢索的前提,記錄詳細(xì)的數(shù)據(jù)描述信息,以靈活的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類檢索。數(shù)據(jù)分類導(dǎo)航可靈活指定數(shù)據(jù)庫(kù)中的字段為一級(jí)分類、二級(jí)分類、三級(jí)分類等,然后按設(shè)置好的分類瀏覽數(shù)
據(jù)[1]。
②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容。在遙感數(shù)據(jù)處理過程中需要用到大量數(shù)據(jù),也會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),從中選取會(huì)被重復(fù)使用的、凝聚大量人力勞動(dòng)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。因?yàn)閷⑷繑?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)是不現(xiàn)實(shí)的,這需要大量的存儲(chǔ)空間,而有些數(shù)據(jù)是處理過程中產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù),還有些數(shù)據(jù)可由其他數(shù)據(jù)生成,從有效利用存儲(chǔ)空間的角度出發(fā),類似數(shù)據(jù)不做存儲(chǔ)。根據(jù)以上原則,將需要存入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)大體分為3類。一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是指在遙感工作中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前需要準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù),是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ),這些數(shù)據(jù)是工作人員需要頻繁使用的[2]。例如,行政區(qū)劃矢量圖、水系圖、等高線圖等?;A(chǔ)數(shù)據(jù)在日常工作中是工作人員的共享數(shù)據(jù),以前采用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備互相拷貝數(shù)據(jù)的方法存在諸多弊端,如速度慢、易損壞、易傳染病毒。將其存儲(chǔ)于基于磁盤陣列的數(shù)據(jù)庫(kù)中,再配合高速局域網(wǎng)的快速傳輸,可很好地解決這些問題[3]。二是原始數(shù)據(jù)。在遙感工作中有些數(shù)據(jù)是使用專用設(shè)備實(shí)地采集的,例如GPS數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)的獲取需要傾注大量的人力勞動(dòng),也是數(shù)據(jù)處理的前提,這些數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)是重要的問題。原始數(shù)據(jù)在工作中的使用率也較高,需要提供隨時(shí)查閱的手段。還有一些原始數(shù)據(jù)是從專門渠道獲取的,例如不同衛(wèi)星的衛(wèi)片數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與采集的原始數(shù)據(jù)類似,也是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的前提,同樣需要保證其可靠性。多數(shù)衛(wèi)片需要在工作人員之間共享,同時(shí)也要留存檔案,以備查詢或?yàn)閿?shù)據(jù)核準(zhǔn)提供依據(jù)。三是處理后的數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)的處理需要用到多種專用軟件,經(jīng)過大量人力勞動(dòng)才能完成,同時(shí)也融入了工作人員大量的智慧。處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)是遙感工作的勞動(dòng)成果,也是該項(xiàng)工作價(jià)值體現(xiàn)的形式。這些數(shù)據(jù)包括處理后的矢量數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)表格、結(jié)果報(bào)告等。因此,這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示是相當(dāng)重要的。除了要保證數(shù)據(jù)的可靠性之外,還需要以多種形式將結(jié)果呈現(xiàn)給調(diào)用者。
③數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一。為保證數(shù)據(jù)的一致性并提高數(shù)據(jù)比對(duì)和再處理的便捷性,需要對(duì)同類型數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范,例如圖片、矢量圖、文字報(bào)告、表格數(shù)據(jù)等。
④數(shù)據(jù)授權(quán)訪問。為保證數(shù)據(jù)安全性,數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的數(shù)據(jù)均為授權(quán)訪問。設(shè)計(jì)角色管理系統(tǒng),靈活為各級(jí)用戶分派權(quán)限,獲取授權(quán)的用戶可訪問指定數(shù)據(jù)。用戶角色主要分為2類:管理員和受限用戶。管理員可管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有數(shù)據(jù),設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的全局參數(shù),并為受限用戶指定訪問權(quán)限;受限用戶默認(rèn)僅可訪問和維護(hù)個(gè)人上傳的數(shù)據(jù),另外可訪問管理員指派的數(shù)據(jù)。
⑤大數(shù)據(jù)傳輸方案。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含大量大小以GB為單位的文件,為保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的快速傳輸,同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的授權(quán)訪問,該系統(tǒng)初步確定基于FTP協(xié)議的大文件傳輸。利用其內(nèi)部的用戶管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的授權(quán)訪問。局域網(wǎng)硬件環(huán)境實(shí)現(xiàn)桌面千兆傳輸,以保證傳輸速度。
圖1 總體架構(gòu)
圖2 技術(shù)架構(gòu)方案A
圖3 技術(shù)架構(gòu)方案B
1.1.2 技術(shù)架構(gòu)體系:根據(jù)該系統(tǒng)的特點(diǎn),推薦使用RESTful風(fēng)格來架構(gòu)整個(gè)技術(shù)體系,該風(fēng)格可使后臺(tái)所有的功能以服務(wù)的形式統(tǒng)一為前端提供功能支持。將整體技術(shù)體系主要分為3層,分別是前端展現(xiàn)層、API服務(wù)層以及物理數(shù)據(jù)層。構(gòu)建的技術(shù)體系見圖1(文中所有圖均來自內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目)所示:
圖4 總體功能設(shè)計(jì)
圖5 內(nèi)蒙古地圖分布數(shù)據(jù)
①技術(shù)架構(gòu)方案A。方案A見圖2。通過圖2可以看出,該方案架構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維護(hù),成本也非常低廉,但該方案無法支撐高并發(fā)的需求。該架構(gòu)方案的參數(shù)如下:支撐流量上限1 W;機(jī)房可以選擇自購(gòu)主機(jī)自建IDC機(jī)房;機(jī)房可能遇到的問題包括IDC網(wǎng)絡(luò)故障以及IDC提供商響應(yīng)不及時(shí);搭建配置服務(wù)器,使用IP直聯(lián)的形式會(huì)在一定程度上減少域名帶來的問題。在用戶流量不大的情況下,該方式比較實(shí)用且性價(jià)比較高。
②技術(shù)架構(gòu)方案B。方案B見圖3。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展,流量逐步達(dá)到了單機(jī)的極限,當(dāng)并發(fā)流量超過3 W時(shí),方案A就無法滿足需求,而方案B則在方案A的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充,使用集群來處理高并發(fā)的業(yè)務(wù)需求。該架構(gòu)方案的參數(shù)如下:支撐并發(fā)流量3~10 W;機(jī)房可以選擇自購(gòu)主機(jī)自建IDC機(jī)房,并搭建LNMP集群環(huán)境;引入MongoDB解決空間索引問題;增加nagios監(jiān)控系統(tǒng),可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況,其中包括基礎(chǔ)信息(CPU、內(nèi)存等)、Nginx、MySQL、Cache、MongoDB 等;成本在方案A基礎(chǔ)上有了增加,并且日常需要運(yùn)維工程師來維護(hù)系統(tǒng)。
內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)分為地圖瀏覽、地理情況、種植情況、信息查詢、數(shù)據(jù)對(duì)比、地圖切換、報(bào)表管理、綜合分析與展示八大功能模塊,總體功能設(shè)計(jì)見圖4。
圖6 分布式技術(shù)架構(gòu)
1.2.1 地圖服務(wù):通過ArcGisWeb實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)的展示(見圖5),提供數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、檢索以及空間分析等功能,輔助以圖形、統(tǒng)計(jì)表格、三維虛擬現(xiàn)實(shí)等表現(xiàn)形式,直觀、準(zhǔn)確地展示內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)資源信息,涵蓋自治區(qū)范圍內(nèi)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、耕地空間分布數(shù)據(jù)及作物種植情況變化數(shù)據(jù)。
1.2.2 數(shù)據(jù)服務(wù):利用農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù),包括種植情況、造林情況、播種情況、水田、旱田、農(nóng)作物等,可實(shí)現(xiàn)分層疊加顯示、查詢?yōu)g覽、分析統(tǒng)計(jì)等功能,構(gòu)建多種尺度、多種時(shí)相的自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)基于統(tǒng)一的空間參考[4]。
1.2.3 查詢服務(wù):用戶通過農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)賬號(hào)進(jìn)行認(rèn)證登錄后,可對(duì)各盟(市)、旗(縣)的詳細(xì)信息(包括歷史數(shù)據(jù))進(jìn)行查詢,并可進(jìn)行導(dǎo)出報(bào)表等操作。
1.2.4 數(shù)據(jù)對(duì)比:用戶通過農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)賬號(hào)進(jìn)行認(rèn)證登錄后,選擇各盟(市)、旗(縣)年份數(shù)據(jù)對(duì)地理情況、種植情況等指標(biāo)(包括歷史數(shù)據(jù))進(jìn)行分析對(duì)比,并可進(jìn)行導(dǎo)出報(bào)表等操作。
1.2.5 排名服務(wù):可根據(jù)各盟(市)、旗(縣)農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果,對(duì)各地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排名,例如巴彥淖爾市、赤峰市的小麥種植面積在全區(qū)各盟(市)的種植比例排名,根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)排名來支撐農(nóng)業(yè)資源的全面、全程監(jiān)管和輔助決策。
分布式開發(fā)技術(shù)架構(gòu)見圖6。
分布式消息隊(duì)列(message queue,MQ)用于在事件處理過程中暫存事件,可以保證消息的傳遞,提供異步的通信協(xié)議、解耦,提供路由。
圖7 系統(tǒng)包含的功能架構(gòu)
應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)一開發(fā)框架的核心思想就是簡(jiǎn)單、輕量、敏捷,可以應(yīng)對(duì)各種類型的項(xiàng)目,輕松應(yīng)對(duì)用戶的各種特殊需求,支持定制開發(fā),讓開發(fā)人員能夠快速掌握和使用,能夠快速打造高性能的企業(yè)級(jí)應(yīng)用。內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng)的整個(gè)開發(fā)框架包括5個(gè)部分:基礎(chǔ)類庫(kù)、模塊化支撐框架、基礎(chǔ)模塊、支撐模塊、開發(fā)工具(見圖7)。
2.3.1 基礎(chǔ)類庫(kù):基礎(chǔ)類庫(kù)為整個(gè)開發(fā)框架提供基礎(chǔ)的公共能力,包括基礎(chǔ)接口和抽象類的定義、不同數(shù)據(jù)類型間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、對(duì)JSON和XML的序列化和反序列化能力、加密和解密、基于java的動(dòng)態(tài)腳本能力、反射的輔助工具以及對(duì)時(shí)間、日期、文件、字符串等對(duì)象的工具類等。
2.3.2 模塊化支撐框架:模塊化支撐框架為整個(gè)開發(fā)框架提供了模塊化開發(fā)的支撐環(huán)境??紤]到基于OSGI的運(yùn)行時(shí)模塊化會(huì)增加開發(fā)人員的工作量,而且很多開源的類庫(kù)都不支持OSGI,因此,只提供了開發(fā)時(shí)的模塊化,運(yùn)行時(shí)仍然在一個(gè)ClassLoader下,這樣既體現(xiàn)了模塊化代碼管理的優(yōu)勢(shì),也可以復(fù)用大量的開源類庫(kù)。
2.3.3 基礎(chǔ)模塊:基于模塊支撐框架所開發(fā)的基礎(chǔ)模塊,為系統(tǒng)提供日志、依賴注入容器、MVC框架、規(guī)則庫(kù)、線程上下文管理、事件中心、并發(fā)控制等基礎(chǔ)功能?;A(chǔ)模塊在傳統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)中基本上都要被依賴。
2.3.4 支撐模塊:支撐模塊也是基于模塊支撐框架開發(fā)的模塊,這些模塊為應(yīng)用提供一些高級(jí)的基礎(chǔ)功能,包括:報(bào)表方案、圖表方案、組織機(jī)構(gòu)和權(quán)限體系、系統(tǒng)管理功能、緩存、計(jì)劃任務(wù)、異步任務(wù)、客戶端消息推送方案、服務(wù)器端消息機(jī)制、自定義查詢、服務(wù)間的變更通知機(jī)制等。
2.3.5 開發(fā)工具:開發(fā)工具基于IntelliJ IDEA模式,提供了基于模板的代碼生成、各種資源文件的導(dǎo)航、簡(jiǎn)化配置文件編寫等。
通過內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng)的建設(shè),利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)全面展示農(nóng)作物信息,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)便捷入庫(kù)和查詢,隨時(shí)提取、展示、管理包括農(nóng)作物時(shí)間節(jié)點(diǎn)、空間位置、面積變化、長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量等信息;可實(shí)現(xiàn)單用戶和多用戶的數(shù)據(jù)編輯,保障數(shù)據(jù)安全,可公開,可組織內(nèi)分享,建立安全的管理機(jī)制;可實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)情數(shù)據(jù)綜合分析。
以內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),對(duì)自治區(qū)不同時(shí)間序列、空間序列的農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、檢索、查詢、空間疊加分析等,輔助以圖形、統(tǒng)計(jì)表格、三維虛擬現(xiàn)實(shí)等表現(xiàn)形式,直觀、準(zhǔn)確地展示自治區(qū)農(nóng)業(yè)資源信息。
內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng)為該地區(qū)提供主要農(nóng)作物種植面積業(yè)務(wù)化測(cè)量和遙感估產(chǎn)、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),為農(nóng)業(yè)部農(nóng)情發(fā)布系統(tǒng)提供科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持,同時(shí)也為自治區(qū)黨委、政府及農(nóng)業(yè)行政主管部門的管理與決策提供科學(xué)依據(jù)。
根據(jù)相關(guān)行業(yè)部門及社會(huì)公眾的需求,提供農(nóng)業(yè)資源信息多元化服務(wù)。在農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用建設(shè)中,由于面向的用戶不同,基于不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行服務(wù)模式,開發(fā)了運(yùn)行在涉密環(huán)境(如政務(wù)內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng))的基礎(chǔ)版農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng),運(yùn)行在政務(wù)外網(wǎng)環(huán)境的農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng),以及運(yùn)行在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的公眾版農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng)。
內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)遙感空間管理系統(tǒng)是自治區(qū)“智慧農(nóng)業(yè)”空間框架的重要組成部分,也是農(nóng)業(yè)信息化體系構(gòu)建的有益探索,它的建設(shè)與運(yùn)行標(biāo)志著內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)管理方式的轉(zhuǎn)變和公共服務(wù)能力的提升,與自治區(qū)政府政務(wù)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合將是該系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā)的方向。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有功能模塊化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、使用人性化等優(yōu)點(diǎn),可以為其他空間信息系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)提供借鑒。
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