2. 武汉大学中国南极测绘研究中心, 武汉 430079
2. Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan 430079, China
南极地区现存记录的冰架系统有44个,较大的冰架有18个.南极冰架变化是全南极动态变化的主要过程之一,动态地监测冰架变化过程才能较精确地研究南极冰盖的变化情况及其对全球变化的影响.近年间频繁崩解的南极冰架让人们对冰架的前端变化尤为关注,并使冰架观测趋向于用高时频遥感卫星的连续观测来获取冰架的实时变化信息[1-8].而对全南极主要冰架的变化情况在近年间并没有连续性与系统性的统计结果.因此,本文将使用高时间分辨率的MODIS数据与Envisat-ASAR数据对全南极18个主要冰架系统在2002-2011年的近10年间的前端变化情况进行持续地监测与统计.
南极海岸线的变化也与南极冰架变化紧密相连,构造和精化南极海岸线图,是为南极冰雪变化研究及其对全球环境变化的响应研究建立的重要基础.但由于南极自然条件恶劣,许多区域的海岸线的准确位置难以确定.因此,直到20世纪90年代英国科学家才综合SCAR南极数字数据库(ADD)较全面的相关资料,完成了南极海岸线的全面描绘[9].美国学者也利用雷达影像镶嵌图(Radarsat Mosaic)提取了整个南极洲的海岸线,这是关于全南极海岸线的目前最高分辨率的完整数据[10].但由于南极冰架、冰川等的快速变化,南极海岸线的变化频率也较快,所以有必要发展基于高时频遥感数据的南极海岸线的近实时的监测技术.本文将结合南极主要冰架外缘线的监测情况,以及近年间变化显著并对海岸线有直接影响的小冰架系统、冰川与冰舌的变化情况,动态地获取近10年间的南极海岸线数据.
2 冰架变化监测方法研究本文使用MODIS的250m分辨率的L1B数据与Envisat-ASAR的WideSwath150 m分辨率的数据,监测南极各大冰架近10年间的变化情况.其中,MODIS的250 m分辨率的影像在极地光照充足情况下能从可见光与近红外波段获取冰架信息,并可在极夜期间使用红外波段提取冰架轮廓,但仍会受极区云层影响.Envisat卫星影像则可实现全天时全天候的观测,不受云层影响,只是影像信息较单一,地物分类较困难.结合两种影像数据进行冰架动态监测能取得更佳效果.
2.1 基于MOA的全南极冰架图生成环南极洲有18个主要的冰架系统,分布范围较广,并且变化明显,可用遥感方式进行观测.如图 1所示,这18个主要冰架包括西南极的Ross冰架、Ronne冰架、Filchner冰架、Larsen B冰架、Larsen C冰架、Wilkins冰架、GeorgeⅥ冰架、Bach冰架、Abbot冰架、Getz冰架、Sulzberger冰架;东南极的Amery冰架、West冰架、Shacklteon冰架、Cook冰架、Risser-Larsen冰架、Fimbul冰架、Lazarev冰架.
本研究以南极MODIS影像镶嵌图(MOA)为基础,提取全南极18个主要冰架的基准影像图.其中MOA使用了2003年11月20日-2004年2月29日的260幅影像,影像源自250 m分辨率的第1波段红光数据和第2波段的近红外数据.此处使用的是其中的第1波段数据生成的南极地表影像镶嵌图,该影像数据覆盖整个南极区域,并能显示南极区域各处的地表细节[11].实验在MOA镶嵌图的基础上,结合南极冰流特征与冰架地形,勾勒出每个冰架系统的轮廓,生成全南极主要冰架系统各自的冰架基准影像图.
2.2 基于相似性测度的影像匹配为了精确地监测冰架的动态变化情况,进一步需要将多时相的影像数据与基准影像进行配准.传统的影像配准是用人工挑选匹配点的方式,选择出明显固定地物做为配准的参考点.但在南极冰架地区,大部分区域都没有岩石、固定冰等固定地物,也很少有明显的可用肉眼辨别的地物特征;因此,人工配准的方式较难实现,且精度较低.但在冰架区域普遍存在冰裂隙,冰坑等地物特征,可利用影像自动匹配算法进行这些地物特征的提取,从而解决冰架区域无明显固定地物参考点的问题.根据前人研究,冰架特别是冰流区域的地表起伏和冰下地形存在空间上的强相关性,并且冰流特征在一段时间内几乎保持不变;并且在可见光与近红外波段,冰雪的表面反照率几乎是恒定的,影像的亮度变化均由地形变化所致[12-13].因此,可使用冰架上冰流本身的地形起伏进行影像间的配准工作.
本文使用了基于影像灰度的互相关相似性测度做为影像匹配的标准.该方法是将参考影像中的某一像元为中心的灰度区域做为模板,在搜索影像中搜寻具有相同或相似灰度值分布的对应点区域,从而实现两幅影像的匹配.可用两个随机变量X与Y分别表示两个影像中的灰度窗口,X表示参考影像中的参考窗口;Y表示搜索影像中的搜索窗口.可用式(1)来衡量两窗口间的相似程度:
(1) |
其中,Yi,j表示搜索窗口覆盖的图像范围,i,j分别表示搜索窗口中的行列位置.R,S表示参考窗口的行列数,r,s则代表参考窗口的行列位置.X(r,s)与Y(r,s)分别表示参考窗口和搜索窗口中的像元值大小.若展开上式,则得到式(2):
(2) |
式中等号右边第三项是一个与(i,j)无关的常数,而第一项与第二项都随(i,j)而改变,因此可用下列的式(3)中的相关函数作互相关测度:
(3) |
为了增加影像灰度信息的统计性,并消除影像之间的整体性灰度差异的影响,进一步引入了归一化积互相关测度算法,表示如式(4):
(4) |
基于上述分析,本文对MODIS与Envisat-ASAR冰架影像进行相近年代的两两匹配.为了消除影像中海冰的影响,获取的影像基本为每年1月至3月间季节性海冰较少的时间段.MODIS影像覆盖范围较广,大部分影像上都有明显的固定特征点,如岩石、固定冰等.因此,影像匹配时尽可能地筛选了冰架区域附近的固定特征点为匹配特征,辅以非快速冰流区的冰裂隙、冰坑等地形特征.而在少数没有固定特征点的影像上,只能使用地形特征为匹配点;但此时要筛选掉快速冰流区,特别是冰架前端的匹配点,因为这些区域的相对位置会发生较大移动,如果在影像匹配时选作匹配点会产生较大误差.
2.3 基于阈值与分水岭变换的图像分割基于冰架影像的变化分析,是在各时相的遥感影像上进行冰架轮廓及冰架表面裂隙信息的提取及动态分析.因此,首先需要使用图像分割方法精确地分离出影像中的冰架区域及冰裂隙部分.图像分割技术是根据一致的均匀性原则,将影像分作若干有意义的部分,使每一部分都符合一定的特征要求,并且任意两相邻部分的合并都不会破坏其一致性原则[14].
本实验分别对光学与微波影像采用了不同的分割方法.其中使用于MODIS等光学影像的阈值分割法,是利用影像目标在灰度空间的统计聚集特性,通过确定适当的阈值区分目标,从而实现图像分割.该方法适用的条件是,图像分割目标的统计直方图呈现一定的聚集性,并且目标与背景或者目标与目标之间的灰度差异明显.在本实验使用的MODIS影像中,冰架前端区域与海水背景的灰度差异较为明显,适于使用阈值分割法来进行冰架前端的提取.阈值分割法具体使用时,先将像素点数为N的影像的灰度分为L个级别,其中灰度级为i的像素点数表示为ni,则像素点的表达式为
(5) |
各像素的概率密度分布为
(6) |
假设阈值m将图像分作目标S1与背景S2两大类,则S1和S2分别对应具有灰度级0至t,和t+1至L-1的像素.设σ2(m)表示阈值为m时的类间方差,那么最佳阈值可以通过求σ2(m)的最大值得到,表达式为公式(7):
(7) |
其中σ2(m)可通过公式(8)的系列表达式得出:
(8) |
其中,ω0(m)和ω1(m)分别表示S1与S2发生的概率,μ0(m)和μ1(m)分别表示S1和S2的方差.由于σ2(m)的计算中也只包含了零阶和一阶累积矩的计算,算法实现的效率较高.
用于微波影像的分水岭分割法,是将图像看作测地学上拓扑地貌,图像中每个像元的灰度值表示该点的海拔高度,每一个极小值及其影响区域称为集水盆,而集水盆的边界则是分水岭.图像分割时对分水岭划分的每一个区域分配一个统一的标号,从而完成了图像的分割.分水岭分割法的实现分为排序和淹没两个步骤.首先是对影像中的每个像素的灰度级进行从低到高的排序;然后也按从低到高来实现像素的淹没过程,并对每一个局部极小值在影响区域进行标注.由于分水岭变换表示的是输入影像的极值点,因此需要使用梯度图像作为输入图像,从而得到影像的边缘信息.梯度运算方法如下:
(9) |
式中,f(x,y)表示原始影像,g(x,y)表示梯度运算后的图像.该方法对微弱边缘也具有良好的响应,并且得到的边缘是有封闭连续保证的,从而为分析图像的区域特征提供了可能.但分水岭算法可能会带来过度分割的问题,即把影像上地物表面的细微灰度变化也进行影像分割.为了解决过度分割问题,通常需要对梯度函数进行修改,例如对梯度图像进行阈值处理,以消除灰度的细微变化所带来的图像分割;具体处理方法如下:
(10) |
其中,g′(x,y)为梯度函数修改后的图像,gθ为处理时使用的阈值.除了用函数修改来消减分割过度外,也结合了相应的光学影像信息对无关边缘先进行去除.
3 冰架形态变化的遥感监测分析通过上述方法完成冰架轮廓及冰裂隙信息提取后,实验将不同时相的冰架信息图处理生成差异图像,并基于所提取的轮廓特征相似度分析冰架变化情况.首先判断冰架外围轮廓线是否变化,若有变化则提取变化区域的面积与位置.然后通过特征匹配和相似度计算方法,对裂隙特征进行分析,针对冰架是否会进一步分裂进行预测.最后本实验将冰架崩解产生的冰山与特征轮廓提取信息归纳存取,作为扩张与崩解量计算的基础数据.
本实验综合分析了全南极的主要冰架系统,根据近10年来的变化特征,将18个主要冰架分作三大类:扩展变化为主的冰架,崩解变化为主的冰架,以及扩展与崩解都明显的冰架.
3.1 扩展变化为主的冰架扩展变化为主的冰架主要包括Amery冰架、Ronne冰架、Filchner冰架、West冰架、Shackleton冰架、Cook冰架、Lazarev冰架及Risser冰架8个冰架系统.
如图 2所示,是在Amery冰架区域提取的冰架前端变化图.该变化图是将处理生成的2002-2011年的,每年年初一幅的冰架前端范围图进行叠加处理得到的.首先,将每年的冰架范围图用不同的灰度值表示.其中2002年的图像被赋最低的灰度值,2003-2011年的图像灰度值依次等差递加.然后采用时间反序的叠加方式,将2011年的冰架灰度图置于最底部,依次往上叠加2010-2002年的冰架灰度图.最后得到如下的冰架前端变化图,后续的扩展型冰架均使用此图示方法表现冰架的前端变化.
由Amery冰架变化图分析可知,近10年间,Amery冰架前端呈现出向外围持续扩展的运动趋势;而冰架前端的形态基本保持不变,说明前端固定位置的扩展速率较为恒定.如图 2中,在冰架西侧、中部、东侧各有局部位置的冰架轮廓的位移速度与方向统计.综合分析,Amery冰架前端总体呈扩展趋势,但冰架前端形态基本保持不变.冰架中部与东侧扩展速度较快,其平均速度可达约900~1200m/a;冰架西侧扩展较慢,平均速度约为200~650 m/a.冰架扩展的方位角总体上处于北偏东方向.从2002年初至2011年初,冰架前端扩展的总面积可达1560km2,每年的面积扩展在130~230km2之间.
3.2 崩解变化为主的冰架崩解变化为主的冰架主要包括Larsen B冰架、Wilkins冰架、GeorgeVI冰架、Bach冰架及Abbot冰架5个冰架系统.
崩解冰架变化图的灰度年代显示与上述相同,仍是2002年的冰架影像灰度最低,2003-2011年的影像灰度等差递加,直到2011年的冰架影像灰度达到最高值.但与扩展型冰架的反序叠加方式不同,此类冰架采用正序叠加方式,即将2002年的冰架灰度图置于最底部,依次往上叠加2003-2011年的冰架灰度图,最后得到相应冰架的变化.
如图 3中,图 3a是Wilkins冰架2002-2011年的变化图.从图中看出,2002-2006年,冰架的崩解较小,区域变化也不明显.但从2007年开始,冰架崩解加剧;特别是2008-2009年,冰架发生了大面积崩解,乃至Charcot Island与南极大陆区域发生断离;再到2010年又只有小区域的冰架崩解.
图 3b也用正序叠加法显示了2008-2009年大面积冰架崩解的细节.图中可见,明显的崩解开始于2008年2月28日,发生于冰架西侧Charcot Island与Latady Island的连接处,当天崩解面积达约232km2.之后的崩解一直持续到3月下旬,再次崩解196km2.之后,在2008年的下半年,即在南极的秋冬季节,冰架西侧继续崩解,而冰架东侧开始了新的大面积崩解,崩解一直持续到了7月底至8月初期间,崩解面积达2046km2;此系列崩解后,只在Charcot Island与Latady Island之间留下了距离极窄的一段“冰桥”,最窄处宽度只有1km左右.这也是为数不多的在南极寒季发生明显崩解的冰架. 2009年4月上旬,“冰桥”发生崩解,Charcot Island与Latady Island彻底隔断,此阶段的崩解面积达约870km2.从2002-2011年初,Wilkins冰架总共崩解面积为3535km2,其中有2480km2是在2008年崩解.预计未来数年该冰架也将保持崩解状态.
3.3 扩展与崩解都明显的冰架扩展与崩解都明显的冰架包括Ross冰架、Fimbul冰架、Getz冰架、Sulzberger冰架及Larsen C冰架5个冰架系统.
对于此类冰架,需要对2002-2011年的冰架灰度图同时采用正序叠加与反序叠加的方法.影像的反序叠加可检测出冰架的扩展情况,正序叠加则能反映影像的崩解状况.如图 4为Ross冰架前端变化图.图的主体使用影像反序叠加方式,反映冰架前端整体上呈扩展趋势.其中,冰架西侧(图中右侧)的位移速度达约350 m/a,位移方向约为-25°~70°,即北偏西25°~70°;冰架东侧与中部的位移速度可达约670m/a,位移方向约为5°~30°.但在78.5°S,164°W附近区域,从2004-2010年出现了持续性的冰架崩解,这在区域性的正序叠加图中有所体现,如图 4左部的框图所示.该冰架从2002年初至2011年初前端扩展总面积达约5900km2,总崩解面积达465km2,其中2004年崩解的面积有255km2.总体上该冰架前端每年扩展500~700km2,而崩解面积较小.
美国冰雪数据中心(NSIDC)在2002年2月至3月观测到了Larsen B冰架3200km2的崩解总量;在2003年统计了Larsen C冰架1400km2的崩解数据;在2008年3月记录了Wilkins冰架431km2的减小面积[15-16].而本研究在同样的时间段内观测到的Larsen B、Larsen C与Wilkins冰架的崩解量分别为3256km2、1403km2与428km2.两套监测数据的偏差值在2%以内,数据可信度较高;这也验证了本研究在冰架监测方法上的可行性.
本文进一步对全南极的18个主要冰架在2002-2011年初的前端面积变化数据进行了较系统的测算与统计,以利于分析和总结冰架的变化规律.如表 1所示.表格分别列举了每个冰架从2002年初至2011年初的前端扩展增加面积与崩解减少面积数据,以及增减总量相对于2002年初的冰架面积所占百分比.
从表 1中也可以较清楚地看出,列举在前面的8个冰架,即从Amery冰架到Filchner冰架的扩展增加面积明显多于其崩解减少面积,对应于本文上述归纳的以扩展变化为主的冰架.列举在中间的5个冰架,即从Larsen B冰架到Abbot冰架的减少面积远多于其增加面积,对应于归纳总结的以崩解变化为主的冰架.最后列举的5个冰架中除Ross冰架的增加面积比崩解面积明显要多以外,其它4个冰架的增加与减少面积基本相当,对应于扩展与崩解都较为明显的冰架类别;而Ross冰架是基于中间的小部分区域崩解变化剧烈,需要同时以正序与反序影像叠加来观测冰架变化,因此被选择归为此类别中;而从面积变化量分析,它也可被列入以扩展变化为主的冰架类别中.总体上,结合影像变化特征与统计数据将南极主要冰架系统划分为扩展变化为主,崩解变化为主,以及扩展与崩解变化都明显这三个类别是合理的.
具体分析各类别冰架的分布特征与面积数据,还可得到如下结论:
(1)崩解变化为主的冰架均处于西南极地区,并主要集中在南极半岛区域.崩解变化为主的冰架包括Larsen B冰架、Wilkins冰架、GeorgeⅥ冰架、Bach冰架及Abbot冰架5个冰架系统.其中,前4个冰架均处于南极半岛区域内,而Abbot冰架也邻近南极半岛.南极半岛区域内还有一个在观测中的Larsen C冰架属于崩解与扩展均剧烈的运动状况.结合统计数据,南极半岛区域的冰架从2002年初至2011年初净减少的面积达约9600km2.
(2)扩展变化为主的冰架主要集中在东南极区域.本文以横贯南极山脉为界划分东南极与西南极区域,则Amery冰架、West冰架、Shackleton冰架、Cook冰架、Lazarev冰架及Risser冰架这些以扩展为主的冰架均处于东南极区域.另外两个扩展变化为主的Ronne冰架与Filchner冰架其实隶属于同一个大的冰架系统Ronne-Filchner冰架系统;该冰架系统处于东西南极的连接区域,其中靠近东部的Filchner冰架几乎没有明显的崩解现象,而靠近西侧的Ronne冰架的崩解现象则要相对剧烈些.除此以外,东南极区域只有Fimbul冰架的扩展与崩解均较为明显,并且该冰架近年间的前端扩展面积还要明显大于崩解面积.总体上,冰架表面与底部的消融作用在东南极冰架系统表现得并不明显,全球变暖的趋势性效应在此区域表现得并不突出.
(3)三大冰架的扩展变化较为明显.全南极最大的三个冰架均被列入了本文的观测范围,即Ross冰架、Ronne-Filchner冰架和Amery冰架.其中Ross冰架的面积最大,达47万多平方公里;Ronne-Filchner冰架次之,达42万平方公里;东南极区域最大的冰架则是Amery冰架,达6万多平方公里.统一分析三大冰架的前端变化,从影像特征上,除了Ross冰架中间小部分区域有明显崩解外,三大冰架的外缘基本处于明显的扩展状态,并且扩展速度普遍较大.前端扩展最快的是Ronne-Filchner冰架,速度基本处于500~1500m/a;其次是Amery冰架,它的大部分区域的扩展速度在500~1000m/a;而最大的Ross冰架扩展速度相对较低,数值为350~670m/a.
其中Ross冰架与Ronne-Filchner冰架在近年间均观测到了区域性的冰架崩解,而Amery冰架在近10年间没有发生明显的崩解现象.但近年间在Amery冰架前缘观测出有两条明显的冰裂隙,如图 5所示,其中西侧裂缝在前端边缘处的宽度从2002年3月的7.5km扩大至2010年10月的13.5km;相同时间段内,裂缝底部宽度从16.5km扩展至32.5km;裂缝纵深则变化较小.而东侧裂缝在前端边缘处的宽度保持为4.5km,无显著变化.由西侧裂缝近10年来扩大约一倍的趋势分析,这里将持续成为Amery冰架前端活动的关键区域.再结合1962-1963年该冰架崩解约1000km2时的前端位置及裂缝情况来分析,Amery冰架在未来约10年时间就可能发生大规模的崩解;并且两裂缝间区域将成为崩解的热点区域.预计西侧裂缝将持续扩张并与东部裂缝相连接,最后导致两区域间的冰架部分发生崩解,而崩解面积应在1000km2以上.这与前人的研究结果相似,但本文预测的崩解面积相对更大[17-20].
全南极海岸线监测不仅包括了上述18个主要冰架系统的所有变化信息,也包含了近年来变化较为显著的南极其它小冰架的变化信息,如Ekstrom冰架,Jelbart冰架,Dotson冰架,Cosgrove冰架,Brunt冰架,Quar冰架,Wordle冰架,Venable冰架等.还包含了近年间变化较为显著,并对海岸线有直接影响的冰川、冰舌等部分,如Mertz冰川,Drygaiski冰舌,Stancom-Wills冰舌等.如图 6所示,为2010年2月Mertz冰川舌崩解图,其当月崩解量达约2500km2.
本文在2004年生成的MODIS全南极镶嵌图的基础上,结合南极18个主要冰架每年的前端扩展与崩解的变化情况,以及近年显著变化的小冰架和其它冰川、冰舌的前沿变化情况,分别统计出2002年初至2011年初的10年间,每年一幅的南极海岸线图,做到近实时的全南极海岸线监测.如图 7所示,为2002年初与2011年初全南极海岸线的对比图.其中,2002年初的南极海岸线在图中用黑色线条表示,而2011年初的南极海岸线用红色线条表示;并且在海岸线变化较明显的几处区域用虚线框图将影像放大表示.从图中可以看到,从2002年到2011年初,南极海岸线有较明显的变化;能清晰地表现出南极半岛地区因冰架崩解而造成的海岸线退缩,如图 7的框图 1所示;也能表现出冰架扩展带来的海岸线前展,如框图 2、5所示;也有冰架崩解与扩展变化同时存在而形成的新旧海岸线交叉,如框图 4、6、7;还有冰川冰舌等区域的扩展与崩解变化带来的海岸线变化,如框图 3所示区域.
表 2进一步地统计了2002-2011年初南极海岸线的面积变化量.表中分别列举了2002-2010年海岸线的面积扩展量、面积缩减量及面积变化总量.其中每年的面积变化总量由当年的面积扩展量与面积缩减量的差值得到;当面积变化总量为负值时,表示该年海岸线呈缩减变化,如2002年;反之当面积变化总量为正值时,表示该年的海岸线呈扩展变化,如2003年.
分析该统计数据,从2002-2010年每年的面积扩展量基本保持在2500km2左右.相比而言,面积缩减量的变化波动较大,其中2002年、2008年与2010年的面积缩减量最大,数值均在3000km2以上,超过了当年的面积扩展量;而其余几年的面积缩减量均是在2000km2以内,数值低于面积扩展量.将此表格数据与上节的南极冰架变化统计表对比后发现,海岸线面积缩减量较大的年段均是南极冰架或冰舌有较显著崩解的年段,如2002年有Larsen B冰架的大崩解,2008年有Wilkins冰架的大崩解,2010年有Mertz冰舌的整体崩解;而南极海岸线每年的稳定扩展量也主要来源于南极各冰架的持续扩展量.经过统计,南极海岸线范围变化的90%以上来源于南极冰架的扩展与崩解变化量.近10年间南极海岸线呈扩展变化,面积增加总量为5878km2.这也表明,即使近年间南极冰架、冰川的崩解现象剧烈,但边缘冰物质的堆积仍是居多的;物质平衡的机制下,后续的崩解现象仍会剧烈.
5 结论本文综合使用MOA、MODIS与Envisat-ASAR数据进行南极冰架变化监测,提出了系统的冰架监测方法,包括基于MOA的冰架基准图生成,基于相似性测度的影像匹配,以及基于阈值与分水岭变换的图像分割.
本文使用多时相的MODIS与Envisat-ASAR数据对全南极18个主要的冰架进行了从2002-2011年初的冰架变化分析;包括冰架的前端扩展面积与扩展速度统计,冰架崩解量的计算,冰架裂隙的监测等.并根据冰架变化特征将冰架系统分为扩张为主的冰架、崩解为主的冰架,以及扩张与崩解都明显的冰架这三大类别.进一步地总结了冰架变化规律与变化趋势,结论包括:崩解变化为主的冰架均处于西南极地区,并主要集中在南极半岛区域;扩展变化为主的冰架主要集中在东南极区域;南极三大冰架的扩展变化较为明显,其中Amery冰架预计在近10年间发生较大崩解等.
进一步地,本文分析了2002-2011年初各年段的南极海岸线变化情况;并综合使用全南极海岸线对比图与南极海岸线变化量统计表的方式,对近10年间的南极海岸线变化情况进行了较为系统的研究.结果表明近10年间的南极海岸线总体上呈扩展变化,海岸线扩展增加总量为5878km2;南极海岸线范围变化的90%以上来源于南极冰架的扩展与崩解变化量.
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