毕业设计论文-GPS数据处理软件于GPS控制网的使用及对比

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1、毕业论文 题 目： GPS数据处理软件在GPS 控制网中的使用及对比 学 院： 资源工程学院 专 业： 2012级测绘班 学 号： 二0一六年六月三日GPS数据处理软件于GPS控制网的使用及对比摘要： 随着GPS等测量仪器的应用及推广，已成为各测绘单位、研究机构进行地形测量的主要仪器。在GPS测量中，为了提高数据处理精度需要选择合适的处理软件。针对于工程测量的数据处理软件选择为题，在对GPS数据处理过程分析的基础上，在现下较常用的处理软件中挑选两款数据处理软件对数据处理后分析这两种数据处理软件对控制网数据处理各方面的差异。明确了选择数据处理软件时要注意的事项，对指导工程实践操作具有参考意义。关

2、键词： GPS ;控制网 ;数据处理 ;对比分析目录1 引言11.1 研究区概况12 GPS定位原理13 GPS数据采集与分析13.1 GPS控制点的埋设以及网的布设13.1.1控制点的布设13.2 控制网观测环的布设23.3 GPS静态观测数据的采集23.3.1控制点的静态观测24 GPS数据处理软件简介24.1 南方GNSS数据处理软件24.2 HGO GPS数据处理软件35 实例分析35.1 工程概况35.2 数学基础35.3 原有高等级控制资料的收集与分析35.4 控制资料兼容性分析45.5 GPS控制网的布设及观测55.6 GPS解算说明及精度分析55.7 成果86 总结10参考文献

3、10致谢词121 引言目前全球共有四大定位系统:(1)美国的GPS定位系统;(2)欧洲的Galileo系统; (3)俄罗斯的GLONASS系统;(4)我国的北斗号系统1。这些全球定位系统的结构都由以下三部分构成：(1)地面控制部分;(2)空间部分；(3)用户装置部分，虽然各定位系统主要特征不同但是都能提供全天候、连续、实时、高精度、三维坐标以及时间数据2。现下，GPS技术在测绘行业中已经得到了广泛的利用，从静态定位到快速定位，再到动态定位。在实际工程操作中，各单位、研究机构最关注的是各数据处理软件的功能特点、处理精度和处理最后结果的准确性，并依此选择合适的处理软件3-7。本次研究案例数据处理软

4、件应用的是南方GNSS数据处理软件和中海达HGO GPS数据处理软件。两种软件主要是对GPS星历数据进行基线向量解算处理，并将基线解算处理结果进行约束整网平差，得出控制网最后成果。1.1 研究区概况 木兰溪，是福建省东部独流入海河流，发源于莆田仙游县西苑乡黄坑村桥头，横贯莆田市中、南部，自西北向东流经莆田市的仙游县、城厢区、荔城区、涵江区等地区，至三江口注入兴化湾入台湾海峡。干流全长105公里，流域面积达1732平方公里，为福建省八大河流之一，天然落差784米。 流域内有著名的南北洋平原(兴化平原)和仙游东西乡平原，是莆田市内主要的人口聚居区。流域内木兰溪沿岸水利设施众多，为流域生产生产提供了

5、充足的水源和电力支持。同时木兰溪及其支流、入海口湾是市内重要的水运航道。因此被称为莆田人民的母亲河。2 GPS定位原理GPS是以卫星基本三角定位为原理，GPS接收装置测量卫星的距离是通过测量无线电信号的传输时间来完成的，从而判断出卫星的位置8。GPS利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会测算出地面点的三维位置，这就是GPS的定位原理9。简单的说，GPS定位原理其实就是一种空间的距离交会原理。按照GPS接收集在工作时的运动状态，GPS定位方式可分为静态定位和动态定位；静态定位是指将GPS天线固定在测点上静止数十分钟至书小时以上的静态观测;动态定位过程则有至少一台以上的GPS接收集处于运动的

6、状态，以观测各历元在运动中测相应点位。在实际应用于工程控制网的观测中，我们通常错采用的方式都是静态相对观测1011。3 GPS数据采集与分析3.1 GPS控制点的埋设以及网的布设3.1.1控制点的布设 首先，在内业利用成图图对整个测区进行一个大致的选点。 E级GPS 按GPS规范的要求进行布设，每平方公里设计点数不小于4点，平均边长约1000m，布网时侧重于中心镇区、工业园区的居民地部分及国道、省道两旁，并应控制整个测区。 （1）实地勘踏选点人员应熟悉GPS点位的要求，选点之前应仔细阅读设计书的规范，目的是为了找到最佳GPS点位。 （2）内页人员选择GPS待定点时，应该预先在影像图上设计好，各

7、级的GPS控制点之间，应该保证至少有一个能够通视的方向。 （3）外业人员选点时点位尽可能选在水泥路面地上或者比较稳定的大岩石上，这样就能使控制点长期存在不易被人为损坏，选点的时候尽量选容易发现的地方，易于接下来的工作。同时应满足水准要求。 （4）点位应选在易于架设仪器，视野开阔的较高地方，这样就能以减少GPS信号被高大的树木遮挡。 （5）外业人员实地勘踏点位时应尽可能的避免高压线路、无线电发射塔和电信基站，这样就能尽量避免电磁场对GPS信号的干扰。 （6）点位附近不要有一些很强烈反射卫星信号的高层建筑物，这样就能尽可能的减弱多路径效应对控制点精度的影响。 （7）充分利用符合要求的已有控制点。

8、（8）GPS点位选定后，应绘制点之记。E级GPS点只提供展点图，不作点之记。 （9）控制点中心标志要求：E级GPS点中心标志采用不锈钢标志，制有中文“E级”字样。3.2 控制网观测环的布设 GPS观测环分为同步环和异步环，同步环的连接方式又分为点连式和边连式，由于在实地大面积控制网布设时同步环边连式会有异步环，虽然精度更高但是会加大静态观测的工作量，所以一般采用同步环的混连式以便提高工作效率，但是要尽量少出现异步环以提高观测精度。3.3 GPS静态观测数据的采集3.3.1控制点的静态观测 外业操作步骤如下（单指某个测站的操作）： (1）安装仪器，先把基座对中、整平、量仪器高，一般在三个方向要求

9、分别量取三次，取平均作为测前接收机天线高，三次取值规范要求不超过3mm，然后安装上接收天线；测量天线高。 (2）听从组织者安排各组员同时间开机。 (3）观测员需要仔细填写外业观测手簿。 (4)外业作业人员应该在接收机开机后几分钟注意接收机各个指示灯的状态，时不时查看接收机电量情况，确定接收机是否处于正常工作状态。在静态观测的四十分钟过程中，要防止无关人员及动物在仪器附近走动以免发生仪器损坏和由于仪器被触碰导致重新观测等。观测过程中的仪器出现任何异常情况都要记录在手簿中并向负责人汇报。 (5）关机，量取天线高，把关机时间及天线高记录到手簿。 (6）收仪器，如果该站为不动站则不收仪器，等候其他组员

10、转移下个站点，同时间开机。注意： (7）观测期间由于天气恶劣，外业作业人员应关闭接收机，防止损坏。 (8）不能在旁边使用对讲机,以免影响仪器信号接收从而使数据出差错。4 GPS数据处理软件简介4.1 南方GNSS数据处理软件南方GNSS数据处理软件是对GPS星历数据进行基线向量解算处理，并将基线解算处理结果进行约束网平差，得出控制网结果。该处理软件能够处理南方公司GPS仪器得到的静态GPS数据及各种进口GPS接收机转化的RINEX数据。该处理软件界面友好，采用全中文操作环境，软件采用流程化管理与操作，具有更出色的图形操作界面和良好的入刑服务功能，可进行包括基线网图、误差椭圆等各种图形的输出、打

11、印等。4.2 HGO GPS数据处理软件 HGO GPS数据处理软件全名为“HGO数据处理软件包”，HGO GPS数据处理软件是中海达在十多年以来，在用户体验改进的基础上继GDS2003软件后推出的二代静态数据处理软件。该软件可用于用户的基线解算处理、网平差、坐标转换、格式转换等。5 实例分析5.1 工程概况 根据工程的需要，及相关测量规范的要求，本工程项目采用GPS静态测量技术利用已有的莆田市国土资源局提供的C级、D级GPS控制点为起算数据，布设带状E级GPS控制网。 本项目高程控制统一布设几何三等水准高程,联测所有控制点的三等水准高程。5.2 数学基础 平面坐标系：1980西安坐标系，中央

12、子午线119，高斯-克吕格任意度带投影。 高程基准：1985国家高程基准。 为了成果的完整性，及与国家标准3带莆田基础测绘成果资料的衔接，本项目控制点平面成果还提供了1980西安坐标系，中央子午线120，高斯-克吕格3带投影成果和CGCS2000国家大地坐标系成果。1980西安坐标系2个投影带坐标，投影长度变形（综合高程归化和投影改化）的分析：本项目布设的控制点呈带状分布，情况如下：经度范围是：11900511190112，平均经度取1190101；纬度范围是：251414252525，平均纬度取252010，该纬度处IAG-75椭球平均曲率半径取6364556米；本测区大部分控制点高程在5米

13、10米，平均高程取8米；本测区IAG-75椭球的高程异常值取12米；按上述取值:1980西安坐标系，中央子午线119坐标，投影长度变形值小于0.5cm/km;1980西安坐标系，中央子午线120坐标，投影长度变形值大于2.5cm/km，最大达12cm/km。 综上，在本测区建筑物施工测量，宜采用中央子午线119坐标，地形图测绘应结合比例尺及精度要求酌情考虑采用适宜的投影坐标。5.3 原有高等级控制资料的收集与分析在工程踏勘、设计阶段，对测区内及周边的高等级平面控制点进行了收集。莆田市国土资源局提供了2个GPS(D)级网点：D019、IV30，均匀分布在测区及周边地区。该成果有联测国家高等级GP

14、S点并有联测三等水准。以上2个网点都具有高精度的CGCS2000国家大地坐标系坐标和1980西安高斯投影平面直角坐标（中央子午线119、120）。经技术人员实地踏勘以上2个点位，并结合多年在莆田地区测绘作业长期积累的测绘成果，可以确认以上2个D级控制点位均保存完好，点位标志正确，并点位精度符合原等级要求，相互间兼容较好,并收集了本测区范围内1个E级GPS点JE318。2个D级控制点为本测区E级GPS平面控制网的起算数据，E级GPS点JE318可做检核之用。该控制点成果如下见表1、表2。表1: 已知GPS(E)、（D）级网点平面直角坐标（1980西安坐标系，中央子午线120度，1985国家高程基

15、准）点号X(m)Y(m)H(m)备注D0192808855.750402105.3245.8340三等水准IV302811522.326395887.789929.745三等水准JE3182814364.078400960.8358.307四等水准（1980西安坐标系，中央子午线119度，1985国家高程基准）D0192808499.7852502743.14545.8340三等水准IV302811119.4097496506.608929.745JE3182813998.7251501557.57688.307四等水准表2: GPS（D）级网点CGCS2000国家大地坐标系（WGS-84大地

16、坐标(CGCS2000国家大地坐标系)，参考框架：ITRF97 参考历元：2000.0）点号大地纬度大地经度大地高备注D01925.225920676119.01423626817.544GPS D级IV3025.242433318118.57592406541.294 5.4 控制资料兼容性分析 在数据平差前,对起算数据进行了兼容性检测，本次控制网共联测了以上3个GPS(D)、（E）级网点，采用2个点（D019、IV30）为约束条件，其余1个点（JE318）作为检查。该点是于1980西安坐标系，中央子午线119度测得结果坐标。平面检查比较结果如下表5。表5：平面坐标检查比较表(单位：米)点名

17、检测坐标X检测坐标Y原坐标X原坐标Y平面较差JE3182813998.7338501557.55372813998.7251 501557.5768 0.0278 经现场踏勘、GPS联测对起算数据进行了检测,以上坐标检查比较表结果说明：本次联测的3个点保存完好、无移动现象，成果精度高、兼容强，可作为本测区控制的起算点及检核点。5.5 GPS控制网的布设及观测 E级GPS网的布设与观测：本次观测采用4台ZHD8200G和2台ZHD8200X大地测量型单频GPS接收机，该仪器标称精度为5mm+1ppm（平面）、10mm+1ppm（高程）。根据HGO GPS数据处理软件星历预报模块计算结果选择合理时

18、段进行观测，由于业主在作业后期增设控制点，整个控制网分为一、二期两次观测。一期观测时间是2016年3月21日，联测了ML01至ML06六个未知E级GPS点。二期观测时间是2016年4月27日至2016年4月28日，联测了ML001至ML009九个未知E级GPS点，其中ML003与ML03点重合，统一取编号ML003，在GPS平差计算中把二期点号“ML”简写为“L”。根据每个时段的情况不同，可以增加或缩短时长。最短时长为1小时30分钟。 考虑到已有D级GPS控制点与测区的实际分布及本测区呈带状分布的实际情况，遵照全球定位系统（GPS）测量规范之相关技术要求及本测区的技术要求，采用先框架再加密的分

19、级布设原则布设。先以莆田市国土局提供的2个GPS(D)级网点IV30、D019和带状分布的头、中、尾部的控制点JE318、ML01、ML003、ML06共6个点形成一完整并控制整测区的框架，再在框架的基础上以点连接的形式从头至尾加密控制点。最终本测区控制网由17个点位组成，其中已知点2个已知点IV30、D019，14个GPS(E)级网待定点呈带状均匀布设（一期ML01至ML06、二期ML001至ML009），还以加密点的形式联测检核点E级GPS点JE318。布设的控制网中已知点与待定点之间边长范围为2450米6764米，待定点之间边长范围为420米2362米，满足D级网发展E级网的布设要求。构

20、成一个整体、封闭的网形。最终6台仪器共观测了5个同步时段，设30个测站，重复设站1.7次以上。共观测有效GPS基线73条，11条复测基线，形成3边同步环93个，3边异步环93个。5.6 GPS解算说明及精度分析本案例控制网数据利用挑选的数据处理软件中海达HGO GPS数据处理软件对基线进行解算，并对基线进行自由网平差、约束平差。于此同时使用中海达HGO GPS数据处理软件将观测数据交换成RINEX文件，使用南方GNSS数据处理软件对RINEX数据文件进行基线解算和平差比对，基线解算比对的结果显示，73条基线的解算边长较差在-2.1mm+1.6mm之间，认定南方GNSS和HGO GPS数据处理软

21、件基线解算结果有效、可靠，解算结果合格。 5.6.1 南方GNSS和HGO GPS数据处理软件数据处理对比 (1)网图 图5.6.1 南方GNSS数据处理网图 图5.6.2 HGO GPS数据处理网图（2）基线结果对比表4 南方GNSS数据处理基线结果L07_2561.zsd-L08_2561.zsdRMS(mm)DX(m)DY(m)DZ(m)长度(m)L1三差解5.3137.4131-11.1407152.8126205.8110L1浮动解5.4137.4079-11.2089152.8130205.8115L1固定解4.1137.4122-11.2054152.8134205.8145表5

22、 HGO GPS数据处理基线结果L07_2561.zsd-L08_2561.zsdRMS(mm)DX(m)DY(m)DZ(m)长度(m)L1三差解4.5137.451-11.087152.8230205.8410L1浮动解3.6137.425-11.176152.8110205.8200 L1固定解3.8137.410-11.202152.8140205.8130 通过对两者的对比不难看出，两种数据处理软件数据处理的基线结果精度都较高。（3）平差后的基线及标准差对比表6 南方GNSS平差后的基线及标准差基线名DX(m)DY(m)DZ(m)长度(m)中误差L07_2561.zsd-L08_256

23、1.zsd137.4097-11.2023152.8141205.812710.3L07_2551.zsd-L09_2551.zsd139.6507-111.3306339.1716383.317211.1L07_2561.zsd-ML031190.zsd-471.109372.1432-624.6420785.70086.3L07_2551.zsd-ML062551.zsd239.4921-192.3789586.4171662.000411.2表7 HGO 平差后的基线及标准差基线名DX(m)DY(m)DZ(m)长度(m) 中误差L07_2561.zsd-L08_2561.zsd137.4

24、127-11.2029152.8136205.81485.2L07_2551.zsd-L09_2551.zsd139.6509-111.3347339.1800383.32867.3L07_2561.zsd-ML031190.zsd-471.109372.1458-624.6405785.70013.6L07_2551.zsd-ML062551.zsd239.4989-192.3875586.4190662.01215.4 经过对平差后的基线及标准差进行对比，南方GNSS的结果精度比较差，而HGO GPS的结果精度较高，二者都在误差范围之内。（4） 网平差坐标表8 南方GNSS平差后坐标 点

25、号等 级X(N)坐标Y(E)坐标高程（H）标石类型备 注ML01GPS(E)2811162.694401278.5855.393砼三等水准，第一期ML02GPS(E)2811567.427401164.9085.625砼三等水准，第一期ML04GPS(E)2812497.120401015.50110.722砼三等水准，第一期ML05GPS(E)2812900.608400706.8847.192砼三等水准，第一期ML06GPS(E)2813356.835400697.6015.991砼三等水准，第一期表9 HGO GPS平差后坐标点 号等 级X(N)坐标Y(E)坐标程（H）标石类型备 注ML

26、01GPS(E)2811160.3736401395.49225.464砼三等水准，第一期ML02GPS(E)2811565.1077401281.81695.6900砼三等水准，第一期ML04GPS(E)2812494.8062401132.413210.7875砼三等水准，第一期ML05GPS(E)2812898.2960400823.79747.2378砼三等水准，第一期ML06GPS(E)2813354.5243400814.51646.0282砼三等水准，第一期 经过对平差后坐标进行对比，南方GNSS和HGO GPS 的平差坐标精度都较高。 在通过两种数据处理软件对案例数据进行数据处

27、理后，发现在基线解算方面，二者虽都在误差范围内，但是南方GNSS数据处理软件的精度相对较差，HGO GPS数据处理软件的精度相对较高；在平差方面，二者精度都较高。建议一般情况下选用HGO GPS数据处理软件进行GPS静态处理。5.7 成果 比对两者的计算差值，确认无误后，取HGO GPS数据处理软件平差结果为资用结果。平差结果基线各项精度情况总结如下： 表10 E级GPS网重复基线误差最大值统计名 称质量检查d X(mm)d Y(mm)d Z(mm)长度较差(mm)平均边长(m)长度较差限差(mm)相对误差L006-L007合格-10.0-12.8-3.516.6147.678028.31:8

28、894说明：基线长147米，距离约为E及网边长极限的1/5，故相对误差小于1:15000，绝对误差16.6mm满足精度要求。 表11 E级GPS网闭合环误差最大值统计名 称质量检查WX(mm)WY(mm)WZ(mm)WS(mm)环总长(m)环总长相对精度(ppm)L006-L008-L009-1(同步)合格1.311.76.613.5873.2615.48L006-L007-L008-1(异步)合格13.09.4-2.316.2578.9617.90表12 E级GPS网平差后最弱边和最弱点误差值统计最弱边基线名中误差DN(mm)中误差 DE(mm)中误差(mm)相对误差_L081180.zsd

29、-L09_2551.zsd3.847.998.861:23874最弱点站点名中误差_N(mm)中误差_E(mm)点位中误差(mm)L0093.948.028.94表13 E级GPS网闭合环和最弱点位中误差精度统计同 步 环 闭 合 差（93个）异 步 环 闭 合 差（93个）0W/3W/3W/2W/2W0W/3W/3W/2W/3W条%条%条%条%条%条%7782.81617.2005862.42526.91010.7 E级GPS网边长外部精度检核：E级GPS网边长外部精度检核采用高精度全站仪，在测区分布均匀的随机抽取6条GPS边长，进行对向观测，高程归化到1980西安坐标参考椭球面，投影改正到

30、中央子午线119度后与GPS平差边长进行精度检测比较，较差结果如下：表14 E级GPS网边长外部精度检核序 号基线名称反算边长（米）复测边长（米）较差（米）限差（米）1ML004-ML007240.088240.08800.0202ML006-ML008225.448225.4330.0150.0203ML004-ML005396.097396.0910.0060.0264ML006-ML007147.682147.6660.0160.0205ML007-ML008205.784205.7750.0090.0206ML008-ML009211.554211.555-0.0010.020表15

31、坐标部分成果坐标系：1980西安坐标系 中央子午线经度119 测量方式：GPS静态测量单位：x x x x高程系：1985国家高程基准测量时间： 2016年5月序号代码点号等 级X(N)坐标Y(E)坐标高程（H）标石类型备 注1106ML001GPS(E)2810967.634 501740.288 5.773 砼三等水准，第二期2106ML002GPS(E)2811192.848 501755.182 5.757 砼三等水准，第二期3106ML003GPS(E)2811648.684 501795.201 6.427 砼三等水准，第二期4106ML004GPS(E)2812117.861 5

32、01514.019 10.873 砼三等水准，第二期5106ML005GPS(E)2812123.786 501910.072 10.473 砼三等水准，第二期6106ML006GPS(E)2812284.511 501280.464 11.041 砼三等水准，第二期7106ML007GPS(E)2812337.970 501418.131 11.131 砼三等水准，第二期8106ML008GPS(E)2812508.791 501303.383 7.681 砼三等水准，第二期9106ML009GPS(E)2812715.155 501349.954 7.605 砼三等水准，第二期6 总结 G

33、PS测量结果的优劣，不仅需要通过合理的组织计划实施，还需要对数据的优化处理。基线向量的解算处理是GPS数据处理中的重要部分，其解算质量是会直接影响到平差计算处理的结果12。 本文对GPS控制网中的数据处理进行了研究，在经过两种数据处理软件对案例数据进行数据处理后，发现在基线解算方面，二者虽都在误差范围内，但是南方GNSS数据处理软件的精度相对较差，HGO GPS数据处理软件的精度相对较高；在平差方面，二者精度都较高。建议一般情况下选用后者进行GPS数据处理。当然用户在具体工程项目的控制网布网中可以根据各工程项目各方面的要求不同选用适合的数据处理软件得到最优结果。参考文献1 孙进北斗系统锋芒初露

34、- 全球定位系统- 2009；2 付超 刘涛谈GPS定位系统在公路测量上的应用-科技风- 20103 魏二虎，黄松，GPS测量操作与数据处理M, 武汉：武汉大学出版社，2004；4 杨建军，GPS基线结算经验点滴J, 测绘通报，1997（1）；5 冯林刚，GPS基线的精化处理J，测绘通报，1998（3）；6 杨振爽，周军，Trimble Geomatics Office 在GPS网结算上的探讨J，西部探矿工程，2004（9）；7 邵旭东，GPS数据处理中的质量控制问题J，河南测绘，2004（3）；8 汝海燕GPS在土地测绘中的作用 - 民营科技-20149 赵建洲GPS测量技术的工作原理及应用

35、 - 地下水-200710 王瑞，GPS 基线精度分析及控制网的方差分量估计研究D, 南京: 河海大学, 2005.611 王文彬, 线路工程测量坐标系的建立方法及精度分析D , 西安: 长安大学, 2011.05 12 唐春云，随机GPS数据处理软件的使用及对比，扬州： 扬州市测绘研究院有限公司，2012Application and Comparison of GPS Data-processing Software In GPS Control NetworkAbstract：With the application and popularization of GPS and other

36、 measuring instruments,it has become the main instrument of Surveying and mapping units and companies.In order to improve the accuracy of data-processing, the selection of appropriate processing software is needed to improve the accuracy of GPS measurement.For engineering survey data-processing soft

37、ware title selection. In the analysis process based on GPS data processing, in the now more commonly used processing software selected two data-processing software of data processing after the analysis of the two data-processing software of data-processing differences in various aspects of control n

38、etwork.It is clear that the choice of data-processing software to pay attention to the matter, to guide the operation of the project practice has reference significance.Key words：GPS; Control network; Data-processing; Comparative analysis致谢词本文的最后，感谢我的导师，林新红。在完成本文的过程中，从选定题目和资料数据的收集、写开题报告，到后来初稿、一稿、二稿的

39、修改以及终稿的确定，陈老师始终悉心、认真的指导，提出了许多建议与我的不足之处，为我指明方向，对文章存在的问题都细心指出，并提出修改方案，让我受益匪浅。我也在写作过程中提高了我查阅资料、分析解决实际问题的能力。 感谢龙岩学院和资源工程学院的各位老师们，感谢母校的栽培，感谢各位老师的传道解惑。感谢实习单位的领导及同事们在我进行工作区研究分析时在技术上热心答疑解惑，让我可以顺利的采集到毕业论文的相关材料。感谢2012级测绘工程班的同学们，我们大家一起度过了四年的大学时光，因为有你们的陪伴，大学的生活才变得如此的丰富多彩，我会永远记住这个大家庭的。最后，我要向百忙之中抽出时间来审阅论文的老师表示最诚挚的感谢!12