Erfassung raumbezogener Daten Erfassungsverfahren im Überblick · Erfassung raumbezogener Daten-Erfassungsverfahren im Überblick Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill Universität Rostock Agrar-

Erfassung raumbezogener Daten-

Erfassungsverfahren im Überblick

Prof. Dr.-Ing. Ralf BillUniversität Rostock

Agrar- und Umweltwissenschaftliche FakultätProfessur für Geodäsie und Geoinformatik

GI-Erfassung © 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill

Anliegen

Grundsätzliche Vorbemerkungen zur raumbezogenen Erfassung von Daten

Unterschied Primär- und Sekundärerfassung kennenlernen

Grobe Charakterisierung verschiedener Erfassungsmethoden

Aufzeigen von Trends in der Datenerfassung

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Inhalt

Übersicht zu raumbezogenen Erfassungsmethoden

Systematische Charakterisierung gängiger Erfassungsmethoden

Trends in der Datenerfassung

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Raumbezogene Datenerfassung

Einstieg in die GIS-Verarbeitungskette Aufwändiger Prozess Oftmals mehrere Möglichkeiten der Datenerfassung => Vielfalt

Wahl abhängig von Anwendung und dem zu erfassenden Objekt

Abwägungsprozesse bei der Datengewinnung Wirtschaftlichkeit und Aufwandsabschätzung Qualität, sowohl geometrisch (maßstabsorientiert) als auch thematisch, Exaktheit, Vollständigkeit und Sachgerechtheit der Daten, Aktualität bzw. zeitliche Passfähigkeit der Daten

Die Datenerfassung sollte zum einen so genau und vollständig wie notwendig und zum anderen so wirtschaftlich wie möglich erfolgen.


Einteilung der Erfassungsmethoden


Charakteristiken von Erfassungsmethoden

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Methode Primäres Element

(Verarbeitung)

Genauigkeit (ca.)

Eignung für Gebiete

Aufwand (Geräte)

VermessungTachymetrieTerrestr. LaserscanningMobiles LaserscanningGNSS

Punkt/LiniePunktPunkt

Punkt/Linie

cm – dmcm – dmcm – dmcm – m

lokal – regionallokallokal

lokal – global

mittelmittelhoch

gering

FernerkundungPhotogrammetrieDGM (Höhe)Airborne LaserscanningVisuelle InterpretationAutom. Fernerkundung

Punkt/LiniePunkt/Linie

PunktFlächeFläche

1 * 10-5* mb

1 * 10-4* hg

dm-

>1 m

lokal – regionallokal – regionallokal – regionallokal – regionallokal – global

hochmittelmittelgeringhoch

Digitalisierungmanuellsemi-automatischautomatisch

Punkt-LiniePunkt-Linie

Punkt-Fläche

2,5 * 10-4* mk

2,5 * 10-4* mk

2,5 * 10-4* mk

lokal – globallokal – globallokal – global

mittelhochhoch

Legende: mb = Bildmaßstab, mk = Kartenmaßstab, hg = Flughöhe

© 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill 6GI-Erfassung

Einordnung der Erfassungsmethoden

GIS-Anwendungs-abhängigkeit von Maßstäben und Datenquellen


Erfassung

Quelle

VermessungPhotogrammetrie

Fernerkundung

Digitalisieren

ObjektAbbild

Karte AtlantenDatenbanken

Maß

stab

szah

l

1.000.000

100.000

10.000

1.000

KommuneUmweltVer-/EntsorgungLiegenschaft

Lokal

Regional

TopographieStatistikPlanungUmwelt

Global

GeographieUmweltKlimaGeopolitik

Einteilung der Datenerfassung

in Bezug zur Quelle: Primäre Datenerfassung

- Vermessung- Photogrammetrie- Fernerkundung- Interviews/Fragebögen- Umweltmessnetze- andere

Sekundäre Datenerfassung- manuelle Digitalisierung- semi-automatische Digitalisierung- automatische Digitalisierung- andere

in Bezug zum Datentyp: Geometriedaten (Vektor - Raster)

- Vermessung- Photogrammetrie- Fernerkundung- andere

Sachdaten/Thematische Daten- Fernerkundung- Interviews / Fragebögen- Tastatureingabe- Dokumentenleser- Umweltmessnetze - andere


Primärerfassungsmethoden


Primärdatenerfassung/Originärdatenerfassung

Daten werden direkt am Objekt oder dessen unverarbeitetem Abbild gewonnen. Als wichtigste Methoden der topographisch-geographischen Erfassung digitaler Geodaten sind die Vermessung sowie die Photogrammetrie und Fernerkundung zu nennen. Andere originäre Erfassungsmethoden sind thematische Felderhebungen (z. B. Biotopkartierung) oder Permanentregistrierungen in Messnetzen (Wasserstände, Gewässergüte, Radioaktivität etc.). Auch Interviews und Befragungen führen zu originären Daten, dann aber eher zu Sachdaten.


Geometriedaten Vermessungsmethoden

- Tachymetrie, TLS, GNSS u.a. Photogrammetrie inkl. Airborne

Laserscanning Fernerkundung

Sachdaten Fernerkundung Interviews Fragebogen etc.

- Tastatureingabe- Belegleser

Tachymetrie

Prinzip „Vom Großen ins Kleine“ In das von der Landesvermessung

geschaffene Grundlagennetz werden die lokalen Vermessungen eingehängt

Auswerteprinzip „Polares Anhängen“ Überbestimmung und

Ausgleichungsrechnung


Kombinierte Trilaterationund Triangulation

Polygonzüge, freie Stationierung und Tachymetrie

Grundlagennetz – Global bis regional

Detailvermessung

Tachy-metrie

Polygonzüge

Freie Stationierung

A

hz

B

shAB

hB = hA + s cot (z)

x

y

C

A

B

s tAB

tAC

xB = xA + s cos (tAB)yB = yA + s sin (tAB)

Vertikalschnitt

Grundriss

Tachymetrie

Geräte: Tachymeter

Datentyp: Merkmal-codierte Vektordaten

Qualität: mm-cm

Besondere Merkmale: 400-800 Punkte / Tag 100-1000 Punkte / ha Dichte selektive Übernahme

Vielfältige Anwendungen lokale Bereiche N X Y P

212 132.45 243.01 KD213 138.97 231.33 Sch

Projekt: Rostock - [Digitale Karte]

Whs. 9

Sch

34.4

GI-Erfassung 12

XA , YA , HA

XB , YB ? , ? , ?

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Terrestrisches Laserscanning(TLS)

Geräte: Video-Tachymeter Laserscanner

Datentyp: Punktwolken (Vektordaten)

Qualität: mm-cm

Besondere Merkmale: Große Datenmengen Punktwolken Nur tlw. automatisierbar

Vielfältige Anwendungen


www.trimble.com/spatialimaging.shtml

GI-Erfassung 13

3D-Punktwolke 3D-Vektormodell

Global Navigation Satellite System (GNSS)

Unterschiedliche Messprinzipien

Unterschiedliche Empfänger Einbindung in mobile

robuste Felderfassungs-systeme

Als Komponenten von Smartphones für jedermann

Unterschiedliche Beobachtungstypen

Unterschiedliche Genauigkeiten


s1s2

s3s4

P(X,Y,Z)

Positionierung mit nur einem Empfänger Satellitenspezifische Fehler bleiben voll erhalten (keine Differenzenbildungzwischen Empfänger möglich)

s1

P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)

Positionierung mit zwei EmpfängernHäufigste Positionierungsform (Differenzen-bildung zwischen Empfänger und Satellitenmöglich)Statisch und kinematischDie meisten Fehlereinflüsse werden eliminiert

Positionierung mit vielen Empfängern

Nur statisch

Absolut

Differenziell/relativ

Netzwerk

Beobachtungstyp Empfänger Differenzenbildung Empfängeranzahl Zeitpunkt der Auswertung

Phase statisch Differenzierungsstufe absolut Echtzeit (Realtime)Pseudorange kinematisch Differenzierungsart relativ NachbearbeitungLinearkombination Stop-and-go Netz (post processing)Phasenglättung

Global Navigation Satellite System (GNSS)

Geräte: GNSS-Empfänger


Qualität: mm-m

spezifische Merkmale: 400-800 Punkte / Tag 100-1000 Punkte / ha Dichte selektive Übernahme

Vielfältige Anwendungen lokale Bereiche


Total Positioning System(TPS)

Geräte: Tachymeter GNSS


Qualität: mm-cm



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1

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3

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1112

13

TS

Mobile Datenerfassung

Geräte: Smartphone, Tablet PC, FieldPad Integriertes GNSS Freihand-Distometer


Qualität: m-dm




Mobiles Laserscanning(MLS)

Geräte: GNSS/INS Kamera Laser-Scanner

Datentypen: Punktwolke (Vektordaten) Bilder (Rasterdaten)

Qualität: dm-cm

Besondere Merkmale: Große Datenmengen Punktwolken Nur teilweise automatisierbar



Fernerkundung und Photogrammetrie

Fernerkundung bezeichnet ein indirektes berührungsfreies Beobachtungsverfahren. Messungen werden nicht direkt am Objekt, sondern an dessen Abbild ohne direkten Kontakt des Sensors mit dem zu erkundenden Objekt durchgeführt. Zu messende Größe wird aus der vom Objekt reflektierten oder emittierten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet.

Photogrammetrie bezeichnet die Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über Objekte und Vorgänge mittels Bildern, schwerpunktmäßig mit der Bestimmung der Form, Größe und Lage von Objekten im Raum.

Fernerkundung Interpretation der Bilder Luftbildinterpretation Satellitenbildauswertung

Photogrammetrie Ausmessung der Bilder


Fernerkundung

Photo-grammetrie

Luftbildphotogrammetrie

Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über Objekte und Vorgänge mittels Bildern, schwerpunktmäßig mit der Bestimmung der Form, Größe und Lage von Objekten im Raum.

Die Bilder werden durch photogrammetrische Kameras an Bord von Luftfahrzeugen gewonnen und durch photogrammetrische Auswertung verarbeitet. Analoge Bilder => analoge bzw. analytische Photogrammetrie Digitale Bilder => digitale Photogrammetrie

Die Photogrammetrie nutzt in der Regel das Stereoprinzip, d. h. sich um bestimmte Bereiche überlappende, von unterschiedlichen Standorten aufgenommene Bilder desselben Objekts können dreidimensional ausgemessen werden.

Zentralprojektion dient als Abbildungsprinzip einer Kamera. Luftbilder:

Schwarz-Weiß-Bilder, Farbbilder, Farbinfrarotbilder (CIR-Colour Infrared), Thermalbilder Erweiterbar um weitere Sensoren: Airborne Multisensorsystem

Airborne Laserscanning Multispektral- oder Hyperspektralkamera



Geräte: Kamera GNSS/INS

Datentyp: Rasterdaten

Qualität: m (Abbildungsmaßstab abhängig)

Besondere Merkmale: Große Datenmengen hoch automatisierbar standardisierte Produkte

- Orthophotos- Digitale Geländemodelle



RGB

Flugbahn

Überlappung 15-25%

Überlappung ca. 60%


Stereoauswertung in 3D Analytische Auswertung Digitale Auswertung Genauigkeit:

- abhängig vom Bildmaßstab Eignung:

- Lokale bis regionale Ausdehnung Ergebnis:

- Objektcodierte Vektordaten Digitales Geländemodell

manuell bei analytischen Geräten automatisch bei digitalen Geräten Ergebnis:

- Oberflächenpunkte und -beschreibung

Digitale Orthophotos Automatiiert ableitbar mittels digitaler

PhotogrammetrieGI-Erfassung © 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill 22GI-Erfassung 22

Photogrammetrische StereoaufnahmeBild Bild

Gelände

Basis bcFlugrichtung

Stereo-auswerte-bereich

'1P ''

1P

gh

AirborneMultisensorsystem

Geräte: Multispektrale Sensoren (Kamera) Hyperspektrale Kamera GNSS/INS


Qualität: m – dm (Plattformabhängig)

Besondere Merkmale: Hohe Datenmenge hoch automatisierbar standardisierte Produkte

- Orthophotos- Digitales Gelände-/Oberflächenmodell



GNSS

INS MultispektralerPushbroomScanner

GI-Erfassung 23

GNSS

LaserMSS

Kamera

Luftbild

INS

Beispiel HRSC-A-Befliegung Rostock

RGB DOM

HRSC-A Aufnahme, Rostock Lütten Klein, 19.05.2000

HRSC-A (DLR)Befliegungen: 2000/2002Bodenauflösung: 16 cm

Anwendungen- Aktuelle topographische Grundlage- Gebäudekataster- Flächennutzung / Versiegelung - Grünflächenkataster- Baumkataster / Stadtforst- ...


Airborne Laserscanning(ALS/Lidar)

Geräte: GNSS/INS Laserscanner/Lidar

Datentyp: Vektordaten

Qualität: dm-cm

Besondere Merkmale: Große Datenmengen Punktwolken Automatisierbar First pulse/last pulse Continuous wave

Produkte: DOM/DGM


Unmanned Airborne System (UAS)

Geräte: GNSS/INS Kamera oder andere Sensoren

Datentyp: Rasterdaten/Vektordaten

Qualität: dm-cm

Besondere Merkmale: Low-cost-ad-hoc-Flug Große Datenmengen hoch automatisierbar standardisierte Produkte

- georeferenzierte Bilder- Orthophotos- Digitales Geländemodell

Vielfältige Anwendungen ltig © 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf BillGI-Erfassung 26

Unmanned Airborne System (UAS)


Eingangsdaten

Originalbilder Geotags und Passpunkte

Bilddatenverarbeitung

Punktverknüpfung zwischen den Bildern

Automatische Aerotriangulation

Bündelblockausgleichung(innere Orientierung,

Kamerapositionierung und äußere Orientierung)

Automatische Verknüpfungspunkte

Qualitätsbericht

Bildweise Punktextraktion

Punktwolkenverarbeitung

Gefilterte Punktwolke(ohne Farbberücksichtigung)

Dreiecksvermaschung

Gefilterte Punktwolke(mit Farbberücksichtigung)

Verdichtete Punktwolke

DOM und Orthomosaikerzeugung

Gitter DOM(ohne Farbberücksichtigung)

Orthomosaik

Gitter DOM(mit Farbberücksichtigung)

Raster DOM

Erweiterungen

3D triangulierte Punktwolke

3D-Dreiecksvermaschung

Optische Satelliten-fernerkundung

Geräte: Multispektrale Sensoren (Kamera)


Qualität: 100 m – dm (Plattformabhängig)

Besondere Merkmale: Hohe Datenmenge standardisierte Produkte

- georeferenzierte Bilder- Klassifizierung



multi sensoral /multi-skalig /multi-temporal

Mikrowellen-Satelliten-fernerkundung

Geräte: Radar (Mikrowellen-Sensoren)


Qualität: 100 m – m (Plattformabhängig)

Besondere Merkmale: Hohe Datenmenge komplizierte Interpretation georeferenzierte Bilder



TerraSAR-X: http://www.dlr.de/eo/desktopdefault.aspx/tabid-5725/9296_read-15979/

Sydney Harbour Bridge

Fernerkundung/Photogrammetrie

Fernerkundung und Photogrammetrie sind äußerst leistungsfähige Verfahren zur Erzeugung von Geodaten

Fernerkundung und Photogrammetrie stellen verschiedenste Ansätze bereit Multisensoral (Film, CCD ...) Multiskalig (... 1:100 – 1:1.000.000 ...) Multispektral (Farbe, IR, Thermal, Radar ...) Multitemporal (Echtzeit, on demand, periodisch)

Fernerkundung und Photogrammetrie sind hochgradig automatisierbar und digital Zukunftsperspektiven positiv


Geosensornetzwerk

Geräte: Low-cost-Sensoren Kamera GNSS INS drahtlose Kommunikation

Datentyp: Beobachtungen

Qualität: Sensorabhängig

Besondere Merkmale: selektive Übernahme Integration in GDI mittels SWE



Sensornetzwerk

Gateway

Senke

Satellit

Internet

SLEWS-Knoten

Beschleunigungssensor

Neigungssensor


Umweltmessnetze

kontinuierliche Messwerterfassung in Netzen von Messstationen dient der Erhebung von Daten im Umweltbereich

Geräte: Sammlung von Messtationen

Datentyp: Beobachtungen georeferenziert


Besondere Merkmale: 24/7/365 präzise automatisch

Vielfältige Anwendungenhttp://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Umwelt_Messstation_Barsb%C3%BCttel.jpg

GI-Erfassung 32


Umweltmessnetze

Charakteristiken Automatisch Kontinuierliche Erfassung Speicherung Qualität Aufbereitung Präsentation Probenahmestellen Aktualität

Beispiele PegelOnline - Wasserstände FluGGS - Flussgebietsmanagement Ubimet – Wetterdaten Marnet - Küstenmessnetz

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Verkehrs- und Mobilitätsdatenerfassung

Infrastrukturkomponenten: Induktivschleifen Videokameras Radardsensoren

Mobilsensoren: Floating Car Data (FCD)

- GNSS plus Fahrzeugsensorik (Tachometer, Drehzahlmesser, Taxameter ..) Extended Floating Car Data (xFCD)

- Assistenzsysteme in Fahrzeugen wie ABS, ASR, ESP, Regensensoren und das Fahrzeugdiagnosesystem

Car2X-Kommunikation (Car2X)- Kommunikation zwischen Fahrzeugen untereinander und zwischen- Fahrzeugen und der Verkehrsinfrastruktur

Traffic Message Channel (TMC) digitales System zur Meldung von Verkehrsbeeinträchtigungen

GI-Erfassung 34

Nutzergenerierter Content

Neogeography Volunteered Geography Information

(VGI) Humans as Sensors Crowdsourcing


Artenfinder-App von GeoMobileFotoapparat, Kompass und GPS

Geräte: Smartphone ~ 10 low-cost-Sensoren Kamera GNSS drahtlose Kommunikation

Datentyp: Koordinaten Bilder Beobachtungen


Besondere Merkmale: selektive Übernahme Integration in intelligente Umgebungen


Nutzergenerierter Content/Crowdsourcing

Bürgerplattformen Klarschiff.HRO Leerstandsmelder


Soziale Netzwerke: Facebook Twitter Flickr Instagram

Datentyp: Texte, Nachrichten Bilder Tlw. georeferenziert

Qualität: Sehr unterschiedlich


Originäre Erfassungsmethoden Photogrammetrische Stereoauswertung: Standardmethode bis regionale

Gebietsausdehnungen Laserscanning: bis regionale Gebietsausdehnung Tachymetrie/GPS: für lokale Gebietsausdehnung

Sekundäre Erfassungsmethoden Digitalisierung (oder Scannen) von Höhenlinien

Erfassung digitaler Geländemodelle

GI-Erfassung 37

Profile BildverarbeitungGitter Höhenlinien ProgressiveSampling

Tachymetrische/Photogrammetr.

Einzelpunkte


Primäre Erfassungsmethodenfür Sachdaten

Sachdaten mit direkter Georeferenzierung Feldaufnahme Messen und Zählen Ortungsmethoden angepasste Spezialmethoden

- Georadar- Seismische Verfahren- Bohrungen

Sachdaten mit indirekter Georeferenzierung Interviews (Befragungen,

Telefonaktionen) Stichprobenerhebungen repräsentative Umfragen Volkszählungen Meldewesen

- Einwohnermeldeamt- Kfz-Zulassung

Konsumdaten


Sekundärerfassungs-methoden


Sekundärdatenerfassung

Die sekundären Erfassungsmethoden sind weitverbreitet und spielen im GIS eine bedeutende Rolle. Gemeinsam ist ihnen, dass sie von einem vorgegebenen, für einen bestimmten Zweck erstellten Produkt oder einer Quelle ausgehen, die bereits das Ergebnis maßstabs- oder themenbedingter Aufbereitung der Objektdaten waren, und damit genau der Informationsgehalt vorliegt, der bei der Primärdatenerfassung von Interesse war.

Genauigkeit schlechter als bei der Urerfassung. Aktualitätszustand stimmt mit dem Sekundärmedium, nicht aber mit der

Realität überein. Gängige Verfahren

Manuelle Digitalisierung Semi-automatische Digitalisierung Automatische Digitalisierung Existierende Datenquellen Andere


Manuelle Digitalisierung

Geräte: Digitalisiertisch Bildschirm (heads-up-digitizing)


Qualität: dm-m (Maßstababhängig)

Besondere Merkmale: Weniger Datenmenge selektive Übernahme

Anwendung: vielfältig


Digitalisierungslupe

Digitalisierungs-tablett

Bildschirm

Scanning - (semi)-automatische Digitalisierung

Geräte Scanner

Datentyp: Rasterdaten Raster-Vektor-Konvertierung

Qualität: dm-m (Maßstababhängig)

Besondere Merkmale: Große Datenmengen teilweise automatisierbar



Analoge Karte

Rasterdaten

Scannen Raster-VektorWandlung- oderhalbautomatischeDigitalisierung

Vektordaten

Nachbearbeitung

Importieren inGIS-oderMapping-Software

Andere Verfahren

Alphanumerische Dateneingabe Belegleser


Digitale Datenübernahme

Geräte: Datenspeicher (CD, disk, USB ..) Internet

Datentyp: Rasterdaten Vektordaten Sachdaten Andere

Qualität: abhängig von der Anwendung

Besondere Merkmale: Verschiedene Formate


Interfaces: Austauschschnittstellen: ASCII, CSV usw. SQL NAS SHP/DXF OGC W*S Andere

Datenträgeraustausch: Disketten CD Internet


Eher Attribute als Geometriedaten

Trends


Trends in der Datenerfassung

Reflektorlose/zielverfolgende Tachymetrie = Ein-Mann-Vermessung Digitale Orthophotos ubiquitär Laserscanning in allen Variationen: Terrestrisch, Mobil und Airborne Global Navigation Satellite System (statisch und kinematisch) ubiquitär Mobile Felddatenerhebung mit Handheld-Computer oder Smartphone durch

jedermann


Mobile Felddatenerhebung der Zukunft

Integration Feld und Büro


Quelle: aktualisiert nach H. Ingensand, 1996GI-Erfassung 47

N X Y P212 132.45 243.01 KD213 138.97 231.33 Sch

Sensorik

abc 2 3

1

+x =

=

N P212 - KD213 - Sch

Kom

mun

ikat

ion

Mob

ilfun

k od

er W

LAN

Verarbeitung

Geoinformationsgewinnung im Wandel der Zeiten

1970

1980

1990

2000

2010

Kommerzielle GeofachdatengenerierungAmtliche Geobasis- und Geofachdatengenerierung

ALK/ALB ATKIS AAAUIS

Kommerzielle Geodatengenerierung

NIS Navigationssysteme Earth Viewer

User generatedcontentOSM VGI


Selbststudium


Literatur-hinweis

GI-Erfassung

Bücher: Bill (2016): Kapitel 5 Ehlers/Schiewe (2012): Kapitel 3

Podcasts: GIS-Erfassung

eLearning-Plattformen: Geoinformation.net:

- z.B. Modul Fernerkundung GITTA:

- Data Capture module ferGI:

- Mehrere Module – Erfassung– Airborne Laser Scanning– Mobile Datenerfassung mit einem PDA

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Documents

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