三维GIS应用软件研究.docx
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三维GIS应用软件研究
三维GIS应用软件发展现状
1三维GIS概述
1.1三维GIS的定义、特点及功能
1.1.1三维GIS的定义
从不同的角度出发,GIS有三种定义:
①基于工具箱的定义,认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合;②数据库定义,认为GIS是一个数据库系统,在数据库里的大多数数据能被索引和操作,以回答各种各样的问题;③基于组织机构的定义,认为GIS是一个功能集合,能够存贮、检索、操作和显示地理数据,是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构,提供解决环境问题的各种决策支持。
基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作,基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异,而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用,而不是他们需要的工具的作用。
三维GIS是模拟、表示、管理、分析客观世界中的三维空间实体及其相关信息的计算机系统,能为管理和决策提供更加直接和真实的目标和研究对象。
三维GIS及相关技术已经成为目前国内外GIS领域内的热点研究课题,它是二维GIS技术的延伸和扩展。
1.1.2 三维GIS的特点
在三维GIS中,空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义,它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。
在目前二维GIS中已存在的0,1,2维空间要素必须进行三维扩展,在几何表示中增加三维信息,同时增加三维要素来表示体目标。
空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS,其复杂程度更高。
二维GIS对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分,三维GIS对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分。
三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多,以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。
总起来说,与二维GIS相比,三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受,它以立体造型技术给用户展现地理空间现象,不仅能够表达空间对象间的平面关系,而且能描述和表达它们之间的垂向关系;另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。
而与CAD及各种科学计算可视化软件相比,它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。
三维空间数据库是三维GIS的核心,三维空间分析则是其独有的能力。
与功能增强相对应的是,三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。
1.1.3 三维GIS的功能
三维GIS除了具备二维GIS的传统功能以外,还应该具有如下独有的功能:
1.包容一维、二维对象
三维GIS不仅要表达三维对象,而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。
三维空间中的一维、二维对象与传统GIS的二维空间中的一维、二维对象在表达上是不一样的。
传统的二维GIS将一维、二维对象垂直投影到二维平面上,存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。
而三维GIS将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑,存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系,这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。
二维GIS也能通过附加属性信息等方式体现这种变化,但存储、管理的效率就显得较低,输出的结果也不直观。
2.可视化2.5维、三维对象
三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。
在建立和维护三维GIS的各个阶段中,不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理,还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果,只要涉及到三维对象,就存在三维可视化问题。
三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的,这是三维GIS的一项基本功能。
3.三维空间DBMS管理
三维GIS的核心是三维空间数据库。
三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化,也不同于传统的二维GIS。
它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。
4.三维空间分析
在二维GIS中,空间分析是GIS区别于三维CAD与科学计算可视化的特有功能,在三维GIS中也同样如此。
空间分析三维化,也就是在直接在三维空间中进行空间操作与分析,连同上文述及的对空间对象进行三维表达与管理,使得三维GIS明显不同于二维GIS,同时在功能上也更加强大。
5.应能及时受益于现代数据获取方法的进展和大数据量处理技术的发展
目前,由于科技水平的限制,人类获取地学三维数据的能力的弱小是阻碍三维GIS迅速发展的一个重要原因。
一旦三维地学数据变得象遥感数据获取那样及时、广泛与普及,三维GIS将会有更迅猛的发展。
因此现时的三维GIS设计与开发应充分考虑未来三维地学数据获取能力的提高,以便及时受益于现代数据获取方法的进步。
另外,三维GIS要处理的数据量往往很大,计算机软硬件技术的飞速发展无疑能提高三维GIS的性能,这一点也是三维GIS设计必须要考虑的。
总起来说,三维GIS应该留有易于扩展的接口,具有及时吸收外部先进技术的功能。
1.2三维GIS发展面临的有利因素与困难
1.2.1三维GIS当前面临的有利因素
三维GIS 现在正面临着有利的发展时机,这表现在如下几个方面:
(1)在二维 GIS领域已经具备比较成熟的理论和技术,例如在数据获取、处理、管理、输出,数据模型与数据结构等方面有很多较为成熟的理论和方法。
在实践上已有几十年的发展经验,被广泛应用于各个部门和领域。
这是众所周知的。
二维GIS方面的很多理论、技术和经验都能为三维GIS借鉴。
(2)三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用。
三维GIS与二维GIS的一个重要不同之处在于它有一个三维对象的视觉表现问题,这也是它的一个基本要求,现在成熟的科学计算可视化技术已经为这一要求打下了较为坚实的理论技术基础。
三维GIS工作者要做的是对各种地学对象的本质特征进行分析,找出它们与其它领域对象的不同点,进行合适的概念建模和几何建模,利用相应的三维可视化技术对之进行视觉表现。
(3)在数据存储工具方面,关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用,为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经研制出来并已商业化,目前还在进一步完善。
例如,现在的流行关系数据库系统基本上都支持空间数据的存储,支持变长记录,因此它们也都是扩展的关系数据库系统。
1.2.2 三维GIS当前面临的困难
上述已有的研究成果只是三维GIS领域的一部分,由于三维GIS涉及的专业领域很广,随着应用的深入,它还有很多问题需要解决。
三维地学模拟面临的问题:
复杂的空间关系;不容易找到象医学领域那样易于“解剖”的地学对象;稀疏的、随机的不充足的采样数据;来自于遥感的预示性或模糊性数据的比例尺太小;充足采样数据的获得需要昂贵的代价;岩石块内岩性变化较大;时间和地质过程的动态本质。
因此,当前三维GIS发展需要解决如下关键问题:
(1)三维数据实时廉价获取
地学三维表达与分析和医学可视化有很多相似的地方,但医学可视化在实际应用中比较成功,而地学可视化却显得困难。
其中一个重要的原因是地学三维数据采样率很低,难以准确地表达地学对象的真实状况。
另一个原因是医学领域的研究者对他们研究中期望看见的对象一般都有较为准确的印象模式,而地学领域的研究者因为地学对象的复杂变化性不能准确地确定研究对象的各种属性。
正因为地学对象在自然界的纷繁复杂,使得此一地的经验模型不能移植到另一地的地学研究对象中,因此三维数据实时获取在地学领域显得尤为重要。
(2)大数据量的存储与快速处理
在三维GIS中,无论是基于矢量结构还是基于栅格结构,对于不规则地学对象的精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。
除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外,还应该研究软件方面的算法以提高效率,例如针对不同条件的各种高效数据模型设计、并行处理算法、小波压缩算法及在压缩状态下的直接处理分析等。
(3)完整的三维空间数据模型与数据结构
三维空间数据库是三维GIS的核心,它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等GIS的各个环节,它的好坏直接影响着整个GIS的性能。
而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象,是建立三维空间数据库的理论基础。
三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现,是客观对象在计算机中的底层表达,是对客观对象进行可视表现的基础。
虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发(如前所述),但还没有形成能为大多数人所接受的统一理论与模式,有待于进一步研究与完善。
(4)三维空间分析方法的开发
空间分析能力在二维GIS中就比较薄弱,目前大多数的GIS都不能做到决策层次上来,只能作为一个大的空间数据库,满足简单的编辑、管理、查询和显示要求,不能为决策者直接提供决策方案。
其中很大一个原因就是在现有的GIS中,空间分析的种类及数量都很少。
在三维GIS中,同样面临着这个问题[1]。
因此,研究开发GIS的基本空间分析及将各领域的专家知识入嵌入GIS中,是三维GIS发展的一个重要方面。
1.3当前三维GIS研发的几个注意点
从前面关于三维GIS的发展、定义、特点、功能、面临的机遇与困难,结合当今GIS建设的情况,我们得到当前三维GIS研发应该注意的几个方面。
(1)目前应以开发二维为主、三维为辅的混合型GIS为主要目标,不宜单纯开发三维GIS。
原因有二:
1)需求上的决定。
在当前GIS产业界,二维GIS已经能够满足大部分实际需求,对三维GIS的需求仍然只占少部分。
2)技术上的限制。
正如前文所阐述的,当前在三维数据获取、大数据量处理与存储、三维可视化、三维空间分析方面还不能以较好的性价比满足大规模商业应用的需要。
如果完全采用三维GIS,势必将花费高昂的系统建设费用,在二维GIS能够满足需要的情况下,用户没有必要去一味追求高性能。
当然,这里并不排除部分单位研制完全的三维GIS以满足一些行业的特定需要,如军事、采矿、石油勘探、地质结构研究等工作。
在具体实现时,建议在一般情况下进行二维显示与分析,当有特殊需要时可以调出三维结构作相应处理。
(2) 在数据结构上要以边界表达法(BR)为主。
不要认为三维GIS一定要进行三维空间分析,事实上虽然三维空间分析是三维GIS的特色,但实际需求仍然以三维可视化和数据管理为主,因此在三维GIS系统中要以矢量结构为主体数据结构,而在需要时转换为栅格结构。
当然,这与研究基于3D栅格框架的三维集成数据结构并不矛盾,相反,集成数据结构反而为矢量栅格的快速转换提供了便捷的通道。
(3) 对于需要进行三维空间分析的地方,需要专门研究支持快速分析的数据结构与空间分析算法,如集成矢量与栅格特征的四层矢量化八叉树结构、基于该数据结构的空间数据模型与空间分析等。
(4) 城市三维现在已成为当前三维GIS中研究与开发的一个重要方面。
信息化目前正成为社会发展的主流,城市作为信息存在与传播的主体,理所当然地也成为三维GIS表达的一个重要对象。
国内外已有人作出了较好的探索,但在实际系统的开发与应用上还需要加大力度。
2三维GIS技术综述
2.1三维GIS的数据获取技术
三维GIS技术最重要的进展之一就是三维数据获取技术的进步,特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高(Batty,etal,2000;StoterandZlatanova,2003)。
大量的研究致力于地物(尤其是人工地物)的三维自动重建,而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。
如Tao(2004)将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类:
基于地图的方法,利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型;
基于图象的方法,利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型,该方法相对比较费时和昂贵,自动化程度还不高;
基于点群的方法,利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。
三维重建的数据源还可以分为远距离获取的数据(卫星影像、航空影像、空载激光扫描等)、近距离获取的数据(近景摄影、近距激光扫描、人工测量)和GIS/CAD导出数据三种(BrennerandHaala,2001;Shiode,2001)。
不同的数据源对应着不同的三维模型细节和应用范畴。
比如,基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范围三维模型数据获取、车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和近距离激光扫描方法则适用于复杂地物精细建模等等。
其中,基于影像和机载激光扫描系统的三维模型获取方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与建筑物的几何模型和纹理细节,虽然现有技术在很大程度上还依赖人工辅助,但这无疑是最有潜力的三维模型数据自动获取技术之一。
基于已有二维GIS数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高的优点,在某些需要快速建立三维模型的领域也有着广泛的应用,这也是现有大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式。
基于CAD的人机交互式建模方法将继续被用于一些复杂人工目标的全三维逼真重建。
另外,基于图象的建模和绘制(Imagebasedmodeling&rendering:
IBMR)作为一种新的视觉建模方法,在不需要复杂几何模型的前提下也能够获得具有高度真实感的场景表达,能够较好的解决三维建模过程中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间的矛盾,大大简化了复杂的数据处理工作。
因此也被越来越多地用于各种虚拟环境的建立,特别是基于图形和图象的两种建模技术被综合用于高度真实感的三维景观模型的创建。
上述技术主要应用于重建目标的三维表面模型,而有关地球科学领域的真三维重建技术在吴立新教授的“真三维地学模拟的若干问题”一文中有详细介绍。
随着三维GIS的深入发展和广泛应用,人们越来越关注三维模型数据的准确性、逼真性和有用性。
在追求三维模型逼真和准确的同时,也带来了数据生产的高投入。
与二维空间数据相比,三维空间数据不是简单的一一对应或者扩展,三维空间数据库的建设至今仍然是一项复杂而昂贵的综合性工程。
大型三维GIS系统建设的生产效率、质量控制、数据安全和有效存储与管理等问题日益突出,并直接关系到系统建设与应用的成败。
决定空间数据具体生产方案的三个要素分别是精度、成本和效率,最终系统的有用性和提供的空间分析能力又取决于模型的逼真程度以及所选择的数据源和建模方法。
因此,三维GIS缺乏有关数据内容、细节程度、定位精度和生产工艺等的技术标准已经成为制约其推广应用的关键问题之一。
2.2三维GIS的数据管理技术
从二维GIS转换到成熟的三维GIS时,数据管理成为热点问题之一。
逼真的三维表示不仅具有多种细节层次的几何表达,还提供具有相片质感的表面描述如逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息(GruberandWilmersdorf,1997)。
因此有关纹理与材质参数等也是数据库的重要内容。
大量栅格数据与矢量数据的集成应用导致数据量急剧增加,“海量”一词则是对此最形象的描述,这里的“海量”是指远远超出计算机核心内存容量的数据量。
针对三维可视化交互的实时性要求,对海量数据的有效管理与调度已经成为三维GIS的关键技术之一。
与传统的二维GIS相比较,三维GIS对数据组织与管理又提出了许多新的更高的要求,如:
不同类型数据的一体化管理;多尺度模型(LOD)的集成应用。
从数据库到三维虚拟显示的快速转换,如必须只在当前的视线范围内选择物体(金字塔或是圆锥内)和动态装载等,都要求新的数据模型和有效的空间索引机制。
传统基于文件与关系数据库混合的GIS数据库管理方式由于在数据安全性、多用户操作、网络共享及数据动态更新等方面已不能满足日益增长的需要。
现有的对象关系型数据库管理系统(ORDBMS)虽然还不直接支持三维空间对象,但其在保留关系数据库优点的同时,也采纳了面向对象数据库设计的某些原理,具有将结构性的数据组织成某种特定数据类型的机制,这使得它不仅能够处理3D数据的复杂关系,也能将在逻辑上需要以整体对待的数据组织成一个对象,这为三维GIS的海量数据管理提供了一条切实可行的途径。
要满足三维GIS在线的各种实时应用(包括地理协同操作)需要,一方面要对多种类型多种尺度的三维数据进行精心的组织,以提供高效的数据检索机制;同时,还需要优化设计现有的各种数据库管理系统,以提供快速的数据动态存取服务。
2.3三维GIS的数据可视化技术
视觉是理解空间最有用的感觉,因此三维GIS在很大程度上也依赖视觉表现提供更为丰富逼真(具有相片质感)的信息,各种用户结合自己相关的经验与理解就可以做出准确而快速的空间决策。
特别的,三维可视化能使人们只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化,比如剖析地下结构、反演不会重现的历史过程、推演未来发展、仿真复杂的时空现象(台风演进、洪水淹没、大气污染、核电站泄漏事故影响、噪声传播、温度和风场变化)等,由此能获得各种超越现实的空间感知经验。
目前,大多数三维GIS的三维能力甚至被认为主要体现在三维可视化功能上,并且是区别于二维GIS最重要的特征之一。
突出三维可视化功能的三维GIS在许多场合因此又被称为“虚拟现实GIS”、“三维可视化GIS”等等(Haklay,2002;张生德和王磊,2001)。
三维可视化越来越多地成为GIS(不仅是三维GIS)的终端表现形式,并且被认为是不同背景的用户进行空间信息交流和视觉分析与空间认知的有效媒介。
游雄教授与万刚博士的“战场可视化与数字地图”一文则详细介绍了三维GIS在军事领域的应用——战场环境仿真。
与传统二维GIS固定的视角或视点观察效果明显不同,当用户把视点放在三维空间(特别是透视投影空间)里时,不经意的旋转缩放和平移操作往往容易导致方位的迷失感,使得迅速定位产生困难。
为了既能享受常规二维GIS地图表示优越的方位感,又能得到三维逼真显示的真实感和沉浸感,多视点的多模态可视化视图表示成为三维GIS最典型的界面特点。
三维GIS基于数据库能提供多种形式的交互式三维动态可视化功能,比如,较宏观的飞越漫游能迅速把握整个空间分布包括地形特征和地物布局,较微观的穿行漫游则能准确分辨地形的微小变化和地物的明显特征,而且在运动中能及时更新可见的内容并根据距离远近以不同的细节或尺度进行表现。
在计算机交互式图形处理中,实时动画往往要求每秒25-30帧的图形刷新频率,也就是说所有的建模、光照和绘制等处理任务必须在大约17微妙的时间内完成。
所有这些对数据调度机制和图形绘制策略都提出了新的更高的要求。
数据动态装载、图形渐进描绘、多重细节层次(LOD:
LevelsofDetail)和虚拟现实表现等因此成为三维GIS可视化的典型技术特征。
网络技术、分布式计算技术和三维可视化技术的飞速发展,为分布式三维GIS技术的实现提供了契机。
特别是随着各种小型化、便携式的移动计算与显示设备和无线技术的广泛使用,三维GIS的分布呈现出多样化的特点,并正为人们提供日益广泛的增强现实服务。
现有分布式三维GIS主要体现在网上三维可视化方面,并且绝大多数都是基于VRML实现的。
而采用Java3D和插件等技术由于支持服务器端的数据库管理与存取,因此在浏览器端可以实现在线空间查询和分析等操作。
三维GIS海量数据的交互式真实感可视化对计算机软硬件环境也提出了特殊的要求,而且一些先进的图形卡和工作站已经为此目的问世。
除了一般的半沉浸式透视显示方式以外,沉浸式真三维立体可视化平台也越来越多地被用于三维GIS系统中。
但随着三维空间信息的普遍可得,越来越多的需求将是利用中低档的桌面系统达到同样的目的。
因此,大多数研究还是主要针对普通个人计算机处理海量的三维GIS数据,而非SGI这样大型的专用图形工作站高端系统,毕竟此类系统还非常昂贵、难于推广普及。
特别值得关注的是中国四维测绘技术北京公司为此专门研制了系列大场景沉浸式真三维可视化硬件平台,为三维GIS应用提供了双计算机双投影仪、单工作站双投影仪、单工作站四投影仪等不同的配置方案。
2.4三维GIS的数据分析技术
随着对地观测和计算机技术的发展,空间信息及其处理能力已得到极大的丰富和加强,人们渴望利用这些空间信息来认识和把握地球和社会的空间运动规律,进行虚拟、科学预测和调控。
三维GIS在提供三维视觉认知的同时,还提供更深刻的解析的空间分析功能,而缺乏新的三维空间分析方法与功能正是制约三维GIS更广泛深入的专业化应用的主要瓶颈之一。
根据空间分析所处理的对象进行划分,空间分析方法主要有基于图形的方法与基于数据的方法两类。
基于图形的空间分析方法如常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析与空间联结等能直接从2D扩展至2.5D乃至3D。
由于三维数据本身可以降维到二维,因此三维GIS自然能包容二维GIS的空间分析功能。
三维GIS最有特色的也许是其基于三维数据的复杂分析能力,如计算空间距离、表面积、体积、通视性与可视域等。
结合物理化学模型提供一些更具增值价值的真三维空间分析功能,如水文分析、可视性分析、日照分析与视觉景观分析等已成为三维GIS分析研究的重要内容之一,并正积极朝结合属性数据和其他专题数据开发知识发现的新方法、“面向解决与空间有关的问题”提供定量与定性结合的空间决策支持方向发展。
3GIS的应用领域
GIS在最近的30多年内取得了惊人的发展,广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。
以下地理信息系统的应用领域分别回答了在各自领域内的作用
(1)资源管理
主要应用于农业和林业领域,解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场)分布、分级、统计、制图等问题。
主要回答“定位”和“模式”两类问题。
(2)资源配置
在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。
GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。
(3)城市规划和管理
空间规划是GIS的一个重要应用领域,城市规划和管理是其中的主要内容。
例如,在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。
(4)土地信息系统和地籍管理
土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容,借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。
(5)生态、环境管理与模拟
区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。
(6)应急响应
解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时,如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。
(7)地学研究与应用
地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。
(8)商业与市场
商业设施的建立充分考虑其市场潜力。
例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数,建成之后就可能无法达到预期的市场和服务面。
有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。
地理信息系统的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。
房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进行决策和分析。
(9)基础设施管理
城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。
它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成,而且可以大大提高工作效率。
(10)选址分析
根据区域地理环境的
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