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基于GIS的南海环境管理信息系统的研究论文

基于GIS的南海环境管理信息系统的研究

目录

0前言

1概述

1.1GIS的基本概念及其应用

1.1.1GIS简介

1.1.2GIS发展技术阶段

1.1.3GIS在海洋环境管理信息系统中的应用

1.2国内外研究状况和发展趋势

1.2.1国外研究状况

1.2.2国内研究状况

1.2.3GIS在海洋领域未来的发展方向

2基于GIS的南海环境管理信息系统

2.1环境管理需求分析

2.1.1在南海海洋领域主要的系统集成需求

2.1.2祸合南海海洋环境模型需求

2.1.3南海海洋公开化环境信息共享需求

2.1.4南海海洋环境管理功能需求

2.2环境管理GIS总体设计

2.2.1系统的软、硬件环境

2.2.2环境管理地理信息系统的基本组成

2.2.3系统目标

2.2.4系统功能需求

2.2.5拟解决的技术难点

2.2.6系统结构设计

2.2.7环境管理系统开发的流程

2.2.8海洋环境管理信息系统的业务过程

2.2.9需要注意的一些问题

2.2.10主要技术问题的解决

3在海域管理信息系统课题中的设计应用实例

3.1总体思路和预期目标

3.1.1总体思路

3.1.2预期目标

3.2主要设计内容和实现方法

3.2.1开发平台的选择

3.2.2海域使用管理信息数据库的构建

3.2.3系统功能模块的设计

3.2.4界面设计

4结论和建议

随着计算机及其网络技术的发展,GIS的应用已遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划、军事战略、政府管理等众多领域。

近年来,随我国经济建设的迅速发展,加速了地理信息系统应用的进程,在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了革命性的重要作用,取得了良好的经济效益和社会效益。

在海洋环境科学上的应用前景同样是光明的,“数字海洋”将是一个可及的未来。

因此,利用成熟的GIS手段管理海洋环境信息,实现海洋环境管理的科学化、数字化,美好前景是可以预期的。

建立南海近岸海域环境海洋环境地理信息系统,对于该区域的海洋环境保护、海域使用管理、防灾减灾等的现代化建设是必不可少的,也是势在必行的。

.南海独特的地理环境地位

南海是我国最大的海域,水深、浪大,我国大部分的台风均在此登陆,自然灾害较为频繁。

同时,南海的沿海地区是我国经济比较发达,人口密集、工业化及城市化步伐比较快的区域,经济的发展必然带来的环境问题和“人为灾害”。

大量的工农业和生活污水向环境释放,最终向海洋排放,致使近岸海域水质不断恶化、赤潮发生频率上升,海洋成为我们发展经济的纳污对象和“代价”,环境的承受压力与日俱增,严重地威胁和制约着日益增长的海洋经济。

第二次全国海洋污染基线调查资料显示:

1998年我国沿海地区企业排入近岸海域工业废水39.8亿吨,其中广东约占21%,达8.35亿吨,为全国之最。

据2006年中国海洋环境质量公报,由工农业生产带来的污染物随珠江水入海总量达251.18万吨,其中重金属8,457吨,COD2,140,000吨,石油类70,900吨。

同时,与发达经济共存的繁忙的海洋运输业不但带来了严重的船舶污染问题,而且船舶的意外事故引起的海洋环境污染时常造成严重的经济损失。

2006年我国沿海石油运输达到4.31亿吨,其中运输原油1.87亿吨。

石油进口量的迅速增加,使港口和沿海油轮密度增加。

2006年航行于我国沿海水域的各类油轮达到162,949艘次,平均每天446艘次。

南海海域覆盖了我国1/3以上海岸线,是我国最重要的石油输送口岸之一,船舶溢油污染风险尤其需要引起重视。

1999年3月下旬,在珠江口发生海难,造成溢油事故,据报道,该事故对珠海水产养殖和渔业资源的直接经济损失达4,000万元,清污成本725万元。

对于如此严峻而复杂的污染情形和潜在的环境污染恶化的可能性,加强对南海近岸海域的海洋环境管理,利用现代的计算机手段和3S(GIS,GPS,RS)技术,建立科学、快速、准确的监测、监督管理系统就显得尤其必要了。

基于GIS的南海环境管理信息系统的研究

.提高管理效率,适应现代化社会需求

目前,我们的海洋环境管理和决策中,所依赖的技术手段还是相当有限的,面对大量(甚至是海量)的坏境信息却难以做到快速、准确、科学地做出管理决策。

近20年来,随着计算机技术的发展,各种环境资源的探测手段不断改进,卫星、航空遥感、自动站等所组成的立体探测网络,基于计算机系统的各种探测仪器,为我们收集了大量的环境资源数据。

然而,这些环境资源信息与空间的关系非常密切,是交叉、多维的,在处理空间的多重属性关系上,一般的表型关系数据库已不能满足我们要直观、快速了解环境现状的要求,这不但造成了信息资源的极大浪费,而且也使我们的海洋环境管理和决策工作远远地落后于社会需求。

南海的近岸地区的社会发展与经济建设突飞猛进,海洋经济更是一日千里,直观、快速、及时地展现南海近岸海域的海洋环境现状,不但是形势对管理手段的要求,而且也是海洋管理为周边地区经济建设保驾护航的必备条件,因此,建立珠江口及其邻近海域的海洋环境地理信息系统是很有必要的。

提供准确的实时资料和直观的预测结果,切实为防灾减灾服务

南海环境管理信息系统将主要利用大量现有的环境信息建立南海环境管理空间数据库、背景数据库和属性数据库(环境质量、环境统计、环境污染、环境标准等),结合现成的水动力数值模型,以及卫星、航空遥感和GPS等技术,生产更高层次的空间数据(如污染趋势、环境评价数模结果等),实现对海洋环境、地理、资源及功能区划等信息作科学管理和分析,以及对多种海洋环境要素(比如,潮流、热带气旋、海流、污染物扩散、溢油漂移等等)进行预测。

因此,不但可以通过该系统快速、直观和准确地了解该海域的实时的环境和资源的资料,而且还可以快速、直观地获得有关要素的预测结果,为污染事故、赤潮、风暴潮等灾害的处理提供科学的决策依据,从而达到防灾减灾的目的。

1概述

1.1GIS的基本概念及其应用

1.1.1GIS简介

地理信息系统(GeographicInformationSystem,简称GIS)是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术,是为了解决各种复杂的规划与管理问题而设计的用于支持对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示的计算机硬件、软件系统和处理过程,是一种管理和决策支持工具。

GIS的功能主要包括地理数据的输入、存储、处理和输出等几个方面。

地理数据的来源包括地图矢量化(手扶跟踪矢量化和扫描矢量化)、遥感数据、GPS等。

地理数据存储采用分层技术,将地理特征和属性数据根据需要分成若干层,在数据操作中只处理涉及的层以提高效率。

数据操作是指对数据的修改、增删及各种运算等,使用户可以从可知的地理数据中得出隐含的重要结论。

用户查询或数据分析的结果可以输入其他应用程序或数据库,在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出

地理信息系统技术的创立和发展与地理空间信息的表示、处理、分析和应用手段的不断发展紧密相连。

20世纪60年代初,计算机技术开始用于地图量算、分析和制作,计算机辅助制图由于具有快速、灵活、易于更新、质量可靠、便于存贮、量测、分类、合并和覆盖分析等优点而迅速发展起来。

到60年代中期,由于大量空间环境数据存贮、分析和显示技术方法的改进,及计算机技术在自然资源和环境数据处理中应用的迅速发展,使计算机辅助制图和空间数据分析在数据自动采集、数据分析和显示技术等几个相互联系的领域内得到极大的发展。

而这些分支领域都倾向于发展有效的手段,用以从现实世界中按特殊的应用目的采集、存贮、检索、分析、传输可显示的空间数据,最终导致了地理信息系统技术的产生。

地理信息系统是对空间数据的管理系统,它是以地理空间数据库为基础,在提供多种空间和动态的地理信息上,为数据的分析提供新的手段,主要有如下特占

(1)强大的空间数据管理系统。

现实世界经过模型处理后各种数据(包括空间数据和属性数据)输入到系统中,系统可有机地组织、管理并显示这些数据。

(2)形象直观的应用界面。

系统用电子地图和用户交互,使用者可依靠人类固有的对自然界的认识和逻辑操作数据。

(3)强大的空间分析能力。

数据是空间对象的一种属性,并可通过地理对象的相关性进行连接、分割、总计等操作,使空间问题的处理简单迅速。

GIS技术是环境管理领域广泛得到应用的信息技术。

在环境管理信息系统中,利用GIS的数据可视化优点,直观地表达环境管理要素,能够为环境管理与决策提供良好服务Internet/Intranet技术的迅猛发展,给GIS技术的普及和信息社会化共享提供了可能。

环境信息的科学化、系统化是实现环境管理科学化的前提和基础;开发利用环境信息的程度,直接影响环境保护部门的办事效率和决策能力。

环境管理信息系统是以GIS和现代数据库技术为核心,将环境信息存贮于电子计算机中,在计算机软硬件的支持下,能够实.现对环境信息的管理、查询、统计、优化处理和输出,或者能够结合各种模型和模式进行预测、规划、评价和决策,为环境管理和决策服务的技术过程系统[6-9]。

建立环境管理信息系统最主要的目的之一,是提高环境管理的效率,直接提供环境信息服务和辅助决策支持。

用于环境管理的信息大体来自污染源情况,环境质量,与环境质量相关的自然环境,政策法规和标准,以及社会、经济信息等。

环境管理信息系统负责将这些信息组织、整理、更新,同时利用各种数学方法或环境模型来分析信息与信息之间联系和区别,挖掘蕴藏在环境事件和现象中的内涵和规律,为环境管理和决策服务[10,川。

环境问题与地理因素紧密相关,通常带有很强的地理或地理分布特征。

地理信息系统是在过去30多年内发展起来的一个基于计算机系统的用于查询、输出、管理、分析、操作与表达地理信息的系统。

它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析,把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能同一般的数据库操作集成在一起,强调空间实体及其关系,注重空间分析与模拟。

海洋地理信息系统(MGIS)是GIS在海洋领域中的应用,在计算机软硬件平台支持下,将一定海域内的信息输入、存储、检索、运算、显示、更新和综合分析的应用技术系统。

其强大的空间分析能力使其有别于电子海图及海洋数据库,它以海洋地理信息为基础,能够对海洋资源进行管理与分析,在水产养殖、生态平衡、海域管理、灾情预报、污染治理等方面发挥重大作用。

近年来,海洋经济、海洋政治、海洋科学等新问题的出现,促使政府、管理部门及学术界尽快地、系统地掌握海洋信息,在客观上促进了MGIS的发展。

由于海洋地理信息的上述特点,MGIS亦有其特殊性

(1)对全球定位系统(GPS)的依赖性更强,以便更精确地定位;

(2)与遥感(RS)配合更加紧密,通过RS全天候、大范围、长周期的观测,及时更新系统数据,了解海洋动态变化;

(3)是一种时序的信息系统,具有很强的动态模拟功能,通过观测海水的动态变化,来反映信息的时空变化。

伴随计算机以及GIS技术的不断发展和完善,刺激着地理信息系统在海洋环境领域中的广泛应用,包括海洋环境管理、环境影响评价、面源污染分析、污染监测、环境制图等[l4,ls]o1995年,世界银行B-1项目(即建立中国27个省、自治区级环境信息系统)选用Are/Info作为GIS的开发平台,促使了GIS在,我国海洋环境领域中的应用和发展。

在此后建立的海洋环境信息系统或管理系统中,或多或少都涉及到了GIS。

这些实践和经验为GIS引进到海洋环境信息系统中进行了有益的探索

21世纪是一个信息的时代,互联网己经渗透到各行各业,信息高速公路上奔跑着越来越多的信息。

随着Internet技术的不断发展和人们对地理信息系统(GIS)的需求,利用Internet在Web上发布和出版空间数据,为用户提供空间

数据浏览、查询和分析的功能,已经成为GIS发展的一个新趋势。

而传统单机模式的GIS系统已很难满足信息时代多用户的需要,于是基于Internet技术的地理信息系统—WebGIS就开始起步了。

WebGIS是互联网与地理信息系统的结合,它使用户不必买昂贵的GIS软件,而直接通过Web获取GIS数据和使用GIS功能,满足不同层次用户对GIS数据的使用要求。

WebGIS具有以下优点:

(1)全球化的客户/服务器网络系统。

WebGIS应用客户/服务器概念来执行GIS任务,它把任务分为服务器端和客户端两部分,客户可以从服务器请求数据、分析工具和模块,服务器或者执行客户的请求并把结果通过网络送回给客户,或者把数据和分析工具发送给客户供客户端使用。

(2)真正的信息共享WebGIS通过通用的浏览器进行信息发布,使得不仅是专业人员,而且普通用户也能方便地获取所需信息。

此外,Web服务正在渗入千家万户,在全球范围内任意一个WWW站点的Internet用户都可以获得WebGIS服务器提供的服务,真正实现了GIS的大众化和高度共享。

(3)跨平台支持WebGIS可以访问不同的平台,而不必关心用户运行的操作系统。

只要能访问Internet,用户就可以访问和使用WebGIS

(4)分布式系统WebGIS利用Internet分布式特点把GIS数据和分析工具部署在网络不同的计算机上,用户不需要在自己的本地计算机上安装GIS数据和应用程序,只要把请求发送到服务器,服务器就会把数据和分析工具传送给用户。

1.1.2GIS发展技术阶段

按GIS技术的应用不同程度,分为以下几个阶段:

(1)初级阶段。

实验室GIS研究开发阶段,以工程项目研究为主要特征,包括初期的GIS软件开发及相关的GIS应用方法研究,在这个阶段以完成的GIS软件的算法研究、软件开发实践和大量的GIS应用教学为主。

这个阶段的中心是用GIS技术完成特殊的GIS应用工程项目。

(2)中级阶段。

企业级的GIS应用阶段,以企业空间信息管理为目标,包括通用的国产化GIS软件的生产,即从系统软件的角度出发,对GIS软件进行了深入的开发,从而形成GIS软件产业。

我们目前正处于这个阶段。

本阶段的中心是信息共享,以达到地理信息为管理科学化服务,因此它强调的是信息的应用广度和使用效率。

(3)高级阶段。

GIS作为社会信息的载体,以大众需求的信息为服务对象,其中心是社会性信息服务,即InternetGIS或者WebGIS,此时GIS作为一种工具而被广泛的应用,GIS数据也作为一种普遍被人熟悉使用的信息而在社会管理中发挥其较大的作用。

那么,中国GIS如何发展以及其产业形成的切入点在哪里?

中国GIS的发展,正处于第二、第三阶段之间,要将GIS真正形成产业,被社会企业界接受而达到广泛应用,专家提出了目前急需开展的工作是GIS的数据标准,它是实现各行业GIS信息共享的基础。

李德仁教授指出,目前GIS市场中进口GIS软件占主导地位,要改变状况,一方面要加强国产化软件开发;另一方面,要树立以空间数据为核心的观念,要形成产业,要制定GIS标准。

GIS专家指出了目前GIS发展方向应该是以数据为中心,这也标志着GIS应用己进入企业级的应用阶段,即不是一个演示系统,而是一个实用化的业务运行系统。

1.1.3GIS在海洋环境管理信息系统中的应用

对比我国海洋GIS实践,其应用水平处于第一阶段与第二阶段之间,相对比较落后。

由于海洋信息的动态变化和特殊的三维信息的要求,因此就海洋信息处理而言,它需要更为强大的GIS技术支持。

主要表现在传统的二维GIS软件,一般只应用在海洋资源规划与管理方面,而在海洋信息的处理方面,由于需要三维、四维的数据格式来支持,如海洋水动力环境分析等,以实现对空间数据的有效管理和分析,通用的GIS软件有点显得力不从心,需要不断开发应用。

(1)海洋环境、水文、地质、矿藏、灾害预测

GIS在环境保护,水文、地质分析,矿山管理和灾害预测和分析方面有广泛的应用,主要有以下方面:

环境的规划、评估、监测研究;水体、大气质量污染检测与扩散评估;危险物扩散的紧急反应;生态区域分析;地下水保护;水源保护;水质分析;表达复杂的三维地质构造形态;岩石内部结构;矿山的三维表示和地理信息管理;地质灾害管理:

(地震、滑坡、塌陷等):

防汛防旱。

(2)海洋资料的科学管理及其共享

海洋资料是海洋调查、观测的初步成果,它反映了海洋要素的空间分布和时间变化,是海洋规划、开发利用、环境保护与预报和科学管理的依据。

获取海洋数据的常规手段是船舶、海洋站、海上浮标。

新的手段与方法,包括空中观测技术与水下观测技术,结合常规方法构成了海洋调查与监测的立体观测网。

潜标系统的改进、海洋调查船装备的现代化、卫片与航片分辨率的提高,即海洋立体观测网的完善,给海洋学家们提供了高精度的大范围的实时数据。

这些资料数据量大,其处理、编目存档等要花费大量的人力物力,这给海洋资料的科学管理提出了更高的要求。

另外,目前资料分散、重复的现象比较严重,造成巨大浪费,海洋地理信息系统的建立则可以解决此问题[[2010

(3)海域管理及海岸带区域研究

对占用海域的单位和个人,按使用功能的不同进行分类,如工业、农业、交通、旅游、矿产等信息资源,输入地理信息系统,合理安排,使海洋开发处于最佳状态。

同时,海岸带是人类与海洋联系最紧密的地区,这一地带包括多种多样的物种、生产资源及复杂而特殊的生态系统,因此,维护海岸带生态平衡,保护海岸带资源成为海洋研究不可缺少的部分

(4)海洋环境影响预测和综合评价

采集海洋水文、气象等信息,动态监测海洋变化,预报灾害天气,减少海洋开发活动中的损失。

采集河口、海上重要污染源分布信息,利用海洋环境功能区划成果和常规、应急监测数据,建立动态模型,实时监视海洋环境。

GIS具有极强的管理空间数据的能力,并利用空间数据进行空间分析,而环境影响综合评价的原始数据、预测数据和评价结果与地理区域的空间位置联系密切。

这样。

在进行环境影响综合评价时,应用GIS进行综合分析和评价,可以将评价的基础数据和预测数据与空间数据相结合,得出不同方法所获得的分析和评价结果,并以数据库、图形、图表的方式保存,便于以后的分析与应用。

此外,编制应用软件将GIS与各种综合评价方法进行集成,设计环境影响综合评价应用软件,可以有目的地对各种评价结果进行空间分析,提高环境影响综合评价的处理速度和空间表现力,并按照不同的要求及时提供预测分析结果,在评价区域地图上对结果加以显示或打印输出。

(5)海洋渔业

对各种渔业资源的种类、数量、分布,渔业水域的划分,养殖区的分布,渔船的数量、型号、分布等因子,进行数据采集、处理、存储、分析,可以全面地、直观地掌握渔业资源的管理现状,提高工作效率。

水产养殖点选取对于水产养殖的成功与否至关重要,选取不当会带来许多严重问题,比如疾病,污染等。

因此在养殖前,需要用可靠的数据和方法去分析水生环境,并对其进行科学的评估。

同时,研究鱼类的分布对于建立鱼类种群的迁移模型和管理海洋渔业资源非常重要。

GIS可用于检测环境分布模式及其变化,可用于标识不同的地理种群并描述其主要分布,可用于提高采样方案的科学性,选择最佳捕捞地,划定海洋保护区等。

(6)海洋环境信息的深度开发

GIS技术的引进可应用于海洋环境信息的深度开发。

在EMIS基础数据的处理中,基础数据的精度、格式和组织方式要满足GIS+DBMS的信息库构造以及GIS的环境模型的要求,规范了数据的管理并使其适宜于深加工。

随着技术的发展,GIS正向着三维的“科学直观化”发展,进而引进第四维—时间,从而可以产生四维的动画来显示、模拟复杂的环境过程。

通过构造和改造环境模型,使之与GIS紧密结合并应用于EMIS,真正做到把环境信息与环境管理紧密联系起来,加强了环境信息的开发深度。

从而使EMIS功能产生质的飞跃,从偏重于信息管理到决策支W231.

1.2国内外研究状况和发展趋势

1.2.1国外研究状况

1963年,加拿大测绘家R.T.Tomlinson博士首先提出了地理信息系统这一术语,并且建立了世界上第一个GIS一加拿大地理信息系统(CGIS),该系统建立的主要目的就是利用计算机进行森林分类和统计20世纪70年代以后,由于计算机硬件、各种显示器和图形卡的发展增强了人机对话和高质量的图形显示功能,促进GIS朝实用方向发展。

一些发达国家先后建立了专业性的土地信息系统和地理信息系统。

20世纪80年代是GIS普及和推广应用的阶段,美国及其它发达国家,已将该技术应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。

利用GIs技术对环境进行管理是当前国际上一个重要趋势

地理信息系统的存在与研究发展已历经了30多年,综观其研究发展,尤其是北美地区的实际情况,可将其分为以下几个阶段(表1-1):

地理信息系统在海岸带和海洋开发方面的应用到80年代中期才受到重视。

最初只是建立有关数据库,以便辅助海图的编制,如加拿大建成了由基准数据库、原始数据库、订正数据库、测量原图数据库和制图数据库组成的海洋测绘数据库系统;德国在计算机辅助资源信息系统(CARIS)基础上,建成由图形数据库和属性数据组成的海图数据库[[28-311;瑞典建立的海图数据库包括点要素数据库、水深图数据库和海岸数据库。

这些数据库的功能主要是显示、应用数据库中某一部分数据,对海岸带和海洋开发来说,只能提供部分基础数据。

近来,地理信息系统在海洋资源管理与环境评价方面的应用取得了一定进展。

一些应用软件已用于岸线长度与海域面积的量算、海洋环境污染的监测与评价,结合遥感信息的处理自动绘制海面等温线图、海冰分布图、海洋水色图,以及辅助海洋渔业资源的管理与决策等。

法国地理院曾利用地理信息系统技术,叠置分析现有的同一海域各单要素专题图(不同比例尺),提取并合成综合性海图。

美国和加拿大为解决Fundy湾、Maine湾和George滩(简称FMG)地区的海岸与海洋资源的协调管理问题,由地方政府机构和科研单位协作开发了一套区域地理信息系统,辅助政府及实业部门决策者进行区域规划和战略评估;美国太平洋海底环境实验室的海洋信息系统能够对海啸、厄尔尼诺等现象提供三维动态显示。

美国国家海洋大气局(NOAA)的海岸研究中心建立了“海洋规划与管理地理信息系统”和“地理规则信息系统(GeoRegulationGIS)",使开发人员能够在国家领海及国际海洋法允许的范围内选择开发空间,充分利用海洋资源,同时使该系统能够帮助解决海事争端。

美国蒙特里湾生物研究协会(MBARI)建立了基于Arc/INFO平台的“蒙特里湾海洋地理信息系统”,该系统拥有航线数据、ROV数据、NOAA数据、海洋生物、海洋物理、海洋化学和部分试验室采样数据,具有输入、输出、图形显示和分析功能。

美国在加利福尼亚湾地区也进行了海岸带地理信息系统的研究,取得了满意成果。

加拿大开发了FMG地区的信息管理与制图系统,用于这一地区的资源与环境管理。

此外,巴西、澳大利亚、日本等国在地理信息系统用于海岸与海洋开发管理方面也进行了大量试验研究工作。

这些研究基本上是小规模或专题性应用,服务于大规模综合性的海岸与海洋开发管理的地理信息系统研究得比较少。

GIS祸合环境模型就是将环境模型有机地结合到GIS系统中,补充GIS在直接解决复杂的环境问题、模拟复杂的、动态的环境变化过程中遇到的难题。

即现有的GIS软件缺乏解决复杂预测问题的能力和其它相关的分析能力,需要祸合其他具体的环境模型进行完善。

国外在这方面有不少成功的例子,但早期的结合还很不够,大部分仅仅将GIS作为环境模型的数据输入或输出结果的工具,即仅停留在两者结合的第一阶段水平。

国内也开始重视这方面的工作,但就深度而言,还远远不够。

制约二者结合的关键在于GIS相对有限的分析空间数据的功能,以及环境模型分析方法与GIS内嵌功能的通用性之间存在的矛盾从20世纪90年代中期开始,人们在GIS研究过程中逐渐重视在GIS框架内建

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