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    工程投影面智能化優(yōu)選軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2016-08-10 08:02:07潘國(guó)兵李靈愛(ài)李華蓉梅君濤3
    測(cè)繪通報(bào) 2016年7期
    關(guān)鍵詞:投影面橫坐標(biāo)測(cè)區(qū)

    潘國(guó)兵,李靈愛(ài),李華蓉,梅君濤3,王 萌

    (1.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,重慶400074;2.公路地質(zhì)災(zāi)變預(yù)警空間信息技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410114;3.四川省廣元市青川縣竹園鎮(zhèn)人民政府黨政辦,四川廣元628100)

    工程投影面智能化優(yōu)選軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    潘國(guó)兵1,2,李靈愛(ài)1,李華蓉1,梅君濤3,王萌1

    (1.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,重慶400074;2.公路地質(zhì)
    災(zāi)變預(yù)警空間信息技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410114;3.四川省廣元市青川縣竹園鎮(zhèn)人民政府黨政辦,四川廣元628100)

    工程建設(shè)中,投影面和投影帶選取的優(yōu)劣與工程測(cè)量控制網(wǎng)及施工放樣精度有著密切關(guān)系。本文結(jié)合Visual Basic編程語(yǔ)言、投影變形約束參數(shù)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā),根據(jù)地形、地勢(shì)條件復(fù)雜程度不同,通過(guò)坐標(biāo)微動(dòng)調(diào)整投影高程與中央子午線(xiàn)偏離距離、逐點(diǎn)投影、分段投影等方法來(lái)確定最優(yōu)抵償投影面,從而對(duì)工程投影面投影誤差進(jìn)行改正。工程實(shí)踐應(yīng)用表明,軟件計(jì)算成果滿(mǎn)足工程投影精度要求,具備較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

    高斯投影;抵償投影面;程序設(shè)計(jì);工程實(shí)踐

    眾所周知,工測(cè)控制網(wǎng)不僅應(yīng)作為大比例尺地形圖的控制基礎(chǔ),還應(yīng)作為各種施工放樣測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)的依據(jù)。為了便于施工放樣,要求由坐標(biāo)反算得到的邊長(zhǎng)與實(shí)地量測(cè)的邊長(zhǎng)在長(zhǎng)度上應(yīng)相等,即要求由“實(shí)量邊長(zhǎng)歸算至參考橢球面上的變形”和“橢球面上的邊長(zhǎng)歸算至高斯投影面上的變形”兩項(xiàng)變形之和不得大于放樣的精度要求[1](高速公路道路每千米的長(zhǎng)度變形不應(yīng)大于2.5 cm[2])。而有數(shù)據(jù)表明,當(dāng)測(cè)區(qū)平均高程在100 m以下,且橫坐標(biāo)值不大于40 km時(shí),每千米投影變形均不大于2.5 cm,可以滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖和工程放樣的精度要求。當(dāng)測(cè)區(qū)高程超過(guò)160 m以上時(shí),僅“實(shí)量邊長(zhǎng)歸算至參考橢球面上的變形”就已經(jīng)達(dá)到每千米2.51 cm的變形值;另外,測(cè)區(qū)橫坐標(biāo)在150 km以上時(shí),“橢球面上的邊長(zhǎng)歸算至高斯投影面上的變形”也已經(jīng)達(dá)到每千米2.78 cm的變形值,而且這一項(xiàng)變形值是隨著橫坐標(biāo)的二次方在增大,即使兩項(xiàng)的符號(hào)相反,能夠抵消部分,但是往往測(cè)區(qū)的高程差異比較大,橫坐標(biāo)差異比較小,使得兩項(xiàng)改正不能夠很好地抵消,這就使得工程測(cè)量工作不能直接進(jìn)行,必須首先需要對(duì)邊長(zhǎng)變形進(jìn)行改正[3]。

    通過(guò)對(duì)工程投影面選擇研究現(xiàn)狀的調(diào)研,可知傳統(tǒng)模式主要依賴(lài)于建設(shè)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行投影面的確定,縱然目前投影變形改正理論已日趨成熟,但針對(duì)地形條件復(fù)雜、工程跨經(jīng)度范圍較大的區(qū)域,仍存在計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、工作量大、計(jì)算效率低、不易滿(mǎn)足整個(gè)測(cè)區(qū)投影變形精度要求等問(wèn)題。因此,有必要通過(guò)對(duì)工程投影變形理論的研究和公式的梳理,對(duì)投影變形改正進(jìn)行系統(tǒng)的分析,利用Visual Basic編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)在測(cè)區(qū)控制點(diǎn)初始坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入的基礎(chǔ)上,通過(guò)選擇公路等級(jí)要求確定投影的精度,由軟件智能化選擇滿(mǎn)足相應(yīng)精度要求的最優(yōu)工程投影面,尤其使高精度工程建設(shè)及復(fù)雜地形區(qū)域的投影面選擇更為快速和可靠。

    一、抵償投影面算法分析

    軟件設(shè)計(jì)的目的旨在將導(dǎo)入數(shù)據(jù)通過(guò)自動(dòng)化計(jì)算和處理,結(jié)合測(cè)區(qū)特點(diǎn),并根據(jù)國(guó)家投影變形相關(guān)限制規(guī)范要求,智能化優(yōu)選出測(cè)區(qū)最佳抵償投影面。數(shù)據(jù)有效信息的提取是執(zhí)行以上工作的必要前提,因此,首先針對(duì)投影面確定的必要程序算法進(jìn)行分析,并總結(jié)出軟件設(shè)計(jì)中投影分析需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

    1)單一投影:正反算相結(jié)合。正算時(shí),在求得最佳抵償投影面高程預(yù)值的基礎(chǔ)上,根據(jù)點(diǎn)位橫坐標(biāo)Y值計(jì)算綜合變形值,再比對(duì)規(guī)范精度要求,統(tǒng)計(jì)變形合格率;反算時(shí),利用測(cè)區(qū)點(diǎn)位平均高程求得測(cè)區(qū)中央子午線(xiàn)偏移量y0,同樣求得綜合變形值得到統(tǒng)計(jì)變形合格率;進(jìn)而通過(guò)坐標(biāo)微動(dòng)的方式,使變形合格率往100%的方向靠近,只有當(dāng)合格率為100%時(shí)表明此時(shí)的計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足相關(guān)等級(jí)的工程投影的精度要求[4]。

    2)逐點(diǎn)投影:在簡(jiǎn)單投影不能選擇出最佳抵償面的情況下,通過(guò)由程序自動(dòng)改變抵償高程和中央子午線(xiàn)移動(dòng)量,并依序逐點(diǎn)匹配,當(dāng)合格率為100%時(shí),此時(shí)的抵償高程和中央子午線(xiàn)為滿(mǎn)足投影變形的投影面。

    3)分段投影:針對(duì)地形條件較為復(fù)雜或跨經(jīng)度范圍較大的測(cè)區(qū),由于整個(gè)測(cè)區(qū)不能得到統(tǒng)一的最佳抵償投影面,因此,在測(cè)區(qū)點(diǎn)位信息依序排列的基礎(chǔ)上,通過(guò)程序?qū)y(cè)區(qū)橫坐標(biāo)y與對(duì)應(yīng)高程h展繪于二維平面上,根據(jù)二維圖形將測(cè)區(qū)進(jìn)行分段,并分別投影,使得每段所得抵償高程和中央子午線(xiàn)所構(gòu)成的抵償投影面均能滿(mǎn)足工程精度要求。

    二、軟體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    1.設(shè)計(jì)思路

    軟件設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

    2.模塊設(shè)計(jì)

    為便于程序設(shè)計(jì),在軟件流程梳理的基礎(chǔ)上,針對(duì)程序內(nèi)部算法的復(fù)雜性,將程序功能及操作進(jìn)行模塊化。為此,筆者共設(shè)置包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及成果檢核模塊在內(nèi)的13個(gè)模塊進(jìn)行軟件構(gòu)建,軟件功能界面如圖2所示。鑒于篇幅限制,以下僅對(duì)重點(diǎn)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

    圖1 軟件設(shè)計(jì)流程

    圖2 軟件功能界面

    (1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊

    1)原始數(shù)據(jù)讀取:錄入存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)任一根目錄下的原始數(shù)據(jù)文件(TXT或DAT格式文件均可),提取包含橫坐標(biāo)Y、縱坐標(biāo)X、點(diǎn)位高程H在內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。

    2)有效數(shù)據(jù)讀取:由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中所涉及的兩次投影變形主要受橫坐標(biāo)Y和點(diǎn)位高程H影響,程序計(jì)算要求將原始數(shù)據(jù)文件中以上兩者全部數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)于主界面,以便與變形值形成參照關(guān)聯(lián),同時(shí)也便于進(jìn)行簡(jiǎn)單的人工核驗(yàn)。

    3)高斯投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)需注意國(guó)家?guī)?hào)與橫坐標(biāo)500 km偏移值的改正,數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)得到真值。

    執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取并寫(xiě)入相關(guān)變量是較為重要的過(guò)程,讀取順序與測(cè)量順序需保持一致,在此基礎(chǔ)上,對(duì)原始數(shù)據(jù)附加信息應(yīng)予以刪除。主要代碼參如下[5]:

    ′導(dǎo)入數(shù)據(jù)

    Open CommonDialog1.FileName For Input As#1

    ReDim sz(gs1)

    i1=0

    Do Until EOF(1)

    Input#1,z

    sz(i1)=z

    i1=i1+1

    Loop

    Close

    ds=0

    For i=0 To i1-1

    If i Mod 5=3 Then

    List2.AddItem sz(i)

    End If

    If i Mod 5=4 Then

    List3.AddItem sz(i)

    End If

    Next

    (2)數(shù)據(jù)處理模塊

    1)內(nèi)業(yè)計(jì)算子模塊:內(nèi)業(yè)計(jì)算的首要過(guò)程是通過(guò)單一投影來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合變形最小,關(guān)鍵在于求得較為理想的高差值ΔH。根據(jù)測(cè)區(qū)地理?xiàng)l件不同及測(cè)區(qū)范圍大小差異,求取測(cè)區(qū)點(diǎn)位平均高程值、測(cè)區(qū)偏離國(guó)家中央子午線(xiàn)距離值、點(diǎn)位變形值及綜合變形值等,最終求得最佳抵償面[6]。主要代碼如下:

    ′進(jìn)行常規(guī)計(jì)算

    dH=H0

    For i=0 To List3.ListCount-1

    h=Hm-dH

    dHi=Val(List3.List(i))-h

    w=Format(-100000*dHi/R,"0.000")

    List10.List(i)=Format(-100000*dHi/R,"0.000")

    ′上面是計(jì)算w

    v=Format(0.5*100000*Val(List2.List(i))*Val (List2.List(i))/(R*R),"0.000")

    List5.List(i)=Format(0.5*100000*Val(List2.List (i))*Val(List2.List(i))/(R*R),"0.000")

    List6.List(i)=Format(w+v,"0.000")

    Next

    Text9.Text=Hm-dH

    Text7.Text=Text9.Text

    Text8.Text=0

    Text10.Text=0

    2)檢核子模塊:根據(jù)控制網(wǎng)等級(jí)要求,對(duì)內(nèi)業(yè)計(jì)算所得綜合投影變形值進(jìn)行逐點(diǎn)精度檢核,并對(duì)未能滿(mǎn)足精度要求的點(diǎn)位予以提示。進(jìn)而根據(jù)點(diǎn)位達(dá)標(biāo)比例,評(píng)估所選投影面的優(yōu)劣,并將點(diǎn)位合格率在主界面通過(guò)色彩區(qū)分的方式呈現(xiàn)。若抵償面未能滿(mǎn)足要求,則由內(nèi)業(yè)計(jì)算選用更為恰當(dāng)投影方式并再作相關(guān)運(yùn)算,使選擇結(jié)果能夠最佳。主要代碼如下:

    ′檢測(cè)超限

    If Val(Text6.Text)=0 Then

    MsgBox"請(qǐng)先選擇等級(jí)",vbOKOnly,"提示"

    Exit Sub

    End If

    bhg=0

    For i=0 To List6.ListCount-1

    If Abs(Val(List6.List(i)))〉Val(Text6.Text)Then

    p=p&Space(3)&(i+1)

    t=t&Space(3)&List6.List(i)

    bhg=bhg+1 ′計(jì)算出不合格的點(diǎn)數(shù)

    End If

    Next

    hg=ds-bhg ′計(jì)算出合格的點(diǎn)數(shù)

    bfb=Format(hg/ds,"0.000")*100

    Text12.Text=bfb

    If p=""Then

    MsgBox"沒(méi)有超限",vbOKOnly,"檢查結(jié)果"

    Else

    MsgBox"超出精度范圍的是"&"第"&p&"個(gè)點(diǎn)"& Chr(13)&"兩次投影綜合變形為"&t,vbOKOnly,"檢查結(jié)果"

    3)模型修正子模塊:通過(guò)抵償投影高程面微調(diào)和中央子午線(xiàn)微調(diào)的方式,在單一方法計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行微量改變,逐步調(diào)整和檢查綜合投影變形值,使其達(dá)到最小或符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。主要代碼如下:

    ′微動(dòng)縱坐標(biāo)h

    hh=VScroll1.Value

    For i=0 To ds-1

    dHi=Val(List3.List(i))-h

    w=Format(-100000*dHi/R,"0.000")

    List10.List(i)=Format(-100000*dHi/R,"0.000")

    ′上面是計(jì)算w的值,下面是計(jì)算v的值

    Dim dYi As Double′每一點(diǎn)的偏移量

    dYi=Val(List2.List(i))+dy

    v=Format(0.5*100000*dYi*dYi/(R*R),"0.000")

    List5.List(i)=Format(0.5*100000*dYi*dYi/(R* R),"0.000")

    List6.List(i)=Format(w+v,"0.000")

    Next′微動(dòng)橫坐標(biāo)y

    y=HScroll1.Value

    For i=0 To ds-1

    dYi=Val(List2.List(i))+dy

    v=Format(0.5*100000*dYi*dYi/(R*R),"0.000")

    List5.List(i)=Format(0.5*100000*dYi*dYi/(R* R),"0.000")

    ′上面是計(jì)算v的值,下面是計(jì)算w的值

    dXi=Val(List3.List(i))-h

    w=Format(-dXi*100000/R,"0.000")

    List10.List(i)=Format(-dXi*100000/R,"0.000")

    List6.List(i)=Format(w+v,"0.000")

    三、系統(tǒng)工程實(shí)踐應(yīng)用

    本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為測(cè)試對(duì)象,分別選取地勢(shì)條件各異的兩個(gè)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件功能測(cè)試,較為直觀地對(duì)軟件實(shí)踐應(yīng)用的有效性和可靠性予以驗(yàn)證。

    1.地勢(shì)平緩區(qū)域投影面優(yōu)選

    從TXT數(shù)據(jù)文件(如圖3所示)中將原始數(shù)據(jù)加載至軟件數(shù)據(jù)處理模塊中。由于該測(cè)區(qū)地形起伏程度及測(cè)區(qū)范圍均較小,故對(duì)原始數(shù)據(jù)分別采用改變抵償面及移動(dòng)中央子午線(xiàn)的簡(jiǎn)單投影即能求得最佳抵償投影面[8],軟件界面顯示為點(diǎn)位數(shù)據(jù)綜合變形值精度合格率為100%。如圖4、圖5所示。

    圖3 測(cè)區(qū)I原始數(shù)據(jù)文件

    圖4 測(cè)區(qū)I改變抵償面投影結(jié)果

    2.復(fù)雜地形投影面優(yōu)選

    針對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目,其中不乏地形條件復(fù)雜、東西跨度較大的測(cè)區(qū)最佳抵償投影面的選擇[9]。此類(lèi)情況下,單一投影方式難以滿(mǎn)足測(cè)區(qū)綜合投影變形限制要求,進(jìn)而需要采用其他投影方式[10]。如圖6所示,以高程差異較大的公路工程項(xiàng)目為例進(jìn)行說(shuō)明。

    分別采用上述兩種單一投影,求得測(cè)區(qū)II點(diǎn)位綜合變形合格率為45%和32%,未能達(dá)到公路控制等級(jí)要求,在此基礎(chǔ)上,采用坐標(biāo)微動(dòng)和逐點(diǎn)投影的方式,使得合格率有所提升,達(dá)到60%和58%(如圖7、圖8所示),仍未能確定出符合投影精度要求的最佳抵償投影面[11]。鑒于此,程序選用分段投影方式,將測(cè)區(qū)點(diǎn)位原始數(shù)據(jù)按照橫坐標(biāo)Y依序進(jìn)行排列[12],展繪高程二維圖(如圖9所示),據(jù)此二維圖進(jìn)行分段投影,求得綜合變形合格率100%的最佳抵償面,如圖10所示。

    圖5 測(cè)區(qū)I移動(dòng)中央子午線(xiàn)投影結(jié)果

    圖6 測(cè)區(qū)II原始數(shù)據(jù)文件

    圖7 坐標(biāo)微動(dòng)合格率

    圖8 逐點(diǎn)投影合格率

    圖9 測(cè)區(qū)II高程二維圖

    四、結(jié)束語(yǔ)

    工程建設(shè)中,投影面和投影帶選取的優(yōu)劣與工程測(cè)量控制網(wǎng)及施工放樣精度有著密切關(guān)系,筆者結(jié)合Visual Basic編程語(yǔ)言、投影變形約束參數(shù)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā),根據(jù)地形、地勢(shì)條件復(fù)雜程度的不同,通過(guò)坐標(biāo)微動(dòng)調(diào)整投影,其選擇結(jié)果是工程建設(shè)順利與否的先決條件。筆者自行開(kāi)發(fā)的工程投影面智能化優(yōu)選軟件便于操作,其具備處理效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)不同地形條件及測(cè)區(qū)范圍,操作者結(jié)合工程項(xiàng)目要求,即能優(yōu)選出最佳抵償投影面,驗(yàn)證了其有效性。尤其針對(duì)地形條件復(fù)雜的大型測(cè)區(qū),采用高程二維圖展繪與分段投影相結(jié)合的方法,所求得的抵償面準(zhǔn)確可靠。在后續(xù)軟件開(kāi)發(fā)中,將推動(dòng)軟件功能朝向一鍵式操作發(fā)展。

    圖10 分段投影最佳抵償面

    [1] 范一中,王繼剛,趙麗華.抵償投影面的最佳選取問(wèn)題[J].測(cè)繪通報(bào),2000(2):20-21.

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    [5] 龔沛曾.Visual Basic程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明教程[M].北京:高等教育出版社.2002.

    [6] 吳嘯龍,楊志強(qiáng),白亞偉.一種粒子群算法求解最優(yōu)抵償投影面的方法[J].測(cè)繪科學(xué),2015,40(2):142-145.

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    [10] 陳順寶,任建春,亓月,等.抵償任意帶高斯投影平面坐標(biāo)系選擇的研究[J].測(cè)繪通報(bào),2005(7):21-23.

    [11] 白建軍,宋偉東,馬維若.高速公路平面控制測(cè)量中投影問(wèn)題的分析[J].測(cè)繪科學(xué),2006,31(4):133-134.

    [12] 王繼剛,王堅(jiān),于先文.具有抵償面的任意帶高斯投影直角坐標(biāo)系的選取方法[J].測(cè)繪通報(bào),2002(11):31-32.

    《時(shí)空大數(shù)據(jù)的技術(shù)與方法》內(nèi)容簡(jiǎn)介

    本書(shū)作者邊馥苓為武漢大學(xué)國(guó)際軟件學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,國(guó)際軟件學(xué)院空間信息與數(shù)字工程研究中心主任。

    本書(shū)在對(duì)時(shí)空信息和大數(shù)據(jù)相關(guān)概念認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,描述了大數(shù)據(jù)應(yīng)用于時(shí)空信息處理方面所需的軟硬件平臺(tái),分析了時(shí)空大數(shù)據(jù)庫(kù)與傳統(tǒng)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的區(qū)別,探討了時(shí)空大數(shù)據(jù)分析對(duì)測(cè)繪學(xué)科的貢獻(xiàn),提出了時(shí)空大數(shù)據(jù)快速計(jì)算的方法,并探索了時(shí)空大數(shù)據(jù)及其處理技術(shù)存在問(wèn)題的解決方法和未來(lái)的發(fā)展方向。本書(shū)沿著時(shí)空大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的主線(xiàn),從時(shí)空信息與大數(shù)據(jù)兩個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)組織,內(nèi)容緊跟學(xué)術(shù)研究前沿,具有一定的前瞻性。

    本書(shū)不僅可以作為空間信息與數(shù)字工程、計(jì)算機(jī)、測(cè)繪和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域科技工作者的參考書(shū),還可以作為研究生課程的專(zhuān)業(yè)教材。

    本書(shū)定價(jià)43.00元,16開(kāi)本,158頁(yè),2016年5月由測(cè)繪出版社出版。

    Design and Implementation of Intelligent Optimization Software for Engineering Projection Plane

    PAN Guobing,LI Lingai,LI Huarong,MEI Juntao,WANG Meng

    10.13474/j.cnki.11-2246. 2016.0223.

    P208

    B

    0494-0911(2016)07-0055-06

    2016-01-29

    公路地質(zhì)災(zāi)變預(yù)警空間信息技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(長(zhǎng)沙理工大學(xué))(kfj50604);重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(LHSYS-2016-011);重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS14157);重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目

    潘國(guó)兵(1976—),男,博士,副教授,主要從事工程測(cè)量等科研方面的工作。E-mail:498805741@qq.com

    引文格式:潘國(guó)兵,李靈愛(ài),李華蓉,等.工程投影面智能化優(yōu)選軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào),2016(7):55-60.

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