吉林省林區(qū)瞭望臺配置與林地可視性分析

孫思琦 張吉龍 邸雪穎 楊光

摘 要：? 為了給吉林省瞭望臺管理優(yōu)化提供科學參考以及為其他省份的監(jiān)測型防火資源配置提供借鑒，基于吉林省林區(qū)現(xiàn)有瞭望臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)，利用ArcGIS技術(shù)和統(tǒng)計分析軟件，對吉林省現(xiàn)有瞭望臺的基礎(chǔ)設(shè)施配備與林地可視性進行分析。結(jié)果表明：吉林省現(xiàn)有瞭望臺分布不均，主要集中分布在中、東部林區(qū)，構(gòu)成了比較完整的森林火情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對連年無重大森林火災(zāi)起到了重大作用;大部分瞭望臺建成時間較早，幾乎全部瞭望臺為永久性的磚石或金屬結(jié)構(gòu);僅少數(shù)瞭望臺安裝有中繼臺，逾半數(shù)瞭望臺配有供電設(shè)備，其中多數(shù)使用太陽能供電，少數(shù)使用220 V交流電;全省瞭望可見率達63.61%，高于全國平均水平;不同區(qū)域林地可視性存在差異，吉林市和延邊朝鮮族自治州林地可視性優(yōu)于其他地區(qū);重點森林火險區(qū)平均瞭望可見率為56.55%，非重點森林火險區(qū)瞭望可見率僅為15.01%。綜上所述，吉林省林地可視域中東部密集，西北部稀疏，與瞭望臺分布情況相對應(yīng);重點森林火險區(qū)林地可視性明顯優(yōu)于非重點森林火險區(qū)。建議加強對非重點森林火險區(qū)瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點建設(shè)，根據(jù)目前林地監(jiān)測盲區(qū)因地制宜地增設(shè)瞭望臺。

關(guān)鍵詞： 吉林省林區(qū);瞭望臺;林地可視性

中圖分類號 ：S762??? ?文獻標識碼 ：A?? ?文章編號 ：1006-8023（2020）02-0073-08

Analysis of Configuration and Forest Visibility of Lookout Towers in Jilin Province

SUN Siqi1， ZHANG Jilong2， DI Xueying1， YANG Guang1，3*

（1.School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 2.Northern Aerial Forest Fire Protection Station of State Forestry Administration， Harbin 150000， China; 3.Ministry of Education Key Laboratory

of Sustainable Forest Ecosystem Management（Northeast Forestry University）， Harbin 150040， China）

Abstract： ?In order to provide scientific reference for the optimization of lookout towers in Jilin Province and guidance for monitoring forest fire prevention resources in other provinces， based on existing statistical and geographical data of lookout towers in Jilin Province， by using the ArcGIS and statistical analysis software， the configuration and forest visibility of existing lookout towers was analyzed. The results indicated that， the existing lookout towers in Jilin were unevenly distributed， mainly concentrated in the central and eastern forest region and constituted a relatively complete network of forest fire monitoring， which has played a major role to ensure that no major forest fires in successive years. Most lookout towers were built in earlier time， and almost all were permanent brick or metal structure. Only a few lookout towers installed relay stations， more than half equipped with power supply， and most of them used solar power， a few used 220V AC. Jilin Provinces visible rate reached 63.61%， higher than the national average. The forest visibilities in different geographic regions were varying， Jilin and Yanbian Korean Autonomous Prefectures forest visibility were better than other areas. The average visible rate in key forest fire risk zones was 56.55%， while the visible rate in non-key forest fire risk zone was only 15.01%. In conclusion， the forest visibility corresponded to the distribution of lookout towers， so that viewsheds in the middle and eastern areas were dense and in the northwest they were sparse. The forest visibility in the key forest fire risk zones was significantly higher than that of the non-key forest fire risk zones. To strengthen the network within non-key forest fire risk zones， increase the density of lookout towers according to the current forested land being monitored and non-visible areas.

Keywords： Forest region of Jilin Province; lookout towers; forest visibility

收稿日期： 2019-11-13

基金項目： “十三五”國家重點研發(fā)計劃子課題（2017YFD0600106-2）;國家自然科學基金面上項目（31870644）;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（2572019CP10）

第一作者簡介： 孫思琦，博士研究生。研究方向：林火管理。E-mail：suenskie@foxmail.com

*通信作者： 楊光，博士，副教授。研究方向：林火管理。E-mail：lx_yg@163.com

引文格式： 孫思琦，張吉龍，邸雪穎，等. 吉林省林區(qū)瞭望臺配置與林地可視性分析[J]. 森林工程，2020，36（2）：73-80.

SUN S Q， ZHANG J L， DI X Y， et al. Analysis of configuration and forest visibility of lookout towers in Jilin province[J]. Forest Engineering，2020，36（2）：73-80.

0 引言

我國是森林資源大國，同時也是遭受森林火災(zāi)危害最嚴重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，受全球氣候變暖與人類生產(chǎn)活動的影響，2006—2015年，我國年均森林火災(zāi)次數(shù)為6 821次，年均受害森林面積達66 839.8 hm2，損失尤為慘重。隨著國家六大林業(yè)重點工程的實施，我國森林資源數(shù)量穩(wěn)步發(fā)展，第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示，全國森林面積達2.08億hm2，森林覆蓋率達21.63%[1]，森林資源安全維護任務(wù)愈加繁重。

瞭望臺是森林防火系統(tǒng)工程中的重要基礎(chǔ)設(shè)施[2]，屬于地面防火資源之一，同時也是監(jiān)測型森林防火資源[3]。瞭望臺監(jiān)測即利用在地面制高點上的瞭望臺登高望遠，以便及時發(fā)現(xiàn)火情并準確確定火場位置[4-5]，其與地面巡護、空中巡護和衛(wèi)星監(jiān)測共同組成立體林火監(jiān)測的4個空間層次，是目前我國南北方林區(qū)使用較為普遍的林火監(jiān)測方式。

隨著我國科技的發(fā)展，高科技不斷被應(yīng)用于林火監(jiān)測中，但瞭望臺監(jiān)測的高新科技應(yīng)用率還不高，自動化與網(wǎng)絡(luò)化程度也較低，仍落后于許多發(fā)達國家。除了加強人工觀測的瞭望臺系統(tǒng)，美國、加拿大、德國以及西班牙等一些國家，已利用自動監(jiān)測設(shè)備設(shè)置了無人瞭望臺，可隨時將火情傳輸?shù)街笓]中心[6]。其中，德國使用的森林火災(zāi)自動預(yù)警系統(tǒng)（FireWatch System）能夠遠距離地對大面積森林進行觀測，并且能自動識別與定位森林火災(zāi)，是當前歐洲較新的技術(shù)，德國全部防火瞭望臺已被該系統(tǒng)所取代[7-8]。迄今為止，國內(nèi)外學者對瞭望臺的研究內(nèi)容比較豐富。國外學者側(cè)重研究影響瞭望臺探測火災(zāi)準確性與及時性的因素，以及新技術(shù)在火災(zāi)探測中的應(yīng)用[9-10]，如Rego等[11]結(jié)合了地形和空氣透明度的間接影響，利用火災(zāi)探測功能模型（Fire Detection Function Model）評估了距離對瞭望臺探測到火災(zāi)可能性的影響;Buck[12]通過點 燒實驗中統(tǒng)計的野外數(shù)據(jù)，得出了影響瞭望臺觀測到火災(zāi)所用時間的一些物理因素。我國學者對瞭望臺的研究還不夠全面和深入，多從瞭望臺選址原則和方法的角度進行研究，而對現(xiàn)有瞭望臺情況的研究相對較少。如熊惠[13]提出利用直斷面圖法進行瞭望臺選址;楊志高等[14]將GIS技術(shù)應(yīng)用到瞭望臺選址中，并結(jié)合模糊數(shù)學得出候選臺址的優(yōu)劣排序;黃貝[15]將層次分析法與模糊數(shù)學理論結(jié)合，提出用模糊層次分析模型解決瞭望臺選址問題。

吉林省是國家重點林區(qū)省份之一，森林資源豐富，珍貴樹種繁多，森林防火任務(wù)十分艱巨。自1981年起，全省森林防火逐步實施“三網(wǎng)兩化”體系建設(shè)，并取得快速發(fā)展[16]。截至2016年11月吉林省秋季防火期結(jié)束，吉林省實現(xiàn)連續(xù)36 a無重大森林火災(zāi)[17]，森林防火工作領(lǐng)先于我國其他省份?？梢曅灾傅氖菑囊粋€或多個給定的視點出發(fā)所能看到的地形范圍或可見程度[18-19]?？梢曅苑治鰪V泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)、環(huán)境、天文觀測、建筑設(shè)計與規(guī)劃等領(lǐng)域[20]，例如站點選址優(yōu)化[21]、地面天文觀測[22]、建筑與景觀設(shè)計等[23]。本文選取吉林省為研究對象，基于GIS和統(tǒng)計軟件對吉林省林區(qū)現(xiàn)有瞭望臺配置與林地可視性進行研究，著重運用GIS可視化技術(shù)分析吉林省森林防火瞭望臺布局，并比較各縣域及重點森林火險區(qū)林地瞭望可見率，旨在為吉林省瞭望臺管理優(yōu)化提供科學參考以及為其他省份的監(jiān)測型防火資源配置提供借鑒。

1 研究資料與研究方法

1.1 研究資料

課題組收集了截止到2014年12月吉林省12個市（州、管委會）共568座瞭望臺的基本情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類別包括瞭望臺地理坐標、建成時間、結(jié)構(gòu)、塔高、中繼臺設(shè)置、供電情況、通訊設(shè)備和瞭望設(shè)備等;1∶ 400 000 0基礎(chǔ)數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)，包括道路、水系、土地利用、水文站點、森林和草地等;ASTER GDEM 250 m地面分辨率的高程數(shù)據(jù)及2009—2013年森林火災(zāi)熱點數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

采用Microsoft Excel軟件對瞭望臺基本情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，對所得結(jié)果進行研究與分析;采用ArcGIS軟件，插入吉林省數(shù)字高程數(shù)據(jù)，通過空間分析中的按掩膜提取，用吉林省行政區(qū)劃的真實形狀替代矩形。在DEM圖層上疊加現(xiàn)有瞭望臺坐標點層，進行可視域分析，生成輸出視域柵格數(shù)據(jù)。輸出柵格屬性表的VALUE項記錄著從每個柵格表面可看到的視點數(shù)目。為了更加直觀，可用不同顏色指示可視區(qū)域、盲區(qū)以及監(jiān)測點，即瞭望臺。使用緩沖區(qū)向?qū)Ы⒕彌_區(qū)，在[如何創(chuàng)建緩沖區(qū)]區(qū)域選擇[以指定的距離]，指定緩沖距離為10 km，即瞭望半徑為10 km，并選擇融合緩沖區(qū)之間的障礙，即融合以消除緩沖區(qū)重合部分。將可視域進行重分類，把VALUE值為0指定為No Data，旨 在去掉盲區(qū)，方便與緩沖區(qū)進行疊置分析。同時，為便于計算瞭望面積，利用轉(zhuǎn)換工具中的柵格轉(zhuǎn)面將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。選擇分析工具中的 疊加分析，添加緩沖區(qū)與可視域并執(zhí)行交集命令，輸出結(jié)果即為省域內(nèi)全部可視范圍。再將此圖層與有林地進行疊加，便得到可視林地效果圖[24]。將行政區(qū)劃作為分割要素將圖層分割，即可得到吉林省各市縣（區(qū)）可視范圍圖。使重點森林火險區(qū)包含區(qū)域的可視林地范圍在同一個圖層上顯示，得到重點森林火險區(qū)可視林地效果圖。瞭望可見率計算公式：瞭望可見率=有效瞭望面積/瞭望范圍面積×100%[13]，針對本文研究即瞭望可見率=可視林地面積/有林地面積×100%。林地面積皆可通過屬性表中的計算幾何方式計算。根據(jù)計算結(jié)果，考慮歷年火情發(fā)生情況、森林資源分布情況及地形因素，提出關(guān)于瞭望臺的改進建議。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉林省現(xiàn)有防火瞭望臺配置情況

2.1.1 臺址分布

根據(jù)防火瞭望臺選址原則，為了盡可能擴大觀測面積，最大限度地減少盲區(qū)，瞭望臺的最大觀測半徑一般不超過20 km，并且應(yīng)盡可能地以較少的瞭望臺保證較高的瞭望可見率[25-26]。截止至2014年12月，吉林省瞭望臺共計568座（圖1），平均瞭望半徑已縮短至9.18 km，基本實現(xiàn)了起火點瞭望觀測交叉定位，建成了比較完整的森林火情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。由圖1可知，現(xiàn)有瞭望臺主要集中分布在省域中、東部地勢較高、森林資源豐富的地區(qū);而省域西北部地勢較低，林地分布相對較少，臺址分布也較稀疏。此外，吉林省在建設(shè)森林火險監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)時，對于重點森林火險區(qū)進行了適當?shù)姆阑鸩t望臺加密設(shè)置[27]。例如，位于吉林省東南部的長白山是長白山脈的重要組成部分之一，地跨延邊地區(qū)的安圖、白山地區(qū)的撫松和長白三縣。山區(qū)內(nèi)植被茂盛，在垂直方向上大面積地分布不同林帶，森林火災(zāi)經(jīng)常發(fā)生，因此瞭望臺密度在此區(qū)域相應(yīng)加大。中俄、中朝邊境地區(qū)，包括琿春、和龍和長白朝鮮族自治州等地，防火瞭望臺分布同樣相對較多。

2.1.2 建成時間

如圖2所示，吉林省現(xiàn)有大部分瞭望臺建成時間較早，1993年以前修建的瞭望臺占現(xiàn)有瞭望臺總數(shù)的55.11%，1994—2014年修建的瞭望臺合計占總數(shù)的44.89%。其中，1999年為我國建國五十周年，同時也是澳門回歸祖國的大慶之年，全國森林防火辦公室主任會議指出以“大水之后無大火，大慶之年無大災(zāi)”為奮斗目標，做好森林防火工作.當年吉林省各縣市共修建瞭望臺50座，為歷史最多，其中延邊地區(qū)占22座。2004—2013年，部分瞭望臺為防火期修建。2014年僅延邊地區(qū)新增1座防火瞭望臺。

2.1.3 結(jié)構(gòu)

由于地貌及地形差異，吉林省在設(shè)置時因地制宜地搭建了不同結(jié)構(gòu)的瞭望臺，主要分為木質(zhì)瞭望臺、金屬瞭望臺、磚石瞭望臺3種。金屬瞭望臺材質(zhì)又分為鋼架、鐵架和鋼鐵等。如圖3所示，吉林省80.11%的瞭望臺均為堅固耐用的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，磚混結(jié)構(gòu)、鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)和磚石結(jié)構(gòu)分別占總數(shù)的8.98%、8.45%、0.53%。木質(zhì)瞭望臺僅1座，位于延邊朝鮮族自治州的光明林場，修建于1980年。木質(zhì)瞭望臺結(jié)構(gòu)較簡單，造價較低，但一般使用壽命較短（十年左右）[28]。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，吉林省首次修建的瞭望臺共有39座，因風雨侵蝕而臺架老化，后經(jīng)改建的瞭望臺結(jié)構(gòu)全部為永久性的金屬或磚石結(jié)構(gòu)。

2.1.4 中繼臺設(shè)置與供電情況

中繼臺可以增大無線電對講機的通訊距離，使信號的覆蓋范圍得以擴展，不但便于日常監(jiān)測火情時進行相互通訊，而且在遇到火災(zāi)時，用其進行應(yīng)急指揮通訊是不可或缺的。吉林省現(xiàn)有瞭望臺安裝中繼臺的有93座，僅占總數(shù)的16.37%，距普及還有一大段距離。

如圖4所示，吉林省林區(qū)多數(shù)瞭望臺配有供電設(shè)備， 占瞭望臺總數(shù)的57%。其中， 約三分之一的瞭望臺使用220 V交流電，其弊端是一旦停電，不能保證中繼臺的正常工作，也就無法實時監(jiān)測火情，及時進行指揮與通訊;約三分之二的瞭望臺使用太陽能供電，可長時間為中繼臺供電，保證無線通信。另有43%的瞭望臺缺少供電，無法保證全天候的林火監(jiān)測，林區(qū)防火工作在一定程度上存在安全隱患。

2.2 吉林省林地可視性分析

2.2.1 全省林地可視性分析

本研究中，指定瞭望半徑為10 km，使用ArcGIS中緩沖區(qū)向?qū)Ы⒕彌_區(qū)，并將相鄰重合部分融合，載入吉林省2009—2013年共257次森林火災(zāi)的有效火點數(shù)據(jù)，在數(shù)字化行政區(qū)劃圖上標注林火發(fā)生位置。由于天氣、地形和分辨率等因素的影響，通過衛(wèi)星監(jiān)測得到的熱點數(shù)量比實際森林火災(zāi)次數(shù)要少[29]。如圖5所示，全省范圍內(nèi)火點基本被緩沖區(qū)覆蓋，少數(shù)未被監(jiān)測到的火點多分布在西北部地區(qū)，中東部地區(qū)瞭望臺分布區(qū)較密集，緩沖區(qū)范圍成系統(tǒng)網(wǎng)狀，發(fā)生在該區(qū)域的森林火災(zāi)更容易被觀測到。

Arc GIS平臺中的Spatial Analyst模塊提供了分析和處理柵格數(shù)據(jù)的工具[20]，可視域分析屬于其表面分析的范疇。對吉林省范圍內(nèi)所有瞭望臺監(jiān)測點使用視域工具進行可視域分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，吉林省不同區(qū)域可視域密度存在差異，其中中東部大部地區(qū)可視域分布較密集，西北部地區(qū)可視域范圍相對稀少，該結(jié)果與現(xiàn)有瞭望臺空間分布情況相對應(yīng)。為了定量分析林地可視性，將有林地與可視域作進一步疊加，得到瞭望臺可觀測到的林地范圍。在屬性表中計算出有林地面積與可視林地面積分別為82 596.14、52 537.35 km2。則根據(jù)公式：瞭望可見率=可視林地面積/以有林地面積×100%，得到全省瞭望可見率為63.61%，明顯高于全國平均水平（45.3%）[30]。

2.2.2 各市（州）林地可視性分析

吉林省現(xiàn)轄省會長春和7個地級市、1個自治州、2個直管市、19個縣級市、16個縣和3個自治縣。為了便于有針對性地對全省范圍內(nèi)各市（州）林地可視性進行分析，本文根據(jù)以上行政區(qū)劃，將整個研究區(qū)域劃分成11個區(qū)塊，即8個地級市、1個自治州以及2個直管市（表1）。

依照上文提到的方法，分別計算各地區(qū)的瞭望可見率，量化各林地可視覆蓋程度并進行比較，結(jié)果見表1。每個區(qū)域的瞭望臺組網(wǎng)后，瞭望可見率至少要達到60%～70%，表示林區(qū)大部分范圍任何一處發(fā)生火情，都有2座以上的瞭望臺能夠及時觀測到，并迅速確定其位置。由表1可知，共有2個地區(qū)達到以上標準，分別為吉林市（80.78%）和延邊朝鮮族自治州（86.94%），兩地區(qū)瞭望可見率平均值達83.86%。由此可見，吉林市和延邊朝鮮族自治州瞭望臺監(jiān)測效果較好，在林區(qū)防火工作方面表現(xiàn)突出，林區(qū)能夠大范圍地形成火災(zāi)預(yù)報有效區(qū)域，當林區(qū)發(fā)現(xiàn)火情，能夠準確并及時地進行預(yù)報。其他9個地區(qū)林地瞭望可見率大小依次為：白山市（53.23%）、通化市（37.52%）、遼源市（35.23%）、梅河口市（24.87%）、長春市（20.90%）、四平市（10.61%）、白城市（7.37%）、松原市（6.55%）、公主嶺市（2.24%）。公主嶺市僅極小部分林地能夠得到監(jiān)測，森林防火工作存在很大漏洞。

2.2.3 重點森林火險區(qū)與非重點森林火險區(qū)林地可視性分析

吉林全省共12個國家級重點森林火險區(qū)，覆蓋44個行政區(qū)域。如圖7所示，重點森林火險區(qū)可視覆蓋程度明顯高于非重點森林火險區(qū)，非重點火險區(qū)僅有極小部分林地可被監(jiān)測到。根據(jù)各重點火險區(qū)與非重點森林火險區(qū)有林地及可視林地面積分別計算其瞭望可見率（圖8）。吉林省12個重點森林火險區(qū)平均瞭望可見率為56.55%，高于全國重點火險區(qū)瞭望可見率平均值（43.6%）[30]，其中瞭望可見率最高的為敦化林區(qū)（98.85%），其次為吉林市老爺嶺林區(qū)（91.97%），第三為汪清白河林區(qū)（81.68%）;非重點森林火險區(qū)瞭望可見率僅為15.01%。由此可見，重點森林火險區(qū)的瞭望臺設(shè)置 合理性明顯優(yōu)于非重點森林火險區(qū)。結(jié)合圖1可知，非重點森林火險區(qū)瞭望臺零星分布，數(shù)量嚴重不足，大面積林地無法得到監(jiān)測，說明林火管理部門對非重點森林火險區(qū)的林火監(jiān)測工作重視程度不夠。

3 結(jié)論與討論

通過對吉林省林區(qū)瞭望臺配置與林地可視性的研究，分析得出：多年來，吉林省堅決貫徹“預(yù)防為主、積極消滅”的森林防火方針，在森林火情監(jiān)測方面組建了全省性和重點地區(qū)的兩級森林火險監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，作為主要的林火監(jiān)測方式，瞭望臺監(jiān)測起著舉足輕重的作用。受林地分布不均影響，吉林省現(xiàn)有瞭望臺分布中東部密集，西北部稀疏，重點森林火險區(qū)與邊境地區(qū)進行了加密設(shè)置，歷史火點基本均可被觀測到。全省瞭望臺平均瞭望半徑小于最大觀測半徑要求，瞭望可見率明顯高于全國平均水平。逾半數(shù)瞭望臺于1993年前建成，大多數(shù)為磚石或金屬結(jié)構(gòu)，長期受風雨侵蝕易導致臺架老化。中繼臺配備嚴重不足，多數(shù)瞭望臺在火情監(jiān)測時通訊范圍受限，應(yīng)急指揮通訊無保障。少數(shù)瞭望臺無供電，無法進行全天候的林火監(jiān)測;有供電的瞭望臺中少數(shù)使用220 V交流電，緊急停電會影響中繼臺工作。全省林地可視性與瞭望臺分布情況相對應(yīng)，中東部可視域密集，西北部可視域稀疏。不同地區(qū)林地可視性存在差異，全省2個市（州）瞭望可見率達60%以上，可視性最高的地區(qū)瞭望可見率可達86.94%，同時有的地區(qū)林地可視性僅為2.24%。吉林省重點森林火險區(qū)林地可視性明顯優(yōu)于非重點森林火險區(qū)，12個重點森林火險區(qū)平均瞭望可見率高于全國水平。

防火瞭望臺為森林防火主要的基礎(chǔ)設(shè)施，為了提高吉林省瞭望臺監(jiān)測的有效性，從而提高森林火災(zāi)控制和反應(yīng)能力，對吉林省瞭望臺配置與建設(shè)提出如下建議。

（1）加強對非重點森林火險區(qū)瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點建設(shè)，根據(jù)目前林地監(jiān)測盲區(qū)因地制宜地增設(shè)瞭望臺。

（2）保證瞭望臺建設(shè)投資，完善與更新瞭望臺設(shè)備，定期檢查瞭望臺有無破壞。

（3）適當拆除布局密集、可視域重疊地區(qū)的瞭望臺，避免浪費。

【參 考 文 獻】

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