地理信息系统概论各章节期末复习总结.docx
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地理信息系统概论各章节期末复习总结
第一章导论
3S：
GIS、RS、GPS
⏹地理信息系统（GIS）：
是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计来支持空间数据的采集、存储、管理、处理、分析、显示，以便解决复杂的规划和管理问题。
⏹数据与信息基本概念（P1）、数据与信息的关系（P2）【简答】：
1、数据:
指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图像等符号。
2、信息:
信息是现实世界在人们头脑中的反映。
它以文字、数据、符号、声音、图像等形式记录下来，进行传递和处理,为人们的生产，建设，管理等提供依据。
Ø信息来源于数据（Data）。
Ø数据是一种未经加工的原始资料，数字、文字、符号、图像都是数据。
数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。
元数据的定义：
用于描述要素、数据集或数据集系列的内容、覆盖范围、质量、管理方式、数据的所有者、数据的提供方式等有关的信息。
（关于数据的数据）。
✧数据处理与解释（P2）
⏹信息的特点：
客观性，适用性，传输性，共享性（简答见书P2）
✧地理信息与地理数据的概念（P3）
⏹地理信息的特征【简答/填空P3】：
Ø空间特征：
地理实体的空间位置及其相互关系，表现为多维结构，是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志；
Ø属性特征：
表示地理实体的名称、类型和数量等；
Ø时序特征：
指实体随时间而发生的相关变化的信息（属性数据或空间数据的变化）
Ø数据量大：
地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。
尤其是随着全球对地观测计划不断发展，每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。
⏹GIS与一般MIS
ØGIS区别于其它信息系统的一个显著标志是具有空间分析功能。
ØGIS离不开数据库技术。
数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、检索等都是GIS广泛使用的核心技术。
ØGIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。
⏹GIS与CAD/CAM
管理了图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如计算机辅助设计（ComputerAdidedDesign，CAD），计算机辅助制图（ComputerAdidedMapping，CAM）
⏹地理信息系统分类
地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：
Ø一是应用型地理信息系统
以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；
Ø二是工具型地理信息系统
也就是GIS工具软件包，如ArcGIS等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等GIS基本功能。
（1）专题地理信息系统（ThematicGIS）
是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。
如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。
（2）区域信息系统（RegionalGIS）
主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。
第2节GIS的基本构成
⏹完整的GIS主要由五个部分构成：
系统硬件、系统软件、地理空间数据、应用人员、应用模型
一、系统硬件P7【选择题】
1、数据处理设备（图形工作站、个人计算机、客户机/服务器（Client/Server，简称C/S）
2、数据输入设备（图形手扶跟踪数字化仪、大幅面图形扫描仪，也称为工程扫描仪、数字测量设备：
数字摄影工作站、全球定位系统）
3、数据输出设备（绘图仪、打印机、计算机显示器、大屏幕投影仪）
二、系统软件P12
GIS软件是系统的核心，用于执行GIS功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面（GUI）等。
按照其功能分为：
GIS专业软件、数据库软件、系统管理软件等
⏹
一个完整的GIS需要多种软件协同工作，按功能可以分为：
GIS功能软件、基础支撑软件和操作系统软件等
1、GIS功能软件常分为：
GIS基础软件平台和GIS应用软件两大类（P13）
（1）GIS基础软件平台
一般是指具有丰富GIS专业功能的通用型GIS软件，它包含了处理分析地理数据的各种基本功能，可以作为其他GIS应用软件系统建设的软件平台。
代表产品：
ArcGIS、MGE、MAPINFO、MAPGIS、GEOSTAR等
⏹GIS基础软件平台的功能：
空间数据输入和编辑、空间数据管理、空间数据处理和分析、图形用户界面、空间数据输出、系统二次开发功能
（2）GIS应用软件P13
2、基础支撑软件：
主要包括：
系统库软件和数据库软件等P16
如ORACLE、SYBASE、INFORMIX、DB2、SQLServer、Ingress等
3、操作系统软件P16
目前，常用的操作系统有操作系统有：
UNIX、Windows、Linux、MacOS等。
三、空间数据（P19）：
地理空间数据是地理信息的载体，是地理信息系统的操作对象，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。
在逻辑上可以采用矢量和栅格两种数据组织形式来表达地理数据。
分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。
四、应用人员P20
人是GIS中的重要构成因素。
仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。
GIS应用人员包括系统开发人员和GIS的最终用户
五、应用模型P20
第3节GIS的功能简介
⏹一个完整的GIS系统的基本功能应包括：
数据采集与编辑、数据存储与管理、数据处理和变换、空间查询和分析、数据显示和输出功能
1、数据采集与编辑
主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。
信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。
2、数据存储与管理P23
⏹因此GIS数据库管理功能除了与属性数据有关的DBMS功能之外，对空间数据的管理技术主要包括：
空间数据库的定义、数据访问和提取、通过空间位置检索空间物体及其属性、按属性条件检索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。
3、数据处理和变换P23
数据处理的任务和操作内容有：
①数据变换；②数据重构；③数据抽取
4、空间分析和统计P24
⏹常见的空间分析有：
【简答】
（1）叠合分析（叠加（叠置）分析）；
（2）缓冲区分析；（3）数字地形分析
5、产品制作与演示P25
GIS产品是指经过GIS处理和分析的结果，可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明。
其中地图图形输出是GIS产品的主要表现形式
6、二次开发和编程
二、应用功能（见书P26）
系统的主要任务是？
见书
1、资源管理；2、区域规划；
3、国土监测；
Ø1994年的美国洛杉机大地震，就是利用GIS进行灾后应急响应决策支持，成为大都市利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例。
Ø通过对横滨大地震的震后影响作出评估，建立各类数字地图库，如地质、断层、倒塌建筑等图库。
把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息，该系统的建成使有关机构可以对象神户一样的大都市大地震作出快速响应，最大程度地减少伤亡和损失。
Ø再如，据我国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法，对预报火险等级的准确率可达73%以上。
4、辅助决策
Ø地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。
Ø总之，地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具，相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。
第4节GIS的发展概况
1、国际发展状况（见书P28）
上世纪60年代：
开拓阶段—注重空间数据的地学处理：
加拿大的CGIS（1963年开始实施，1971年建成）
70年代:
巩固阶段—注重空间信息的管理：
发达国家相继建设各种专题、规模、类型的GIS；
遥感开始纳入GIS
80年代:
技术突破阶段—注重空间分析与决策支持：
计算机大规模推广应用；栅格扫描输入、遥感图像处理等技术取得突破
90年代至今:
社会化阶段—注重空间信息的社会化服务：
国家级乃至全球性的地理信息系统成为关注焦点；数字地球战略，地球信息科学；GIS走向产业化，并深入到各行各业
2、国内发展状况
我国地理信息系统的发展起步较晚，但发展较快，大体可分为下列几个阶段：
准备阶段、试验阶段、发展阶段、产业化阶段
20世纪70年代：
准备阶段——GIS先驱呼吁，初定理论基础，进行可行性GIS试验
20世纪80年代：
起步阶段——GIS科研人员进行理论探索、规范探讨和试验软件开发
20世纪90年代：
发展阶段——专题研究，GIS应用大发展
新世纪至今：
产业化阶段——国家计划和科研项目，中国信息产业与标准化与国际接轨
3、GIS发展动态
⏹GIS技术的主要发展趋势
空间数据库趋向图形、影像和DEM三库一体化和面向对象
空间数据表达趋向多比例尺、多尺度、动态多维和实时三维可视化
空间分析和辅助决策智能化需要利用数据挖掘方法从空间数据库和属性数据库中发现更多的有用知识
通过Web服务器和WAP服务器的互联网和移动GIS将推进数据库和互操作的研究及地学信息服务事业
地理信息科学的研究有望在本世纪形成较完整的理论框架体系
第二章GIS的数据结构
GIS的数据结构主要是用来解决地理空间数据以什么样的形式存储到GIS中的问题。
●地理空间：
一般指上至大气电离层，下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。
包括：
大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈。
为在地理空间中准确定位需要采用一种空间定位框架来实现
●大地测量控制系统——地理空间定位框架
Ø用以建立地球的几何模型来精确测量地球上任意一点的坐标，
Ø包括平面位置坐标和高度值坐标
Ø为建立地理空间数据的坐标位置提供了一个通用参照系
Ø大地测量控制信息的主要要素：
大地测量控制点，由已知点可以推测未知点的坐标位置信息
平面控制网：
用以确定物体在地球上的平面位置，通常用地理坐标（经纬度）来表示。
基准面——测量的依据；
由于地球的自然是一个高低起伏很大的不规则的表面，不能作为测量的依据，于是人们对地球表面进行近似的处理，用大地水准面来代表地球表面的形状。
●大地水准面：
Ø是假设静止的平均海水面穿过大陆、岛屿形成包围整个地球的一个闭合曲面。
Ø由于地球内部物质分布的不均匀，导致大地水准面仍然不是一个光滑的表面，而是一个极半径略短、赤道半径略长、北极略突出、南极略扁平的近于梨形的一个球体。
Ø大地水准面不是一个简单的数学曲面，无法在其上直接进行测量和数据处理。
●旋转椭球体：
Ø以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。
Ø是一个椭圆围绕其短轴旋转形成的形状，其赤道半径α大于极半径b。
Ø旋转椭球体是一个可以用数学公式描述的规则的几何表面
Ø可以作为平面坐标的基准。
我国在不同时期采用的旋转椭球体及其元素值如表2-1（P39）
1980年中国国家大地坐标系的大地原点，及国家水平控制网中推算的大地坐标起标点，设在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇。
目前我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系。
●根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存：
P39
Ø一、北京-54（局部平差）
Ø二、1980年国家大地坐标系（西安-80，整体平差）
Ø三、地心坐标系，即以地球的质心作为坐标原点的坐标系
对应于每一个坐标系统点的坐标：
可以用大地坐标形式表示，即用纬度、经度和高层（B,L,H）；也可以用空间大地直角坐标形式表示，即用（x,y,z）表示。
●地图投影：
将椭圆面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标，统称为地图投影。
二、高程控制网P40
●地理空间特征实体：
指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体。
包括点、线、面、曲面和体，他们构成地球圈层间复杂的地理综合体，也是GIS表示和建立空间数据库的主要对象。
●研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考框架，还必须分析地理空间特征实体或地理空间信息的几何形态和时空分布规律及其相互之间的关系。
三、空间实体的表达
地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的基础。
●地理空间的表达方法可以概括为：
矢量、栅格、三角形不规则网等
●矢量表示法（矢量数据模型）：
如果采用一个没有大小的点（坐标）来表示点元素时，就称为矢量表示法
●栅格表示法（栅格数据模型）：
如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，就称为栅格表示法
●对于地理连续面的表达，还可利用三角形不规则网表示（TriangulatedirregularNetwork，TIN）。
ØTIN的构成：
将地面一系列离散点，按照一定的规则和条件连接成互不交叉的三角网。
第二节地理空间数据及其特征（详细见书P41-44）
●按数据来源分类：
地图数据、影像数据、文本数据
●按数据结构分类：
矢量数据、栅格数据
●按数据特征分类：
空间定位数据、非空间属性数据
●按数据几何特征分类：
点、线、面、曲面、体
●按数据发布形式，GIS中的空间数据可分为4D数据：
数字线画图（DLG）、数字栅格图（DRG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）数据
●
（一）空间数据基本特征：
空间特征、属性特征、时间特征
以及与相邻地理现象和过程的空间关系（包括方位关系、拓扑关系、相邻关系、相似关系等）空间位置可以通过坐标数据来描述称为定位特征或定位数据。
空间关系称为拓扑特征或拓扑数据。
●
（二）空间数据基本信息：
定位信息、属性信息（地理现象和过程本身具有的描述性信息）、拓扑信息（地理对象之间的相互关系）
二、空间数据的拓扑关系
●“拓扑”（Topology）
拓扑属性、拓扑变换的理解：
设想一块高质量的橡皮，这块橡皮可以任意地被拉伸、压缩，但不能被扭转或者折叠，表面上有由结点、弧、环和区域组成的任何可能的图形。
对这块橡皮进行任意地拉伸、压缩，图形原有的一些属性将得到保留而继续存在，而有些属性则将消失。
设想橡皮表面上有一个多边形,并且还有一个点在多边形中，当对橡皮进行任意的拉伸、压缩后，点依旧存在于多边形内部，点和多边形之间的空间位置关系不会改变，但是多边形的面积将会发生变化。
这时，我们称“点的内置”是拓扑属性，面积则不是拓扑属性，而拉伸和压缩这样的变换就是拓扑变换。
●常见的拓扑属性与非拓扑属性
拓扑属性
一个点在一个弧段的端点
一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）
一个点在一个区域的边界上
一个点在一个区域的内部
一个点在一个区域的外部
一个点在一个环的内部
一个面是一个简单面（面上没有“岛”）
一个面的连通性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）
非拓扑属性
两点之间的距离
一个点指向另一个点的方向
弧段的长度
一个区域的周长
一个区域的面积
拓扑元素：
点、线、面
●拓扑关系P45
在GIS中，拓扑不但用于数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。
●拓扑关系的类型：
拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含（包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式。
）[见46]
●
●2、空间拓扑关系的意义（P47）
A根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。
B利用拓扑数据有利于空间要素的查询。
C可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。
D保证数字化原始数据的自动查错编辑。
拓扑关系的概念及其重要意义。
矢量数据拓扑编码（掌握看图填写相关的拓扑编码表）。
空间关系是指各空间实体之间的空间结构关系，包括拓扑空间关系，顺序空间关系和度量空间关系。
由于拓扑空间关系对GIS查询和分析具有重要意义，在GIS中，空间关系一般指拓扑空间关系。
拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。
是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
表达:
在目前的GIS中，主要表示基本的拓扑关系，而且表示方法不尽相同。
在矢量数据中拓扑关系可以由下图的四个表格来表示。
意义：
拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化；有助于空间要素的查询。
四、空间数据的计算机表示
Ø表示地理实体的空间数据包含空间特征、属性特征和时态特征。
●空间数据结构：
对于具有复杂特征的空间数据，组织和建立起它们之间的联系，以便于计算机存储和操作。
●空间数据表示的基本方法：
（P47、48）：
空间分幅、属性分层、时间分段
●数据结构：
是适合于计算机存储、管理、处理的数据逻辑表达。
（指数据以什么形式在计算机中存储和管理）
●矢量数据：
是面向地物的结构，即对于每一个具体的目标都会直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明。
●栅格数据：
面向位置的结构，平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。
●空间数据结构类型：
矢量数据结构、栅格数据结构、曲面数据结构
一、矢量数据结构P48
矢量数据结构：
基于矢量模型的数据结构即为矢量数据，是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。
●矢量数据结构的特点：
A能最好地逼近地理实体的空间分布特征B数据精度高C数据存储的冗余度D便于进行地理实体的网络分析E对于多层数据的叠合分析比较困难
◆矢量数据结构分为以下几种主要类型：
1、实体数据结构
在实体数据结构中，空间数据按照基本的空间对象（点线或多边形）为单元进行单独组织
不含有拓扑关系，最典型的是所谓面条（Spaghetti）结构，采用这种数据结构的有ArcGIS的shape文件和MapInfo的Tab文件
⏹ESRI公司的shapefile文件是描述空间数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结构的一种格式，一个shapefile文件包括一个主文件（*.shp）、一个索引文件（*.shx）和一个dBase表文件（*.dbf）
2、拓扑数据结构
拓扑数据结构包括：
DIME（对偶对立地图编码法）、POLYVRT（多边形转换器）、TIGER（地理编码和参照系统的拓扑集成）
共同特点P50
在拓扑数据结构中：
（1）弧段是数据结构的基本对象
弧段文件由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、起始节点、终止节点、左多边形和右多边形
（2）节点文件由节点记录组成
包括每个节点的节点标识码、节点坐标及与该节点连接的弧段标识码等
（3）多边形文件由多边形记录组成
包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。
如何描述空间对象之间的空间相互作用关系？
1、方法
绝对关系:
坐标、角度、方位、距离等；
相对关系：
相邻、包含、关联等
2、相对关系类型
拓扑空间关系：
描述空间对象的相邻、包含等
顺序空间关系：
描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。
度量空间关系：
描述空间对象之间的距离等。
二、栅格数据结构
栅格数据结构是指基于栅格模型的数据结构，即指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。
点线面的栅格表达：
✧点用一个栅格单元表示，线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。
✧任何以面状分布的对象（土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等），都可以用栅格数据逼近。
遥感影像就属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级。
栅格数据结构特点（与矢量数据结构相比较）：
优点：
（1）表达地理要素比较直观；
（2）容易实现多元数据的叠合操作；（3）便于与遥感图像及扫描输入数据相匹配建库和使用等。
缺点：
（1）存储空间大；
（2）由于相邻栅格单元属性值的相关性，造成栅格数据的冗余度；（3）栅格数据对于网络分析和建立网络连接关系比较困难。
空间分辨率：
一个像元所代表的地面实际面积的大小。
分辨率的确定：
以保证最小多边形的精度来确定网格的尺寸。
（一）栅格矩阵结构
直接编码－－无压缩编码，将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码。
（二）游程（行程）编码结构P54
游程长度编码的特点
Ø压缩比的大小是与图的复杂程度成反比的，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分游程数就少，图件越简单，压缩效率就越高。
Ø游程长度编码在栅格加密时，数据量没有明显增加，压缩效率较高，且易于检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存贮容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。
（三）四叉树结构
●四叉树编码的特点
①容易而有效地计算多边形的数量特征；
②阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；
③栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容易；
④多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。
⏹
⏹
矢量与栅格数据结构的比较【简答】
三、曲面数据结构P59
通常有两种表达曲面的方法，一种是不规则三角网（TIN），另一种是规则格网（Grid）
（一）TIN的曲面数据结构
●TIN曲面数据结构的主要特征：
TIN由一系列三角形组成、三角形顶点都是一些特征点、每个三角形的坡度、坡向均一、三角形大小随地形变化而变、尽可能是等边三角形、三角形的边长之和最小、以拓扑方式存储
●TIN曲面数据结构的主要优势P59
（二）规则格网的曲面数据结构
第4节空间数据结构的建立
●矢量数据的输入过程——数字化。
实际上是产生和矢量数据结构相适应的GIS空间数据的过程，即把经过分类和编码的地理要素的空间位置，转换为一系列的坐标，然后将这些坐标按照确定的数据格式存入到计算机中区。
●数字化的方法：
手扶跟踪数字化仪数字化、屏幕数字化、扫描矢量化等。
●为保证空间数据质量，通常需要进行多工序的编辑检查：
目视检查、机器检查、图形检查
第四节空间数据结构的建立
二、空间数据的分类与编码
空间数据的分类：
是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层，为数据的采集、存储、管理、查询和共享提供依据。
空间数据的编码：
是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程。
编码的结果是形成代码。
代码由数字或字符组成。
常见数据输入错误：
图纸移动、图纸变形、制图误差、数字化误差等
第三章空间数据处理
●空间数据处理是针对空间数据本身完成的操作，不涉及内容的分析。
因此，空间数据处理又称为空间数据形式的操作。
●空间数据处理包括：
数据变换（包括几何纠正和地图投影转换等；数据重构（包
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