Manuskript zur Vorlesung im Nachdiplomkurs «Räumliche Informationssysteme» 1990. 17 S., 30 Abb. Digitale Geländemodelle und digitale Kartographie Ernst Spiess Inhaltsübersicht 1. Vom digitalen Geländemodell bis zum geographischen Informationssystem Digitales Geländemodell Digitales Situationsmodell Landinformationssystem Geographisches Informationssystem 2. Generelle Ziele der digitalen Kartographie Unterstützung bei der Neuerstellung von Karten Unterstützung bei der Nachführung von Karten Analog/digital-Umsetzung von Karten Numerische Verarbeitung geographischer Daten Graphische Ausgabe von digitalen geographischen Karten 3. Verschiedene Strukturen von digitalen Geländemodellen Verschiedene Methoden zur Erfassung von digitalen Höhendaten Verfahren zur Umwandlung zwischen verschiedenen Datenstrukturen – Ableiten eines Rastermodelles aus unregelmässig verteilten Punkten, Höhenkurven- oderProfilpunkten – Ableiten von Höhenkurven aus einem Rastermodell durch Interpolation auf den Maschenlinien – Ableiten von Höhenkurven aus unregelmässig verteilten Punkten – Höhenkurven oder digitales Geländemodell ? Methoden zur Reduktion der Datenmengen – von Höhenkurvenmodellen – von Höhenmodellen mit unregelmässig verteilten Punkten von Rastermodellen – Bildung von Ausschnitten – Datenreduktion mit besonderer Berücksichtigung morphologischer Charakteristiken 4. Interaktive Bearbeitung von Geländemodellen Interaktivität in der digitalen Kartographie Interaktive Bearbeitung von Höhenkurvenmodellen Interaktive Bearbeitung von Rastermodellen 2 1. Vom digitalen Geländemodell bis zum geographischen Informationssystem Spricht man vom digitalen Terrainmodell (DTM), so bleibt unklar, ob man nur das digitale Höhenmodell (DHM) oder, wie in der Kartographie üblich, neben der Komponente Topographie auch Teile der Komponenten • Gewässernetz • Verkehrsnetz • Bodenbedeckung • Siedlungen mit einbeziehen will. An sich könnte man solche Vernetzungen ausschliessen. Aber die Geländeoberfläche ist stark auch durch andere Komponenten geprägt, insbesondere durch das Gewässernetz, aber auch durch die anderen, sodass eine isolierte Betrachtung eigentlich nicht zu empfehlen ist. Das nachfolgende Schema verdeutlicht die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Begriffen: Abb.1: Schematische Darstellung der Bereiche der verschiedenen digitalen Modelle Die Abgrenzungen zwischen den verschiedenen Begriffen und Bereichen sind fliessend. Ein reines Höhenmodell bringt wenig. Werden z.B. Höheninformationen für die Ortsplanung verlangt, so benötigt man oft auch Angaben über die Dachlandschaft, ein dreidimensionales Bild zur Eingliederung neuer Bauten. Oder für die Erstellung von Strassenprojekten sind Angaben über Bäche, Mauern, Einfahrten, Entwässerungen etc. unerlässlich. Weitere Anwendungen, wie Sichtbarkeitskarten, Flugkörper-Navigation benötigen Angaben über die Bodenbedeckung (Wald mit Baumhöhen, Höhen von Gebäuden, Türmen und Leitungen). Digitales Situationsmodell (DSM) Es umfasst mit Ausnahme der Topographie alle Elemente der traditionellen topographischen Karte, eine ausgewogene Auswahl aus allen für diese wichtigen Komponenten. Landinformationssystem (LIS) Es beinhaltet alle Komponenten, die direkt mit dem Boden, seiner Nutzung und den sich daraus ergebenden Rechten verbunden sind. 3 Geographisches Informationssystem (GIS) Damit bezeichnet man ein System, in dem auf die Gesamtheit aller raumbezogenen Komponenten zugegriffen werden kann. Durch Kombination von einzelnen bearbeiteten Komponenten entstehen geographische Modelle in fast unbegrenzter Vielfalt. 2. Generelle Ziele der digitalen Kartographie Wieso befasst man sich mit digitaler Kartographie? Was für Zwecken kann sie dienen? Worin liegen die Vorteile digitaler Kartenmodelle? Die traditionelle Betrachtungsweise der Kartographie als Wissenschaft, Technik und Kunst der Herstellung von Karten hat sich in den letzten Jahren erheblich gewandelt. Man definiert die Kartographie heute viel allgemeiner: • Kartographie ist die Vermittlung von raumbezogenen Informationen • Kartographie ist die Wissenschaft und Technologie der Vermittlung von Rauminformationen, normalerweise mittels Karten • Kartographie ist ein Informationsvermittlungsprozess, der sich auf eine räumliche Datenbasis konzentriert, die selber als vielschichtiges Modell der geographischen Realität betrachet werden kann und als Quelle für die ganze Folge kartographischer Prozesse dient, von den erfassten Daten bis zu den verschiedenen Typen von Informationsprodukten. Praxisbezogene Zielsetzungen der digitalen Kartographie • Unterstützung der Neuerstellung von Karten und Plänen, topographischen, wie auch thematischen Inhalts • Unterstützung der Nachführung von Karten und Plänen • Überführen von Kartengraphik in digitale Form für die numerische Weiterverarbeitung (analog/digital-Umsetzung) • Numerische Verarbeitung kartographischer und geographischer Daten • Graphische Ausgabe von digitalen kartographischen oder geographischen Modellen (digital/analogUmwandlung) 3. Verschiedene Strukturen von digitalen Geländemodellen Verschiedene Methoden zur Erfassung von digitalen Höhendaten Die geometrische Struktur eines Höhenmodelles ist von der charakteristischen Punktverteilung abhängig. Diese wiederum ist die Folge der unterschiedlichen Methoden zur Erfassung von Höhen- oder Tiefenkoten. Abb. 2: Unregelmässig verteilte Höhenkoten Abb. 3 Höhenkoten längs Profilen, quer zu einer Achse 4 Abb. 4: Höhenkoten auf regelmässigem Raster Abb. 5: Digitalisierte Höhenkurven Abb. 6: Höhenkoten aus Profilmessung Abb. 7: Gesannte Höhenkurven Abb.8: Tiefenkoten längs beliebigen Profilen (z.B. Echolotung) Abb.9: Höhenerfassung durch Stereobildkorrelation Allen diese verschiedenen Erfassungsmethoden liegen zweckgerichtete Dispositionen zugrunde. So wird die Punktdichte auf die voraussichtliche Verwendung des Geländemodelles abgestimmt. Beispiel: Es sollen u.a. Höhenkurvenpläne 1:1000 mit 1m Äquidistanz erstellt werden, wobei die Höhenfehler nicht mehr als 1/3 der Äquidistanz betragen sollen. Es liegen Erfahrungswerte vor, wobei nach der Feinstruktur des Geländes differenziert wird: Bei relativ ruhigen Geländeformen kann man sich mit 1 Punkt pro Are begnügen, sofern die Bruchkanten mitberücksichtigt werden. 5 Verfahren zur Umwandlung zwischen verschiedenen Datenstrukturen Ableitung eines Quadratrastermodelles aus unregelmässig verteilten Punkten, Höhenkurvenoder Profilpunkten. Es stehen verschiedene Interpolationsverfahren zur Verfügung: • Interpolation aus benachbarten Punkten • Prädiktion nach der Methode der kleinsten Quadrate, mit Filterung • Methode der finiten Elemente • Methode der gleitenden Flächen • Bilineare Interpolation (parabolisches Hyperboloid) Abb.10: Transformation einer unregelmässigen Verteilung auf ein Quadratgitter, wobei die Gewichte, welche die einzelnen Punkte einbringen in reziprokem Verhältnis zum Quadrat der Distanz vom Gitterpunkt gesetzt werden. Rechts eine Variante von ASSISTER mit nur je dem nächsten Punkt in jedem der acht Oktanten. Abb.11: Transformation von Punkten auf Höhenkurven und Profilen auf ein Quadratraster. Auch hier werden von den Gitterpunkten aus die nächsten Punkte gesucht. Ableiten von Höhenkurven aus dem Rastermodell durch Interpolation auf den Maschenlinien Abb.12: Interpolation von Höhenkurven in einem Rastergitter. Durch Interpolation weiterer Zwischenpunkte zwischen den neuen Höhenkurven-Stützpunkten kann der Verlauf geglättet und kurvenartig gestaltet werden. 6 Die Verarbeitung und Datenverwaltung von digitalen Geländemodellen in Rasterform ist relativ bequem. Es muss nur die Gitterauflösung und für jeden Gitterpunkt die Höhe gespeichert werden. Um dieselbe Endgenauigkeit des Modelles zu erreichen wie mit einer polyhedrischen Stützpunktfläche, bestehend aus spezifischen Geländepunkten, müssen für jeden Geländepunkt ca. 15 Gitterpunkte gesetzt werden. Es ist somit viel Redundanz vorhanden. Die Dreiecksvermaschung andererseit erhält alle ursprünglich gemessenen Punkte als Stützpunkte. Ableiten von Höhenkurven aus einem Rastermodell durch Interpolation auf den Maschenlinien Abb.13: Interpolation von Höhenkurven nach ZUMOFEN/LEONI aufgrund von unregelmässig verteilten Punkten. In jedem gemessenen Höhenpunkt wird mit Bezug auf die benachbarten eine Tangentialebene gerechnet. Von Punkt zu Punkt lässt man sie dann einer kubischen Parabel entlanggleiten und mit konstanter Geschwindigkeit drehen. Aus der dreieckigen Fazette zwischen drei Punkten werden 16 Dreiecke gerechnet, welche die Grundlage für die Interpolation der Höhenkurven bilden. Auf eine Reihe anderer Verfahren kann hier nicht weiter eingetreten werden. Als Kuriosum ist zu erwähnen, dass gar nicht so selten das digitale Höhenmodell aus Höhenkurven abgeleitet wird, aus dem DHM dann anderseits wieder Höhenkurven konstruiert werden. Es versteht sich von selbst, dass die beste Höhengrundlage für die Erstellung eines Kurvenplanes oder einer topographischen Karte das ursprüngliche Höhenkurvenbild ist. Höhenkurven oder digitales Geländemodell ? Inwiefern unterstützt ein digitales Höhenmodell die Erstellung und Nachführung von Plänen und Karten? Wenn der Aufbau eines DHM über die Erfassung von Höhenkurven geht (photogrammetrische Kurven, digitalisierte Kurven), dann steht gleichzeitig ein Höhenkurvenbild zur Verfügung. Für die Erstellung des Höhenkurvenbildes eines Übersichtsplanes 1:5000 im Format 70 x 100 cm (17,5 km2) könnte man von einem DHM ausgehen, das für eine Gemeinde auch 1m-Höhenkurven im Massstab 1:1000 auszugeben erlaubt. Für ein Blatt gleichen Formates sind bei einer mittleren Geländeneigung von 6° rund 14000 Höhenpunkte erforderlich. Für den daraus abgeleiteten Übersichtsplan wären das bereits 350000 x,y,zKoordinaten. Der Speicherbedarf für ein einziges solches Blatt, das ungefähr die Fläche einer Gemeinde abdeckt, ist enorm. Dazu kommt das Problem der lückenlosen Erfassung grösserer Räume und der Bereingung aller Nahtstellen. Denn DHMs mit mehr als 30 000 Punkten lassen sich auf den heute üblichen Rechnersystemen nicht mehr in einem Block behandeln. 7 Wie liegen die Verhältnisse bei der Nachführung von Plänen und Karten ? Veränderungen an den Höhenkurvenbildern ergeben sich in den grossen Massstäben vor allem bei Strassenneubauten, bei Aufschüttungen, in Kiesgruben etc., in den kleinern Massstäben bei Felsstürzen und auf den Gletschern. Diese Veränderungen ergeben ein kleinförmiges Fleckenmosaik, das sich für die Verarbeitung über ein laufend nachzuführendes DHM wenig eignet. Der Aufwand zur Bereitstellung eines aktuellen DHM ist relativ gross. Mit Ausnahme von Neubaugebieten sind relativ kleine Flächen von Änderungen betroffen. Wer braucht das DHM für die numerische Verarbeitung ? Vorderhand ist die Nachfrage noch sehr bescheiden. Die Gemeinden wollen primär Höhenkurven für ihre Ortsplanung. Diese Verhältnisse können sich allerdings in absehbarer Zeit ändern. Das DTM als Grundlage für die Herstellung von Orthophotos hat bereits heute eine gewisse Bedeutung. Methoden zur Reduktion der Datenmengen Um eine raschere Verarbeitung zu ermöglichen, wird man bestrebt sein, die Datenmenge nicht grösser zu halten, als für den vorgesehenen Zweck erforderlich. Es geht primär um eine Reduktion der Anzahl Punkte. Häufig kann auch der zu bearbeitende Ausschnitt beschränkt werden. Reduktion der Datenmengen von Höhenkurvenmodellen Sind die Punkte des DHM in Form von Höhenkurven gespeichert, so ist die bequemste Methode die Erhöhung der Äquidistanz. Von den 1m-Höhenkurven im Masstab 1:1000 wird z.B. nur noch jede 5. für den Massstab 1:5000 benötigt. Erinnern wir uns aber in diesem Zusammenhang an die Regeln der traditionellen Kartographie: Um an Genauigkeit nicht zu verlieren, werden bei unregelmässigem Gelände Zwischenkurven eingefügt (Abbildungen 14 und 15). Sobald diese Zwischenkurve von halber Äquidistanz das «Mitteldrittel» zwischen den beiden benachbarten Kurven verlässt, wird die Zwischenkurve eingefügt, resp. müssten in unserm Falle zusätzliche Punkte mitgenommen werden. Auch alle lokalen Kulminationen und Depressionen als singuläre Punkte sollten nicht aufgegeben werden (Abb.15). Als charakteristische Punkte haben sie erhöhte Bedeutung im ganzen Modell. Abb. 14 und 15: Punkte auf Zwischenkurven in unregelmässigem Gelände mitnehmen, sofern sie ausserhalb des «Mitteldrittels» liegen, ebenfalls Kulminationen und Depressionen. In den beiden Beispielen beträgt die normale Äquidistanz z.B. neu 50 m, dazu wird wo notwendig auf der Höhe ..25 oder ..75 eine Zwischenkurve eingefügt. 8 Elimination von Punkten auf den Höhenkurven Für die Reduktion der Zahl der Punkte auf den verbleibenden Höhenkurven sind verschiedene Verfahren üblich: • Beibehalten jedes n-ten Punktes (Abb. 16) • Punktfilterung mit Distanzkriterien (Abb. 17) • Punktfilterung mit Abstandskriterien (Abb. 18) Der n-te Punkt wird mit einer Sehne verbunden und von allen Zwischenpunkten die Abstände zu dieser Sehne festgelegt. Dann wird derjenige Punkt mit dem grössten Abstand beibehalten. Dann wird die Sehne um einen Punkt weitergeschoben, ebenso wenn die Toleranz nicht überschritten wird. Der Nachteil aller dieser Verfahren liegt darin, dass immer nur eine Kurve isoliert betrachtet wird. Reduktion der Datenmengen von Modellen mit unregelmässig verteilten Höhenkoten Versuche in dieser Richtung wurden im Rahmen der Diplomarbeit von Urs WILD 1986/87 unternommen. Abbildung 19 gibt eine Übersicht über sämtliche 1300 aufgenommenen Punkte. Die Punktdichte liegt bei ca. 1 Punkt/Are. Die Abbildung enthält zudem das aus den Massenpunkten und Bruchkantenpunkten gerechnete Höhenkurvenmodell mit 1m Äquidistanz. Die nachfolgende Abbildung 20 zeigt die Dreiecksvermaschung aller mit dem elektronischen Tachymeter aufgenommenen Punkte eines Teilgebietes mit Terrassen in einem grösseren Abhang. Mit interaktiver Elimination von Punkten wurden verschiedene Modelle berechnet. Dabei zeigte sich die grosse Bedeutung, welche den Bruchkanten zukommt. Selbst wenn diese nur relativ schwach mit Punkten besetzt sind, wird das Modell unvergleichlich viel besser als ganz ohne Bruchkanten. Das Modell wird nicht über die Bruchkanten hinaus interpoliert, sodass die Unstetigkeit sich auch im Kurvenbild abzeichnet. Im Falle des Teilgebietes mit starker Hanglage ergab sich, dass in Hangrichtung Punkte ohne grosseren Schaden eliminiert werden können, nicht jedoch in der Richtung des Hanggefälles (Abb. 21). Im flachen Gelände des Gebietes im Norden des Ausschnittes (Abb. 22) wirkte sich die Elimination von Punkten drastisch auf das Erscheinungsbild der Höhenkurven aus, obwohl die Höhengenauigkeit des Modelles nur wenig beeinträchtigt wurde. 9 Abb. 19: Elektronische Tachymeteraufnahme im Gebiet Sulzbach. Aufnahmepunkte und 1m-Höhenkurven im Massstab 1:2000 10 Abb. 20: Dreiecksvermaschung von unregelmässig verteilten Massenpunkten und Bruchkantenpunkten 11 Abb. 21: Effekt der Punktverdünnung in Richtung des Hanges. Die hellen Höhenkurven sind unter Berücksichtigung sämtlicher Punkte berechnet worden, die dunklen mit dem reduzierten Datensatz. Abb. 22: Effekt der Punktverdünnung in flachem Gelände 12 Abb. 23: Höhenkurven mit 1m Äquidistanz, gerechnet aus den 1300 aufgenommenen Punkten im Gebiet Sulzbach, als Deckfolie Topographie kombiniert mit dem Grundbuchplan 1:1000, hier im Massstab 1:2000 wiedergegeben. 13 Abb. 24: Photogrammetrische Auswertung der Höhenkurven mit 1m Äquidistanz, kombiniert mit dem Grundbuchplan 1:1000, hier im Massstab 1:2000 wiedergegeben. 14 Abb.25: Vergleich der photogrammetrisch ausgewerteten Höhenkurven (Bildmassstab 1:10’000) mit den aus der tachymetrischen Aufnahme gerechneten (kräftiger ausgezogen) 15 Reduktion der Datenmengen von Rastermodellen Liegt ein DHM in Form eines Rastermodelles vor, so ergibt sich als einfachste Methode, die Punkte in jeder zweiten Zeile und Spalte wegzulassen. Wie die nachfolgenden Abildungen 26 und 27 zeigen, kann das für das Modell recht schwerwiegende Folgen haben: Abb.26 und 27: Interpolierte Kurven in einem Rastermodell mit 100 % und 25 % Höhenkoten. Durch das zufällige Weglassen von entscheidenden Punkten entsteht ein völlig verändertes Modell. Datenreduktion in Rastermodellen mit Filteroperationen Abb. 28: Berechnung der Werte jeder zweiten Zeile und Spalte mit anteilmässiger Berücksichtigung der umliegenden Punkte durch Anwendung einer 3 x 3 Gewichtsmatrix auf die Vorlage der Abb. 26 Datenreduktion durch Ableiten eines Modelles mit unregelmässiger Verteilung aus einem Rastermodell Dieses Verfahren erlaubt, charakteristische, für das neue Modell bedeutsame Punkte beizubehalten, wie z.B. lokale Minima und Maxima, Bruchkantenpunkte. Sofern diese Punkte nicht einzeln ausgewählt werden, ist allerdings eine aufwendige Analyse unumgänglich. Pinhas YOELI hat ein Verfahren zur Erkennung von Rinnen und Gerippelinien entwickelt, wobei die Bedeutung der einzelnen Linie aufgrund ihrer Länge festgelegt wird. Bildung von Ausschnitten Die Datenmenge wird in den meisten Anwendungen auch dadurch reduziert, dass für die Verarbeitung der DHMs nur beschränkte Ausschnitte benötigt werden. Um ungünstige Randeffekte zu vermeiden soll der Ausschnitt immer etwas grösser als unbedingt notwendig gewählt werden. 16 Solche Randprobleme entstehen auch im Zusammenhang mit Lücken bei Häusern, an Waldrändern oder an der Nahtstelle zwischen aneinandergrenzenden Modellen. Solche Ränder sind für eine allfällige Interpolation singuläre Stellen. Zusammenhängende Höhenkurvenstücke werden auseinandergerissen. Der Kurvenverlauf zwischen diesen Endpunkten ist unklar. Es dürfte sich empfehlen, die Kurven durchzuziehen und sie erst in Kombination mit der Situation mit entsprechenden Masken auszuschneiden. Datenreduktion mit besonderer Berücksichtigung morphologischer Charakteristiken Charakteristiken der Geländeoberfläche, die im graphischen Output erkennbar sein sollten, sind z.B.: • alle Unstetigkeiten der Geländeoberfläche, wie Bruchkanten, Rinnen, Rippen, Gipfelpunkte • unterschiedliche Krümmungsrichtung, konvexe oder konkave Hänge, Mulden oder Rücken • unterschiedliche Krümmungsradien, kleine oder grosse Krümmungsradien, Knicke • unterschiedliche Geländeneigungen, Knicke im Profil, Terrassen, Abrisse • horizontale oder schrägliegende Ebenen • Kulminationen, Depressionen • glatte Geländeoberflächen, rauhe, feingliedrige Geländeoberflächen Die häufigsten Mängel sind: • Künstliche, kantige Formen werden wie natürliche gerundet • Markante Geländekanten werden ausgehobelt, geglättet, sind nicht mehr erkennbar • Zusammenhängende Formen werden auseinandergerissen, z.B. durchgehende Rinnen Abb. 29: Einige Beispiele von Höhenkurvenbildern mit morphologischen Mängeln 4. Interaktive Bearbeitung von Geländemodellen Interaktivität in der digitalen Kartographie Die Kartenbilder werden auf dem Bildschirm sichtbar gemacht. Die visuelle Beurteilung erlaubt, Mängel spontan zu erkennen. Sodann können die notwendigen Korrekturen veranlasst werden. Ihre Auswirkung kann wiederum sofort überprüft werden. Diese Reaktionszeiten des graphischen Systems sollen bei der interaktiven Arbeit möglichst kurz sein. Innert Sekunden soll das Resultat der getroffenen Massnahmen sichtbar sein. Je nach Arbeitstypus wird man allerdings verschiedene Korrekturen gleichzeitig vornehmen und nur von Zeit zu Zeit das Resultat der gesamten Bereinigung überprüfen. 17 Mit neueren Graphiksystemen können die Veränderungen laufend verfolgt und beurteilt werden, sofern der Rechenaufwand, der durch eine solche Änderung hervorgerufen wird, nicht extrem hoch ist. Bei Höhenkurvenmodellen kann das Ergebnis einer Kurvenverschiebung unmittelbar beurteilt werden. Anders bei einem Rastermodell, wo die Veränderung einer Kote einen längeren Rechenprozess auslöst, bis die neu gerechneten Höhenkurven oder Perspektiven wieder sichtbar werden. Interaktive Bearbeitung von Höhenkurvenmodellen Korrekturen am Höhenkurvenmodell sind unmittelbar sichtbar. Sie ist besonders geeignet für die Vornahme morphologischer Korrekturen. Höhenkurven können an die Situation angepasst werden, z.B. • Strassenübergänge, Fluss- und Bachquerungen, Verläufe längs von Mauern etc.(siehe Abb.29) • Akzentuierung von gewissen Formen, wie Terrassenkanten, Abrisse, Rinnen über mehrere Kurven hinweg • Elimination grober Kotenfehler, unmögliche Kurvenverläufe • Fehlende Höhenkurven Interaktive Bearbeitung von Rastermodellen Wesentlich schwieriger ist es, ein Rasterkotenfeld zu bereinigen. Eine direkt anschauliche Überprüfung ist nicht so leicht möglich. Ein oft eingeschlagener Weg besteht darin, eine Schrägperspektive aufzuzeichnen. Grobe Fehler lassen sich darin erkennen (Abb.30). Bei relativ geringen Änderungen weiss man aber a priori nicht, wie sie sich im Höhenkurvenbild auswirken werden. Jede Änderung führt zu relativ umfangreichen Massnahmen: Zuerst muss ein Einflussbereich eines Fehlers abgeschätzt werden und der entsprechende Ausschnitt aus dem Modell zusammengestellt werden. Denn man möchte nicht wegen geringfügigen Änderungen, das ganze Modell neu berechnen. Nach der Vornahme der Änderung ist der Ausschnitt wieder einzufügen. Erst dann können die Auswirkungen der Korrektur überprüft werden. An den Ausschnittsrändern können bei ungeeigneter Disposition Unstetigkeiten entstehen. Abb. 30: Perspektiv-Ausschnitt «Zürichsee» aus einem digitalen Geländemodell, das aus einem Stereomodell mit Bildern aus der Large Format Camera (Bildmassstab 1: 800’000) abgeleitet wurde.
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