呂升

摘 要：根據(jù)安徽省的實際情況，設(shè)計和實現(xiàn)了分級的地理信息數(shù)據(jù)庫GIS，簡單易用、功能良好。該系統(tǒng)不僅可以對地理信息中的空間數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)進行前期處理，而且可以對后臺數(shù)據(jù)庫進行高速的訪問和更新，在安徽省土地調(diào)查過程中發(fā)揮了重要的作用，成為科學(xué)規(guī)劃土地利用和城市發(fā)展的眼睛和大腦。

關(guān)鍵詞：土地調(diào)查；數(shù)據(jù)存儲；分級地理信息數(shù)據(jù)庫；GIS

中圖分類號 F301.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）12-138-03

Abstract：The design of hierarchical geographic information database in this paper is easy to use，with good function geographic information systems according to the current situation of Anhui province. The system can not only use geographic information in spatial data and vector data for pre-processing，and high-speed back-end database can access and update. And it played an more and more important role in land survey in Auhui province，becoming the eye and brain of the government to good planning of land use and urban development.

Key words：Land survey；Data storage；Hierarchical geographic information database；Geographic information system

目前對于土地的管理都是基于地圖的，而且使用的基本上是紙質(zhì)地圖，長期使用紙質(zhì)地圖，效率非常低下，變更和存檔需要耗費大量的人力和物力。過去受到衛(wèi)星影像識別和GIS不夠成熟的限制，一直沒有統(tǒng)一的地理信息數(shù)據(jù)庫和GIS來管理。目前，將所有的地形圖、土地利用圖以地理信息數(shù)據(jù)庫的方式存儲和使用成為最重要的任務(wù)。在新的一輪土地調(diào)查過程中，建立一套完整的地理信息數(shù)據(jù)庫，為國土資源管理工作提供GIS平臺，成為迫在眉睫的需求。從某種意義上說，GIS和地理信息數(shù)據(jù)庫，是科學(xué)規(guī)劃土地利用和城市發(fā)展的眼睛和大腦，為制定相關(guān)的路線、方針、政策提供技術(shù)保障和智力支持。

1 GIS數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和實現(xiàn)

1.1 地理信息數(shù)據(jù)庫的需求分析 按照國家土地調(diào)查辦的要求，安徽省國土資源主管部門負責安徽省的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，主要任務(wù)如下：（1）數(shù)據(jù)進入地理信息數(shù)據(jù)庫前的預(yù)處理；（2）通過預(yù)處理的數(shù)據(jù)簡單的放到地理信息數(shù)據(jù)庫中按照圖層來存儲；（3）將16個市分開，每個市擁有的縣區(qū)歸類在一起，將這些數(shù)據(jù)按照圖層編輯到一個統(tǒng)一的中間數(shù)據(jù)庫中；（4）將16個市級數(shù)據(jù)庫在按照層次導(dǎo)入一個更大的數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過查錯與修改以后，形成全省的層次數(shù)據(jù)庫，并備份；（5）最后，生成市級數(shù)據(jù)庫，按照縮略圖和每個市的行政界線，省級數(shù)據(jù)庫將16個市的數(shù)據(jù)依次提取出來，分別生成16個市的市級地理信息數(shù)據(jù)庫，至此，數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作完成。

1.2 地理信息數(shù)據(jù)庫的概要設(shè)計 基于上述需求分析，對需要建設(shè)的地理信息數(shù)據(jù)庫有了總體的認識。下面我們針對系統(tǒng)功能進行分解和概要設(shè)計。

1.2.1 系統(tǒng)任務(wù) 按照國務(wù)院土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫建設(shè)標準，以縣（區(qū)）為單位組織來開展土地利用數(shù)據(jù)庫建設(shè)，針對土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、土地權(quán)屬數(shù)據(jù)和基本農(nóng)田等數(shù)據(jù)進行分類和管理，以滿足省級匯總及縣級變更等基本業(yè)務(wù)需要，提供對各級土地地塊到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計匯總、查詢檢索、及時調(diào)用、定期備案和分析輸出等功能。

1.2.2 系統(tǒng)要求 （1）建立省、市、縣3級農(nóng)村土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫；（2）建立省、市2級農(nóng)村土地調(diào)查數(shù)據(jù)中心；（3）建立省、市、縣3級農(nóng)村土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1.2.3 數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu) 農(nóng)村土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫囊括省、市、縣3級數(shù)據(jù)庫?？h級數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫體系的基礎(chǔ)，它是通過外業(yè)調(diào)查、數(shù)據(jù)加工處理、數(shù)據(jù)庫建設(shè)實現(xiàn)，市級數(shù)據(jù)庫是以縣級數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)整合而成，省級數(shù)據(jù)庫則是綜合考慮市級和縣級數(shù)據(jù)庫成果，進而整合與縮編而形成的最終的總體數(shù)據(jù)。

1.3 地理信息數(shù)據(jù)庫的詳細設(shè)計和實現(xiàn) 數(shù)據(jù)庫和最底層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器僅僅放在市一級，各縣區(qū)只配備數(shù)據(jù)庫客戶端相關(guān)軟件，通過專線網(wǎng)絡(luò)訪問上一級數(shù)據(jù)庫。這種C/S和B/S的混合模式符合安徽省的實際情況，可以將這2種模式的優(yōu)勢發(fā)揮到最大，劣勢限制到最小。為了管理的方便和效率的考慮，構(gòu)建對應(yīng)面積、權(quán)屬、數(shù)字等數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫。其中空間連接部分是交由基本控制數(shù)據(jù)構(gòu)成?；究刂茢?shù)據(jù)包含了對圖幅信息的說明與索引，有些還包含市區(qū)或縣區(qū)的縮略圖。另外，一些控制信息如圖幅名稱、控制點數(shù)、標識點數(shù)、節(jié)點數(shù)、弧段數(shù)、圖層數(shù)等也是必不可少的。數(shù)據(jù)庫表中的每一條記錄都對應(yīng)圖形中的一個面域?qū)嶓w，這種一一對應(yīng)的連接關(guān)系是通過一個連接代碼（linkage）來實現(xiàn)的。該代碼是GIS在搜索面域并生成面域?qū)嶓w后，在已經(jīng)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫對應(yīng)表中自動生成的，與此同時，圖形實體也將其對應(yīng)的屬性內(nèi)容進行描述，從而真正形成GIS的空間連接。

2 GIS系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 GIS系統(tǒng)的需求分析 系統(tǒng)登陸要求實現(xiàn)一體化的界面，具體底層實現(xiàn)對用戶是透明的，用戶并不需要知道系統(tǒng)到底是通過C/S還是B/S架構(gòu)連接到地理信息數(shù)據(jù)庫。修改和編輯數(shù)據(jù)庫的任務(wù)放在市一級，而且只有市級才能更改，縣級只能提出申請，而省級僅僅負責審核。更改數(shù)據(jù)庫的任務(wù)全部放在市級，通過16個市的市級數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和省級數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步來實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)一致性。endprint

2.2 GIS系統(tǒng)的概要設(shè)計

2.2.1 權(quán)限管理 要求采用模擬省國土資源管理部門到市縣的行政結(jié)構(gòu)的方法。具體實現(xiàn)采用類似Windows組權(quán)限和父類子類權(quán)限的模式，但是要加上一個審核模式。省級擁有最高權(quán)限，可以查詢所有市縣的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，各個縣對數(shù)據(jù)庫的更改都要先上報市級國土資源管理部門，再由市級的地理信息系統(tǒng)管理員更改以后上報省國土廳，經(jīng)過省級的審核批準后，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容才可以發(fā)生變化。總體上來說，每個級別的變更都要上一級別的審核和批準。

2.2.2 GIS系統(tǒng)模塊及功能劃分 系統(tǒng)最終為一個管理分級的地理信息數(shù)據(jù)庫的GIS，管理的數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)為主，和普通信息管理系統(tǒng)有一定的區(qū)別。它要求能顯示土地利用現(xiàn)狀及變化情況，包含位置、分布、地類、面積等狀況，能將地理信息數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)為主，文字數(shù)據(jù)和普通數(shù)學(xué)數(shù)字一起導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，并且可以提供地圖圖層管理、查詢和匯總功能，以及地圖的漫游等功能。本系統(tǒng)劃分為“編輯”、“文件”、“圖層管理”、“瀏覽”、“顯示”、“統(tǒng)計報表”、“查詢”、“系統(tǒng)維護”和“幫助”等功能模塊.

2.3 GIS系統(tǒng)的詳細設(shè)計和實現(xiàn) 在系統(tǒng)中實行空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的分表存儲，2個表之間通過關(guān)聯(lián)字段連接。查詢和檢索是用戶與GIS交互中常用到的最基本操作，對空間數(shù)據(jù)的查詢通常要用到坐標數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)和拓撲數(shù)據(jù)等。對土地資源進行空間分析是土地管理和決策的一種手段，本系統(tǒng)提供了相應(yīng)的空間分析功能?？臻g分析的分析對象是查詢的結(jié)果。通過使用SQL查詢語言，來查詢滿足要求的內(nèi)容，并把這些查詢內(nèi)容當成是一個結(jié)果集，然后根據(jù)這個結(jié)果集建立查詢的緩沖區(qū)。利用緩沖區(qū)的范圍和地類情況對土地的開發(fā)和規(guī)劃等進行空間分析。

2.4 面積計算模塊需求 土地各地類面積是各級政府對土地資源進行具體管理的重要依據(jù)，也是稅收、房地產(chǎn)評估與交易、城鎮(zhèn)規(guī)劃等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在針對矢量圖進行處理時，面積的精確計算顯得尤為重要。由于圖片是以像素點作為基本儲存單位的，可以看著由若干正方形組成的柵格，當然，如果直接用柵格數(shù)據(jù)進行求和，從而計算出來的是圖形所覆蓋的像素點個數(shù)，這樣會造成巨大的誤差。因此，想要求出準確的面積值可以對像素點進行分析，再通過數(shù)值計算方法中的“擬合法”擬合出相應(yīng)的曲線，隨后再進行面積量算，這樣會大大減少面積累加中的誤差。

2.5 面積計算模塊需求概要設(shè)計

2.5.1 面積計算分類

2.5.1.1 離散點構(gòu)成的圖形面積計算 傳統(tǒng)土地測量方法是在一片地域內(nèi)實現(xiàn)的，于區(qū)域邊界處選擇若干個離散特征點。對于曲邊的地域來說，要想得到較為精確的輪廓，就需要通過增加界址點數(shù)量來實現(xiàn)這個目標。這樣的操作，當面對較大的地域時，問題的復(fù)雜程度會呈幾何級數(shù)增加。在測量好界址點以后，將這些點直接作為多邊形頂點，通過計算多邊形的面積來較為粗略的計算地域的面積。當然，如果通過對其中的點進行曲線擬合，從而得到曲線邊緣，這樣就可以通過內(nèi)插點的方法來增加面積計算的精度，同樣，還可以采用直接積分的方法來進行面積計算。

2.5.1.2 連續(xù)點所圍成的圖形面積計算方法 由于科技的進步，目前我國對土地的測量早已不局限于人工測量，在統(tǒng)計地理信息時，一般采用航空攝影來取得地表的基本信息。首先，取得一定精度的地表信息圖，經(jīng)過預(yù)處理以后，再采用人工描點的方法來描繪不同地域的邊界，然后通過GIS為各個圖元進行地類屬性添加。而得到較為精確且圖形連續(xù)外觀平滑的地域輪廓，是精確計算土地區(qū)域面積的先決條件。

2.5.2 簡單統(tǒng)計像素點求面積方法

2.5.2.1 統(tǒng)計像素點數(shù)求面積 在土地調(diào)查中，碰到的圖形基本上都是不規(guī)則的幾何圖形，只要能夠找到一個數(shù)出圖形中所有像素點的辦法，就能得到任意一個屏幕上圖形的面積。為此，可以從圖形中某一個具體的點開始，按照某種算法遍歷其中所有的像素點，只要能保證每一點能被訪問且只被訪問一次，那么顯然就能求出整個圖形的面積。

2.5.2.2 利用棧計算面積 將封閉圖形視為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面的圖，是由其中一個像素點作為圖頂點，且相鄰2點之間有線相連的連通域。因此，可以用圖的遍歷算法來遍歷整個圖形的覆蓋區(qū)域，然后統(tǒng)計圖頂點也就是像素點的個數(shù)。而根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法所介紹的，圖的遍歷分為深度優(yōu)先遍歷和廣度優(yōu)先遍歷2種，因此使用?？梢阅M深度優(yōu)先遍歷。

2.5.2.3 利用隊列計算面積 其類似于棧計算面積的算法，也可以用隊列進行遍歷，使用隊列與使用棧的區(qū)別在于一個為深度優(yōu)先遍歷，另一個為廣度優(yōu)先遍歷。當然，這是由棧是先進先出，而隊列是先進后出的特點決定的。

2.5.2.4 逐行遍歷面積計算法 首先對一個封閉圖形區(qū)域進行逐行掃描，在每一行中，將每個奇數(shù)次掃描到的圖形邊界視為進入圖形內(nèi)部，而偶數(shù)次掃描到的圖形邊界則視為離開圖形范圍，而且，圖形內(nèi)部像素點也要參與計數(shù)。雖然這種方式消耗小，但是對于一些特殊的邊界如鋸齒形的權(quán)屬界線情況就需要通過特殊處理來解決。因為在這種情況下，算法可能會變得特別復(fù)雜，目前尚未對其作深入探討。

2.6 面積計算模塊需求詳細設(shè)計

2.6.1 輸入圖像 通過計算機模擬用戶的使用情況，從圖像中選取某一點，求其所在的最小封閉圖形面積。因為在GIS內(nèi)，點、線、面在地理信息數(shù)據(jù)庫里都是有屬性的存在，所以可以直接選中一個有屬性的封閉圖形，每一個封閉圖形可以看成是獨立的閉合多邊形。我們就可以將這樣的輸入看成是一個封閉的圖形，以及圖形內(nèi)的一個探索起始點。筆者在分析與初步試驗中選擇了用BMP格式圖片作為圖形輸入源。

2.6.2 圖形區(qū)域掃描 GIS中求面積時，如果把矢量圖中如道路或者河流之類的線作為邊界，在面積計算中是要扣除這塊面積的。對于那些無屬性的邊界（這種分界線在圖形中一般寬度不會太大），就應(yīng)該以它的軸線作為圖形邊界。為了簡化和算法的統(tǒng)一，在試驗中將邊界線都作為圖形覆蓋域的一個部分。endprint

2.6.3 圖形分割及判斷 對于每條曲線來說，將它的2個端點進行連線，就可以構(gòu)成一個封閉區(qū)域，也即把圖形進行增補或剪裁，使的曲邊變成直邊。由于曲邊是通過擬合形成的，所以曲邊的所有點必然在2個端點連線的一側(cè)。如果連線在原來圖形內(nèi)部，則通過曲邊改直邊的方法會去掉這一部分面積，最后在面積累加的時候，要把這部分面積給補上；反之，如果直線在原來圖形外側(cè)，在面積匯總的時候，則要扣除這部分的面積。

2.6.4 分割曲面面積計算 已知圍成圖形的曲線方程，最精確的面積計算方法是高等數(shù)學(xué)中學(xué)到的積分法，這樣計算出來的圖形面積誤差很小，精度很高。但是這種方法需要變量代換，處理起來很非常麻煩，所以可以考慮使用簡化算法。根據(jù)數(shù)值計算方法中提供的算法，按照定積分的定義，用直線[x=xi（i=0，...，n）]把曲邊圖形分成n個小豎條，當區(qū)間[[xi-1，xi]]都統(tǒng)一的趨近于0時，分割成的曲邊梯形面積之和就是這個圖形的面積，也就是積分的結(jié)果。按照上述方法，將x軸分成n段，n越大則面積計算的精度就會越高。先通過曲面分割的算法判斷曲線部分在直線的哪一邊（即取曲線上除端點以外的任意一點，帶入直線方程的一邊，看方程2邊的大小關(guān)系），隨后將[x=xi]帶入二次曲線方程和直線方程中。

2.6.5 面積累加 根據(jù)分割而成的各個曲邊圖形部分的面積，以及對其應(yīng)當增加或者扣除面積的判定，將所求出來的這些面積與多邊形面積進行疊加，就可以求出最終的面積。

3 結(jié)語

目前，安徽省第二次土地調(diào)查縣級數(shù)據(jù)庫建設(shè)已經(jīng)全面完成，所有土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)已經(jīng)全部數(shù)字化，統(tǒng)一使用的GIS系統(tǒng)采用了國家統(tǒng)一規(guī)定的數(shù)據(jù)庫標準，這樣統(tǒng)一、標準化的數(shù)據(jù)庫標準為市級乃至省級數(shù)據(jù)庫的建設(shè)做好了準備。這次開發(fā)的地理信息系統(tǒng)和地理信息數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫分級以及C/S和B/S的混合架構(gòu)，同時做到了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負載平衡，合理的安排并發(fā)訪問。

參考文獻

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[2]國土資源部.第二次土地調(diào)查規(guī)程[M].北京：科學(xué)出版社，2007：4-20.

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[6]張斌.基于ArcGISEngine的GIS開發(fā)技術(shù)探討[J].武漢大學(xué)研究生學(xué)報，2006，6（2）：1-3.

[7]吳立新，史文忠.GIS原理與算法[M].北京：科學(xué)出版社，2003：88-94. （責編：張宏民）endprint

2.6.3 圖形分割及判斷 對于每條曲線來說，將它的2個端點進行連線，就可以構(gòu)成一個封閉區(qū)域，也即把圖形進行增補或剪裁，使的曲邊變成直邊。由于曲邊是通過擬合形成的，所以曲邊的所有點必然在2個端點連線的一側(cè)。如果連線在原來圖形內(nèi)部，則通過曲邊改直邊的方法會去掉這一部分面積，最后在面積累加的時候，要把這部分面積給補上；反之，如果直線在原來圖形外側(cè)，在面積匯總的時候，則要扣除這部分的面積。

2.6.4 分割曲面面積計算 已知圍成圖形的曲線方程，最精確的面積計算方法是高等數(shù)學(xué)中學(xué)到的積分法，這樣計算出來的圖形面積誤差很小，精度很高。但是這種方法需要變量代換，處理起來很非常麻煩，所以可以考慮使用簡化算法。根據(jù)數(shù)值計算方法中提供的算法，按照定積分的定義，用直線[x=xi（i=0，...，n）]把曲邊圖形分成n個小豎條，當區(qū)間[[xi-1，xi]]都統(tǒng)一的趨近于0時，分割成的曲邊梯形面積之和就是這個圖形的面積，也就是積分的結(jié)果。按照上述方法，將x軸分成n段，n越大則面積計算的精度就會越高。先通過曲面分割的算法判斷曲線部分在直線的哪一邊（即取曲線上除端點以外的任意一點，帶入直線方程的一邊，看方程2邊的大小關(guān)系），隨后將[x=xi]帶入二次曲線方程和直線方程中。

2.6.5 面積累加 根據(jù)分割而成的各個曲邊圖形部分的面積，以及對其應(yīng)當增加或者扣除面積的判定，將所求出來的這些面積與多邊形面積進行疊加，就可以求出最終的面積。

3 結(jié)語

目前，安徽省第二次土地調(diào)查縣級數(shù)據(jù)庫建設(shè)已經(jīng)全面完成，所有土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)已經(jīng)全部數(shù)字化，統(tǒng)一使用的GIS系統(tǒng)采用了國家統(tǒng)一規(guī)定的數(shù)據(jù)庫標準，這樣統(tǒng)一、標準化的數(shù)據(jù)庫標準為市級乃至省級數(shù)據(jù)庫的建設(shè)做好了準備。這次開發(fā)的地理信息系統(tǒng)和地理信息數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫分級以及C/S和B/S的混合架構(gòu)，同時做到了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負載平衡，合理的安排并發(fā)訪問。

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[7]吳立新，史文忠.GIS原理與算法[M].北京：科學(xué)出版社，2003：88-94. （責編：張宏民）endprint

2.6.3 圖形分割及判斷 對于每條曲線來說，將它的2個端點進行連線，就可以構(gòu)成一個封閉區(qū)域，也即把圖形進行增補或剪裁，使的曲邊變成直邊。由于曲邊是通過擬合形成的，所以曲邊的所有點必然在2個端點連線的一側(cè)。如果連線在原來圖形內(nèi)部，則通過曲邊改直邊的方法會去掉這一部分面積，最后在面積累加的時候，要把這部分面積給補上；反之，如果直線在原來圖形外側(cè)，在面積匯總的時候，則要扣除這部分的面積。

2.6.4 分割曲面面積計算 已知圍成圖形的曲線方程，最精確的面積計算方法是高等數(shù)學(xué)中學(xué)到的積分法，這樣計算出來的圖形面積誤差很小，精度很高。但是這種方法需要變量代換，處理起來很非常麻煩，所以可以考慮使用簡化算法。根據(jù)數(shù)值計算方法中提供的算法，按照定積分的定義，用直線[x=xi（i=0，...，n）]把曲邊圖形分成n個小豎條，當區(qū)間[[xi-1，xi]]都統(tǒng)一的趨近于0時，分割成的曲邊梯形面積之和就是這個圖形的面積，也就是積分的結(jié)果。按照上述方法，將x軸分成n段，n越大則面積計算的精度就會越高。先通過曲面分割的算法判斷曲線部分在直線的哪一邊（即取曲線上除端點以外的任意一點，帶入直線方程的一邊，看方程2邊的大小關(guān)系），隨后將[x=xi]帶入二次曲線方程和直線方程中。

2.6.5 面積累加 根據(jù)分割而成的各個曲邊圖形部分的面積，以及對其應(yīng)當增加或者扣除面積的判定，將所求出來的這些面積與多邊形面積進行疊加，就可以求出最終的面積。

3 結(jié)語

目前，安徽省第二次土地調(diào)查縣級數(shù)據(jù)庫建設(shè)已經(jīng)全面完成，所有土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)已經(jīng)全部數(shù)字化，統(tǒng)一使用的GIS系統(tǒng)采用了國家統(tǒng)一規(guī)定的數(shù)據(jù)庫標準，這樣統(tǒng)一、標準化的數(shù)據(jù)庫標準為市級乃至省級數(shù)據(jù)庫的建設(shè)做好了準備。這次開發(fā)的地理信息系統(tǒng)和地理信息數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫分級以及C/S和B/S的混合架構(gòu)，同時做到了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負載平衡，合理的安排并發(fā)訪問。

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