高分辨率遙感衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司　許繼爽　王詩奎 楊鶴猛 王兵

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高分辨率遙感衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司許繼爽王詩奎 楊鶴猛 王兵

本文首先介紹了近年來國內(nèi)外高分辨率衛(wèi)星發(fā)展情況，其次，以廣東地區(qū)為例，從空間分辨率和時(shí)間分辨率兩方面，進(jìn)行了高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用能力分析，然后從臺(tái)風(fēng)、地質(zhì)、洪澇、林火和環(huán)境五個(gè)方面，分別選取典型應(yīng)用案例，闡明了高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮的作用，最后對我國高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

引言

我國地域遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，是災(zāi)害發(fā)生頻率較高的國家之一。近幾年地質(zhì)活動(dòng)和氣候變化引發(fā)的地質(zhì)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害較為頻繁，引起了人們對災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的極大重視。重大災(zāi)害大多具有突發(fā)性強(qiáng)、波及面廣、危害性大等特點(diǎn)，要求在災(zāi)害發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，提供災(zāi)區(qū)現(xiàn)狀和評估的信息，由于災(zāi)害本身造成的通信中斷、交通設(shè)施毀壞等多方面影響，導(dǎo)致在大型災(zāi)害發(fā)生時(shí)很難通過常規(guī)手段獲取災(zāi)區(qū)的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而影響救援工作的進(jìn)行。遙感技術(shù)的出現(xiàn)，特別是高分辨率衛(wèi)星的快速發(fā)展，為我們提供了一種在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域獲取實(shí)時(shí)信息的可靠手段，為減災(zāi)救災(zāi)工作決策提供重要依據(jù)。

高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在其空間分辨率高、覆蓋能力強(qiáng)和時(shí)間分辨率高等優(yōu)勢。在災(zāi)害發(fā)生前，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以不斷提供關(guān)于自然災(zāi)害發(fā)生背景和條件的大量信息，有助于圈定某些災(zāi)害可能發(fā)生的地區(qū)、時(shí)段及危害程度，采取必要的防災(zāi)措施，減輕災(zāi)害造成的損失；高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在災(zāi)害發(fā)展過程中進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測，可以不斷監(jiān)測災(zāi)害進(jìn)程和態(tài)勢，及時(shí)把信息傳輸?shù)礁骷?jí)抗災(zāi)指揮機(jī)關(guān)，幫助他們有效地組織抗災(zāi)活動(dòng)；在成災(zāi)以后，基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以在大范圍內(nèi)迅速、準(zhǔn)確地對災(zāi)害造成的損失進(jìn)行災(zāi)情評估，以便及時(shí)組織救災(zāi)、恢復(fù)生產(chǎn)、重建家園等[1,2]。

一、高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用能力分析

由于重大災(zāi)害大多具有突發(fā)性強(qiáng)、波及面廣、危害性大等特點(diǎn)，對其應(yīng)急監(jiān)測必須在短時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，要求災(zāi)害發(fā)生前對災(zāi)害做出估計(jì)，及時(shí)發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息，為災(zāi)前準(zhǔn)備爭取寶貴的時(shí)間；在災(zāi)害發(fā)生中動(dòng)態(tài)監(jiān)測其進(jìn)展和態(tài)勢，從宏觀上獲取受災(zāi)范圍、受災(zāi)程度、交通運(yùn)輸狀況等信息給各級(jí)抗災(zāi)指揮機(jī)關(guān)，作為搶險(xiǎn)救災(zāi)的準(zhǔn)確依據(jù)；在災(zāi)后快速尋找并定位倒塌房屋、損毀道路、堵塞河道、受損農(nóng)田、滑坡、林火和泥石流等災(zāi)情的位置，評估災(zāi)害影響的范圍和程度，作為制定救災(zāi)重建方案的重要依據(jù)。為滿足上述災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后應(yīng)急監(jiān)測的要求，衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域必須具有高空間分辨率和高時(shí)間分辨率，現(xiàn)就應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)b感影像的空間分辨率和時(shí)間分辨率要求進(jìn)行總結(jié)，并針對國內(nèi)的高分辨率衛(wèi)星，以廣東地區(qū)為例進(jìn)行覆蓋能力的仿真分析，來進(jìn)行高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用能力分析。

1．空間分辨率

遙感影像的空間分辨率是指每個(gè)像元所代表的地面實(shí)際范圍的大小。不同的應(yīng)急監(jiān)測事件對遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率有不同的需求，其中，對于洪澇災(zāi)害監(jiān)測、林火災(zāi)害等宏觀觀測來講，空間分辨率要求相對較低；對于定位精度要求較高的行業(yè)如災(zāi)后變化監(jiān)測等需要的數(shù)據(jù)分辨率較高，表1具體給出了應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像空間分辨率的要求[3]。

表1　應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像空間分辨率的要求

近年來，隨著衛(wèi)星空間分辨率的逐步提高、米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的陸續(xù)普及，使得高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)空間分辨率的要求，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。

2．時(shí)間分辨率

時(shí)間分辨率指遙感影像對同一地區(qū)重復(fù)覆蓋的頻率，即多長時(shí)間可以重復(fù)獲得一次新的遙感信息。不同的應(yīng)急監(jiān)測事件對遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率有不同需求，對于作物長勢監(jiān)測、自然和人為污染等監(jiān)測，時(shí)間分辨率的要求相對較低，一般為幾天到幾周的時(shí)間；對于重大自然災(zāi)害如森林火災(zāi)和大面積洪澇災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測，需要具有高時(shí)間分辨率的衛(wèi)星遙感影像，表2具體給出了應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像時(shí)間分辨率的要求[4]。

近年來，高空間分辨率遙感探測器的成像時(shí)間周期顯著縮短，重復(fù)軌道周期一般在1～3天之內(nèi)，能夠在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次要求的時(shí)間內(nèi)及時(shí)做出反應(yīng)，滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)b感數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率的需求。

表2　應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次對遙感圖像時(shí)間分辨率的要求

近年來，高空間分辨率遙感探測器的成像時(shí)間周期顯著縮短，重復(fù)軌道周期一般在1～3天之內(nèi)，能夠在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域不同研究層次要求的時(shí)間內(nèi)及時(shí)做出反應(yīng)，滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)b感數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率的需求。

3．國內(nèi)高分辨率遙感衛(wèi)星覆蓋能力仿真分析

高分辨率遙感圖像一般指的是圖像的空間分辨率在10m以內(nèi)的航空、航天遙感圖像數(shù)據(jù)[5]。目前國內(nèi)在軌的高分辨率遙感衛(wèi)星主要為GF-1、GF-2、ZY-3等，另外ZY-1 04、ZY-1 02C等衛(wèi)星的空間分辨率也都達(dá)到了10m，可以作為有力的數(shù)據(jù)補(bǔ)充。現(xiàn)以廣東地區(qū)為例，對國內(nèi)高分辨率遙感衛(wèi)星的覆蓋能力進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖1所示。目前廣東省有大約一半的城市衛(wèi)星時(shí)間覆蓋能力大約為8～16小時(shí)，小部分城市區(qū)域的衛(wèi)星時(shí)間覆蓋能力為16～24小時(shí)，其余城市的光學(xué)衛(wèi)星影像重訪時(shí)間要大于24小時(shí)，其中包括了廣州市、珠海市、韶關(guān)市等幾個(gè)較為重要的城市。由仿真結(jié)果可知高分辨率衛(wèi)星能夠在短時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，并滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)時(shí)間分辨率的需求；所用衛(wèi)星的空間分辨率均優(yōu)于10m，部分地區(qū)空間分辨率優(yōu)于米級(jí)，可滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)空間分辨率的需求。

圖1　廣東地區(qū)國內(nèi)高分辨率遙感衛(wèi)星覆蓋能力分析

2020年我國在軌的高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)量會(huì)大大增加，包括GF-5、GF-6、GF-7等，高分辨率衛(wèi)星應(yīng)用與應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的能力將進(jìn)一步增強(qiáng)。以廣東地區(qū)為例，2020年高分辨率衛(wèi)星覆蓋能力分析如圖2所示。到2020年，廣東省全省各地區(qū)均滿足8小時(shí)覆蓋能力；空間分辨率能夠達(dá)到優(yōu)于2m的水平，可滿足應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)時(shí)間分辨率、空間分辨率的需求，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的能力也有了大幅度提升。

圖2　2020年廣東地區(qū)高分辨率遙感衛(wèi)星覆蓋能力分析

二、高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用案例

高分辨率遙感衛(wèi)星具有觀測范圍廣、時(shí)效快、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、不受自然條件和地域條件限制等特點(diǎn)，應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，能夠?yàn)闉?zāi)害預(yù)警、監(jiān)測、評估、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害救助、恢復(fù)重建等決策提供信息支持，現(xiàn)主要從臺(tái)風(fēng)、地質(zhì)、洪澇、林火和環(huán)境五個(gè)方面的典型應(yīng)用闡明高分辨率衛(wèi)星在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的作用。

1．臺(tái)風(fēng)災(zāi)害

臺(tái)風(fēng)災(zāi)害具有巨大的破壞力，與之相伴的暴雨和風(fēng)暴潮往往會(huì)引起洪水暴發(fā)等次生災(zāi)害[6]。高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在臺(tái)風(fēng)應(yīng)急監(jiān)測中，可以跟蹤臺(tái)風(fēng)的形成和發(fā)展，確定其中心位置，監(jiān)測實(shí)時(shí)的移動(dòng)方向和速度，估計(jì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和登陸的時(shí)間地點(diǎn)，提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)[7]，并為災(zāi)后救援、災(zāi)害評估和災(zāi)后重建等提供重要的空間信息支持。福建省利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等作為數(shù)據(jù)支持，建立起一套防臺(tái)風(fēng)風(fēng)情實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，有效減少了災(zāi)害中人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失[8]。2014年“威爾遜”登陸華南沿海地區(qū)后，相關(guān)部門采用高分一號(hào)、資源三號(hào)、資源一號(hào)02C等高分衛(wèi)星進(jìn)行應(yīng)急觀測，較快了解臺(tái)風(fēng)推進(jìn)情況和受災(zāi)區(qū)域范圍，為災(zāi)后救援、災(zāi)害評估和重建等提供了重要的空間信息支持。

2．地質(zhì)災(zāi)害

地質(zhì)災(zāi)害主要是地震方面的災(zāi)害，具有時(shí)間上的隨意性、地域上的不確定性及快速變化等特點(diǎn)[9]。高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測主要體現(xiàn)在從空間視角快速獲取大范圍災(zāi)害信息、地震災(zāi)損快速評估，能夠快速綜合判定地震災(zāi)區(qū)范圍、重要救援目標(biāo)、道路通行狀況、確定救援路線等，為災(zāi)情速報(bào)、損失評估和抗震救災(zāi)決策提供有力依據(jù)?！?·12”汶川地震發(fā)生后，由高分辨率遙感衛(wèi)星和通信衛(wèi)星組成的“太空救援隊(duì)”進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測，為救災(zāi)指揮、災(zāi)害評估、次生災(zāi)害防御及災(zāi)后重建等提供了第一時(shí)間的數(shù)據(jù)信息。在玉樹地震中，利用災(zāi)后高分辨率影像，開展了房屋建筑物損壞情況、生命線工程損毀程度以及次生災(zāi)害調(diào)查等方面的災(zāi)情遙感應(yīng)急監(jiān)測工作[10]。在云南省魯?shù)榈卣鸢l(fā)生后資源三號(hào)、高分一號(hào)、資源一號(hào)02C和實(shí)踐九號(hào)A四顆高分辨率衛(wèi)星第一時(shí)間開通衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)急共享通道，客觀、真實(shí)呈現(xiàn)受災(zāi)現(xiàn)狀，為搜救工作提供了可靠的參考信息。

其他的地質(zhì)災(zāi)害包括崩塌、滑坡、泥石流等。高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測方面，以宏觀性強(qiáng)、時(shí)效性好、信息量豐富的優(yōu)勢可以貫穿于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警、評估的全過程。20世紀(jì)80年代，我國就開始運(yùn)用高分辨率遙感數(shù)據(jù)對長江三峽、紅水河龍灘等電站附近的滑坡、泥石流情況和寶成、成昆等鐵路沿線的地質(zhì)災(zāi)害分布信息進(jìn)行調(diào)查。近年來，眾學(xué)者利用高分辨率衛(wèi)星影像，有效地監(jiān)測和評估了三峽工程周邊的地質(zhì)災(zāi)害情況，為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和治理提供科學(xué)依據(jù)。

3．洪澇災(zāi)害

洪澇災(zāi)害具有持續(xù)時(shí)間短、受災(zāi)面積廣、危害大等特點(diǎn)，必須及時(shí)、迅速、準(zhǔn)確了解災(zāi)情，并及時(shí)對其做出反應(yīng)[11]。高分辨率衛(wèi)星在洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，能夠借助其全天時(shí)、全天候的優(yōu)勢能夠獲取白天的可見光云圖、晝夜的紅外云圖、水汽分布圖像，通過解譯分析得到洪水態(tài)勢、淹沒范圍、損毀情況等信息，為抗洪搶險(xiǎn)工作提供有力的依據(jù)。我國于“八五”、“九五”期間采用資源衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星資料建立了七大江河地區(qū)洪澇災(zāi)害易發(fā)區(qū)警戒水域遙感數(shù)據(jù)庫。例如2003年7月發(fā)生的淮河流域大洪水，有關(guān)部門適時(shí)啟用了國家級(jí)洪澇災(zāi)害高分遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)，運(yùn)用高分辨率衛(wèi)星對這次大洪水進(jìn)行了及時(shí)有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為準(zhǔn)確了解判斷汛情提供了方便，也為防汛指揮工作提供了技術(shù)支持。

4．林火災(zāi)害

林火災(zāi)害是一種具有突發(fā)性和周期性的自然災(zāi)害。采用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展林火監(jiān)測，其優(yōu)勢在于時(shí)間分辨率高、覆蓋范圍廣,基本可實(shí)現(xiàn)每天對全國林區(qū)火情的監(jiān)測，高分衛(wèi)星采用具有熱紅外波段的衛(wèi)星影像能檢測到地表熱異常變化，并根據(jù)林火熱點(diǎn)具有特殊的光譜特征和輻亮度，來提取熱源點(diǎn)與背景的亮溫及其差值等可用于火點(diǎn)識(shí)別與判斷的信息，從而進(jìn)行林火的監(jiān)測，隨著高分衛(wèi)星的進(jìn)一步發(fā)展，衛(wèi)星林火監(jiān)測已經(jīng)成為國家森林防火指揮部掌握全國火情的重要支撐手段之一[12]。2009年和2013年，澳大利亞發(fā)生山林火災(zāi)，中國調(diào)動(dòng)多顆高分辨率衛(wèi)星監(jiān)測火情，利用高分一號(hào)、資源三號(hào)、資源一號(hào)02C、實(shí)踐九號(hào)等高分辨率衛(wèi)星，向澳方連續(xù)提供火場地區(qū)大量高清晰度的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)和分析材料，實(shí)現(xiàn)重災(zāi)區(qū)目標(biāo)的詳查，對火災(zāi)進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測，為澳大利亞滅火救災(zāi)提供重要的寶貴支持。

5．環(huán)境災(zāi)害

環(huán)境污染事故具有突發(fā)性、嚴(yán)重性、持續(xù)性、累積性等特點(diǎn)，因此對環(huán)境污染應(yīng)急監(jiān)測必須是一種從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從地區(qū)性到區(qū)域性乃至更大范圍的全方位、多層次的監(jiān)測[13]。高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)蘊(yùn)含準(zhǔn)確、精細(xì)的自然環(huán)境與生態(tài)背景的地理空間信息，能觀察到地表的細(xì)節(jié)特征，可有效用于指導(dǎo)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)、人員疏散，防止污染物對河流、水源、大氣、土壤的生態(tài)破壞等工作，及時(shí)判斷污染事故的影響范圍、程度，為科學(xué)制定監(jiān)測方案和疏散措施提供支持[14]。2005年12月，江蘇省江都市化工廠發(fā)生嚴(yán)重的丙烯腈泄漏事故，相關(guān)部門利用高分辨率遙感影像對現(xiàn)場進(jìn)行圖像分析，確定了事故詳細(xì)的地理位置，并合理布設(shè)了監(jiān)測點(diǎn)位，為搶險(xiǎn)指揮提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

三、結(jié)論

高分辨率衛(wèi)星的快速發(fā)展，提供了一種在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域獲取實(shí)時(shí)信息的可靠手段，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)無論在空間分辨率還是時(shí)間分辨率上都能夠滿足應(yīng)急監(jiān)測需求，并憑借空間分辨率高、覆蓋能力強(qiáng)、時(shí)間分辨率高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)、地質(zhì)、洪澇、林火和環(huán)境等典型災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測中，已成為災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、救援和損失評估等工作中不可或缺的技術(shù)和信息支持手段。但在積累成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)該看到我國高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測應(yīng)用中還不夠完善和成熟，未來我國高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用將向以下幾個(gè)方向發(fā)展：

1）加快高分辨率衛(wèi)星體系的建設(shè)。我國在高分對地觀測系統(tǒng)建設(shè)方面起步較晚，目前擁有的高分辨率衛(wèi)星數(shù)量較少，未來應(yīng)從空間分辨率、圖像質(zhì)量、衛(wèi)星能力上全面加強(qiáng)高分衛(wèi)星體系建設(shè)，使越來越多的高分辨率衛(wèi)星能夠服務(wù)于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域。

2）增強(qiáng)高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取能力，促進(jìn)信息共享。構(gòu)建應(yīng)急監(jiān)測衛(wèi)星星座系統(tǒng)，建立穩(wěn)定可靠的遙感數(shù)據(jù)來源，以提升自身數(shù)據(jù)獲取能力；加強(qiáng)應(yīng)急監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，推動(dòng)國際、國內(nèi)的高分辨率遙感數(shù)據(jù)共享合作，使更豐富的高分辨率衛(wèi)星資源能夠應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域。

3）提高高分辨率遙感數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性。應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域短時(shí)間內(nèi)待處理數(shù)據(jù)數(shù)量的激增對數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性提出了極高的要求，研究快速、高效、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)，在保證信息質(zhì)量的同時(shí)大幅提高數(shù)據(jù)處理的效率，也是高分辨率遙感衛(wèi)星應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。

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