程 洋,呂 勇,涂杰楠,童立強
(1. 中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所,桂林 541004;2. 中國國土資源航空物探遙感中心,北京 100083)
遙感技術在巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應用
——以黔西北地區(qū)為例
程 洋1,呂 勇1,涂杰楠2,童立強2
(1. 中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所,桂林 541004;2. 中國國土資源航空物探遙感中心,北京 100083)
以西南巖溶區(qū)特殊的資源和環(huán)境特點為導向,利用多源、多時相、多尺度遙感數(shù)據(jù),采用遙感信息計算機自動提取和人機交互解譯相結(jié)合的技術方法,將遙感技術系統(tǒng)應用于巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中,提供系列的基礎圖件輔助巖溶區(qū)區(qū)域地質(zhì)填圖,提高了巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的效率。初步建立了適合西南巖溶區(qū)的1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查遙感技術方法體系,快速準確地解譯出了巖溶區(qū)特殊的地質(zhì)、地貌、環(huán)境、水文等要素,為特殊地質(zhì)地貌區(qū)地質(zhì)填圖提供技術支持。
遙感技術;西南巖溶區(qū);區(qū)域地質(zhì)調(diào)查;計算機自動提??;人機交互解譯
中國西南巖溶區(qū)橫跨滇、黔、桂、川、渝、湘、鄂、粵八省(市、自治區(qū)),其面積超過50×104km2,是世界三大連片巖溶區(qū)之一,聚集了“中國南方喀斯特”的7處世界自然遺產(chǎn),是世界巖溶的瑰寶。
西南巖溶區(qū)的水、建材、旅游等自然資源豐富,巖溶石漠化、地下水污染、巖溶干旱、巖溶塌陷等環(huán)境地質(zhì)問題突出。
針對西南巖溶區(qū)特殊的資源和環(huán)境特點,中國地質(zhì)調(diào)查局啟動了西南巖溶區(qū)特殊地區(qū)地質(zhì)填圖工程,探索適合巖溶區(qū)開展1∶50000基礎地質(zhì)調(diào)查的技術方法,總結(jié)針對不同類型特殊地質(zhì)地貌區(qū)的填圖技術方法,為特殊地質(zhì)地貌區(qū)地質(zhì)填圖指南積累資料。
遙感(RS)技術獲取的數(shù)據(jù)記載著地物電磁輻射特征,具有視域?qū)拸V、探測手段多樣、受地面條件限制小和經(jīng)濟高效等特點,是獲取數(shù)據(jù)信息最準確、快捷、高效的方法之一,也是地質(zhì)調(diào)查的重要手段之一。特別是在自然條件復雜、交通困難的特殊地區(qū)有更廣泛的應用。
遙感技術在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中主要有3個方向的應用:一是礦物識別,主要應用為礦化蝕變信息提取[1~3]和高光譜礦物填圖[4~5];二是遙感地質(zhì)解譯,主要應用為區(qū)域的巖性和構(gòu)造解譯[6~7];三是遙感礦產(chǎn)調(diào)查,主要應用為遙感信息找礦[8~9]。
遙感技術在巖溶區(qū)的應用主要集中在巖溶環(huán)境[10~11]、巖溶發(fā)育規(guī)律[12~13]、水文地質(zhì)調(diào)查[14~15]、工程地質(zhì)評價[16]等方面,巖溶區(qū)區(qū)域調(diào)查的遙感技術應用未見相關論述。本文根據(jù)遙感技術在黔西北巖溶區(qū)4幅1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應用實例,總結(jié)前人的研究成果與不足,初步探尋遙感技術在巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的技術方法體系,提高巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的效率,為特殊地質(zhì)地貌區(qū)地質(zhì)填圖提供技術支持。
研究區(qū)南北向跨云南和貴州兩省,行政區(qū)主要位于云南省鎮(zhèn)雄縣和彝良縣、貴州省赫章縣(見圖1)。區(qū)內(nèi)交通條件較差,僅有縣道和鄉(xiāng)村道路可供通行,無高速公路或國道穿過。地形大體上西北高東南低,相對高差超過2000 m。區(qū)內(nèi)地形切割強烈,山勢陡峻,懸崖峭壁連綿不絕,巖溶地貌發(fā)育,類型多樣。巖溶地下水的類型差異大,為典型的河谷深切型高山斜坡巖溶區(qū),水資源短缺。旱澇災害、石漠化等環(huán)境地質(zhì)問題突出。
圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area
研究區(qū)大地構(gòu)造上位于揚子準地臺西南緣康滇地軸與滇東臺褶帶的過渡地帶,跨威寧—昭通褶沖帶和金佛山—畢節(jié)前陸褶沖帶2個四級構(gòu)造單元,構(gòu)造線主要為北東走向,決定了區(qū)域地層的展布。背、向斜以北東40°—60°方向延伸,組成一系列雁行排列的褶皺群:兩翼不對稱,一般北翼陡、南翼緩,褶皺軸面均向北西傾斜;向斜一般長而寬展,背斜短而緊密,向斜多為中生界三疊系—侏羅系(T—J)組成。研究區(qū)屬揚子地層大區(qū)上揚子地層分區(qū)昭通地層小區(qū)、黔西北地層小區(qū)、黔北地層小區(qū)。地層以二疊系和三疊系為主,巖性以碳酸鹽巖為主,二疊系茅口組(P2m)和三疊系嘉陵江組(T2j)是研究區(qū)分布最廣的2個碳酸鹽巖地層。研究區(qū)地質(zhì)概況如圖2所示。
圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch map of the study area
2.1 遙感數(shù)據(jù)源
采用Landsat8、RapidEye、高分一號3種不同空間分辨率的多光譜數(shù)據(jù),其中Landsat8多光譜數(shù)據(jù)用于巖性信息提取,RapidEye數(shù)據(jù)和高分一號數(shù)據(jù)制作的正射影像圖用于所有要素的解譯。3種數(shù)據(jù)的空間分辨率分別為30(15)m、5 m、2 m,可在不同空間尺度上反映地質(zhì)體的特征。Landsat8有豐富的光譜信息,是巖性信息提取最基礎的數(shù)據(jù);RapidEye數(shù)據(jù)能較好地反映宏觀地質(zhì)特征;高分一號具有高空間分辨率(2 m),能較好地反映出地質(zhì)體的空間展布特征和接觸關系。上述3類遙感數(shù)據(jù)組合,實現(xiàn)了高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的有機結(jié)合。
2.2 數(shù)字圖像處理
數(shù)字圖像處理包括兩方面的內(nèi)容,一是用于巖性提取的多光譜數(shù)據(jù)處理,注重光譜信息的保留;二是用于人機交互解譯的正射影像圖,更注重亮度、對比度等顯示細節(jié)。通過大氣校正—輻射校正—影像嵌接—圖像裁剪的處理流程生產(chǎn)用于巖性提取的遙感影像,通過彩色合成—圖像融合—正射校正—影像嵌接—圖像裁剪的處理流程生產(chǎn)遙感正射影像圖。
Landsat8的7(R)/5(G)/4(B)的彩色合成圖像是遙感地質(zhì)解譯的基礎影像;RapidEye數(shù)據(jù)采用2(R)/4(G)/1(B)的彩色合成方式,能較好地反映巖溶區(qū)的宏觀地質(zhì)特征;高分一號數(shù)據(jù)采用3(R)/4(G)/1(B)的彩色合成方式,能較好地反映巖溶區(qū)地質(zhì)體的空間展布特征和接觸關系(見圖3)。這3種彩色合成方式的相關系數(shù)最小、方差最大,既最大限度地保留了遙感數(shù)據(jù)的信息量,又去掉了冗余信息;3種圖像均呈模擬自然真彩色,色彩分明,反差適中,立體層次清晰,清楚地反映出了巖溶區(qū)地表及地質(zhì)特征,是最適合于巖溶區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的彩色合成方式。
圖3 研究區(qū)正射影像圖(高分一號數(shù)據(jù))Fig.3 DOM of the study area(GF-1)
遙感底圖符合GB/T 15968-2008《遙感影像平面圖制作規(guī)范》、DZ/T 0265-2014《遙感影像地圖制作規(guī)范(1∶50000/1∶250000)》和DZ/T0151-95 《區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中遙感技術規(guī)定(1∶50000)》的精度要求。
2.3 總體思路
以西南巖溶區(qū)特殊的資源和環(huán)境特點為導向,以多源、多時相、多尺度遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,以遙感地質(zhì)理論和巖溶地質(zhì)理論為指導,以1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的各類規(guī)范為準則,采用遙感信息計算機自動提取與人機交互解譯相結(jié)合、二維與三維相結(jié)合、室內(nèi)解譯與野外驗證相結(jié)合的技術方法,將遙感技術系統(tǒng)地用于黔西北巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中,建立適合西南巖溶區(qū)的1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查遙感技術方法體系,實現(xiàn)遙感技術與1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的有機結(jié)合。
2.4 方法流程
技術流程見圖4。首先收集、整理、研究、綜合和集成已有地質(zhì)資料、地形資料及各類遙感數(shù)據(jù);其次進行數(shù)字圖像處理,制作遙感信息計算機提取的多光譜數(shù)據(jù)和人機交互解譯的遙感底圖;然后進行遙感解譯,采用遙感信息計算機自動提取和人機交互解譯相結(jié)合的方法解譯地貌、巖性、地層、構(gòu)造等要素;隨后進行野外驗證,并在此基礎上進行補充解譯,完善解譯成果;最后編制遙感解譯圖件,總結(jié)研究遙感技術在巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的技術方法體系,編寫遙感地質(zhì)解譯報告。
圖4 技術流程圖Fig.4 Technique flowchart
3.1 可解性分區(qū)
根據(jù)不同區(qū)域地質(zhì)體可識別程度,將工作區(qū)按可解譯程度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。Ⅰ級:巖石出露良好,影像清晰,地質(zhì)解譯標志明顯,編圖單元劃分對比性強,在像片上能夠區(qū)分出不同的巖石,較準確地解譯出全區(qū)的構(gòu)造輪廓和大部分地質(zhì)體之間的接觸界線。Ⅱ級:大部分地區(qū)有巖層出露,影像比較清晰,地質(zhì)解譯標志較明顯,編圖單元劃分具有一定對比性,能夠從遙感影像上解譯出區(qū)內(nèi)的構(gòu)造輪廓和部分地質(zhì)體之間的接觸關系。Ⅲ級:測區(qū)內(nèi)大部分被植被及第四紀堆積物覆蓋,基巖露頭零星,影像模糊,地質(zhì)體解譯標志不明顯,編圖單元劃分意義較差,只解譯出部分地質(zhì)體之間的接觸關系。
進行可解性分區(qū)的意義在于分區(qū)平衡遙感解譯與野外調(diào)查的工作比重。如在Ⅰ級可解譯區(qū),加大遙感解譯的力度,在保證成果質(zhì)量的基礎上提高工作效率,減少野外工作量。
3.2 地形地貌解譯
地形地貌是區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和制圖的基礎。本項目解譯坡度、坡向、組合形態(tài)地貌3類地形地貌要素。坡度和坡向采用基于DEM的GIS坡元分析模塊自動提取,其成果是區(qū)域地質(zhì)綜合分析和圖切剖面的重要基礎數(shù)據(jù)。
巖溶區(qū)的組合形態(tài)地貌是巖溶發(fā)育規(guī)律和演化階段的反映,是巖溶學研究的重要內(nèi)容。組合形態(tài)地貌采用人機交互解譯與計算機自動提取相結(jié)合的方法解譯,成果如圖5。研究區(qū)的巖溶地貌類型以丘嶺谷地為主,超過巖溶區(qū)面積的70%,峰叢洼地和峰林洼地少量分布。
圖5 巖溶地貌解譯圖Fig.5 Interpretation map of karst landform
3.3 遙感影像巖性信息自動提取
根據(jù)地物波譜原理,遙感能識別各類組成巖石的礦物,由此可進行巖性信息計算機自動提取。由于遙感的缺陷(同物異譜和異物同譜)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜性,需要人機交互解譯對計算機提取的結(jié)果進行修正,以此作為地層影像單元解譯的基礎。
透射式GaN光電陰極的入射光光路是先經(jīng)過襯底材料,再透過緩沖層,最后才能作用于GaN光電發(fā)射層(參見圖4)[20]。如果緩沖層-發(fā)射層界面處缺陷較多,在此處被復合的光電子也會增多,造成陰極的光電發(fā)射性能變差,所以透射式GaN陰極光電發(fā)射效率的高低會受到緩沖層-發(fā)射層界面質(zhì)量的影響。
本次研究以植被覆蓋條件下碳酸鹽巖巖性遙感識別方法[17]為理論基礎,以研究區(qū)巖-土-植被的綜合紋理信息為依據(jù),采用11×11窗口大小自動提取Landsat8影像7個多光譜波段的巖性信息,其結(jié)果與已有資料基本吻合,是下一步巖石地層解譯的基礎。
3.4 巖石地層解譯
根據(jù)研究區(qū)的地層層序和上一步提取的巖性信息進行巖石地層單元的解譯。解譯步驟是:初步解譯—野外建標—詳細解譯—野外驗證—補充解譯,野外踏勘建立的遙感解譯標志是巖石地層解譯的基礎。各巖石地層均有自身特殊的影像特征,如:二疊系茅口組的典型影像(見圖6a),茅口組為研究區(qū)分布最廣的碳酸鹽巖地層,呈灰綠色夾不規(guī)則灰色色調(diào),花生米狀紋理,峰體呈圓渾狀,水系密度?。粓D6b為三疊系飛仙關組的典型影像,飛仙關組為研究區(qū)分布最廣的砂頁巖地層,在遙感影像中呈灰褐色夾淺綠色,線狀紋理,疊瓦狀結(jié)構(gòu),山頂為尖棱狀,以折線為主,延展較好,樹枝狀水系,密度較大,可見明顯的巖層三角面;圖6c為峨眉山玄武巖,呈現(xiàn)峨眉山玄武巖獨具的蠕蟲狀紋理。
圖6 典型巖石地層的遙感解譯標志Fig.6 Remote sensing interpretation symbol of typical rock strata
巖石地層解譯中出現(xiàn)一些無法確認的巖石地層單元,其影像特征與其上下層位的影像特征差異明顯,這類解譯成果往往能通過詳細的野外調(diào)查劃分成新的填圖單元,具有重要的意義。如圖7所示,在可樂幅中部偏西尖山村附近,已有地質(zhì)資料中三疊系飛仙關組(T1f)砂頁巖與嘉陵江組(T2j)白云巖的地層界線位于河谷附近(界線西北側(cè)為飛仙關組),飛仙關組的影像特征差異極大,圖中黃線的西北側(cè)為典型的砂頁巖的影像特征,層理明顯;黃線的東南側(cè)出現(xiàn)灰白色的基巖,是灰?guī)r的典型影像特征,由此在原地層界線和新的地層界線間解譯出一新的填圖單元,通過其他技術手段確定其為嘉陵江第一段(T2j1),原嘉陵江組為新的嘉陵江組第二段(T2j2)。本次解譯并驗證這樣的新填圖單元18處,在此僅舉本例。
圖7 新解譯地層示意圖Fig.7 Schematic diagram of new stratigraphic deciphering
3.5 構(gòu)造解譯
地質(zhì)構(gòu)造主要解譯斷層和線性影像。研究區(qū)環(huán)形構(gòu)造不發(fā)育,褶皺構(gòu)造以地層分析和野外調(diào)查為主,遙感解譯結(jié)果對填圖工作少有幫助。
研究區(qū)斷層和線性影像的遙感解譯標志與諸多文獻中的論述基本一致,基本沒有特殊的影像特征。根據(jù)構(gòu)造解譯的方法和步驟共解譯出斷層74處,線性影像504處。所有斷層解譯成果均以表1的形式記錄。
表1 斷層解譯記錄表
Table 1 Fault interpretation records
編號原長新解譯總長方位所處位置F019.782.1911.97NNE南起大炭溝,過尖山村—以則河村,北至法沖村………………………………
注:表中長度單位為km
在可樂幅中部有一影像特征明顯的北東向斷層(見圖8a),延伸約1.5 km,是呈直線狀展布的河谷線性負地形。斷層兩側(cè)的景觀明顯不同,兩盤的水系和山脊形態(tài)存在顯著差異。北西盤主要發(fā)育樹枝狀水系,山脊圓潤,南東盤多為北西向的直線狀水系,山脊尖直。兩盤的色調(diào)和影紋也有明顯差異,北西盤色調(diào)主要為基巖及其風化物的黃褐色塊狀—斑點狀影紋,南東盤為陰影區(qū),局部可見的色調(diào)主要為嫩綠色,直線狀影紋。斷層附近的三維立體影像(見圖8b)可以較為直觀地體現(xiàn)斷層兩盤的景觀差異,北西盤可見明顯的斷層三角面。根據(jù)斷層三角面的影像特征及附近的地形地貌,推測該斷層傾向120°—150°,傾角30°—50°。北西盤主要是二疊系,為下盤,相對上升;南東盤主要是三疊系,為上盤,相對下降。F1斷層為正斷層。
圖8 典型斷層示意圖Fig.8 Schematic diagram of typical faults
3.6 水文地質(zhì)解譯
巖溶水資源是巖溶區(qū)的重要資源,具有高度的不均勻性。巖溶區(qū)區(qū)調(diào)應調(diào)查工作區(qū)內(nèi)的控制性水點,以此估算水資源量,探尋巖溶發(fā)育規(guī)律。本次解譯了研究區(qū)的巖溶大泉、泉群、地下河出入口、伏流出入口等控制性水點,提高了野外調(diào)查的精度和效率。
圖9為典型伏流系統(tǒng)的解譯圖。該伏流系統(tǒng)由南北兩支伏流組成,南支伏流首先由伏流出口1(該伏流系統(tǒng)的入口位于研究區(qū)外)形成地表明流,然后沿河道流動,經(jīng)伏流入口1進入地下,沿北東向流動,在伏流出口2出露于地表,形成地表明流;北支巖溶谷地內(nèi)的地表明流在雜巖溶峰體的坡腳處由伏流入口2進入地下形成伏流,沿南西方向流動,和南支一樣在伏流出口2出露于地表,形成地表明流。
圖9 典型伏流系統(tǒng)的解譯圖Fig.9 Interpretation map of subterranean river system
3.7 環(huán)境地質(zhì)解譯
研究區(qū)的環(huán)境地質(zhì)問題主要是巖溶石漠化和滑坡。采用人機交互解譯的方式解譯出滑坡31處,所有滑坡解譯成果均以表2的形式記錄并編入環(huán)境地質(zhì)遙感解譯簡圖。研究區(qū)的滑坡主要為零散分布的小型滑坡,主滑方向的一致性較差。巖溶區(qū)的滑坡主要發(fā)生在單斜緩傾的灰?guī)r層位中。
表2 滑坡解譯記錄表
采用二次圖像分析分類方法[18]提取巖溶石漠化現(xiàn)狀,結(jié)果顯示,研究區(qū)巖溶石漠化發(fā)生率為19.19%,低于貴州省的石漠化平均發(fā)生率(25.63%),高于西南巖溶區(qū)的17.27%。環(huán)境地質(zhì)解譯成果見圖10。
圖10 環(huán)境地質(zhì)遙感解譯圖Fig.10 Interpretation map of environmental geology
本文從西南巖溶區(qū)特殊的資源和環(huán)境特點出發(fā),初步建立了適合西南巖溶區(qū)的1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查遙感技術方法體系(見圖11)。
圖11 遙感方法體系Fig.11 System diagram of remote sensing method
巖溶區(qū)的資源和環(huán)境特點決定了區(qū)域地質(zhì)填圖的研究對象與其他區(qū)域有較大的差異,比如巖溶組合形態(tài)地貌是巖溶發(fā)育和演化的反映,要完成區(qū)域地質(zhì)的演化分析必須研究巖溶組合形態(tài)地貌;再比如巖溶區(qū)最主要的資源是水,最主要的環(huán)境地質(zhì)問題也是由水引起的旱澇和巖溶石漠化等,如果巖溶區(qū)區(qū)域地質(zhì)填圖工作中不考慮水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題就忽略了巖溶區(qū)最重要的水資源。因此,從研究對象的特殊需求出發(fā),建立相應的遙感技術方法和工作流程,這種方法體系體現(xiàn)出了巖溶特色。
本文以黔西北地區(qū)為例初步建立的巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查遙感技術方法體系能快速準確地解譯出巖溶區(qū)特殊的地質(zhì)、地貌、環(huán)境、水文等要素,提供系列的基礎圖件輔助區(qū)域地質(zhì)填圖,提高巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的效率,在巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中可發(fā)揮重要的作用。
巖溶區(qū)1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查應該選擇高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的數(shù)據(jù)組合,目前物美價廉的是Landsat8、RapidEye、高分系列組合。Landsat8的7(R)/5(G)/4(B)、RapidEye的2(R)/4(G)/1(B)、高分一號的3(R)/4(G)/1(B)彩色合成方式是最適合于巖溶區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的彩色合成方式。
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APPLICATION OF REMOTE SENSING TECHNOLOGY IN THE 1∶50000 REGIONAL GEOLOGICAL SURVEY IN KARST AREA: A CASE STUDY OF NORTHWEST GUIZHOU
CHENG Yang1, Lü Yong1, TU Jie-nan2, TONG Li-qiang2
(1.Instituteofkarstgeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China;2.ChinaNationalLandandresourcesairbornegeophysicalprospectingandRemoteSensingCenter,Beijing100083,China)
Karst region in Southwest China has special resources and environmental characteristics. According to these characteristics, this paper uses the multi-temporal, multi-source and multi-scale remote sensing data and applies the remote sensing technology of automatic extraction of remote sensing information and interactive interpretation to 1∶50000 regional geological survey in karst area. This study provides a series of maps that are beneficial to the regional geological mapping in karst area and improves the efficiency of 1∶50000 regional geological survey. Through this research, a remote sensing technology method for 1∶50000 regional geological survey in karst areas in Southwest China is established, which can help researchers quickly and accurately interpret the special karst geology, geomorphology, environment, hydrology and other factors, and provide technical support for geological mapping special geological landform area.
remote sensing; karst area in Southwest China; regional geological survey; computer automatic extraction; interactive interaction
1006-6616(2016)04-0921-12
2016-06-15
中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖試點”(DD20160060);中國地質(zhì)調(diào)查局項目“西南巖溶區(qū)1∶5萬地質(zhì)填圖試點”(DD20160061)
程洋(1987-),男,助理研究員,從事遙感地質(zhì)方面的研究。E-mail:chengyang@karst.ac.cn
呂勇(1965-),男,教授級高級工程師,從事區(qū)域地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究。E-mail:lvy@karst.ac.cn
P627
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