導(dǎo)語(yǔ)：林業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)運(yùn)用探究論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本概念和內(nèi)容，分析了該技術(shù)在森林防火、森林蓄積特征的估計(jì)和更新、森林資源調(diào)查等方面的應(yīng)用，提出該技術(shù)可應(yīng)用于木材無(wú)損檢測(cè)及精確林業(yè)。融合機(jī)器視覺(jué)、X射線等單一傳感器技術(shù)檢測(cè)木材及木制品，可以更準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測(cè)出木材的各種缺陷；集成GPS、GIS、RS及各種實(shí)時(shí)傳感器信息，利用智能決策支持系統(tǒng)以及可變量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于自然界生物及其賴以生存的環(huán)境資源的時(shí)空變異性的客觀現(xiàn)實(shí)，建立基于信息流融合的精確林業(yè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合傳感器無(wú)損檢測(cè)精確林業(yè)應(yīng)用

多傳感器融合系統(tǒng)由于具有較高的可靠性和魯棒性，較寬的時(shí)間和空間的觀測(cè)范圍，較強(qiáng)的數(shù)據(jù)可信度和分辨能力，已廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、交通管制、機(jī)器人、海洋監(jiān)視和管理、目標(biāo)跟蹤和慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域。筆者在分析數(shù)據(jù)融合技術(shù)概念和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)該技術(shù)在林業(yè)工程中的應(yīng)用及前景進(jìn)行了綜述。

一、數(shù)據(jù)融合

1.1概念的提出

1973年，數(shù)據(jù)融合技術(shù)在美國(guó)國(guó)防部資助開(kāi)發(fā)的聲納信號(hào)理解系統(tǒng)中得到了最早的體現(xiàn)。

70年代末，在公開(kāi)的技術(shù)文獻(xiàn)中開(kāi)始出現(xiàn)基于多系統(tǒng)的信息整合意義的融合技術(shù)。1984年美國(guó)國(guó)防部數(shù)據(jù)融合小組(DFS)定義數(shù)據(jù)融合為：“對(duì)多源的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行多方的關(guān)聯(lián)、相關(guān)和綜合處理，以更好地進(jìn)行定位與估計(jì)，并完全能對(duì)態(tài)勢(shì)及帶來(lái)的威脅進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估”。

1998年1月，Buchroithner和Wald重新定義了數(shù)據(jù)融合：“數(shù)據(jù)融合是一種規(guī)范框架，這個(gè)框架里人們闡明如何使用特定的手段和工具來(lái)整合來(lái)自不同渠道的數(shù)據(jù)，以獲得實(shí)際需要的信息”。

Wald定義的數(shù)據(jù)融合的概念原理中，強(qiáng)調(diào)以質(zhì)量作為數(shù)據(jù)融合的明確目標(biāo)，這正是很多關(guān)于數(shù)據(jù)融合的文獻(xiàn)中忽略但又是非常重要的方面。這里的“質(zhì)量”指經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合后獲得的信息對(duì)用戶而言較融合前具有更高的滿意度，如可改善分類精度，獲得更有效、更相關(guān)的信息，甚至可更好地用于開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的資金、人力資源等。

1.2基本內(nèi)容

信息融合是生物系統(tǒng)所具備的一個(gè)基本功能，人類本能地將各感官獲得的信息與先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行綜合，對(duì)周?chē)h(huán)境和發(fā)生的事件做出估計(jì)和判斷。當(dāng)運(yùn)用各種現(xiàn)代信息處理方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這一功能時(shí)，就形成了數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

數(shù)據(jù)融合就是充分利用多傳感器資源，通過(guò)對(duì)這些多傳感器及觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某些準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：

(1)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。確定來(lái)自多傳感器的數(shù)據(jù)反映的是否是同源目標(biāo)。

(2)多傳感器ID/軌跡估計(jì)。假設(shè)多傳感器的報(bào)告反映的是同源目標(biāo)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，改進(jìn)對(duì)該目標(biāo)的估計(jì)，或?qū)φ麄€(gè)當(dāng)前或未來(lái)情況的估計(jì)。

(3)采集管理。給定傳感器環(huán)境的一種認(rèn)識(shí)狀態(tài)，通過(guò)分配多個(gè)信息捕獲和處理源，最大限度地發(fā)揮其性能，從而使其操作成本降到最低。傳感器的數(shù)據(jù)融合功能主要包括多傳感器的目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識(shí)別、情況評(píng)估和預(yù)測(cè)。

根據(jù)融合系統(tǒng)所處理的信息層次，目前常將信息融合系統(tǒng)劃分為3個(gè)層次：

(l)數(shù)據(jù)層融合。直接將各傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)后，送入融合中心，完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)。其優(yōu)點(diǎn)是保持了盡可能多的原始信號(hào)信息，但是該種融合處理的信息量大、速度慢、實(shí)時(shí)性差，通常只用于數(shù)據(jù)之間配準(zhǔn)精度較高的圖像處理。

(2)特征層融合。從原始數(shù)據(jù)中提取特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和歸一化等處理后，送入融合中心進(jìn)行分析與綜合，完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)。這種融合既保留了足夠數(shù)量的原始信息，又實(shí)現(xiàn)了一定的數(shù)據(jù)壓縮，有利于實(shí)時(shí)處理，而且由于在特征提取方面有許多成果可以借鑒，所以特征層融合是目前應(yīng)用較多的一種技術(shù)。但是該技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)健性和系統(tǒng)的容錯(cuò)性與可靠性有待進(jìn)一步改善。

(3)決策層融合。首先每一傳感器分別獨(dú)立地完成特征提取和決策等任務(wù)，然后進(jìn)行關(guān)聯(lián)，再送入融合中心處理。這種方法的實(shí)質(zhì)是根據(jù)一定的準(zhǔn)則和每個(gè)決策的可信度做出最優(yōu)的決策。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)通訊量小、實(shí)時(shí)性好，可以處理非同步信息，能有效地融合不同類型的信息。而且在一個(gè)或幾個(gè)傳感器失效時(shí)，系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作，具有良好的容錯(cuò)性，系統(tǒng)可靠性高，因此是目前信息融合研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但是這種技術(shù)也有不足，如原始信息的損失、被測(cè)對(duì)象的時(shí)變特征、先驗(yàn)知識(shí)的獲取困難，以及知識(shí)庫(kù)的巨量特性等。

1.3處理模型

美國(guó)數(shù)據(jù)融合工作小組提出的數(shù)據(jù)融合處理模型，當(dāng)時(shí)僅應(yīng)用于軍事方面，但該模型對(duì)人們理解數(shù)據(jù)融合的基本概念有重要意義。模型每個(gè)模塊的基本功能如下：

數(shù)據(jù)源。包括傳感器及其相關(guān)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫(kù)和人的先驗(yàn)知識(shí)等)。

源數(shù)據(jù)預(yù)處理。進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)篩選和數(shù)據(jù)分配，以減輕融合中心的計(jì)算負(fù)擔(dān)，有時(shí)需要為融合中心提供最重要的數(shù)據(jù)。目標(biāo)評(píng)估。融合目標(biāo)的位置、速度、身份等參數(shù)，以達(dá)到對(duì)這些參數(shù)的精確表達(dá)。主要包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、跟蹤和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、辨識(shí)。

態(tài)勢(shì)評(píng)估。根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境推斷出檢測(cè)目標(biāo)與事件之間的關(guān)系，以判斷檢測(cè)目標(biāo)的意圖。威脅評(píng)估。結(jié)合當(dāng)前的態(tài)勢(shì)判斷對(duì)方的威脅程度和敵我雙方的攻擊能力等，這一過(guò)程應(yīng)同時(shí)考慮當(dāng)前的政治環(huán)境和對(duì)敵策略等因素，所以較為困難。

處理過(guò)程評(píng)估。監(jiān)視系統(tǒng)的性能，辨識(shí)改善性能所需的數(shù)據(jù)，進(jìn)行傳感器資源的合理配置。人機(jī)接口。提供人與計(jì)算機(jī)間的交互功能，如人工操作員的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)、多媒體功能等。

二、多傳感器在林業(yè)中的應(yīng)用

2.1在森林防火中的應(yīng)用

在用MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)數(shù)據(jù)測(cè)定森林火點(diǎn)時(shí)的20、22、23波段的傳感器輻射值已達(dá)飽和狀態(tài)，用一般圖像增強(qiáng)處理方法探測(cè)燃燒區(qū)火點(diǎn)的結(jié)果不理想。余啟剛運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在空間分辨率為1000m的熱輻射通道的數(shù)據(jù)外加入空間分辨率為250m的可見(jiàn)光通道的數(shù)據(jù)，較好地進(jìn)行了不同空間分辨率信息的數(shù)據(jù)融合，大大提高了對(duì)火點(diǎn)位置的判斷準(zhǔn)確度。為進(jìn)一步提高衛(wèi)星光譜圖像數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性與可靠性，利用原有森林防火用的林區(qū)紅外探測(cè)器網(wǎng)，將其與衛(wèi)星光譜圖像數(shù)據(jù)融合，可以使計(jì)算機(jī)獲得GPS接收機(jī)輸出的有關(guān)信息通過(guò)與RS實(shí)現(xiàn)高效互補(bǔ)性融合，從而彌補(bǔ)衛(wèi)星圖譜不理想的缺失區(qū)數(shù)據(jù)信息，大大提高燃燒區(qū)火點(diǎn)信息準(zhǔn)確度和敏感性。

2.2森林蓄積特征的估計(jì)

HampusHolmstrom等在瑞典南部的試驗(yàn)區(qū)將SPOT-4×S衛(wèi)星數(shù)據(jù)和CARABAS-IIVHFSAR傳感器的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合，采用KNN(knearestneighbor)方法對(duì)森林的蓄積特征(林分蓄積、樹(shù)種組成與年齡)進(jìn)行了估計(jì)。

KNN方法就是采用目標(biāo)樣地鄰近k個(gè)(k=10)最近樣地的加權(quán)來(lái)估計(jì)目標(biāo)樣地的森林特征。研究者應(yīng)用衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)試驗(yàn)區(qū)的不同林分的蓄積特征進(jìn)行估計(jì)，并對(duì)三種不同的數(shù)據(jù)方法進(jìn)行誤差分析。試驗(yàn)表明，融合后的數(shù)據(jù)作出的估計(jì)比單一的衛(wèi)星數(shù)據(jù)或雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度高且穩(wěn)定性好。

2.3用非垂直航空攝像數(shù)據(jù)融合GIS信息更新調(diào)查數(shù)據(jù)

森林資源調(diào)查是掌握森林資源現(xiàn)狀與變化的調(diào)查方法，一般以地面調(diào)查的方法為主，我國(guó)5年復(fù)查一次。由于森林資源調(diào)查的工作量巨大，且要花費(fèi)大量的人力、物力和資金。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在探索航空、航天的遙感調(diào)查與估計(jì)方法。

TrevorJDavis等2002年提出采用非垂直的航空攝影數(shù)據(jù)融合對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)森林調(diào)查數(shù)據(jù)的快速更新，認(rèn)為對(duì)森林資源整體而言，僅某些特殊地區(qū)的資源數(shù)據(jù)需要更新。在直升飛機(jī)側(cè)面裝上可視的數(shù)字?jǐn)z像裝置，利用GPS對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位，對(duì)特殊地區(qū)的攝像進(jìn)行拍攝，同時(shí)與對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，做出資源變化的估計(jì)或影像的修正。

試驗(yàn)表明，融合后的數(shù)據(jù)可以同高分辨率矯正圖像相比，該方法花費(fèi)少，精度高，能充分利用影像的可視性，應(yīng)用于偏遠(yuǎn)、地形復(fù)雜、不易操作、成本高的區(qū)域，同時(shí)可避免遙感圖像受云層遮蓋。

三、數(shù)據(jù)融合在林業(yè)中的應(yīng)用展望

3.1在木材檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1.1木材缺陷及其影響

木材是天然生長(zhǎng)的有機(jī)體，生長(zhǎng)過(guò)程中不可避免地有尖削度、彎曲度、節(jié)子等生長(zhǎng)缺陷，這些缺陷極大地影響了木材及其制品的優(yōu)良特性，以及木材的使用率、強(qiáng)度、外觀質(zhì)量，并限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。在傳統(tǒng)木制品生產(chǎn)過(guò)程中，主要依靠人的肉眼來(lái)識(shí)別木材缺陷，而木材板材表面缺陷在大小、形狀和色澤上都有較大的差異，且受木材紋理的影響，識(shí)別起來(lái)非常困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，同時(shí)由于熟練程度、標(biāo)準(zhǔn)掌握等人為因素，可能造成較大的誤差。另外在集成材加工中，板材缺陷的非雙面識(shí)別嚴(yán)重影響了生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍。因此必須開(kāi)發(fā)一種能夠?qū)Π宀碾p面缺陷進(jìn)行在線識(shí)別和自動(dòng)剔除技術(shù)，以解決集成材加工中節(jié)子人工識(shí)別誤差大、難以實(shí)現(xiàn)雙面識(shí)別、剔除機(jī)械調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

3.1.2單一傳感器在木材檢測(cè)中的應(yīng)用

對(duì)木材及人造板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法很多，如超聲波、微波、射線、機(jī)械應(yīng)力、震動(dòng)、沖擊應(yīng)力波、快速傅立葉變換分析等檢測(cè)方法。超聲技術(shù)在木材工業(yè)中的應(yīng)用研究主要集中在研究聲波與木材種類、木材結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系、木材結(jié)構(gòu)及缺陷分析、膠的固化過(guò)程分析等。

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，人們也將視覺(jué)傳感器應(yīng)用于木材檢測(cè)中。新西蘭科學(xué)家用視頻傳感器研究和測(cè)量了紙漿中的纖維橫切面的寬度、厚度、壁面積、壁厚度、腔比率、壁比率等，同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量單個(gè)纖維和全部纖維的幾何尺寸及其變化趨勢(shì)，能夠區(qū)分不同紙漿類型，測(cè)定木材纖維材料加固結(jié)合力，并動(dòng)態(tài)地觀察木材纖維在材料中的結(jié)合機(jī)理。

新西蘭的基于視覺(jué)傳感器的板材缺陷識(shí)別的軟件已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，該軟件利用數(shù)碼相機(jī)或激光掃描儀采集板材的圖像，自動(dòng)識(shí)別板材節(jié)子和缺陷的位置，控制板材的加工。該軟件還具有進(jìn)行原木三維模型真實(shí)再現(xiàn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別功能，利用激光掃描儀自動(dòng)采集原木的三維幾何數(shù)據(jù)。

美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)木材刨花的尺寸大小進(jìn)行分級(jí)，確定各種刨花在板中的比例和刨花的排列方向；日本京都大學(xué)基于視覺(jué)傳感器進(jìn)行了定向刨花板內(nèi)刨花定向程度的檢測(cè)，從而可以通過(guò)調(diào)整定向鋪裝設(shè)備優(yōu)化刨花的排列方向來(lái)提高定向刨花板的強(qiáng)度。

在制材加工過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)原木的形狀及尺寸，選擇最佳下鋸方法，提高原木的出材率。同時(shí)可對(duì)鋸材的質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)木材的優(yōu)化使用；在膠合板的生產(chǎn)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)單板上的各種缺陷，實(shí)現(xiàn)單板的智能和自動(dòng)剪切，并可測(cè)量在剪切過(guò)程中的單板破損率，對(duì)單板進(jìn)行分等分級(jí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。Wengert等在綜合了大量的板材分類經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了板材分級(jí)分類的計(jì)算機(jī)視覺(jué)專家系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)這方面的研究較少，王金滿等用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)刨花板施膠效果進(jìn)行了定量分析。

X射線對(duì)木材及木質(zhì)復(fù)合材料的性能檢測(cè)已得到了廣泛的應(yīng)用，目前該技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)木材密度、含水率、纖維素相對(duì)結(jié)晶度和結(jié)晶區(qū)大小、纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)木材內(nèi)部的各種缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

3.1.3數(shù)據(jù)融合在木材檢測(cè)中的應(yīng)用展望

單一傳感器在木材工業(yè)中已得到了一定程度的應(yīng)用，但各種單項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用上存在一定的局限性。如視覺(jué)傳感器不能檢測(cè)到有些與木材具有相同顏色的節(jié)子，有時(shí)會(huì)把木板上的臟物或油脂當(dāng)成節(jié)子，造成誤判，有時(shí)也會(huì)受到木材的種類或粗糙度和濕度的影響，此外，這種技術(shù)只能檢測(cè)部分表面缺陷，而無(wú)法檢測(cè)到內(nèi)部缺陷；超聲、微波、核磁共振和X射線技術(shù)均能測(cè)量密度及內(nèi)部特征，但是它們不能測(cè)定木材的顏色和瑕疵，因?yàn)檫@些缺陷的密度往往同木板相同。因此，一個(gè)理想的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該集成各種傳感技術(shù)，才能準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)到木材的缺陷。

基于多傳感器(機(jī)器視覺(jué)及X射線等)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的木材及木制品表面缺陷檢測(cè)，可以集成多個(gè)傳統(tǒng)單項(xiàng)技術(shù)，更可靠、準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測(cè)出木材表面的各種缺陷，為實(shí)現(xiàn)木材分級(jí)自動(dòng)化、智能化奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為集裁除鋸、自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)裁除節(jié)子等為一身的新型視頻識(shí)別集成材雙面節(jié)子數(shù)控自動(dòng)剔除成套設(shè)備提供技術(shù)支持。

3.2在精確林業(yè)中的應(yīng)用

美國(guó)華盛頓大學(xué)研究人員開(kāi)展了樹(shù)形自動(dòng)分析、林業(yè)作業(yè)規(guī)劃等研究工作；Auburn大學(xué)的生物系統(tǒng)工程系和USDA南方林業(yè)實(shí)驗(yàn)站與有關(guān)公司合作開(kāi)展用GPS和其他傳感器研究林業(yè)機(jī)器系統(tǒng)的性能和生產(chǎn)效率。

目前單項(xiàng)的GPS、RS、GIS正從“自動(dòng)化孤島”形式應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)向集成技術(shù)轉(zhuǎn)變。林業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)作為一個(gè)多組分的復(fù)雜系統(tǒng)，是由能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)、信息流動(dòng)所推動(dòng)的具有一定的結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合體，各組分間的關(guān)系和結(jié)合方式影響系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)和功能。因此應(yīng)該在計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)框架下，有效地融合GPS、GIS、RS等數(shù)據(jù)，解決這些信息在空間和時(shí)間上的質(zhì)的差異及空間數(shù)據(jù)類型的多樣性，如地理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、點(diǎn)數(shù)據(jù)等。利用智能DSS(決策支持系統(tǒng))以及VRT(可變量技術(shù))等，使林業(yè)生產(chǎn)成為一個(gè)高效、柔性和開(kāi)放的體系，從而實(shí)現(xiàn)林業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、開(kāi)放性，建立基于信息流融合的精確林業(yè)系統(tǒng)。

南京林業(yè)大學(xué)提出了“精確林業(yè)工程系統(tǒng)”。研究包括精確林業(yè)工程系統(tǒng)的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)、隨時(shí)空變化的數(shù)據(jù)采集處理與融合技術(shù)、精確控制林業(yè)生產(chǎn)的智能決策支持系統(tǒng)、可變量控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)基于自然界生物及其所賴以生存的環(huán)境資源的時(shí)空變異性的客觀現(xiàn)實(shí)，以最小資源投入、最小環(huán)境危害和最大產(chǎn)出效益為目標(biāo)，建立關(guān)于林業(yè)管理系統(tǒng)戰(zhàn)略思想的精確林業(yè)微觀管理系統(tǒng)。

[參考文獻(xiàn)]

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