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地理信息四十年——回顾与反思
Abraham Ortelius(1527–1598)在1570年制作的第一幅现代意义上的世界地图
任何学科要发展成一门独立而受人尊敬的学科，都必须梳理自己的发展史，建构自己的思想史，以便研究这门学问的后来者可以从较高的哲学视角和系统的知识背景去掌握学科的发展脉络，思考学科的未来发展。每一个学科的思想史都应成为进入该领域研究的必读书。在欧美国家，地理学思想史都是地理学研究生的必读书。##一、地理信息系统的早期发展 ###(1)地理信息科学的萌芽 根据近代考古发现：大约35000年前，欧洲的克鲁马努人(Cro Magnon)在法国西南部的拉斯科洞窟(Lascaux Cave)中创造了大量旧石器时代的壁画，史称拉斯科洞窟壁画。这些壁画描绘了克鲁马努人狩猎的精美图案，记录了一些描述动物迁移路线和轨迹的线条和符号。（插图）这些早期的图腾记录非常符合现代意义上的地理信息系统的二元素结构：一个图形文件对应一个属性数据库。这些可以看作是GIS最初的萌芽。但真正的现代意义上的GIS发展是加拿大测量学家Roger Tomlinson和他的世界上第一个地理信息系统开始的。20世纪60年代初，在计算机发明以后，Tomlinson大胆提出应该将纸质地图转化为数字形式的地图，以便于计算机分析与处理，他把这种计算机处理数字化的地图的系统称为地理信息系统(Geographical Information System，GIS)，同时他还领导并建立了世界上第一个GIS系统——加拿大地理信息系统(简称CGIS)——的开发。Tomlinson为CGIS的项目开发呕心沥血，他在毫无前人经验的基础上研究如何内在地组织地理数据，开创性地在研究中进行叠加、地图量测等GIS操作，并与IBM合作实验生产了扫描仪作为地图输入的设备。虽然截至1971年CGIS项目结束，其最初的设计功能并没有完全实现，但是该系统最后建立了大约10000幅地图的数字地图库，这些工作也还是为后续项目的开展奠定了基础。 ###(2)McHarg及其千层饼模式 美国宾夕法尼亚大学景观建筑学(Landscape Architecture)教授Ian McHarg(1920-2001)在地理信息科学的思想史是一位绕不过去的人物。1969年，McHarg写成名著《设计结合自然》(《Design with Nature》)，该书展现了工业革命以来，人类违背自然规律进行掠夺性的开发所造成的灾难，提出如何适应自然的特性，创造人的生存环境的可能性与必要性。该书在人类环境史上的地位可以与美国女生物学家卡尔森的名著《寂静的春天》相媲美，都呼唤人类珍视环境和大自然。 在方法论上，McHarg一反以往过去在土地和城市规划中进行机械地功能分区的做法，大胆引入城市和土地适宜性分析模型，强调土地利用规划应遵从自然固有的价值和自然过程，即土地的适宜性，并在前人基础上完善了以因子分层分析和地图叠加技术为核心的规划方法论，这种方法论也称为“千层饼(Layer Cake)模式”。“千层饼模式”将专业知识和成果进行综合及筛选来实现问题的解决，McHarg将多个环境学科的科学家召集到一起，再加上社会科学家和经济学家，使他们为解决一个共同的问题进行研究，这是规划方法论上的一次伟大革命。 在技术实现上，McHarg也有着重大贡献。McHarg的重要进步在于引入了多学科的工作途径，系统地考虑问题，并发展了将相关学科的贡献进行综合的技术，他将手工的、基于透明纸的地图分层叠加技术应用到了极至。在其《设计结合自然》一书中，他介绍了制图的过程:首先将景观的单一因子逐一制图，用灰白两色区别其对某种土地利用方式的适宜性或有害性，然后将这些单因子评价图层叠加，再通过感光摄影技术得到综合的土地适宜性分布图，根据灰度来区别不同程度的适宜性。(插图) 今天，McHarg的“千层饼模式”已经发展成为GIS软件设计的范式——也即几乎每个GIS软件都是按照图层方式进行数据存储与管理的。过去非常复杂的系统分析过程今天已经可以用GIS极为方便地实现。不仅如此，今天的GIS功能，已远非简单的土地分类和地图叠加，空间分析、情景模拟、景观分析等更为复杂的分析和模拟手段正得到更深刻的应用。 ###(3)Howard和他的哈佛实验室 在GIS的早期发展中，有一个实验室举足轻重，这就是Howard Fisher博士所主持的哈佛大学计算机图形实验室(Laboratory for Computer Graphics)。1965年，哈佛大学设计学院获得福特基金的赞助，与麻省理工学院联合成立计算机图形实验室（Laboratory for Computer Graphics），由Howard Fisher博士主持，汇聚一批富于创新和智慧的年轻人，并在很短时间内研制出数字计算机地图绘制方法和技术(Steinitz，1993)。 在1966至1968年间，计算机图形实验室通过对本校和社会提供技术服务和举办各种研讨会，将最新研究成果推向社会，对GIS技术的推广起到了非常重要的作用。从1965年实验室成立，到1980年代中期实验室关闭，实验室研究出了一系列的GIS和计算机图形处理软件，其中包括SYMAP、CALFORM、SYMVU、POLYVRT、ODYSSEY、IMGRID、MacGIS等早期的著名软件产品。哈佛计算机图形实验室的人才培养也是极为显赫。在研究和教学过程中培养了一批GIS研究的先驱和当代GIS及图像处理行业的重要人物，他们当中包括Intergraph公司的David Sinton，ERDAS公司的创办人Lawrie Jordan和Bruce Rado等,ESRI和ARC/INFO的创办人Jack Dangermond。 ###(4)Dangermond与其GIS软件帝国 Jack Dangermond是哈佛计算机实验室的毕业生，是一个伟大的GIS实践者。1969年，Jack Dangermond夫妇在美国加州创办ESRI(Environmental Systems Research Institute Inc，环境系统研究所)，开始为企业创建和分析地理信息进行咨询工作。该公司历史上最重要的一个转变发生在1982年，当时ESRI首次发布其核心软件产品ArcInfo，开始将其从一个服务咨询公司转变为一家软件产品公司，通过其强大的GIS软件产品，从而帮助更多的企业利用GIS获得巨大的价值。从1982发布其第一款软件产品ArcInfo以来，ESRI的软件产品家族逐步扩大，一步步走向GIS软件帝国。 实际上，自从1980年代，哈佛计算机实验室关闭以来，Dangermond及其GIS软件帝国ESRI就逐渐替代哈佛计算机实验室的地位，收留了一帮哈佛实验室的早期成员，让他们能继续其GIS的美好梦想。正是由这班早期人才的努力，ESRI逐渐成为行业翘楚，目前已经发展成为GIS行业进步的最重要的推动力量。 ###(5)地理信息系统的发展简史 地理信息系统四十年发展的历史虽短，但其发展历程却精彩纷呈，上述四小节内容只是窥豹一斑，选取了部分由代表性的人物和事件做一简述，更详细的研究可以见如下几个网页： (a)地理信息系统发展简史和里程碑(History and Milestones of GIS)，非常好的链接，是印度一个杂志整理的，http://www.gisdevelopment.net/history/index.htm （b）美国NCGIA“GIS历史研究项目”：http://www.ncgia.buffalo.edu/gishist/ © 英国UCL的CASA研究中心GIS时间表：http://www.casa.ucl.ac.uk/gistimeline/ (d)Timothy W.Foresman(Editor), History of Geographic Information Systems: Perspectives from the Pioneers, Prentice Hall PTR, 1998, 397 p.ISBN 0-13-862145-4 ##二、从地理信息系统走向地理信息科学 ###(1)地理信息系统的三种视角 什么是地理信息系统？著名地理学家Maguire(1991)将对GIS的认识综合归纳为三种不同的视角： (a) 地图学视角(Map View)：该观点认为GIS来源于现代的地图学，GIS看作是一个地图处理与显示系统，这种观点更强调系统能生成出高质量的地图和表格。 (b) 数据库视角(Database View)：该观点强调GIS应具有良好设计和实现的数据库系统，在这个系统中可以使用各种地理数据进行复杂的分析，这种观点强调GIS首先是一个信息系统，它主要受到以数据库技术为代表的计算机技术的影响。 © 空间分析视角(Spatial Analysis View)：该观点强调通过空间分析和建模，得到有价值的信息，最后将结果写进新的数据集，这种观点强调GIS的地理特性，认为GIS本质是一个地理系统,它主要受到1950年代兴起的地理学计量化革命的影响。 传统上，我们一直认为地理信息系统是一个地图系统，Worboys(1995)、Worboys and Duckham(2004)则坚定地认为数据库是GIS的核心，GIS是一个信息系统，而De Smith, Goodchild and Longley(2007)则认同空间分析的巨大作用，更愿意把GIS看作是一个地理系统。综合以上三种观点，可以看出GIS是地理、信息、系统的综合体，其发展可以追溯到发端于上世纪40年代末的系统论、控制论、信息论等“三大论”。 系统论是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。它为人们认识各种系统的组成、结构、性能、行为和发展规律提供了一般方法论的指导，系统论由美籍奥地利理论生物学家和哲学家路德维格•贝塔朗菲于上世纪40年代创建。控制论则为人们对系统的管理和控制提供了一般方法论的指导，它是数学、自动控制、电子技术、数理逻辑、生物科学等学科和技术相互渗透而形成的综合性科学,1948年美国数学家维纳出版了《控制论》一书，标志着控制论的正式诞生。另外，为了正确地认识并有效地控制系统，必须了解和掌握系统的各种信息的流动与交换，信息论为此提供了一般方法论的指导，信息论认为，系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的。人们通常将美国科学家香农于1948年发表论文《通信的数学理论》作为现代信息论研究的开端，信息论能够揭示人类认识活动产生飞跃的实质，有助于探索与研究人们的思维规律和推动与进化人们的思维活动。 “三大论”是一个统一的整体，直接导致了二战后以计算机、电子技术为主导的新技术革命的诞生。地理信息系统的发展则是这一发展在传统地学领域的延伸，GIS的出现，它使得传统地学真正由一个经验学科逐步向实验学科转变，可以说GIS的发展给地学领域带来的全新的革命。 GIS作为一个信息系统，与管理信息系统(Management Information System，MIS)一样，都是以计算机为核心的信息处理系统，都具有数据量大和数据之间关系复杂的特点。但GIS主要处理空间数据，如土地资源、森林资源、交通运输网络、人口分布等数据。而MIS主要处理物资、设备、资金、产量、库存、劳动力以及人事档案、生产合同、计划任务等非空间数据。在大型MIS系统中集成部分GIS功能，这种应用模式将越来越广泛。同时，近年来发展起来的组件式GIS(Com GIS)和网络GIS(WebGIS)技术有利于实现MIS和GIS的无缝集成。 ###(2)地理信息科学 在发展的初期，地理信息系统很多时候被看成一门技术，或是一个工具，以完成具体的一项工作。但是很快，1980年代，GIS应该成为一门学科、一门科学的思想逐渐占据主流。作为一门学科开展研究，两点必须明确：(A)X学科外延，定义其与其它学科的关系:(B)学科内涵,定义组成学科的研究课题。 ####(A)地理信息科学的学科外延 1988年,在David Simonatte等著名科学家的努力下，美国国家自然科学基金委(NSF)投资在全美三所高校建立了国家地理信息与分析中心(NCGIA)(1988-1997), 开展地理信息科学及相关技术研究，这三所高校是美国加州大学圣芭芭拉分校(UC Santa Barbara)、纽约州立大学布法罗分校(SUNY Buffalo),缅因大学(University of Maine)。差不多与此同时，英国也推动了相应的区域研究实验室(RRL)计划(1987-1991)，RLL计划也是联合英国多所知名大学，合作开展地理信息科学基础研究。基础研究的进展，地理信息科学作为一门独立的学科提上日程。 1994年12月，美国成立大学地理信息科学联盟(UCGIS) http://www.ucgis.org ，UCGIS致力于推进全美GIS的研究，UCGIS认为将地理数据转换为有用的信息是地理信息科学的中心工作。UCGIS认为地理信息科学作为一个新兴的交叉学科领域，涉及地理学、计算机科学、心理学、数学、哲学、统计学、测量学、园林规划学、地球科学以及其他许多学科，为学科之间的交融架设了一座桥梁。地理信息科学通过独特的地理信息系统应用强调基本理论和实证研究。 1997年，美国国家地理信息与分析中心(NCGIA)发布其网络版地理信息科学核心课程(NCGIA GIScience CC，NCGIA Core Curriculum,1997)，在这个著名的网络课程中，它首先开宗明义地定义地理信息科学(Geogrpahical Information Science)为在地理信息技术背后的科学，地理信息科学开展的基础研究的是针对使用GIS技术背后的基本问题，这种基础研究能保证GIS技术总是在前沿。 1999年，NSF召开NCGIA年度工作会议(WORKSHOP),会议认为：地理信息科学(GIScience)是一个基础研究领域，它寻求重新定义地理概念以及这些地理概念在GIS背景下的使用(NSF NCGIA 1999 Workshop,1999)。地理信息科学(GIScience)相关的学科领域包括地理学、地图学、大地测量学等学科，也包括认知和信息科学领域，同时地理信息科学(GIScience)也能够与心理学、政治学、人类学等研究实现互动，共同进行进行地理信息与人类社会的关系研究。 (插图，GIS学科树) 综上，地理信息科学是一个交叉学科，与多个学科有着紧密的联系。 ####(B)地理信息科学的学科内涵 1980年年代，美国NSF在设立NCGIA之初，设立了5个方面的研究内容： (a)空间分析与空间统计学(Spatial analysis and spatial statistics); (b)空间关系与数据库结构(Spatial relations and database structure); ©人工智能与专家系统(Artificial intelligence and expert systems); (d)可视化(Visualization); (e)GIS的社会、经济与机构应用(Social, economic, and institutional issues). 1990年7月，Michael Goodchild教授在瑞士苏黎世做了一个与GIS相关的演讲，他第一次提到“空间信息科学(Spatial Information Science)”的概念。1992年，Goodchild在国际地理信息系统杂志(IJGIS)发表“地理信息科学”一文，标志着“地理信息科学”作为一门学科的诞生。在这篇经典的论文中，Goodchild提出了地理信息科学的学科内涵，从八个方面提出了地理信息科学的研究内容： (a)数据收集与量测(Data collection and measurement)； (b)离散化：(GPS、地图或遥感的)综合、抽象、近似(Discretization: generalization, abstraction, approximation. GPS, map, or remote sensing?) ©数据获取(Data capture) (d)空间统计学(Spatial statistics) (e)数据建模和空间数据理论(Data modeling and theories of spatial data) (f)数据结构，算法和过程(Data structures, algorithms and processes) (g)显示(Display) (h)分析工具(Analytical tools) (i)GIS的机构问题、管理问题和伦理问题(Institutional, managerial and ethical issues)。 1996年，UCGIS公布了地理信息科学领域的10大前沿问题： (a) 空间数据获取与集成(Spatial Data Acquisition and Integration) (b) 分布式计算(Distributed Computing) © 地理表达的扩展(Extensions to Geographic Representation) (d) 地理信息认知(Cognition of Geographic Information) (e) 地理信息的互操作(Interoperability of Geographic Information) (f) 尺度(Scale) (g) GIS环境中的空间分析(Spatial Analysis in a GIS Environment) (h) 空间信息基础设施的未来(The future of the Spatial Information Infrastructure) (i) 空间数据和GIS分析中的不确定性(Uncertainty in Spatial Data and GIS-based Analysis) (j) GIS与社会(GIS and Society) 1997年，最为知名的GIS杂志——国际地理信息系统杂志也更名为国际地理信息科学杂志(缩写都是IJGIS)，这标志着地理信息科学作为一门科学得到学术界的广泛认可。 2003年，美国纽约州立大学布法罗分校的David M. Mark教授发表《地理信息科学：定义学科的领域》，进一步提出了地理信息科学研究内涵在，主要分五大方面： (a) Ontology and representation(本体与表达)：主要包括Ontology of the geographic domain(地理域的本体论)以及Formal representation of geographic information(地理信息的形式化表达)。 (b) Computation(计算)：包括Qualitative spatial reasoning(量化空间推理)、Computational geometry(计算几何)、Efficient indexing, retrieval, and search in geographic databases(地理数据库的有效数据索引、数据提取、数据查询)、Spatial statistics(空间统计学)以及其它地学计算主题（包括数据挖掘与知识发现、神经网络、人工智能、启发式算法、模糊计算、分形、遗传算法、元胞自动机、并行计算等） © Cognition(认知)：包括Cognitive models of geographic phenomena (human perception, learning,memory, reasoning and communication of and about geographic phenomena)(地理信息的认知模型:地理现象的人类感知、学习、记忆、推理和通讯)、Human interaction with geographic information and technology(地理信息和技术与人类交互)。 (d) Applications, institutions, and society(应用、机构和社会):包括Acquisition of geographic data — Geomatics(地理信息获取——地理信息学)、Quality of geographic information (地理信息质量)、Spatial analysis (空间分析)、Geographic information, institutions, and society(地理信息、机构和社会)等。 (e) Crosscutting research themes 前沿研究问题：包括Time(时间)和Scale(尺度)问题。 综上，随着GIS研究的发展，许多老的课题被解决，新的课题不断的诞生，GIS研究的课题越来越具体，这些基础研究的开展将对未来的GIS尖端技术的发展有着轻重的地位。 ###本节参考文献 【1】 美国NCGIA地理信息科学核心课程(NCGIA Core Curriculum in Geographic Information Science), 1997, http://www.ncgia.ucsb.edu/giscc/gateway.html 【2】 David M. Mark, Foundations of Geographic information science, in: Matt Duckham, Michael F. Goodchild and Michael F. Worboys(Editors), Taylor & Francis, London,2003 ##三、GIS的未来发展趋势 (1) 趋势1：Need better ways to represent, understand, manage, and communicate our natural world (需要表达、理解、管理我们这个世界并与之进行交流的更好的方式) (A)Geodatabase数据模型 地图(Map)是一种我们都很熟悉的表示地理信息的模型。阅读地图的过程很多时候能给人身临其境的感觉。在地图上，我们可以非常方便地量测两地之间的距离，查看地物的空间分布以及地物之间的相对位置。实际上，地图是通过一组图例和规则(如地图投影、线符号、文本)按一定比例尺在平面上建立的现实世界的模型。 在GIS中，也应该在计算机中建立一个与地图类似的反映现实世界的模型——地理数据模型。地理数据模型是一个基础，用以在计算机系统中如何表示地理信息对象。地理数据模型定义了其自身的一组概念和关系，用以对地球上的事物进行描述和推理。所有的地理信息系统都建立在地理数据模型这个基础之上。 CAD, Coverage和Shapefile等数据模型是早期经典的数据模型，在GIS发展史上发挥了重要的作用，1999年，美国ESRI推出的新一代面向对象数据模型——Geodatabase，它是一种在经典的关系数据库中表示地理信息的统一构架。这种架构可以集成地理对象、特征、表面、网络、影像、网络、地址等地理信息表达模型，并且更多的空间信息表达模型正在被加入到Geodatabase统一构架中。通过这些模型，我们可以理解和解释无限复杂的现实世界。在应用GIS的过程中，我们在Geodatabase这样一个简单的架构中逐步集成所有的概念和思想。 虽然，Geodatabase的功能在用相关行为、关系和属性来表示特征的能力方面，要比原有的Coverage和Shapefile模型要强得多，但是Geodatabase仍然在发展，一些复杂的时空变化问题(如三维GIS、时态GIS)还无法通过Geodatabase很好地实现，因此需要表达、理解、管理我们这个世界并与之进行交流的更好的方式。 (B)行业数据模型 Geodatabase将建立新的特征数据模型的目标从特殊的应用逻辑（如Coverage数据模型维重在持对象间的连接性或关系完整性）尽可能地转移到数据模型自身的范围。这使得GIS应用更多地利用数据模型的规则进行定义，而不再是对每一个应用都自定义应用逻辑。这种设计思想是改变了以往数据模型无法在底层表现知识/行为的弊病，不是将矛盾后移，将所有问题集中在高层通过二次开发来解决，而是一开始在数据模型阶段的底层Geodatabase加以解决。这也就是如今如火如荼的行业数据模型开发(Industry Data Model)的肇始。 Geodatabase的推出是为GIS知识工程的发展做准备。据ESRI统计，在Geodatabase推出以后，已经有30多个行业发布了它们的通用数据模型，涉及地质、农业、建筑、石油、水利、生物多样性、人口调查、国防等领域，每一个数据模型的设计都由该行业专家和行业相关单位协商产生。很多行业为此形成了常设的专业委员会管理他们的数据模型，建立了专业网站发布有关内容；某些行业的通用数据模型已经不断更新完善，例如石油部门的通用数据模型已经到了第7版。为了方便使用，发布的每一个行业通用数据模型还包括一个可供下载直接输入使用的已经在地理数据库(geodatabase)上实现的这个通用数据模型架构(schema template)以及各种详细的设计文本和使用说明，再加上一个成功的实例和一个小型样板数据库，这为同行建立GIS应用项目可以了重要的参考，GIS系统的开发效率也会明显提高。 行业数据模型的推出，让GIS扩展到各个具体的行业应用，大大促进了GIS的行业深度应用。 (2)趋势2：data－information－knowledge (Exploration, Explanation, Prediction, Planning)(数据-信息-知识) (3)趋势3：The GISystem needs to disappear from sight, to become embedded in task-specific systems! GISystem to GIService (miniature, mobile, public, person-centered……)(GIS的小型化、移动化、公众化、个人化) ###四、GIS的反思 (未完待续) [参考文献] 【1】[美]普雷斯顿•詹姆斯著，李旭旦译，地理学思想史，北京：商务印书馆，1982年7月，第1版。 【2】[美]杰弗里·马丁著，成一农、王雪梅译，所有可能的世界:地理学思想史(第4版)，上海：上海人民出版社，2008年4月，750页。 【3】Doug Richardson，Mapping Opportunities, Nature 427, 376-377 (22 January 2004) http://www.nature.com/nature/journal/v427/n6972/full/nj6972-376a.html [4] McHarg, I. L. 1969. Design with nature. Doubleday & Co., Inc, New York, 198 pp. 中文译著： (a)(美)麦克哈格(Mcharg,Ian L.)著，芮经纬译，设计结合自然，北京:中国建筑工业出版社,1992，283页； (b)(美)麦克哈格(Mcharg,Ian L.)著，芮经纬译，设计结合自然，天津:天津大学出版社,2006，244页。 【5】Carl Steinitz,Peter Rogers, A Systems Analysis Model of Urbanization and Change：An Experiment in Interdisciplinary Education, Cambridge: The MIT Press, 1970,120pp. 【6】俞孔坚,景观生态规划发展历程——纪念麦克哈格先生逝世两周年,见：俞孔坚、李迪华主编，景观设计：专业、学科与教育，北京：中国建筑工业出版社，2005年12月。 【7】矢野桂司,地理学における計量革命とGIS革命： GeoComputationとは何か,2003, CSIS Workshop on Research Agenda for Spatial Analysis, Tokyo University, Japan (Http://ua.t.u-tokyo.ac.jp/okabelab/sada/rasa/presentation_yano.ppt) 【8】Maguire, D.J. 1991. An overview and definition of GIS, in geographical information systems. Volume 1: Principles (Maguire, D.J. et al.). Longman, London, UK. Pp. 9-20. 【9】Worboys, M. F.，1995. GIS. A Computing Perspective, London: Taylor & Francis,376 pp. 【10】Worboys, M.F. and Duckham, M.，2004. GIS: A Computing Perspective, Second Edition, CRC Press,448 pp. 【11】Michael J.de Smith, Michael F.Goodchild, Paul A.Longley, Geospatial Analysis:A Comprehensive Guide to Principle Techniques and Software Tools (2nd Edition),Troubador Publishing Ltd,516 pp.,December 19, 2007. (电子稿请见：http://www.spatialanalysisonline.com)[中文译著：(英国)德史密斯 (Michael J.de Smith) (美国)Michael F.Goodchild (英国)Paul A.Longley著，杜培军、张海荣、冷海龙译，地理空间分析:原理、技术与软件工具(第2版)，电子工业出版社，379 页，2009年3月] 【12】Michael F. Goodchild，2001 ESRI USER CONFERENCE Pre-Conference Seminar：SPATIAL ANALYSIS and GIS, San Diego, CA, July 8, 2001, http://www.csiss.org/learning_resources/content/good_sa/ [13]M.F. Goodchild, Geographical information science, IJGIS 6(1):31-45, 1992 [14]WIKI百科： http://en.wikipedia.org/wiki/Geographic_information_system |
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