基于GIS的棉田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫的建立

摘要：在ＡｒｃＶｉｅｗ ＧＩＳ支持下，利用農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料和田間取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將棉田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合進(jìn)來，建立了農(nóng)五師83團(tuán)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的建立實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的查詢與顯示、現(xiàn)狀變更、輸出、專題圖的制作、插值分析等功能。數(shù)據(jù)庫的建立使棉田土壤養(yǎng)分管理和評(píng)價(jià)更加便利。

關(guān)鍵詞：ＡｒｃＶｉｅｗ；土壤養(yǎng)分；空間數(shù)據(jù)庫；屬性數(shù)據(jù)庫

中圖分類號(hào)：ＴＰ３１１．１３；Ｓ１５８ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０11）09－1884-04

The Establishment of Cotton Soil Nutrients Database based on GIS

ＷＡＮＧ Ｈａｉ－ｊｉａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ｆｅｎｇ，ＣＵＩ Ｊｉｎｇ，Ｌ?譈 Ｘｉｎ

（Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２００0， Ｘｉｎｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡｒｃＶｉｅｗ ＧＩＳ， ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ， ａ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ ｄａｔａｂａｓｅ of the 83rd regiment in the fifth agricultural construction division ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｄａｔａ ｑｕｅｒｙ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ， ｓｔａｔｕｓ ｃｈａｎｇｅｓ， ｅｘｐｏｒｔ， ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｍａｔｉｃ ｍａｐｓ， interpolation analysis and so on． Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅd ｍｏｒｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｆｏｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｍｅｎｔｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＡｒｃＶｉｅｗ； sｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ； sｐａｔｉａｌ dａｔａｂａｓｅ； aｔｔｒｉｂｕｔｅ ｄａｔａｂａｓｅ

２０世紀(jì)７０年代ＧＩＳ開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在土地資源調(diào)查、土地資源評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)資源信息的管理分析等方面取得了重大進(jìn)展。近１０年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合為特征的數(shù)字農(nóng)業(yè)得到了迅速發(fā)展，ＧＩＳ、ＧＰＳ、ＲＳ與網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)結(jié)合，成為數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的核心，尤其在“精確農(nóng)業(yè)”中得到了廣泛應(yīng)用。地理信息系統(tǒng)（ＧＩＳ）是精確農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)之一，其主要作用是用于建立農(nóng)田信息管理、土壤采樣分析數(shù)據(jù)、作物苗情、病蟲害發(fā)展趨勢(shì)、作物產(chǎn)量等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進(jìn)行空間信息的地理統(tǒng)計(jì)處理分析、圖形轉(zhuǎn)換與表達(dá)等，為分析差異性和實(shí)施調(diào)控提供決策方案。

陳瓊等［１］建立起基于ＧＩＳ的青海省縣級(jí)土地利用數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了青海縣級(jí)土地利用的信息化管理；邱冬煒等［２］從地籍信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、管理、使用與維護(hù)等方面，提出了建立地籍信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；高霄軍等［３］從分析區(qū)域地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)和ＧＩＳ數(shù)據(jù)庫各自的特點(diǎn)出發(fā)，建立了基于ＧＩＳ的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。新疆是全國(guó)商品棉生產(chǎn)的重要基地，兵團(tuán)棉花生產(chǎn)有著生產(chǎn)規(guī)模大、機(jī)械化水平高等特點(diǎn)，對(duì)棉田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的不了解導(dǎo)致施肥存在很大的盲目性，施肥不合理是影響植棉效益和環(huán)境質(zhì)量的主要因素［４，５］。

為實(shí)現(xiàn)棉田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫的建立，對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)信息進(jìn)行空間操作，需要對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、分析和更新，運(yùn)用ＧＩＳ技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有機(jī)整合起來，有效的將ＧＩＳ技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)田養(yǎng)分信息管理工作中，以期達(dá)到事半功倍的效果。

１地理信息系統(tǒng)軟件ＡｒｃＶｉｅｗ簡(jiǎn)介

ＡｒｃＶｉｅｗ是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所（ＥＳＲＩ）研制的集成地理信息系統(tǒng)和桌面制圖系統(tǒng)軟件，適合于各種平臺(tái)，它能使圖形、圖像、文字、表格、音像等多種形式的資料管理集成在一個(gè)窗口界面中。ＡｒｃＶｉｅｗ不僅具有文字、數(shù)字、照片等數(shù)據(jù)庫，還具有空間圖形數(shù)據(jù)庫，更重要的是它在二者之間建立了有機(jī)的聯(lián)系，因而具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)定位、查詢和分析功能。

就其功能而言，由于構(gòu)筑在面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之上，ＡｒｃＶｉｅｗ的數(shù)據(jù)管理和分析功能相當(dāng)靈活，ＡｒｃＶｉｅｗ能夠從ＡＲＣ／ＩＮＦＯ的Ｃｏｖｅｒａｇｅ和Ｇｒｉｄ中讀取數(shù)據(jù)，也能夠讀取ＡｕｔｏＣＡＤ和外部數(shù)據(jù)庫（如Ｏｒａｃｌｅ和Ａｃｃｅｓｓ以及格式化文本數(shù)據(jù)）等；就其靈活性而言，由于有了Ａｖｅｎｕｅ編程語言，用戶能夠完全控制ＡｒｃＶｉｅｗ環(huán)境中的每個(gè)元素，通過使用Ａｖｅｎｕｅ腳本，能夠訪問ＡｒｃＶｉｅｗ內(nèi)置的對(duì)象和類，比如它內(nèi)置的多種地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，利用Ａｖｅｎｕｅ就可以進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)運(yùn)算。

２棉田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫的總體設(shè)計(jì)

本研究主要以兵團(tuán)農(nóng)五師８３團(tuán)為研究對(duì)象，建立起研究區(qū)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)庫信息包括土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、總鹽含量和土壤微量元素，為了便于對(duì)數(shù)據(jù)庫的管理和分析，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了條田面積、產(chǎn)量、灌水、病蟲害等輔助信息；通過ＡｒｃＶｉｅｗ對(duì)數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢檢索、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤養(yǎng)分的合理性評(píng)價(jià)。土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫的建庫流程［6］如圖１所示。

３棉田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫的構(gòu)建

空間數(shù)據(jù)庫與地圖要素的幾何特征有關(guān)，而屬性數(shù)據(jù)描述地圖要素的特征。地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型采用分開的數(shù)據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，即把空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分別以單獨(dú)的文件存儲(chǔ)。這兩種數(shù)據(jù)文件由要素ＩＤ碼相互關(guān)聯(lián)從而達(dá)到同步化，使得兩種數(shù)據(jù)都能進(jìn)行查詢、分析、顯示［7］。

３．１屬性數(shù)據(jù)庫的建立

屬性數(shù)據(jù)具體描述各地物的特征，是各地物特征的反映，將這些特征作為屬性，建成屬性表格。土壤屬性數(shù)據(jù)庫以條田為單位，在充分利用現(xiàn)有土壤普查資料的基礎(chǔ)上，調(diào)查每塊條田的農(nóng)戶名、面積、地號(hào)，按照土壤農(nóng)化取樣規(guī)則，選有代表性的地塊采集０～３０ｃｍ表層土樣１ｋｇ左右，送土樣測(cè)試室進(jìn)行分析化驗(yàn)，得到土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量情況。將土壤養(yǎng)分屬性數(shù)據(jù)依次輸入Ｅｘｃｅｌ（表１），將Ｅｘｃｅｌ文件轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)庫可接受的*．ｄｂｆ格式。

３．２圖形數(shù)據(jù)庫的建立

空間數(shù)據(jù)庫是空間數(shù)據(jù)集合，它實(shí)現(xiàn)對(duì)具有一定地理要素特征的相關(guān)空間數(shù)據(jù)集合的統(tǒng)一管理，空間數(shù)據(jù)間緊密聯(lián)系，共同反映現(xiàn)實(shí)世界中某一區(qū)域內(nèi)綜合信息或?qū)ｎ}信息聯(lián)系，主要應(yīng)用于地理空間數(shù)據(jù)處理和分析［8］。

３．２．１圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本數(shù)據(jù)庫中圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用了矢量結(jié)構(gòu)形式，其中，點(diǎn)實(shí)體具有幾何確定位置，由一對(duì)平面坐標(biāo)（x，y）來表示；線實(shí)體具有一定的走向和長(zhǎng)度，其記錄方式為一系列的（x，y）坐標(biāo)對(duì)；面實(shí)體具有確定的范圍和形態(tài)，它由一條或多條首尾坐標(biāo)對(duì)相同的封閉弧線所組成，它的記錄方式是按順序記錄它的標(biāo)識(shí)碼及其多邊形弧線上各折線點(diǎn)的坐標(biāo)值。

３．２．２圖形數(shù)據(jù)的輸入流程收集團(tuán)場(chǎng)的土壤類型分布圖、土壤質(zhì)地分布圖、土壤養(yǎng)分含量分布圖與土地利用現(xiàn)狀圖，并且以最新的經(jīng)過實(shí)地校正編繪的１∶１萬土地利用現(xiàn)狀圖為底圖［9］，以條田為上圖圖斑，利用圖件掃描進(jìn)行矢量化；以ＡｒｃＶｉｅｗ為地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，對(duì)多邊形對(duì)象條田進(jìn)行矢量化，建立以各團(tuán)場(chǎng)連隊(duì)為基本單位的條田分布圖圖庫。

３．２．３圖形數(shù)據(jù)的編輯處理圖形數(shù)據(jù)輸入后，存在許多誤差，必須對(duì)其進(jìn)行編輯修改。第一步：構(gòu)造拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)溴e(cuò)誤主要包括弧沒有連接好，多邊形未封閉，多邊形無標(biāo)號(hào)點(diǎn)或有多于一個(gè)標(biāo)號(hào)點(diǎn)，用戶標(biāo)識(shí)號(hào)不正確。第二步：標(biāo)出數(shù)字化錯(cuò)誤。如偽節(jié)點(diǎn)、懸掛節(jié)點(diǎn)、多邊形標(biāo)號(hào)錯(cuò)誤等。第三步：改正錯(cuò)誤。即添加遺漏的數(shù)據(jù)，刪除不正確的數(shù)據(jù)代之以正確數(shù)據(jù)。第四步：重建拓?fù)潢P(guān)系。圖2是經(jīng)過編輯修改過的８３團(tuán)條田矢量圖，對(duì)于試驗(yàn)團(tuán)場(chǎng)８３團(tuán)中各連隊(duì)位置都有其精確的空間坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)條田面積和距離的量算。

３．３空間數(shù)據(jù)庫及屬性數(shù)據(jù)庫的連接

在ＡｒｃＶｉｅｗ系統(tǒng)中，有專門處理和組織圖形數(shù)據(jù)及用于組織圖形屬性的關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。利用ＡｒｃＶｉｅｗ提供的功能，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過一系列的標(biāo)識(shí)碼（ＩＤ）相互連接。圖形以一定格式按文件方式存儲(chǔ)，而屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；ＧＩＳ通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫接口程序（ＯＤＢＣ、ＯＬＥＤＢ等）來管理屬性數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)內(nèi)部生成的惟一標(biāo)識(shí)符實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。

Ａｒｃ Ｖｉｅｗ有兩種管理表格的功能：連接（ＪＩＯＮ）和關(guān)聯(lián)（ＬＩＮＫ）［１0］。ＪＩＯＮ可以把目標(biāo)表和源表連到一起，ＪＩＯＮ適用于“一對(duì)一”、“多對(duì)一”的關(guān)系。ＬＩＮＫ雖然保持表格的相互分離，但關(guān)注表格中的關(guān)聯(lián)記錄，因而ＬＩＮＫ在“一對(duì)一”、“多對(duì)一”、“一對(duì)多”關(guān)系中有用（圖3）。

４數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用功能

４．１顯示與查詢功能

土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立，提供了多種方便的查詢方式，主要表現(xiàn)為屬性和圖形的交叉查詢。圖形—屬性查詢，圖上的任一元素均可利用鼠標(biāo)方便地查到它的屬性數(shù)據(jù)并以各種表的方式顯示，其內(nèi)容多少可根據(jù)用戶需要在系統(tǒng)環(huán)境中設(shè)定［１1］。屬性—圖形查詢，給出屬性庫的結(jié)構(gòu)（屬性項(xiàng)、屬性項(xiàng)的值、邏輯運(yùn)算符），用戶可以用范圍查詢、緩沖查詢、轄區(qū)查詢、條件查詢的形式進(jìn)行邏輯組合條件檢索，找到滿足條件的空間位置。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的查詢，圖4為８３團(tuán)一連關(guān)系數(shù)據(jù)庫的查詢，通過數(shù)據(jù)庫中表格的鏈接，你可以從任何表格中探查數(shù)據(jù)庫中的土壤養(yǎng)分屬性數(shù)據(jù)，而且，由于表格和條田矢量圖是連接的，你也可以看見所選中記錄的位置。

４．２專題圖的制作

專題圖通過顏色深淺、充填圖案、符號(hào)、直方圖或餅圖來可視化地顯示用戶的數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)他們的數(shù)據(jù)，通過指定地圖對(duì)象的顏色、圖案或符號(hào)創(chuàng)建不同類型的專題圖。圖5為通過顏色深淺來描述８３團(tuán)三連土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低。

一幅好的專題圖應(yīng)該具有易讀性好、可視對(duì)比強(qiáng)烈、“圖形－背景”清晰、地理數(shù)據(jù)層次組織分明等特點(diǎn)，用以顯示地理數(shù)據(jù)中的差別。ＡｒｃＶｉｅｗ對(duì)地圖制作中的一套可視變量（圖形、尺寸、方向、紋理、色調(diào)、和數(shù)值）有著良好的控制，利用它強(qiáng)大的功能可以制作出滿意的專題地圖。

４．３輸出功能

ＧＩＳ的輸出產(chǎn)品是指經(jīng)系統(tǒng)處理分析，可以直接提供給用戶使用的各種地圖、圖表、圖像、數(shù)據(jù)報(bào)表或文字報(bào)告。本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供多種多樣的輸出方式，總的來說主要包括圖表、屬性和各種圖件的輸出。圖形輸出主要表現(xiàn)為按比例尺標(biāo)準(zhǔn)圖幅形式的輸出、根據(jù)條件進(jìn)行輸出以及裁減輸出，用戶可根據(jù)需要確定要輸出的范圍，就可實(shí)現(xiàn)任意裁減輸出。

４．４土壤養(yǎng)分空間數(shù)據(jù)插值分析

空間數(shù)據(jù)的插值即對(duì)一組已知空間數(shù)據(jù)，可以是離散點(diǎn)的形式，也可以是分區(qū)數(shù)據(jù)的形式［１2］，要從這些數(shù)據(jù)中找到一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，使該關(guān)系式最好地逼近已知的空間數(shù)據(jù)，并能根據(jù)該函數(shù)關(guān)系式推求出區(qū)域范圍內(nèi)其他任意點(diǎn)或任意分區(qū)的值。

圖6是由農(nóng)五師８３團(tuán)三連土壤取樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行的插值結(jié)果圖，對(duì)有機(jī)質(zhì)含量（5.2~１２、１２~１５、１５~１８、１８~27 ｇ／ｋｇ）四個(gè)等級(jí)進(jìn)行插值劃分。分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律，不僅能夠顯示隨機(jī)變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征，而且可以通過分析，更好地解釋機(jī)構(gòu)因素和隨機(jī)因素對(duì)變量空間變異的影響。

４．５數(shù)據(jù)庫的更新

為了保證土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性和準(zhǔn)確性，必須對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行適時(shí)更新。土地利用變更調(diào)查是以當(dāng)年土壤養(yǎng)分分析的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，變更的圖形和屬性數(shù)據(jù)也大多標(biāo)在變更調(diào)查底圖上。條田圖斑變更數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理方法如下：對(duì)于圖形未發(fā)生變更僅有屬性變更的圖斑來說，其采集方法比較簡(jiǎn)單，可以直接在上一年度的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)上直接修改屬性值；對(duì)于圖形發(fā)生變更的圖斑來說，需要對(duì)一些新增加或刪除的線劃和圖斑進(jìn)行采集和拷貝，以生成新的變更圖斑［１3］。

５小結(jié)

棉田土壤養(yǎng)分包含大量的數(shù)據(jù)信息，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程［１4］，通過建立ＧＩＳ數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以有效地管理和集成這些地學(xué)數(shù)據(jù)，并可利用空間分析方法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)分析和評(píng)價(jià)，在ＧＩＳ數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行更好的數(shù)據(jù)挖掘。

棉田土壤取樣點(diǎn)位置和數(shù)量的確定是數(shù)據(jù)庫建立的基礎(chǔ)，在空間插值和分析中有著重要的影響，當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)且均勻分布時(shí)，能更好地反映研究要素在空間的分布特征，當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)成群或不均勻分布時(shí)，難以很好地反映研究要素在整個(gè)空間的分布特征，可能會(huì)造成插值結(jié)果的不合理［１5］。

棉田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的原始資料數(shù)據(jù)來源于不同的調(diào)查部門，其數(shù)據(jù)的存放格式也不相同。在進(jìn)行ＧＩＳ數(shù)據(jù)庫建立時(shí)，應(yīng)首先注意數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的確定，將各種資料數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)表、索引表和數(shù)據(jù)字典。

土壤數(shù)據(jù)庫的建成可以減少棉田的管理人員人數(shù)，幫助管理人員方便得到所需要的資料及數(shù)據(jù)分析，提高管理人員決策的效率和準(zhǔn)確度。另一方面可以及時(shí)獲取棉田土壤養(yǎng)分信息，對(duì)棉田養(yǎng)分平衡進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此為依據(jù)指導(dǎo)耕作、施肥措施，調(diào)控農(nóng)田土壤養(yǎng)分的供給狀況，提高養(yǎng)分的有效利用率，保證作物的正常生長(zhǎng)，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目的，并維持、提高棉田的持續(xù)生產(chǎn)能力，保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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