CN113240257A - 一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,分区方法为:获取目标地区的空间数据,获得目标地区的生态用地和建设用地两类用地的区域,基于空间数据与两类用地的评价指标,设置多维阻力评价因子,基于多维阻力评价因子构建综合扩张阻力,基于最小阻力模型和综合扩张阻力,分别获得两类用地在扩张中的最小累积阻力值,基于最小累积阻力值,计算两类用地在扩张中的最小累积阻力差值,基于最小累积阻力差值以及对应的栅格数目,对目标地区进行国土空间分区并输出分区结果。本申请具有在一定程度上避免低效的、不合理的土地开发,实现土地资源的可持续发展的效果,为国土空间分区提供科学依据。
Description
技术领域
本申请涉及构建地区生态安全的技术领域,尤其是涉及一种基于最小 累积阻力模型的国土空间分区方法和装置。
背景技术
随着城市化进程的加快,我国所面临的各种资源环境压力愈加严峻, 不同类型的土地利用矛盾日益突出,地区空间结构逐渐失衡,城乡发展差 距不断扩大。合理有效的空间规划成为实现可持续发展的先决条件。
相关技术的国土空间分区研究,在国内起步比较晚,早期的空间分区 方法,普遍以地类作为分区依据,缺乏对国土空间适宜性的定量评估,空 间配置的前瞻性与科学性欠佳;随着GIS平台以及空间技术的不断发展, 从不同的评价角度构建指标评价体系定量评价,并在GIS平台上进行专题 图叠加及聚类成为空间分区的主流方式,但其分区过程存在数量上和空间 上的约束不足,特别是在兼顾多种高适宜度的空间该如何划分,局限于主观人为的方式,且分区偏向静态,缺乏对外部环境和政策的及时调整应对。 同时,空间分区在不同地区有不同的内涵,现有的空间分区实践大多以城 镇化地区为实例,对于重点生态功能区必须结合其特殊的自然环境和严格 的保护政策,其空间分区的方法不能照搬或者模仿其他城镇化地区的分区 方法。
针对上述中的相关技术,发明人认为存在有现在国土空间分区数量和 空间的约束不足,缺乏对外部环境的及时调整应对,使得土地开发不合理、 土地利用效率低。
发明内容
为了改善国土空间分区数量和空间的约束不足,缺乏对外部环境和政 策的及时调整应对,使得土地开发不合理、土地利用效率低的问题,本申 请提供一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置。
第一方面,本申请提供的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区 方法,所述方法包括:所述方法包括:
S1:获取目标地区的空间数据,对空间数据进行识别,获得目标地 区的生态用地和建设用地的区域;
S2:基于目标地区的空间数据与两类用地的评价指标,设置多维阻 力评价因子;
S3:基于多维阻力评价因子构建综合扩张阻力;
S4:基于最小阻力模型和综合扩张阻力,分别获得两类用地在扩张 中的最小累积阻力值;
S5:基于两类用地在扩张中的最小累积阻力值,计算两类用地在扩 张中的最小累积阻力差值;
S6:基于最小累积阻力差值以及对应的栅格数目,对目标地区进行空 间分区并输出分区结果。
优选的,所述步骤S2包括:
S21:对阻力评价因子进行分级,并设置扩张阻力值作为衡量参数;
S22:对所述阻力评价因子赋权重,其中,按照阻力评价因子对目标 地区的两类用地的扩张影响大小,设置权重的大小。
优选的,所述步骤S2中的所述阻力评价因子包括目标地区的自然地理 因子和社会经济因子。
优选的,所述自然地理因子包括坡度因子、海拔因子、归一化植被指 数(NDVI)因子、土地利用类型因子。
优选的,所述社会经济因子包括距道路距离因子、距水体距离因子、 距居民点距离因子。
优选的,所述步骤S4中的最小阻力模型为:式中:MCR为最小累积阻力值;f是一个单调递增函数,反映空间中任一点 的阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的正相关关系;min为空间中 任一点到其他所有源的最小阻力;Dij为源j到空间单元面i的空间距离,R 为空间单元面i在地类扩张过程的阻力。
优选的,所述步骤S6中,当最小累积阻力差值<0生态用地扩张阻力 小,适宜生态用地的保护;最小累积阻力差值>0建设用地扩张阻力小, 适宜作为建设用地;最小累积阻力差值=0则是该区域生态用地和建设用地 的分界线。
优选的,通过ArcGIS软件,对目标地区数据进行栅格化,统计最小累 积阻力差值对应的栅格数目,绘制最小累积阻力差值和栅格数目的关系曲 线,以最小累积阻力差值的突变点作为确定目标地区的分区阈值。
优选的,最小累积阻力差值=0和最小累积阻力差值的最大值为固定突 变点,最小累积阻力差值<0的极小值点作为浮动突变点,构建目标地区的 国土空间分区:最小累积阻力差值<浮动突变点为禁止建设区,浮动突变点 <最小累积阻力差值<0为限制建设地区,0<最小累积阻力差值<最小累积阻 力差值的最大值为有条件建设区,最小累积阻力差值的最大值<最小累积阻 力差值为适宜建设区。
第二方面,一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区装置,所述装 置包括:
获取模块,用于获取目标地区的空间数据;
分区模块,基于目标地区的空间数据与两类用地的评价指标,设置多 维阻力评价因子;基于多维阻力评价因子构建最小阻力模型;基于两类用 地在扩张中的最小累积阻力值,计算两类用地在扩张中的最小累积阻力差 值;基于最小累积阻力差值及其对应的栅格数目关系,对目标地区进行国 土空间分区并输出分区结果。
综上所述,本申请包括以下至少一种有益技术效果:
1.首先识别现存生态用地和建设用地,选取最有影响性的目标地区阻 力评价因子,根据最小阻力模型计算得出两类用地扩张过程的最小累积阻 力差值,对城市进行发展适宜性分析,当最小累积阻力差值<0,生态用 地扩张阻力小,适宜作为生态用地,最小累积阻力差值>0,建设用地扩 张阻力小,适宜作为建设用地,可以更科学地把握城市景观格局变化与生 态系统功能之间的关系,为土地资源保护和空间规划提供数据支持,在一 定程度上避免低效的、不合理的土地开发,实现土地资源的可持续发展。
2.地区的发展需要经济建设,同时还需要保护生态,因此选用目标地 区自然地理因子和社会经济因子两方面作为阻力评价因子,设置多种自然 地理因子,更全面的表征目标地区自然环境,结合经济发展特点,选择距 道路距离因子、距水体距离因子、距居民点距离因子,更全面的表征目标 地区的经济发展环境;
3.先对阻力评价因子进行分级,并将每一级对应一个扩张阻力值,在 对阻力评价因子进行权重的设置,从而将阻力评价因子对扩张阻力的影响 进行精细化,进一步提高了结论的准确性;
4.绘制最小累积阻力差值和栅格数目的关系曲线,并以最小累积阻力 差值的突变点作为确定目标地区的分区的阈值,在识别生态用地和建设用 地的前提下,进行细化分区,为国土空间规划提供了分区方案,进一步科 学地把握城市景观格局变化与生态系统功能之间的关系,为土地资源保护 和空间规划提供更广泛数据支持。
附图说明
图1是本申请实施例的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方 法的流程图。
图2本申请实施例的分区结果示意图。
图3本申请实施例的生态用地和建设用地的最小累积阻力面示意图。
图4本申请实施例的生态用地和建设用地的最小累积阻力差值面示意 图。
图5本申请实施例的最小累积阻力差值与栅格数目的折线图。
图6本申请实施例的四个分区分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和 装置。
第一方面,一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法,参照图1,其包括:
S1:获取目标地区的空间数据,对空间数据进行识别,获得目标地区 的生态用地和建设用地的区域,其中,生态用地是用做生态系统保护和发 展的用地,建设用地是用做城镇开发的建设用地;
S2:基于目标地区的空间数据与两类用地的评价指标,设置多维阻力 评价因子,阻力评价因子包括目标地区的自然地理因子和社会经济因子, 自然地理因子包括坡度因子、海拔因子、归一化植被指数(NDVI)因子、 土地利用类型因子,社会经济因子包括距道路距离因子、距水体距离因子、 距居民点距离因子;
S21:阻力评价因子进行分级,并设置扩张阻力值作为衡量参数;
S22:阻力评价因子赋权重,其中,按照阻力评价因子对目标地区的两 类用地的扩张影响大小,设置权重的大小;
S3:基于多维阻力评价因子构建最小阻力模型,最小阻力模型为:式中:MCR为最小累积阻力值;f是一个单调递 增函数,反映空间中任一点的阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的 正相关关系;min为空间中任一点到其他所有源的最小阻力;Dij为源j到 空间单元面i的空间距离,Ri为空间单元面i在地类扩张过程的阻力值;
S4:基于最小阻力模型和两类用地的区域的空间数据,分别获得两类 用地在扩张中的最小累积阻力值;
S5:基于两类用地在扩张中的最小累积阻力值,将两类用地在扩张过 程的最小累积阻力值做差,计算两类用地扩张过程的最小累积阻力差值, MCR差值=MCR生态用地-MCR建设用地,式中,MCR差值为最小累积阻力差值,MCR生态用地为生态用地的最小累积阻力值,MCR建设用地为建设用地的最小 累积阻力值;
S6:基于最小累积阻力差值以及对应的栅格数目,对目标地区进行分 区,并输出分区结果:
根据MCR差值进行分区,当MCR差值<0适宜生态用地的保护,MCR差值> 0作为建设用地,MCR差值=0则是该区域生态用地和建设用地的分界线;
再通过ArcGIS软件,统计MCR差值对应的栅格数目,绘制MCR差值和 栅格数目的关系曲线,以MCR差值的突变点作为目标地区的分区的阈值;
取最小累积阻力差值=0和最小累积阻力差值的最大值为两个固定突变 值,寻找最小累积阻力差值<0的极小值作为浮动突变值,构建目标地区的 国土空间分区,参考图2,最小累积阻力差值<浮动突变值为禁止建设区, 浮动突变值<最小累积阻力差值<0为限制建设地区,0<最小累积阻力差值< 最小累积阻力差值的最大值为有条件建设区,最小累积阻力差值的最大值< 最小累积阻力差值为适宜建设区。
现给出一个具体的例子为郴州市:
S1:依据生态服务重要性、生态系统敏感性和景观连通性进行综合评 价,生态服务重要性包括生境重要性和水源涵养重要性,生态系统敏感性 包括土壤侵蚀敏感性和地质灾害敏感性,再通过ArcGIS软件识别郴州市的 生态源地即生态用地,通过土地利用数据筛选出建设用地的区域。
S2:根据现有文献和郴州市的实际情况,依据《国家森林资源连续清 查技术规定》《第三次全国国土调查技术规程》、郴州市的地形地貌特征、 野生动植物的分布特征和自然保护区分布地区,从而由自然地理因子和社 会经济因子两方面考虑阻力评价因子的选取,将坡度因子、海拔因子、归 一化植被指数(NDVI)因子、土地利用类型因子、距水体距离因子、距道 路距离因子和距居民点距离因子,总计7个因子选为阻力评价因子,获取 郴州市的7个阻力评价因子数据。
获取坡度因子和海拔因子:提取自DEM数据,DEM高程数据空间分辨 率为30M×30M;
获取归一化植被指数因子:通过对Landsat 8OLI遥感影像提取的归 一化植被指数计算得到;
获取土地利用类型因子:本实施例是基于Landsat 30m遥感影像生产 的全国土地利用数据,该数据按照国家土地利用分类方法,再结合刘纪远 等的LUCC分类系统,将土地利用类型归结为林地、耕地、草地、水域、建 设用地和未利用地6大类;
获取距水体距离因子、距道路距离因子和距居民点距离因子是先从土 地利用现状数据中获得水体、道路、居民点的分布情况,再通过ArcGIS的 缓冲区工具生成。
S21:对上述7个阻力评价因子进行分级,并设置扩张阻力值作为衡量 参数,扩张阻力值按照阻力评价因子各分级对两类用地的扩张的阻力大小, 从大到小等差递减,且扩张阻力值选择1、2、3、4、5,以建设用地扩张 阻力值为例进行说明,每个阻力评价因子各分级所对应的扩张阻力值越大, 说明该分级越不适合进行建设用地扩张;在研究过程中根据郴州市当地的 研究需求,在ArcGIS10.2中对土地利用类型因子进行了重分类,由于林地和水域的生态重要性一致,因此将林地和水域分成同一级;依据杨姗姗, 李维佳等人的研究,在本实施例中,将郴州市生态用地和建设用地两类用 地的扩张阻力值取相反的值,从而建立了阻力评价因子相同、扩张阻力值 相反的扩张阻力值分级衡量表,如表1。
表1
S22:对每个阻力评价因子赋权重,权重按照每个阻力评价因子对郴州 市的两类用地的扩张影响大小进行设置,从而将坡度因子、海拔因子、归 一化植被指数因子、土地利用类型因子、距水体距离因子、距道路距离因 子和距居民点距离因子的权重依次为0.2、0.2、0.2、0.1、0.1、0.1、0.1。
S3:构建最小阻力模型为:式中:MCR为最 小累积阻力值;f是一个单调递增函数,反映空间中任一点的阻力与其到所 有源的距离和景观基面特征的正相关关系;min为空间中任一点到其他所 有源的最小阻力;Dij为源j到空间单元面i的空间距离,Ri为空间单元面i 在地类扩张过程的阻力。
S4:将坡度因子、海拔因子、归一化植被指数因子、土地利用类型因子、 距水体距离因子、距道路距离因子和距居民点距离因子栅格化,根据表1 进行分级并赋值,通过ArcGIS中的栅格计算器工具计算得到生态用地和建 设用地扩张的综合阻力面,分别将生态用地和建设用地作为源,将源和综 合扩张阻力面输入最小阻力模型中,计算得到生态用地和建设用地扩张的 最小累积阻力值,此过程是通过ArcGIS的空间分析中的成本距离工具 (Spatial Analyst Tools-Cost Distance)工具实现,生态用地和建设用 地扩张的最小累积阻力值以最小累积阻力面的形式展示,参照图3和图4。
在图3中,生态用地扩张为生态用地扩张的最小累积阻力面,其中生态 用地的扩张阻力值越高,越不易用作生态用地;建设用地扩张为建设用地 扩张的最小累积阻力面,其中建设用地的扩张阻力值越高,不易用作建设 用地,且由图3中可以看出两类用地的扩张阻力值面的扩张阻力值是近似 相反的。
S5:将生态需求生态用地和建设用地在扩张过程的最小累积阻力值做 差,MCR差值=MCR生态用地-MCR建设用地,计算得出两类用地扩张过程的 最小累积阻力差值,并通过ArcGIS软件,将两类用地扩张过程的最小累积 阻力差值以最小累积阻力差值面的形式展示,参照图4。
在图4中,最小累积阻力差值越高,适宜用作建设用地,最小累积阻 力差值越低,适宜用作生态用地。
S6:通过分析MCR差值:当MCR差值<0,生态用地扩张阻力小,适宜用 作生态用地的保护;MCR差值>0时,建设用地扩张阻力小,适宜作为建 设用地;MCR差值=0则是该地区生态用地和建设用地的分界线。
利用Arcgis10.2中的自然断点法(Natural Breaks)对两类用地的 MCR差值进行重分类,并导出MCR差值及其对应的栅格数目数据,如表2。
表2
最小阻力差值 | 栅格数目 | |
Value | -3.79 | 0.00 |
1 | -3.50 | 1397.00 |
2 | -3.00 | 25552.00 |
3 | -2.50 | 168300.00 |
4 | -2.00 | 524457.00 |
5 | -1.50 | 406433.00 |
6 | -1.00 | 1458929.00 |
7 | -0.50 | 2132075.00 |
8 | 0.00 | 2561440.00 |
9 | 0.50 | 2873479.00 |
10 | 1.00 | 3172544.00 |
11 | 1.50 | 3024360.00 |
12 | 2.00 | 2498427.00 |
13 | 2.50 | 1592834.00 |
14 | 3.00 | 852732.00 |
15 | 3.50 | 180299.00 |
16 | 3.97 | 28810.00 |
再将MCR差值及其对应的栅格数目做成折线图,如图5,分析MCR差值和 栅格数目的关系曲线,B点:MCR差值=0,C点:MCR差值=1为最大值,A点: MCR差值=-1.5为极小值点,因此A点和C点作为浮动突变点;构建郴州市 的国土空间分区,将郴州市分为四个分区,MCR差值<-1.5为禁止建设区, -1.5<MCR差值<0为限制建设地区,0<MCR差值<1为有条件建设区, 1<MCR差值为适宜建设区。
通过ArcGIS软件,展示郴州市的四个分区分布,参照图6。
Ⅰ级为适宜建设区,面积为7355.97km2,占全市总面积的38.03%,集 中分布在安仁县,嘉禾县,桂阳县,临武县南部,宜章县、北湖区、苏仙 区北部,汝城县中部。主要为城市居民分布区,包含若干街区、道路。该 区一般地势平坦,生态系统服务价值低,地质灾害敏感性低,土壤侵蚀不 严重,对生态环境的负面影响较小,因此可以在不破坏生态环境的前提下, 适宜进行中心城区建设;
Ⅱ级为有条件建设区,面积为5443.30km2,占全市总面积的28.14%, 分布在Ⅰ级缓冲区外围。为农村居民用地和城市郊区,主要以林地和耕地 为主,但景观斑块较为破碎,其坡度和土壤侵蚀强度较适宜建设区高,因 此在城乡规划建设的基础上,应加强生态环境保护;
Ⅲ级为限制建设区,面积为5534.38km2,占全市总面积的28.61%, 集中分布在桂阳县北部,临武县北部及东北部,资兴市,桂东县,汝城县, 苏仙区、永兴县东南角,北湖区、宜章县南部。为自然生态保护和城市发 展开发的过渡区域,该区地势较高、坡度较大、地质灾害敏感性较高,生 态系统稳定性较差,容易受到人为干扰;同时植被覆盖度较高,生物多样 性丰富,具有较高的保护价值和需求。因此,应关注生态修复,加强生态 基础设施建设,提高区域生态的稳定性;
Ⅳ级为禁止建设区,面积为1008.36km2,占全市总面积的5.21%,主 要分布在是区域内最重要的生态功能区和重点保护区,禁止任何开发建设。 该区平均海拔1124m;平均坡度大于30°,坡度最大的约86°;主要为 林地,植被覆盖度高,生物多样性十分丰富,有多种珍稀野生动植物。生 态价值高、地质灾害敏感性高、系统稳定性差,是郴州市生态敏感性最高 的区域,同时具有水土保持、水源涵养、生物多样性保护等多种生态系统 服务功能,是维护区域生态安全和生态可持续发展的基础。
经叠加分析后发现:研究划定的安全格局缓冲区其土地利用和城市发 展规划与《湖南省主体功能区规划》、《郴州市土地利用总体规划(2006-2020 年)》和《郴州市大十字城镇群国民经济和社会发展规划纲要(2014-2030 年)》的规划基本一致。
本申请实施例一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法的实施 原理为:
识别现存生态用地和建设用地,选取最有影响性的目标地区阻力评价 因子,根据最小阻力模型计算得出两类用地扩张过程的最小累积阻力差值, 对城市进行发展适宜性分析,当MCR差值<0,生态用地扩张阻力小,适宜 作为生态用地,MCR差值>0,建设用地扩张阻力小,适宜作为建设用地, MCR差值=0则是该区域生态用地和建设用地的分界线,为土地资源保护和 空间规划提供更广泛数据支持;
绘制MCR差值和栅格数目的关系曲线,并以MCR差值的突变点作为目标 地区的分区的阈值,在区分生态用地和建设用地的条件下,又再次做了精 细的区分,提供了国土空间的分区方案,进一步为土地资源保护和空间规 划提供更广泛数据支持。
第二方面,一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区装置,其包括:
获取模块,用于获取目标地区的空间数据;
分区模块,基于目标地区的空间数据与两类用地的评价指标,设置多 维阻力评价因子;基于多维阻力评价因子构建最小阻力模型;基于两类用 地在扩张中的最小累积阻力值,计算两类用地在扩张中的最小累积阻力差 值;基于最小累积阻力差值以及对应的栅格数目,对目标地区进行分区并 输出分区结果。
以上均为本申请的较佳实施例,并非依此限制本申请的保护范围,故: 凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本申请的保 护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:所述方法包括:
S1:获取目标地区的空间数据,对空间数据进行识别,获得目标地区的生态用地和建设用地的区域;
S2:基于目标地区的空间数据与两类用地的评价指标,设置多维阻力评价因子;
S3:基于多维阻力评价因子构建综合扩张阻力;
S4:基于最小阻力模型和综合扩张阻力,分别获得两类用地在扩张中的最小累积阻力值;
S5:基于两类用地在扩张中的最小累积阻力值,计算两类用地在扩张中的最小累积阻力差值;
S6:基于最小累积阻力差值以及对应的栅格数目,对目标地区进行空间分区并输出分区结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:所述步骤S2包括:
S21:对阻力评价因子进行分级,并设置扩张阻力值作为衡量参数;
S22:对所述阻力评价因子赋权重,其中,按照阻力评价因子对目标地区的两类用地的扩张影响大小,设置权重的大小。
3.根据权利要求1所述的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:所述步骤S2中的所述阻力评价因子包括目标地区的自然地理因子和社会经济因子。
4.根据权利要求3所述的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:所述自然地理因子包括坡度因子、海拔因子、归一化植被指数(NDVI)因子、土地利用类型因子。
5.根据权利要求3所述的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:所述社会经济因子包括距道路距离因子、距水体距离因子、距居民点距离因子。
7.根据权利要求1所述的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:所述步骤S6中,当最小累积阻力差值<0生态用地扩张阻力小,适宜生态用地的保护;最小累积阻力差值>0建设用地扩张阻力小,适宜作为建设用地;最小累积阻力差值=0则是该区域生态用地和建设用地的分界线。
8.根据权利要求7所述的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:通过ArcGIS软件,对目标地区进行栅格化,统计最小累积阻力差值对应的栅格数目,绘制最小累积阻力差值和对应栅格数目的关系曲线,以最小累积阻力差值的突变点作为目标地区的分区的阈值。
9.根据权利要求8所述的一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区方法和装置,其特征在于:最小累积阻力差值=0和最小累积阻力差值的最大值为固定突变点,最小累积阻力差值<0的极小值点作为浮动突变点,构建目标地区的国土空间分区:最小累积阻力差值<浮动突变点为禁止建设区,浮动突变点<最小累积阻力差值<0为限制建设地区,0<最小累积阻力差值<最小累积阻力差值的最大值为有条件建设区,最小累积阻力差值的最大值<最小累积阻力差值为适宜建设区。
10.一种基于最小累积阻力模型的国土空间分区装置,其特征在于:所述装置包括:
获取模块,用于获取目标地区的空间数据;
分区模块,基于目标地区的空间数据与两类用地的评价指标,设置多维阻力评价因子;基于多维阻力评价因子构建最小阻力模型;基于两类用地在扩张中的最小累积阻力值,计算两类用地在扩张中的最小累积阻力差值;基于最小累积阻力差值及其对应的栅格数目关系,对目标地区进行国土空间分区并输出分区结果。
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2021
- 2021-04-30 CN CN202110483549.0A patent/CN113240257A/zh active Pending
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