Kartographie und Fernerkundung - Institut für Geodäsie und

Deutsche Gesellschaft
für Kartographie e.V.
Kartographie und Fernerkundung
Stationen einer Entwicklung
über acht Jahrzehnte
Begleitheft zur Ausstellung
der Kommission »Kartographie und Fernerkundung«
Leiter: Prof. Dr.-Ing. Jörg Albertz
Sekretär: Dipl.-Ing. Hartmut Lehmann
53. Deutscher Kartographentag der DGfK und
25. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF
21.- bis 23. September 2005
Universität Rostock
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Kartographie und Fernerkundung
Seit rund acht Jahrzehnten sind Kartographie und Fernerkundung eng miteinander
verknüpft. Zwar hat sich der Begriff »Fernerkundung« erst um 1970 eingebürgert, als
deutsches Äquivalent zu dem aus dem Amerikanischen kommenden »Remote
Sensing«. Doch das methodische Prinzip, nämlich die Gewinnung von topographischen Informationen aus Bildern und ihre Anwendung in der Kartographie hat schon
die Frühzeit des Luftbildwesens beherrscht.
Für die Nutzung von Luft- und Satellitenbildern für kartographische Zwecke gibt es im
Wesentlichen drei verschiedene Möglichkeiten:
1. Die topographischen Informationen, die in Karten als graphische Zeichen dargestellt werden, können aus Luftbildern bzw. Satellitendaten gewonnen werden. Dies
geschieht in aller Regel mit den Methoden der Stereophotogrammetrie, die seit
etwa 1930 zum Standardverfahren der topographischen Aufnahme geworden ist.
Dieser Aspekt ist nicht Gegenstand der Ausstellung.
2. Die bildhafte Wiedergabe des Geländes in Luft- und Satellitenbildern hat zur Entwicklung eines eigenen Kartentyps geführt, den man früher nicht gekannt hat. Bildpläne und Bildkarten haben die Palette kartographischer Produkte enorm erweitert
und große praktische Bedeutung erlangt. Diesen Möglichkeiten und auch den damit verbundenen Problemen ist die kleine Ausstellung »Kartographie und Fernerkundung« gewidmet.
3. Schließlich können Luftbilder und Satellitendaten in vielfältiger Weise zur Gewinnung thematischer Informationen dienen, die in Thematischen Karten wiedergegeben werden. In diesem Zusammenhang spielt auch die Nutzung von Fernerkundungsdaten für die Schaffung geeigneter Basiskarten eine große praktische Rolle.
Dazu können in diesem Rahmen nur einzelne exemplarische Hinweise gegeben
werden.
Die kartographische Nutzung von Fernerkundungsdaten war stets durch die jeweils
gegebenen technischen Möglichkeiten geprägt. Deshalb hat die relativ einfache »Entzerrung« von Luftbildern mit der anschließenden Montage von Bildplänen und der
Ausarbeitung von »Luftbildkarten« sehr schnell praktische Bedeutung gewonnen und
wurde in großem Umfang angewandt. Die Orthophototechnik hat einen höheren technischen Stand vorausgesetzt, der sich rasch weiter entwickelt hat. Entscheidende
Impulse brachte die Verfügbarkeit von Satelliten-Bilddaten von immer höherer Qualität und – damit eng zusammenhängend – die zunehmende Nutzung der enorm flexiblen Möglichkeiten der Digitalen Bildverarbeitung. Die Radartechnik hat das Spektrum
der Methoden buchstäblich erweitert. Schließlich ist nicht zu vergessen, dass die
Planetenkartographie ausschließlich eine Fernerkundungskartographie ist. Alle Karten von Planeten, Monden und Asteroiden sind durch Fernerkundung gewonnen
Die kleine Ausstellung zur gemeinsamen Tagung der Deutschen Gesellschaft für Kartographie (DGfK) und der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung
und Geoinformation (DGPF) soll die wichtigsten Schritte dieser Entwicklung an Hand
von einigen charakteristischen Beispielen veranschaulichen und zugleich die enge
Verbindung von Kartographie und Fernerkundung bewusst machen.
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Luftbildpläne und Luftbildkarten
In den Jahren 1927 und 1928 wurden von ganz Berlin Luftbilder zur Herstellung eines
Luftbildkartenwerks aufgenommen. Die Bilder wurden entzerrt und zugleich auf den
einheitlichen Maßstab 1:4000 gebracht. Anschließend hat man sie zu Bildplänen im
Blattschnitt des Stadtkartenwerks 1:4000 montiert und photographisch reproduziert.
Das Beispiel zeigt das Blatt 67 dieses Bildkartenwerks mit der Bismarckstraße in
Charlottenburg und dem »Knie« (dem heutigen Ernst-Reuter-Platz) und der östlich
davon gelegenen Technichen Hochschule.
Eine Reihe von Entzerrungsgeräten in den Räumen der
Hansa Luftbild GmbH in Berlin-Tempelhof. Die große Bedeutung des Entzerrungsverfahrens kann man daran ermessen, dass die Firma vor
dem Zweiten Weltkrieg 30
Entzerrungsgeräte betrieb.
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Luftbildpläne des Deutschen Reiches 1934 bis 1944
Zwischen 1934 und 1944 wurde von einem großen Teil des Deutschen Reiches die
Luftbildkarte 1:25 000 hergestellt. Das Kartenwerk wurde aus Luftbildern im Maßstab
1:15 000 abgeleitet und orientierte sich nach Blattschnitt, Koordinatennetz, Randbearbeitung und Namengebung an der Topographischen Karte 1:25 000. Das Beispiel aus dem Jahre 1939 zeigt das Blatt »Königs Wusterhausen« (Blatt 3647).
Die Luftbilder wurden einzeln
entzerrt und mosaikartig zu
»Bildplänen« montiert. Dann
wurden sie zusammen mit einem vorgefertigten Kartenrand reproduziert und photographisch in geringer Stückzahl vervielfältigt. Die Öffentlichkeit hatte in der Regel keinen Zugang zu diesen Bildkarten.
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Luftbildkarte/Orthophotokarte 1:5000 und 1:10000
Die Kriegs- und Nachkriegszeit führte zu einer Unterbrechung in der kartographischen
Nutzung von Luftbildern. Danach wurden von den Landesvermessungsämtern in großem Umfang großmaßstäbige Luftbildkarten hergestellt. Man hat derartige Karten als
Bestandteil des Grundkartenwerks verstanden und deshalb z.B. die Bezeichnung
»Deutsche Grundkarte 1:5000 (Luftbildkarte)« gewählt (Pape 1971). Die methodisch
bedingte Beschränkung auf flaches Gelände konnte in den sechziger Jahren durch
die Einführung der Orthophototechnik überwunden werden. Für die graphische Ausgestaltung der Karten gab es sehr unterschiedliche Konzepte (z.B. Schweißthal 1967).
Lange Zeit war es üblich, die großmaßstäbigen Luftbildkarten in Schwarzweiß herzustellen. Der für den Druck von farbigen Bildkarten erforderliche zusätzliche Aufwand
erschien nicht gerechtfertigt (Kellersmann 1985). Inzwischen ist es aber dank der
technologischen Entwicklungen auch möglich, farbige Bildkarten in geringen Stückzahlen und zu vertretbaren Kosten auf Rasterplottern auszugeben.
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Ökonomische Karte von Schweden
Ein Kartenwerk besonderer Art ist die »Ökonomische
Karte von Schweden«. Sie wurde 1937 begonnen und
jahrzehntelang nahezu unverändert herausgegeben.
Die Karte wird allgemein im Maßstab 1:10 000 hergestellt, in weniger dicht besiedelten Gebieten im Maßstab 1:20 000. Die nordwestlichen Gebirgsregionen
Schwedens werden nicht bearbeitet.
Die Karte verbindet den grün gedruckten Luftbilduntergrund mit topographischen und thematischen Informationen (schwarz) und Höhenlinien (braun). Ackerflächen sind durch gelbe Flächenfarbe besonders hervorgehoben (Jonasson 1965).
Seit 1983 erscheint die ähnliche »Gula kartan« (Gelbe Karte) im Maßstab 1:20 000. Sie wird in fünf Farben hergestellt und zeigt die Gewässer (die ursprünglich grün mitgedruckt wurden) in blauer Farbe.
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Japanische Luftbildkarten 1:5000
In Japan wurden 1984 vom »Japan Map Center« Luftbildkarten im Maßstab 1:5000 in
einer kombinierten Form herausgegeben. Als Grundlage dienten Luftbilder, die zu
Orthophotos umgebildet worden waren. Diese Bilder wurden dann so zusammengefügt, dass die Schnittkanten mit den Gitternetzlinien zusammen fallen. Die eine Seite
der zweiseitig bedruckten Karten zeigt die farbigen Bilder mit einigen exemplarischen
Ausschnitten als Interpretationslegende. Die andere Seite ist als Topograpische Karte
mit den Bildern als dezentem Untergrund in grünlicher Farbe ausgearbeitet. Die überlagerte Graphik zeigt Grundrisselemente, Höhenlinien und Beschriftung. Öffentliche
Gebäude, Parkplätze, Wasserflächen u.ä. sind durch farbige Flächendecker betont.
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Erste Satellitenbildkarten
Mit dem Start des ersten für die
Erderkundung konzipierten Satelliten (der nachträglich LANDSAT-1
genannt wurde) im Juli 1972 wurde eine neue Phase der »Fernerkundungskartographie« eingeleitet.
Die NASA brachte noch im Jahre
1972 zusammen mit dem US Geological Survey die Bildkarte »New
Jersey« im Maßstab 1:500 000
heraus. Die Farbgebung war der
von den Farbinfrarot-Luftbildern
geläufigen Form angepasst.
Die ersten Beispiele dieser neuen
Generation von Bildkarten zeigen
noch deutlich die anfänglichen
Schwächen. Die Auflösung der
Daten war noch recht grob und es
traten sensorbedingt streifige Störungen auf. Auf die digitale Verarbeitung der primär digital vorliegenden Daten war die Kartographie noch nicht eingestellt. Deshalb wurden Analogbilder, welche
von den Satellitenempfangsstationen bezogen werden konnten,
in herkömmlicher Weise zu Bildplänen montiert und reproduziert.
Auch in Deutschland wurden die
ersten Versuche zur Herstellung
von Satellitenbildkarten unternommen. Die experimentelle »Weltraumbildkarte 1:200 000« wurde
1974 vom Institut für Angewandte
Geodäsie (IfAG) in Frankfurt herausgegeben. Sie ist nach Maßstab und Blattschnitt am Blatt »CC
7934 München« der Topographischen Übersichtskarte 1:200 000
orientiert.
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Satellitenbildkarten
Die weitere Entwicklung in der Herstellung von Satellitenbildkarten wurde entscheidend vom Einsatz der Digitalen Bildverarbeitung geprägt. In der Regel müssen mehrere Bildszenen zu einem Mosaik zusammengefügt und mit Hilfe von Pass- und Übertragungspunkten in das für die Karte gewählte Koordinatensystem transformiert werden. Aus verschiedenen Gründen weisen die Bilder Helligkeits- und Farbunterschiede
auf. Deshalb sind die Bilddaten radiometrisch so aneinander anzupassen, dass ein
homogenes Bild entsteht und an den Schnittstellen der einzelnen Szenen keine Störungen mehr auftreten. Für diese Aufgabe sind flexibel einsetzbare Verfahren entwickelt worden (z.B. Kähler 1989). Solche Verfahren gehören inzwischen zu den Grundfunktionen der für die Auswertung von Fernerkundungsdaten angebotenen SoftwarePakete.
Die im Jahre 1985 hergestellte »Satellitenbildkarte Berlin 1:100 000« war die erste
aus Daten des Landsat »Thematic Mapper« (mit 30 m Auflösung) abgeleitete Karte in
diesem Maßstabsbereich. Die hohen Ortsfrequenzen in Siedlungsgebieten (insbesondere das städtische Straßennetz) konnten in den Bilddaten dieser Generation aber
noch nicht brauchbar wiedergegeben werden.
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Satellitenbildkarten
Im Jahre 1986 wurden erstmals die Schwarzweiß-Bilddaten des französischen Satelliten SPOT verfügbar, die mit 10 m Auflösung einen für die Kartographie wichtigen
Qualitätssprung mit sich brachten. Um diese hohe Auflösung auch für die Herstellung
farbiger Bildkarten nutzen zu können, wurden Methoden entwickelt, die SchwarzweißDaten mit den Farbinformationen geringerer Auflösung zu verbinden, wie sie von
Landsat-TM zur Verfügung standen.
Eine häufig angewandte Methode war die IHS-Transformation
der Farbdaten. In dieser Form der
Bilddaten konnte die Helligkeitsskomponente (Intensität) durch
die höher aufgelösten Schwarzweiß-Daten ersetzt werden. Nach
der Rücktransformation in den
RGB-Farbraum erhält man ein
Farbbild mit hoher Auflösung.
Im Laufe der Jahre wurden verschiedene andere Methoden entwickelt, die im Wesentlichen dasselbe Ziel verfolgen. Die Unterschiede beziehen sich vor allem auf die
Farbtreue des erzielten Ergebnisbildes.
Die »Satellite Image Map Somalia 1:50 000« (Blatt Laag) wurde 1990 durch die Kombination der TM-Kanäle Rot, Grün und Blau mit den Schwarzweiß-Daten des SPOTSatelliten erstellt.
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Graphische Gestaltung von Bildkarten
Mit der zunehmenden Bedeutung von Bildkarten wurde deutlich, dass die traditionelle
Erfahrung der Kartographie für die Herstellung von Bildkarten nicht ausreicht. Die
Graphik (Namen, Höhenlinien, Signaturen usw.) kann nicht auf weißem Papiergund
frei gestaltet werden, sondern ist in das Bild zu integrieren. Es sind also heterogene
Darstellungsmittel – nämlich Graphik und Bild – so zu vereinigen, dass sie beide gut
erkennbar sind und sich gegenseitig möglichst wenig beeinträchtigen.
Negative Schriften und
Signaturen sind in dunklen Bildbereichen gut zu
erkennen. Sie stören aber
den bildhaften Eindruck
und wirken wie »Löcher«
im Bild. Außerdem sind
sie für hellen Bilduntergrund ungeeignet.
Um weiße Schriften und
Linien auf hellem und
auch auf dunklem Grund
sichtbar zu machen, kann
man sie schwarz konturieren. Dabei wirkt störend, dass die meisten Linien dreifach erscheinen.
Linien und Schriften auf
dunklem Grund können –
ähnlich wie in der klassischen Kartographie – frei
gestellt werden. Darunter
leidet wiederum die Bildwirkung. Außerdem treten wieder dreifache Linien auf.
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Graphische Gestaltung von Bildkarten
Ein schematisches Beispiel soll das Dilemma der Gestaltung von Bildkarten veranschaulichen. Aus wahrnehmungspsychologischen Überlegungen folgt, dass es besser ist, die graphischen Elemente schwarz in das Bild einzufügen (Albertz 1994). Sie
wirken dann als »Figur« vor einem durchgehenden »Grund«, nämlich dem Bild.
Die flexiblen Verfahren der Digitalen Bildverarbeitung ermöglichen es, einer Lösung des Problems näher zu kommen.
Um die schwarzen Graphikelemente herum kann man in dunklen Bildbereichen
einen aufgehellten Saum erzeugen, der
die Erkennbarkeit der Graphik verbessert
und die Bildwirkung kaum stört.
Bei der aus Landsat-MSS-Daten abgeleiteten »Satellite Image Map 1:500 000
Aswan« (Ägypten) wurde die Methode im
Bereich des Niltals bei Luxor angewandt.
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Geologische Karten aus Fernerkundungsdaten
Ab 1972 boten die ersten Satellitenbilder neue Möglichkeiten für die großräumige
geologische Kartierung. Die 1978 veröffentlichte Geologische Karte 1:1 000 000 des
Tibesti wurde durch visuelle Interpretation von Bildern des Landsat-1 erarbeitet. Dabei
wurden – ausgehend von vor Ort erkundeten Geländedaten – insgesamt 17 lithologische Einheiten identifiziert. Die kartographische Darstellung beruht auf einem Mosaik aus 14 Bildern. Das Bildmosaik wurde photomechanisch (durch photographisch
gewonnene Äquidensiten) bearbeitet, um eine feingliedrige Strukturzeichnung der
Satellitenbilder zu erzielen. Es bildet die Basis für die farbige Differenzierung der
lithologischen Einheiten und die graphische Darstellung der geologischen Strukturelemente (List et al. 1978).
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Digitale Luftbildaufnahme
Die
Zeilenweise Aufnahme mit der HRSC-A
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In der Luftbild-Aufnahmetechnik vollzieht
sich derzeit ein technologischer Wandel.
Die klassische, über Jahrzehnte extrem erfolgreiche photographische Kamera wird
durch digitale Kameras ersetzt. Die ersten
großen Erfolge auf diesem Gebiet konnten
mit der für die Mars-Forschung entwickelten HRSC, der »High Resolution Stereo
Camera« des DLR erreicht werden. In Verbindung mit modernen GPS/INS-Navigationssystemen wurden erste rein digitale
photogrammetrische Auswertungen möglich (Wewel et al. 1998). Für die Herstellung und Gestaltung großmaßstäbiger Bildkarten eröffnet dies neue Wege. Experimentelle Karten 1:5000 von Berlin machen
dies deutlich (Hoffmann et al. 2000).
Radar-Karten
Die abbildende Radartechnik benutzt die wolkendurchdringenden Mikrowellen. Dies
eröffnete vor allem in den feuchten Tropen, wo die Luftbildaufnahme durch Wolken
stark behindert ist, neue Möglichkeiten. Nach der Entwicklung des Side-Looking Airborne Radar haben die beiden Firmen Goodyear und Aero Service gemeinsam ein
Flugzeug vom Typ Caravelle zur Aufnahme von Radar-Bilddaten betrieben. Dabei
wurde die SAR-Technik (Synthetic Aperture Radar) angewandt. Die Daten wurden in
hologrammartigen Datenfilmen aufgezeichnet, durch analoge optische Korrelation in
Bildstreifen umgesetzt und zu Bildkarten montiert. Dank der Radartechnik zeigen diese Karten das topographiche Relief besonders akzentuiert.
Das größte Kartierprogramm
war das RADAM-Projekt. Es
wurde 1972 für einen Teil von
Brasilien begonnen und später auf fast den ganzen Staat
ausgedehnt. Außer den Bildkarten 1:250 000 wurden auch
thematische Kartierungen abgeleitet (Fagundes 1974).
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Radar-Karten
Für die Kartographie haben inzwischen digital arbeitende Radarsysteme Bedeutung
erlangt. Dies gilt vor allem für flugzeuggestützt arbeitende interferometrische SARSysteme. Diese benutzen zwei am Flugzeugrumpf seitlich angebrachte Antennen.
Aus den Phasenunterschieden der damit aufgezeichneten Daten kann die Geometrie
der erfassten Oberfläche, d.h. ein Digitales Geländemodell, abgeleitet werden. Dieses dient wiederum zur Berechnung von Höhenlinien und zur Gewinnung von hochauflösenden Orthobildern (Schwäbisch et al. 2000).
Verkleinerter Ausschnitt
aus der SAR-Orthobildkarte »Puerto Ayacucho«
(Venezuela) im Maßstab
1:50 000. Die Daten wurden 1998 mit einem interferometrischen SAR-System der Firma Aero-Sensing (jetzt Intermap) aufgenommen. Die Differenzierung in Wald, Gewässer und offenes Gelände
wurde durch überwachte
Klassifikation abgeleitet.
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Planetenkartographie
Alle Karten von Mond, Planeten und Asteroiden sind durch Fernerkundung entstanden. Im Mittelpunkt des Interesses stand und steht die Oberfläche des Planeten Mars.
Die Bilddaten der Mars-Missionen Mariner 9 und Viking Orbiter 1/2 ermöglichten die
Kartierung des Planeten in kleineren Maßstäben. Im Maßstab 1:5 Millionen wurde der
Mars in 30 Kartenblättern in konformen Projektionen (Mercator, Lambert konforme
Kegelprojektion und Stereographische Projektion) kartiert. Alle diese Arbeiten wurden
beim U.S. Geological Survey in Flagstaff (Arizona) durchgeführt.
Für die Darstellung der Planetenoberfläche wurde eine
speziell entwickelte Technik
eingesetzt. Die Geländeformen wurden in den hinsichtlich Maßstab und Beleuchtung sehr uneinheitlichen Bildern visuell interpretiert und
durch manuelle Schummerung mitels der »Air-BrushMethode« porträtiert. Dabei
wurde eine einheitliche Beleuchtung von Westen her angenommen.
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Planetenkartographie
Mit der europäischen Raumfahrtmission »Mars Express« ist die Planetenkartographie
in eine neue Phase eingetreten. Die »High Resolution Stereo Camera« (HRSC) an
Bord ist die erste Kamera einer Planetenmission, die speziell für photogrammetrische
und kartographische Zwecke entwickelt wurde. Seit 2004 liefert sie multispektrale
Stereo-Bilddaten hoher Auflösung, die unter anderem die Grundlage für qualitativ
hochwertige Kartenprodukte darstellen.
In diesem Zusammenhang wurde als neues Standardkartenwerk für den Planeten
die »Topographic Image Map Mars 1:200 000« definiert, das den Mars systematisch
in 10 372 einzelnen Blättern erfasst. Die einzelnen Karten basieren auf flächentreuen Abbildungen – Sinusoidalprojektion bzw. Lambertsche Flächentreue Azimutalprojektion in den Polbereichen – und werden aus farbigen Orthobildmosaiken und
DGMs weitgehend automatisch abgeleitet (Gehrke et al. 2005, Lehmann et al. 2005).
Das Beispiel zeigt die »Iani Chaos Region« des Mars (bei 2° Süd und 343° Ost) im
Standardmaßstab 1:200 000. Das System ist so ausgelegt, dass bei Bedarf – ähnlich wie bei den deutschen topographischen Kartenwerken – auch Kartenblätter in
1:100 000 oder 1:50 000 gewonnen werden können.
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Planetenkartographie
Dem von Gerhard Neukum geleiteten Science Team des Projekts »HRSC on Mars
Express« gehören Wissenschaftler vieler Fachrichtungen an, die eine Vielzahl neuer
Erkenntnisse gewinnen und zu beeindruckenden Interpretationsergebnissen kommen. Insbesondere die geowissenschaftlichen Befunde sind in Form von thematischen Karten in geeigneter Weise zu dokumentieren. Hierzu bildet das Kartenwerk
»Topographic Image Map 1:200 000« eine ausgezeichnete Grundlage. Je nach Aufgabenstellung werden auch individuell angefertige Sonderkarten interessanter Zielgebiete in anderen Maßstäben hergestellt.
Das Beispiel zeigt die Geologische Karte der »Gusev Crater Region« (Landeplatz
der amerikanischen Sonde Spirit) im Maßstab 1:600 000 (Lehmann et al. 2005).
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Literaturhinweise
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