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文檔簡介
1、地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有傳統(tǒng)測繪、 文物保護、地質(zhì)工程,在前面章節(jié)已經(jīng)做了比較詳細(xì) 的闡述。地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用廣泛,在礦業(yè)、 林業(yè)、石化、數(shù)字城市、廠區(qū)土地規(guī)劃、海洋工程領(lǐng) 域也得到了一些應(yīng)用。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 一、在礦業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用 A.應(yīng)用現(xiàn)狀研究 1.主要應(yīng)用方向有: a.露天礦三維模型重構(gòu)與測量 b.井架變形監(jiān)測 c.開采沉陷監(jiān)測 d.建設(shè)用地復(fù)墾監(jiān)測 e.煤(石千)石山難及區(qū)域測繪 f.滑坡體監(jiān)測 g.地下采空區(qū)變形監(jiān)測 h.數(shù)字礦山 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 2.露天礦應(yīng)用實例 1).數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理。
2、采用Leica HDS8800 三維 激光掃描儀采集數(shù)據(jù),三維激光掃描數(shù)據(jù)采集及處理 流程: A.外業(yè)采集數(shù)據(jù)。Leica HDS8800可以結(jié)合GPS作業(yè), GPS獲取測站及后視點坐標(biāo)之后,HDS8800控制器及 時地將大地坐標(biāo)系納入掃描數(shù)據(jù),這樣可以提高工作 效率,避免控制點的重復(fù)測量。同時,Leica HDS8800 具有2000米測程,以及全景掃描視場角度,可以在測 站的位置上獲取最大的數(shù)據(jù)。 B.點云數(shù)據(jù)拼接。Leica HDS8800標(biāo)配軟件I-Site Studio, 軟件可以提供坐標(biāo)拼接、點云拼接等工作。如果在掃 描數(shù)據(jù)的同時結(jié)合GPS測量點位,那么掃描的數(shù)據(jù)直 接就是在大地坐
3、標(biāo)系內(nèi),哈爾烏素露天礦原始點云數(shù) 據(jù)如圖1所示。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 C.點云數(shù)據(jù)建模,生成DEM。在拼接好的點云數(shù)據(jù)基 礎(chǔ)上,利用軟件進(jìn)行噪音數(shù)據(jù)取出,軟件提供了多種 噪音過濾器,包括有距離過濾、角度過濾、面過濾、 離散點過濾、邊緣過濾等。剔除噪音數(shù)據(jù)經(jīng)過抽吸處 理后,如圖2。再利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速建模,生成 DEM,并獲得露天礦三維模型,如圖3。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 2).三維模型在礦業(yè)中的應(yīng)用。 A.等高線、斷面線、坡頂線、坡底線等的提取。在三維 模型生成之后,可以提取斷面線,如圖4。等高線
4、,如圖 5。以及露天礦中開采臺階的邊幫坡頂、坡底線,如圖6。 同時可以在三維模型中任意獲取臺階坡面角、臺階高度、 臺階寬度、方便采礦專業(yè)設(shè)計。在三維模型中可以任意 計算開采量,用于設(shè)計產(chǎn)量和核算產(chǎn)量。B.產(chǎn)量核算。 在霍林河露天礦中,利用Leica HDS8800三維激光掃描儀 對電鏟的工作量進(jìn)行核算,方法如下:首先將Leica HDS8800三維激光掃描儀架設(shè)在電鏟工作臺階之上的臺 階,當(dāng)電鏟開采之后裝入運煤車的前后對運煤車進(jìn)行掃 描,即對空車進(jìn)行掃描,如圖7。然后電鏟裝車之后再次 掃描,如圖8。每次掃描時間不到半分鐘,最后利用點云 數(shù)據(jù)迅速建模,兩次不規(guī)則曲面的差值便為裝載數(shù),如 圖9。
5、地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 C.分析巖層與煤礦層高度。在黑岱溝煤礦中,利用 Leica HDS8800三維激光掃描儀對開采面精細(xì)掃描,采 樣密度為10mm/100m。在點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將Leica HDS8800掃描儀內(nèi)置7000萬像素相機拍攝的照片附加 在點云數(shù)據(jù)或者三維模型上面,可以清晰地分辨巖層, 同時基于數(shù)據(jù)獲取各層的標(biāo)高及差值,方便采礦人員 的設(shè)計,疊加照片的三維數(shù)據(jù)如圖10。在附加彩色信 息的點云數(shù)據(jù)或模型的基礎(chǔ)上,利用軟件獲取各層面 的走勢圖,如圖11。利用Leica HDS8800針對露天礦的 外業(yè)數(shù)據(jù)
6、采集,360獲取空間點云數(shù)據(jù),能夠提高外 業(yè)數(shù)據(jù)采集效率,提升內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理精度。同時,豐 富的數(shù)據(jù)不單為測量提供了可靠保證,更為礦山數(shù)字 化、采礦設(shè)計、爆破提供了準(zhǔn)確有效地三維實景。在 如此精確的三維模型上,可以讓不同專業(yè)的人士得到 不同的需求。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 二、在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 1.應(yīng)用研究現(xiàn)狀。 目前,國外許多林業(yè)科研工作者就三維激光掃描技術(shù) 在林業(yè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討。研究內(nèi)容主要集 中在測樹因子的獲取。林分結(jié)構(gòu)研究以及單木三維重 建等方面,并獲得了不同程度的成功。 與國外相比, 地面三維激光掃描儀技術(shù)在我國林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用相對
7、較少,目前僅局限于基本測樹因子獲取和單木三維重 構(gòu)兩個方面,主要原因:一是三維激光掃描系統(tǒng)屬于 高精密度儀器,成本高昂,目前僅在少數(shù)研究項目中 使用,并未在林業(yè)調(diào)查部門普及;二是該技術(shù)在數(shù)字 林業(yè)建設(shè)中的應(yīng)用前景還沒得到足夠重視,缺少必要 的嘗試。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 2.林業(yè)測量應(yīng)用實例。 傳統(tǒng)方法獲取林分因子是通過皮尺或者鋼尺量測樹干的 周長,利用林分速測鏡量取樹木的高度及任意位置處的 直徑,這樣的方法不僅使外業(yè)測量速度慢,還增加了工 作人員的勞動強度,而且在進(jìn)行樹木高度測量時受外界 環(huán)境影響很大。最重要的是外業(yè)測量數(shù)據(jù)獲取的精度并 不高,影響了整體林業(yè)蓄積量調(diào)查的精度。地面
8、三維激 光掃描技術(shù)作為一種高新科技,在森林資源調(diào)查、林分 結(jié)構(gòu)研究、單木三維結(jié)構(gòu)建模等方面有著巨大的應(yīng)用潛 力。一方面,其作為一種能快速,有效獲取測樹因子的 新方法,在豐富現(xiàn)有林業(yè)資源調(diào)查手段同時,還拓展了 測樹空間;另一方面,該技術(shù)能對反映林分實時、動態(tài) 變化的樹冠特征以及林分結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行有效捕捉,并 能提供高分辨率的三維點云影像圖,進(jìn)而有助于我們建 構(gòu)精準(zhǔn)的單木三維模型。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 徠卡測量系統(tǒng)貿(mào)易公司與南京林業(yè)大學(xué)研究人員共同合 作,利用徠卡C10 掃描儀對南京林業(yè)大學(xué)試驗林進(jìn)行掃 描,利用Leica Cyclone 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、整理、計 算。主要技術(shù)過
9、程如下: 1.掃描前準(zhǔn)備工作。對要進(jìn)行掃描試驗林進(jìn)行踏勘,確 定進(jìn)行掃描的測站位置、所需的測站數(shù)、掃描的路線以 及標(biāo)靶安放的位置。 2.掃描過程。利用Leica C10進(jìn)行機載控制,直接對實驗 林點云數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。操作過程中采用中等掃描密度 (100m處點間距為1cm X 1cm)進(jìn)行掃描,并利用掃描 儀內(nèi)置數(shù)碼相機進(jìn)行拍照,為室內(nèi)研究提供更多可能用 到的數(shù)據(jù)。 3.數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用徠卡提供的Cyclone軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù) 據(jù)的拼接及信息的提取。將四站數(shù)據(jù)合為一體將會得到 實驗林的完整數(shù)據(jù)。此次研究,要求精度較高,而且要 求速度要快,所以選擇了標(biāo)靶拼接這種模式。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用
10、 4.研究數(shù)據(jù)提取。對拼接完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理,提取 需要進(jìn)行研究的區(qū)域。 A.胸徑、樹高提取。從樹林掃描數(shù)據(jù)中任意分割提取有限 株單獨樹木,首先進(jìn)行人工去噪處理,然后就可以利用 Cyclone中的Survey模塊對單株樹木進(jìn)行胸徑、樹高以及樹 冠投影到地面上的面積等進(jìn)行提取。提取過程: a.分割出一部分點云數(shù)據(jù),保證點云里必須包含至少一株 完整的樹木信息。 b.進(jìn)行人工去噪處理。因為點云顯示是空間的,所以在 Cyclone中我們可以進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)查看,通過不斷的 變換視角,進(jìn)行點云去噪,可以方便準(zhǔn)確的得到我們所需 要的單株樹木的點云數(shù)據(jù)。 c.胸徑的提取。胸徑是指在樹木(林業(yè)上稱為樣木
11、)的 1.3m處量其直徑。根據(jù)定義我們可以通過點云查看數(shù)據(jù)與 地面接觸的位置,從而確定一個最為合適的基準(zhǔn)點來確定 胸徑的位置。以基準(zhǔn)點所在水平面為基準(zhǔn)建立水平參考面, 如圖12。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 在Z軸正方向按照1.3m的間距對水平參考面進(jìn)行偏移, 就得到了胸徑的位置所在。以水平參考面為基準(zhǔn)做厚 度為0.1cm的切片,根據(jù)點云做最佳擬合,得到胸徑的 值=0.180 X 2=0.36 m。d.樹高的提取。在Modelspace窗 口中的視圖模式中選擇“正射視圖”,在主視圖中找 到樹木的最高點,以最高點位基準(zhǔn)建立參考平面。利 用Cyclone提供
12、的量測功能就可以得到基準(zhǔn)點到最高點 所在參考面的高度,如圖13。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 B.樹林中單株樹木位置信息的提取。此次測量沒有將坐 標(biāo)系統(tǒng)引入到已知大地坐標(biāo)系統(tǒng)中去,所以此次得出單 株樹木位置坐標(biāo)也只是在測量時使用的假定坐標(biāo)系統(tǒng)中, 但這都不會對計算過程產(chǎn)生影響。 先確定進(jìn)行單株樹 木位置信息提取的區(qū)域,對所選取區(qū)域點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去 噪處理,得到比較完整的點云。再根據(jù)點云確定一個最 接近地面的水平參考面,如果要求的范圍誤差較大,我 們可以對整個區(qū)域的樹木確定一個水平參考,如果要求 的精度高,我們就需要對單株樹木確定參考面的位置, 以前一種情況
13、為例,根據(jù)點云可以找到一個最切合四株 樹木的參考面位置,如圖14。以水平參考面為基準(zhǔn)做厚 度為0.1cm的切片,得到了四株樹木參考面處的切片點云, 根據(jù)點云做最佳擬合,得到四個圓,找到每個圓圈的圓 心位置并創(chuàng)建圓心點,并標(biāo)記每個圓心的平面坐標(biāo),如 圖15。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 綜上,利用三維激光掃描儀進(jìn)行林業(yè)調(diào)查,在外業(yè)掃 描工作中節(jié)省了大量的人力、物力,減少了外業(yè)作業(yè) 時間,減輕了勞動強度。在內(nèi)業(yè)工作中可以根據(jù)真實 的三維坐標(biāo)對單株樹木進(jìn)行胸徑、樹高以及位置信息 提取,大量點云數(shù)據(jù)保證了數(shù)據(jù)的全面性,以及成果 的準(zhǔn)確性。 地面三維激光技術(shù)在其他
14、領(lǐng)域中應(yīng)用 三、在石化領(lǐng)域的應(yīng)用 1.應(yīng)用研究現(xiàn)狀。石化企業(yè)具有現(xiàn)場占地面積大,裝置 高,設(shè)備管線排布復(fù)雜等諸多特點。采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行 這樣的大場景掃描時,往往會造成較大的累積誤差,使 用掃描加控制網(wǎng)的方法可以解決此類難題。即在掃描區(qū) 域內(nèi)布設(shè)3個或3個以上標(biāo)靶,通過全站儀取得這些標(biāo)靶 的坐標(biāo),然后通過控制網(wǎng)將所有的單站掃描結(jié)果拼接在 一起最終形成了完整的掃描場景。 2。應(yīng)用方向簡介。石化企業(yè)中設(shè)備錯綜復(fù)雜,管道縱橫 交錯,要管理的對象在空間上密集排列,通過二維符號 或線條描述方式已顯得束手無策,而三維激光掃描技術(shù) 可以快速、準(zhǔn)確便捷的獲取石化裝置的實物(設(shè)備、管 網(wǎng)、框架)的三維空間信息,在
15、石化企業(yè)具有廣闊的應(yīng) 用前景。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 A.裝置設(shè)備管理。 在石油化工企業(yè)中,高聳的煉塔是加工化工原料、提 煉各種產(chǎn)品的主要設(shè)備,是企業(yè)工作生產(chǎn)的靈魂。利 用三維激光采集技術(shù),實現(xiàn)石化裝置的而各種設(shè)備的 空間信息(X、Y、Z)和屬性信息(基本參數(shù)、運行 參數(shù)、檢維修參數(shù)等)的地理信息系統(tǒng)動態(tài)管理,直 觀的顯示現(xiàn)場場景、真實的空間和屬性數(shù)據(jù),使管理 人員既能直觀的觀察現(xiàn)場情況,又可以掌握各類屬性 信息,石化裝置三維模型如附圖16。 a.為操作員提供了裝置現(xiàn)場環(huán)境的空間視覺真實感受。 目前操作員崗位學(xué)習(xí)局限在書本、圖紙資料、現(xiàn)場培 訓(xùn),增加裝置三維立體圖的學(xué)習(xí)和應(yīng)用,通過
16、實物的 三維空視圖可以更加直觀、方便、快捷的了解掌握裝 置的工藝流程,從而提高了操作員崗位培訓(xùn)的實效性。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 b.為設(shè)備工程師提供了設(shè)備管理,更新維護的新思路, 目前,設(shè)備工程師對設(shè)備的管理和更新維護局限在圖紙 資料,平面操作圖以及現(xiàn)場查詢,增加裝置三維立體圖 的應(yīng)用,使設(shè)備工程師能更有效的,更精確的使用和維 護設(shè)備。利用裝置三維立體圖,設(shè)備工程師能在計算機 中靈活查詢管線,反應(yīng)塔,閥門,儀器設(shè)備的形狀,數(shù) 量,尺寸及分布,直到每一個彎頭的走向,并可以在計 算機中完成管線,彎頭,儀器設(shè)備的更換與設(shè)計,避免 了更換,設(shè)計中容易忽略的
17、要素,使其尺寸,形狀更符 合要求,并大大的減小了勞動強度。 c.為安全管理員展示一幅數(shù)字化工廠安全管理圖。利用 三維立體裝置圖可以全面掌握、瀏覽安全防護設(shè)備的安 放點,一旦確定危險源或事故隱患發(fā)生險情,能夠顯示 危險源和事故隱患點周邊環(huán)境,實時顯示撤離通道,消 防通道,安全通道,救援通道等信息,從而及時快速的 全面掌握裝置的各種安全因素,提高安全管理水平。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 B.管網(wǎng)系統(tǒng)管理。 石化企業(yè)的管道與市政管線或其他行業(yè)廠區(qū)管線相比, 具有以下特點: a.管線種類繁多,特性各異。石化的物料管道按照用途 可分為蒸汽,氦氣,氨氣,汽油,重油,火炬氣,乙烯 等70多種。有的還
18、有伴熱管和覆蓋層。 b.管線多在地面以上的周邊架設(shè)了各類支撐結(jié)構(gòu)。石化 企業(yè)的物料管道一般都在空中架設(shè),離地面5米以上, 沿線必須有管架,弦,斜撐,橫梁等共同伴隨支撐。 c.管線重疊覆蓋,纏繞交錯,空間關(guān)系復(fù)雜。支撐管道 的管架一般分為2至5層,在管架上架設(shè)的管道也是分層 的,在某一層次上,不同類型的管道并列排布,從俯視 的角度來看,管道的平面圖是重疊的。很多管道并不是 始終處在一層,而是上下轉(zhuǎn)折的,在層間起伏,有的管 道中途轉(zhuǎn)向,從而形成管道復(fù)雜的纏繞。石化企業(yè)管網(wǎng) 現(xiàn)場如圖17。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 目前國內(nèi)的石化企業(yè),對這些管架和各類線路的
19、管理 手段還停留在紙質(zhì)的圖紙和資料中,傳統(tǒng)的管理方式 已經(jīng)完全不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要,應(yīng)充分利用三維 激光掃描技術(shù)獲取平面上重疊,高程不同的管道信息, 體現(xiàn)管道在管架上的實際情況,為管網(wǎng)的精細(xì)化管理 提供技術(shù)支持。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 四、工業(yè)三維GIS應(yīng)用實例 1.項目概述。工業(yè)領(lǐng)域的三維GIS,突破性的把區(qū)域性的 工廠和大范圍的地理信息緊密的結(jié)合在一起,即可使真 實存在于空間位置的工廠準(zhǔn)確地表達(dá)出其自身與空間的 位置關(guān)系,也可使在大場景下的小區(qū)域能得到精細(xì)的表 達(dá)。其對于工廠的意義在于:工廠自身很難處于一個相 對獨立和封閉的空間內(nèi),多多少少都會以不同形式與外 界聯(lián)系,如交通(
20、公路,鐵路),能源及物料的傳送 (水,電,油,氣)等。對于制造類企業(yè)而言,交通即 是生命的聯(lián)絡(luò)線,面對與加工于加工類企業(yè)來說,輸送 線則是最為直接的生命線,這一點在能源處理企業(yè)中尤 為突出,如輸變電站,油氣加工廠的輸入和輸出管線。 隨著GIS應(yīng)用的深入,人們越來越多的要求從三維空間 來處理問題。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 在三維GIS中,工廠的表達(dá)一直以來都是難題,因其 要求的精度高,、模型體量大、表現(xiàn)效果好等前提條 件使得很多國際一線的GIS系統(tǒng)都無能為力。北京則 泰集團公司自主研發(fā)的TopoGIS平臺將關(guān)注重點放在 了“在大場景下高精細(xì)表達(dá)大體量精細(xì)數(shù)據(jù)”上,提 出以三維激光掃描儀
21、采集的設(shè)備及管線的真實三維數(shù) 據(jù)為數(shù)據(jù)層,并基于此建立以空間分析、展現(xiàn)查看、 運行管理等功能的應(yīng)用,層為系統(tǒng)主體的綜合管理平 臺,來解決工業(yè)上的相關(guān)問題。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 2.數(shù)據(jù)獲取及處理。 A.外業(yè)數(shù)據(jù)掃描。中遠(yuǎn)距離的三維激光掃描儀,一般的測量誤差最 大在5mm左右,當(dāng)進(jìn)行大場景掃描時,往往因為誤差的累積,使精度 達(dá)不到要求。因此,對于較大場景,同時又有較高精度要求的情況下, 例如對工廠,大型鋼結(jié)構(gòu)掃描時,要提高三維激光掃描的整體精度, 可聯(lián)合常規(guī)測量手段,通常我們使用全站儀控制整體精度,廠區(qū)內(nèi)可 以找到永久性控制點,測量工作遵循“先整體后局部,先控制后碎部, 由高級到低
22、級”的原則來組織實施,首先在測區(qū)范圍內(nèi)全盤考慮,根 據(jù)永久性控制點布設(shè)若干個有利于碎部測量的點形成廠區(qū)臨時控制點, 然后再以這些點為依據(jù)進(jìn)行碎部測量工作,這樣可以減小誤差累積, 使測區(qū)內(nèi)精度均勻。若要對煉化設(shè)備進(jìn)行掃描,使用Leica HDS6200 在掃描距離50米內(nèi)形成模型表面精度為4mm,25m內(nèi)精度為2mm,現(xiàn) 場掃描如圖18。由于被掃描物體較大,可采取分塊多測站的形式,分 層次對物體進(jìn)行掃描,通過實驗驗證,當(dāng)物體形狀比較復(fù)雜時,為保 證拼接的準(zhǔn)確性,應(yīng)使相鄰測站掃描的對象具有一定的重疊度。 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 地面三維激光技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用 B.數(shù)據(jù)處理。由于煉化設(shè)備是以分塊多測站的形式掃描的,每個 測站掃描后所得到的點云都是以測站為坐標(biāo)原點的獨立坐標(biāo)系下 的點云,為使所有分站掃描得到的點云可以劃歸到同一地理坐標(biāo) 系下,就要對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。由于掃描的角度和位置問題, 如果直接利用特征點進(jìn)行拼接,點云的拼接精度較低,這樣將直 接影響設(shè)備的量測和建??煽啃?,利用先擬合特征平面然后在特 征平面的基礎(chǔ)上再加入點云約束的方法進(jìn)行拼接,將會對拼接精 度有一定改善。為解決拼接精度問題,先利用全站儀進(jìn)行控制測 量,通過精確測定,將得到掃描儀可識別的球形標(biāo)靶中心位置的 地理坐標(biāo)導(dǎo)入到處理軟
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