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博士學(xué)位論文答辯地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法與應(yīng)用毛先成2013年12月6日中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院國家自然科學(xué)基金項目(41172297)資助國家十一五科技支撐計劃重點課題(2006BAB01B07)資助目前一頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點介紹提綱1.地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題2.地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線3.地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法4.地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實例目前二頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點研究意義:
地質(zhì)體形態(tài)特征是控制礦床礦體形成、定位和分布的重要因素,定量地分析和提取地質(zhì)體的三維形態(tài)特征,對掌握礦床礦體定位機制和分布規(guī)律具有重要的理論和實踐意義。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題目前三頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點構(gòu)造形態(tài)是控制礦床形成和分布的最重要因素(翟裕生等,1981)。山東界河金礦控礦斷裂面的計算機模擬及趨勢面分析表明,控礦斷面的形態(tài)變化與礦體定位存在著一定的空間關(guān)系(高秋斌等,1999)?;诘刭|(zhì)異常理論的局部構(gòu)造異常特征分析發(fā)現(xiàn),構(gòu)造局部形態(tài)對成礦具有控制作用(呂新彪,2001)。通過接觸帶控礦構(gòu)造類型及其空間分布特征、接觸帶形態(tài)產(chǎn)狀特征及其與成礦的關(guān)系、成礦定位機制等的分析,可以預(yù)測出深部隱伏礦體找礦的有利部位(劉玉成等,2006)。個舊錫礦花崗巖凹陷帶(內(nèi)凹部位)礦體空間分布規(guī)律的綜合分析發(fā)現(xiàn),礦體的形成及分布與花崗巖表面形態(tài)的復(fù)雜程度具有密切關(guān)系(張建東,2007;王雄軍等,2008)。礦體形態(tài)特征是許多礦床的礦體變化最大標(biāo)志(李守義等,2003)?;谮厔莘治雠c結(jié)構(gòu)分析的斷層波狀構(gòu)造分解和定量模擬,可得到斷層波狀構(gòu)造形態(tài)的分級控礦和礦化局部化規(guī)律(毛先成等,1993)
1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀:目前四頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點上述研究以對地質(zhì)體形態(tài)的制圖表達(dá)和定性分析為主,盡管某些方法可以進(jìn)行定量分析,但表達(dá)的信息是二維或者2.5維的,而地質(zhì)體是一種真三維結(jié)構(gòu),這就需要對地質(zhì)體進(jìn)行真三維的形態(tài)模擬與分析。曹代勇等(2001)分析研究了地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)特征與三維可視化技術(shù),并提出了地質(zhì)構(gòu)造模型中處理斷層的局部法和整體法技術(shù)。曾新平等(2005)研究了基于IDL的地質(zhì)體三維可視化建模技術(shù)和地質(zhì)特征分析方法。吳沖龍等(2006)研究開發(fā)了通過二維圖件生成真三維盆地構(gòu)造-地層格架的計算機模擬和可視化技術(shù)以及建立三維數(shù)字盆地的空間信息系統(tǒng)技術(shù)。趙義來等(2010)研究了安慶銅礦田巖體接觸帶的三維形態(tài)及其控礦機制,認(rèn)為礦體空間分布位置與接觸帶的形態(tài)有著直接關(guān)系。目前,基于三維地學(xué)建模(3DGM)和可視化技術(shù)的隱伏礦體三維定位定量預(yù)測已發(fā)展成為研究熱點(陳建平等,2007)。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題目前五頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點這些研究實現(xiàn)了地質(zhì)體的三維模擬與形態(tài)描述,并探討了地質(zhì)體形態(tài)與礦體空間定位的關(guān)系。但為了深層次地揭示出地質(zhì)體形態(tài)特征對礦體空間定位與分布的控制規(guī)律,我們認(rèn)為,還需系統(tǒng)地對地質(zhì)體的三維形態(tài)進(jìn)行定量分析。
三維地質(zhì)建模、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等技術(shù)的出現(xiàn)為三維形態(tài)定量分析奠定了基礎(chǔ)。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題存在問題:目前六頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點三維地學(xué)建模(3DGM)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已日趨成熟。Houlding結(jié)合地質(zhì)建模研究了規(guī)則三維格網(wǎng)(Regular3Dgrid)、非規(guī)則塊(Irregularblock)、斷面(Sectional)和體(Volume)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)地建立了三維地質(zhì)建模理論。此后很多學(xué)者相繼對三維地質(zhì)建模進(jìn)行了大量的研究,使地質(zhì)體三維建模與可視化技術(shù)得到了飛速發(fā)展并已進(jìn)入實用化階段。同時,國內(nèi)也有大量學(xué)者研究開發(fā)了地質(zhì)體的三維建模與可視化技術(shù),包括拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)組成的三維矢量拓?fù)淠P?,基于類三棱柱體的三維數(shù)據(jù)模型,廣義三棱柱構(gòu)模技術(shù),基于TIN的多層DEM構(gòu)模技術(shù),三維斷層模擬和復(fù)雜地質(zhì)體三維建模的線框架模型。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題目前七頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點隨著三維地質(zhì)建模理論和技術(shù)的成熟,地質(zhì)體三維建模軟件大量涌現(xiàn),如澳大利亞MAPTEK公司的MaptekVulcan軟件,英國Datamine公司的DatamineStudio軟件,澳大利亞Surpac公司的SurpacVision軟件,法國Nancy學(xué)校開發(fā)的GOCAD地質(zhì)建模軟件,澳大利亞Micromine公司的Micromine軟件,中國三地曼公司的3Dmine軟件、迪邁公司的Dimine軟件等。三維地質(zhì)建模技術(shù)的實用化,為地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究提供了三維建模技術(shù)基礎(chǔ)。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題目前八頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(MathematicalMorphology)誕生于1964年,最初是由法國科學(xué)家Serra提出用于對鐵礦核做定量巖相學(xué)分析的。1982年,Serra出版了專著《ImageAnalysisandMathematicalMorphology》,將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與圖像處理真正聯(lián)系起來,從而發(fā)展了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué),使其逐步成為學(xué)者們研究的熱點。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和所用語言是集合論,集合本身可支持任意維度,因此只需借用現(xiàn)有的二維模型,將運算擴展到三維空間,將二維結(jié)構(gòu)元素擴展為三維結(jié)構(gòu)元素,就能使數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)支持三維圖像分析,這為地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究提供了理論參考。同時,歐氏距離變換(EuclideanDistanceTransform)與圖像處理結(jié)合具有提取幾何特征的能力,為地質(zhì)體三維形態(tài)分析高效算法的實現(xiàn)和形態(tài)特征參數(shù)提取提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題目前九頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)較好地解決了幾何特征提取、邊緣檢測、圖像分割、形狀識別等圖像處理問題。利用形態(tài)運算可以提取遙感圖像上特定的土地特征。提取衛(wèi)星融合影像中的線型地物。檢測圖像中建筑物陰影和云陰影。對高分辨率的遙感圖像進(jìn)行分類和處理??捎脭?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對巖石紋理進(jìn)行彩色圖像的分割和分類。還可利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)判定包裹體邊界,結(jié)合包裹體的其他信息獲得流體包裹體跡線及其形態(tài)和幾何參數(shù),為研究地質(zhì)現(xiàn)象變化過程的微觀機制提供較好的理論基礎(chǔ)。利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行水文地質(zhì)屬性研究,模擬出了水體影響范圍的特征和水流路徑。上述地質(zhì)圖像處理研究都是基于二維圖像的,但地質(zhì)體是真三維的,需采用三維圖像或三維柵格模型表達(dá),因此,要實現(xiàn)地質(zhì)體三維形態(tài)分析,需要將現(xiàn)有的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)擴展到三維空間以支持三維圖像處理。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題近年來,數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在地質(zhì)圖像處理領(lǐng)域取得了大量的研究成果:目前十頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點歐氏距離變換(EuclideanDistanceTransform)廣泛應(yīng)用于圖像分析、計算機視覺和模式識別領(lǐng)域,經(jīng)過多年的發(fā)展,已發(fā)展出許多高效的優(yōu)化算法。在離散化空間中,我國學(xué)者諸葛嬰將歐氏距離變換二維最優(yōu)算法擴展到了三維,而藺宏偉同樣也將二維算法推廣到了三維,但其算法的時間和空間復(fù)雜程度比前者更低,因而是一種更加適合三維柵格模型的歐氏距離變換算法。三維歐氏距離變換高效算法的成熟,以及歐氏距離變換與圖像處理結(jié)合具有提取幾何特征的能力,為地質(zhì)體三維形態(tài)分析高效算法的實現(xiàn)和形態(tài)特征參數(shù)提取提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問題目前十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點2地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究思路:
柵格模型→形態(tài)運算→結(jié)果應(yīng)用1.野外調(diào)查、資料收集與整理并建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。2.建立地質(zhì)體三維實體模型,生成地質(zhì)體三維柵格模型。3.構(gòu)建地質(zhì)體三維形態(tài)分析集合運算模型。4.研究地質(zhì)體三維形態(tài)分析算法,設(shè)計開發(fā)形態(tài)分析實驗軟件。5.進(jìn)行地質(zhì)體三維形態(tài)分析實驗,改進(jìn)形態(tài)分析模型和算法。6.地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用。目前十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點技術(shù)路線圖:目前十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點關(guān)鍵技術(shù):三維地質(zhì)形態(tài)分析數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(G.Matheron和J.Serra) 腐蝕(Erosion)、膨脹(Dilation)、開(Opening)、閉(Closing)運算二維形態(tài)(像元)→三維形態(tài)(體元或體素)2.三維距離場分析離散化地質(zhì)空間下的距離測度基于柵格數(shù)據(jù)的三維距離變換空間距離場及空間參數(shù)提取3.空間統(tǒng)計分析4.三維柵格模型可視化2地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線目前十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論和集合理論為基礎(chǔ),用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去量度和提取圖像中的對應(yīng)形狀以達(dá)到對圖像分析和識別的目的。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運算主要包括膨脹、腐蝕、開、閉等,其中腐蝕與膨脹、開與閉互為對偶運算。設(shè)A表示一幅二值圖象,B為結(jié)構(gòu)元素:(1)(2)(3)(4)式中,c表示A的補集,^表示B關(guān)于坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)180°。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)目前十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點采用藺宏偉提出的采用8個模板進(jìn)行三維歐氏距離變換的方法,對體素模型的柵格空間進(jìn)行掃描,生成歐氏距離場。模板中的每個單元是一個向量。設(shè)柵格空間的大小為L×M×N,空間所有體元的距離可用一向量表示,向量的模即為該體元的距離值。算法的掃描過程分為前向和后向兩個過程。在前向和后向過程中的每次掃描中,做以下運算:
上式中,要求(i,j,k)滿足時將等號右邊的向量賦給fnew(x,y,z)。f(x,y,z)為行列層坐標(biāo)為(x,y,z)體元的距離向量,fnew(x,y,z)為其新值,T為模板。若f(x,y,z)=(p,q,k)則距離其最近的體元坐標(biāo)為(x+p,y+q,z+k)。
3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法歐氏距離變換目前十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點歐氏距離變換3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法目前十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法三維形態(tài)分析方法:地質(zhì)體形態(tài)趨勢提??;地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提?。恍螒B(tài)起伏特征提?。坏刭|(zhì)體表面與趨勢面夾角提取。目前十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點一般分析的方法:趨勢面數(shù)學(xué)方程。而這種方法在地質(zhì)體形態(tài)復(fù)雜、且有超覆現(xiàn)象時,就無法滿足要求。因此,本文在地質(zhì)體體素柵格模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的通用趨勢形態(tài)提取方法。定義一個球形結(jié)構(gòu)元素,進(jìn)行開運算或閉運算時,球?qū)⒃谡麄€三維空間中進(jìn)行滾動時,包括地質(zhì)體邊界內(nèi)外。開運算時,球在地質(zhì)體邊界內(nèi)部滾動,將會削平邊界上的凸峰(如下圖(b)(c))。同理,閉運算時球在地質(zhì)體外邊界上滾動,此時將會填補邊界上的凹谷(如下圖(d)(e))。因此用這兩種運算的組合對地質(zhì)體操作,可分別削平和填補地質(zhì)體邊界上的的凸峰和凹谷,得到平滑的趨勢形態(tài)。
3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體形態(tài)趨勢提取目前十九頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點球形結(jié)構(gòu)元素開運算與閉運算效果3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法目前二十頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點設(shè)A為地質(zhì)體對象,Bball為球形結(jié)構(gòu)元素,將這兩種運算進(jìn)行組合定義成形態(tài)濾波變換有:(1)開閉濾波: (5)(2)閉開濾波: (6)通過這兩種變換均能得到地質(zhì)體的趨勢形態(tài)。變換后的地質(zhì)體輪廓光滑度取決于球形結(jié)構(gòu)元素的半徑。半徑越大,能削平和填補的凸峰與凹谷部分越多,輪廓(趨勢形態(tài))越光滑。半徑越小,能削平和填補的凸峰與凹谷部分越少,輪廓(趨勢形態(tài))將相對趨近地質(zhì)體變換前輪廓(形態(tài))。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法目前二十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點對于復(fù)雜地質(zhì)體而言,借助歐氏距離變換技術(shù),本文作者提出一種新的形態(tài)起伏分析方法,將邊界上所有體元的凹凸屬性及其起伏程度量化。具體步驟如下:1.初始化,建立要進(jìn)行形態(tài)起伏分析的地質(zhì)體的三維二值圖像,定義一定半徑r的球形結(jié)構(gòu)元素Bball(r),r決定可濾除波形的大小,可濾除波形大小則決定可得到的起伏程度的大??;2.以Bball(r)為結(jié)構(gòu)元素,采用開閉或閉開濾波算子對地質(zhì)體A進(jìn)行形態(tài)濾波,得到集合;3.獲得外凸部分集合Dpeak(A),內(nèi)凹部分集合Dvalley(A),有:
(7)3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提取目前二十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點4.通過歐氏距離變換,建立集合對象外的歐氏距離場Eouter(i,j,k)和內(nèi)的歐氏距離場Einner(i,j,k);5.對于地質(zhì)體邊界上的每個體元v,有vA,判斷其哪個集合中:若
,則v處于外凸處,且有v,轉(zhuǎn)6;若
,則v處于內(nèi)凹處,有v,轉(zhuǎn)7;否則說明v處于平坦處;6.求在體元v坐標(biāo)處的距離場Eouter值,該值即說明了v所在的局部外凸程度,轉(zhuǎn)5;7.求在體元v坐標(biāo)處的距離場Einner值;該值即說明了v所在的局部內(nèi)凹程度,轉(zhuǎn)5。
3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提取目前二十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點對以上步驟進(jìn)行改進(jìn)便可對形態(tài)起伏特征進(jìn)行分級提取。因為球形結(jié)構(gòu)元素半徑r決定可濾除的波形的大小,所以通過改變r值可提取出不同程度的起伏。以下形態(tài)起伏特征分級提取流程圖給出了提取步驟。由此可得到地質(zhì)體邊界上所有體元的各級別起伏。這種方法提取出來的起伏隨著級別的增高而增大,而非級別越高,起伏越小。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法形態(tài)起伏特征的分級提取目前二十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點形態(tài)起伏分級提取流程圖目前二十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點一些成礦因素受到地質(zhì)體接觸面(如巖漿巖體與圍巖的接觸帶)的夾角大小的控制。為了定量表達(dá)這種控礦因素,需要對接觸面走向與其趨勢面走向方向的夾角進(jìn)行提取,也需要對接觸面走向與區(qū)域應(yīng)力場方向夾角進(jìn)行提取。地質(zhì)體以體素柵格模型離散表達(dá),這種夾角提取問題就具體為求兩空間實體上對應(yīng)兩體元切平面之間的角度的問題。針對這個夾角提取問題,本文作者提出了基于歐氏距離場的夾角提取方法。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢面夾角提取目前二十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點如圖所示,地質(zhì)體表面(實線)上有一點P,它在地質(zhì)體的趨勢形態(tài)表面(虛線)上的最近點為P’,此處求過這兩點的切平面間夾角θ。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢面夾角提取目前二十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點設(shè)原始巖體A接觸面S(A)上有體元v,其在趨勢形態(tài)體A’表面S(A’)上對應(yīng)體元為v’,過v和v’的法向量分別為和,有:1.求巖體接觸面,用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法有,其中B為方形結(jié)構(gòu)元素,用1.3.1方法求地質(zhì)體趨勢形態(tài),同樣按數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法有;2.求S(A)外和內(nèi)的歐氏距離場,分別為Eouter(i,j,k)和Einner(i,j,k),并求S(A’)外和內(nèi)的歐氏距離場,分別為E’outer(i,j,k)和E’inner(i,j,k),以Eouter(i,j,k)和Einner(i,j,k)所表示的距離模擬F(x,y,z),Eouter(i,j,k)的中的距離為正值,Einner(i,j,k)中的距離為負(fù)值,S(A)上距離為0;同理以E’outer(i,j,k)和E’inner(i,j,k)距離模擬F趨勢(x,y,z);3.對S(A)中需要求夾角的體元v,在E’outer(i,j,k)或E’inner(i,j,k)中找出其最近在S(A’)上的最近體元作為對應(yīng)體元v’;3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢面夾角提取步驟目前二十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點4.用模板對F(x,y,z)進(jìn)行卷積運算;求得在v處x,y和z三個方向梯度Gx,Gy和Gz;=(Gx,Gy,Gz);同樣對F趨勢(x,y,z)進(jìn)行卷積運算,求得5.求兩切平面間夾角: (8)6.判斷S(A)中是否有尚未求夾角體元,若有則回到3。
3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢面夾角提取步驟目前二十九頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點安徽銅陵鳳凰山礦田新屋里巖體存在有廣泛的超覆現(xiàn)象。地質(zhì)體三維形態(tài)分析和控礦地質(zhì)因素場建模方法都以三維柵格模型為數(shù)據(jù)模型。研究開發(fā)了三維形態(tài)學(xué)處理算法與程序,對新屋里巖體等地質(zhì)體進(jìn)行三維形態(tài)分析,如巖體形態(tài)趨勢提取、巖體表面形態(tài)起伏提取、形態(tài)起伏特征分級提取、地質(zhì)體表面和趨勢面夾角提取等,實現(xiàn)各種控礦地質(zhì)因素場的定量模擬。
4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實例實例:安徽銅陵鳳凰山礦田的新屋里巖體目前三十頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體多級形態(tài)濾波操作與結(jié)果
4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實例目前三十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點三維地質(zhì)體形態(tài)分析實例:新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體原始柵格模型4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實例目前三十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點三維地質(zhì)體形態(tài)分析實例:新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體趨勢柵格模型4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實例目前三十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點三維地質(zhì)體形態(tài)分析實例:新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體一級凸柵格模型4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實例目前三十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十六點三維地質(zhì)體形態(tài)分析實例:新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體一級凹柵格模型4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實例目前三十五頁\總數(shù)四十三頁\
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