IMPLANTAÇÃO DE MARCOS GEODÉSICOS PARA PROJETOS DE CONSTRUÇÃO E RESTAURAÇÃO DE RODOVIAS
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- Francisco Dinis Paixão
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1 Resumo IMPLANTAÇÃO DE MARCOS GEODÉSICOS PARA PROJETOS DE CONSTRUÇÃO E RESTAURAÇÃO DE RODOVIAS IMPLEMENTATION OF GEODETIC LANDMARK FOR PROJECTS OF CONSTRUCTION AND RESTORATION OF ROADS Gabriela Francisco de Souza 1 Leonard Niero da Silveira 2 Para que uma rodovia ou qualquer outra aplicação em engenharia seja implementada, existe a necessidade de estabelecer um sistema de referência geodésico. Para estudo de caso, foram implantados marcos geodésicos com a função básica de referenciar um projeto de readequação da rodovia SC-438 entre os municípios de Painel e São Joaquim, no Estado de Santa Catarina. A implantação dos vértices deu-se por meio de rastreio dos sinais dos sistemas constituintes do GNSS (Global Navigation Satellite System), com origem das coordenadas no vértice SAT94025, pertencente à rede brasileira de monitoramento contínuo do GNSS e mantido pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). O sistema de projeção cartográfica utilizado para projetos de implantação rodoviária foi o sistema local transverso de mercator (LTM), que possui distorção linear menor que o sistema universal transverso de mercator (UTM), sendo mais adequado para a posterior locação da obra utilizando-se métodos clássicos. A altimetria apoiou-se nas referências de nível da rede de nivelamento geométrico de alta precisão do sistema geodésico brasileiro, cujo um dos circuitos passou pelo local de estudos. Foram estabelecidos, no trecho, 78 vértices para apoio a levantamentos topográficos e métodos mais modernos de levantamento como o RTK (Real Time Kinematic). Palavras-chave: Estradas. Geodésia. GNSS. LTM. Abstract For a road or any other application in engineering is implemented, there is a need to establish a geodetic reference system. For study case, surveying landmarks were implanted with the basic function of referencing a realignment project of the highway SC-438 between the cities of São Joaquim and Painel in the Santa Catarina state. The deployment of the geodetic vertex gave up through screening of signals from the GNSS constituents (Global Navigation Satellite System), with the origin of coordinates at the geodetic vertex SAT94025 belonging to the Brazilian network of continuous monitoring of GNSS and maintained by the IBGE (Brazilian Institute of geography and Statistics). The cartographic projection system used for road projects to implement the local system was transverse mercator (LTM), which has the lowest linear distortion than a universal 36
2 transverse Mercator system (UTM), being more suitable for further leasing of work using classical methods. The altimetry relied on references level of a leveling network of high precision of the brazilian geodetic system, which has one of the circuits by local studies. Were established, in local, 78 landmarks for support a topographic survey and more modern methods such as RTK (Real Time Kinematic). Key words: Roads. Geodesy. GNSS. LTM. 1 Introdução Para o mapeamento ou para aplicações em engenharia existe a necessidade de definir, estabelecer e manter um sistema de referência geodésico de apoio. As redes planimétrica e altimétrica do sistema geodésico brasileiro servem de estrutura básica para a implementação de uma rede referencial local. O Marco Geodésico, de apoio local, é um ponto materializado no terreno cujas coordenadas são determinadas a partir das redes geodésicas de primeira ordem (vértices do SGB), sendo de grande importância no georreferenciamento de qualquer obra ou empreendimento, além de apresentar-se como importante instrumento para atualização cartográfica. Atualmente, com o advento dos sistemas de posicionamento baseados em satélites artificiais, pode-se recorrer às bases ativas do sistema GNSS, representado no Brasil pela RBMC, destinado à comunidade técnico-científica, que necessita de dados confiáveis e de fácil obtenção. Para o estabelecimento dos vértices de apoio deve-se, ao menos, dispor de uma estação cujas coordenadas sejam conhecidas, ocupando-a simultaneamente com os pontos onde as coordenadas serão transportadas, tendo o cuidado de formar polígonos fechados para o controle da acurácia dos produtos resultantes do processamento dos dados. Portanto, o levantamento deverá partir sempre de uma estação pertencente ao SGB e de acordo com a norma técnica para georreferenciamento de imóveis rurais, estabelecida pelo INCRA, os valores utilizados como referência deverão ter seus 37
3 respectivos indicadores de precisão fornecidos pela entidade que as determinou, no caso presente o IBGE. O sistema de projeção cartográfica, bem como as diretrizes de estabelecimento de redes geodésicas para apoio à implantação ou recuperação de rodovias seguem as especificações do departamento nacional de infraestrutura de transportes (DNIT) que prevê a implantação de marcos a cada 500 m e a utilização dos sistema de projeção plana LTM. Embora não esteja normatizado nem especificado, pode-se utilizar métodos de rastreio GNSS para o levantamento topogeodésico da rodovia, apoiando este levantamento à rede estabelecida. 2 Material e métodos A área de estudo, onde foram aplicados os métodos de levantamento e implantação da rede geodésica de apoio foi a antiga SC-438 (atual SC-110), entre os municípios de Painel e São Joaquim, para a readequação rodoviária do trecho. Foram utilizados, para a materialização da rede geodésica de apoio, 78 vértice dispostos par a par, distanciando-se aproximadamente 100 m um do outro. Cada par de vértices distanciam-se aproximadamente 1000 m. A forma e dimensão dos marcos seguem a norma de serviço número 001/2008 de 01/09/2008 Padronização de Marcos Geodésicos Agosto de 2008, instituída pelo IBGE. Os Marcos são troncos de pirâmide com as dimensões de 18 cm x 18 cm no topo, 30 cm x 30 cm na base e 40 cm de altura, encimado por uma chapa metálica com a identificação do ponto. A figura 1 ilustra as dimensões do marco utilizado. 38
4 Figura 1 Forma e dimensão dos vértices implantados Para o rastreio dos vértices da rede de apoio foram utilizados um par de receptores GNSS multifrequência marca Javad, modelo Triumph-1, com capacidade de rastreio das constelações NAVSTAR/GPS, GLONASS nas faixas de frequência L1/L2/L2C. Também foram utilizados receptores marca Topcon, modelo Hiper Light Plus, rastreando as constelações NAVSTAR/GPS e GLONASS nas faixas de frequência L1/L2. Os dois modelos também possuem módulo de correção em tempo real para levantamentos no modo RTK ( Real Time Kinematic ). Para o levantamento da rodovia e de sua faixa de domínio, foroam utilizados, além dos receptores GNSS em modo RTK, uma Estação Total, marca Topcon, modelo GTS-105N e uma Estação Total, marca Pentax, modelo R315-N. Para o transporte de coordenadas horizontais e altitude elipsoidal para os vértices da rede geodésica de apoio, foi utilizado como referência o vértice SAT94025, pertencente à rede planimétrica de alta precisão do SGB (Sistema Geodésico Brasileiro) e da RBM (Rede Brasileira de Minitoramento Contínuo), localizado no município de Lages. Para o rastreio, os pares de receptores locais rastrearam os sinais GNSS de forma simultânea ao receptor da RBMC, formando figuras fechadas (triângulo), possibilitando 39
5 a aferição da precisão e acurácia do posicionamento. O tempo de ocupação dos vértices foram o suficiente para a obteção de soluções fixas e soluções livres da refração ionosférica (ionofree), em média, 30 minutos de ocupação para linhas de base de até 50 Km, em locais de excelente rastreabilidade. A figura 2 ilustra os vetores de posicionamento de um par de pontos da rede de apoio a partir do vértice da RBMC. Figura 2 Exemplo de triangulação executada Para o transporte das altitudes ortométricas, foram utilizados como referência, as referências de nível da rede de nivelamento geométrico de alta precisão do SGB, cujo um dos circuítos passam pela área em estudo. Na determinação das altitudes ortométricas (referenciada ao nível médio do mar no marégrafo do porto de Imbituba SC), foi utilizado o método relativo das diferenças de ondulação geoidal, utilizando como modelo do geóide local o MapGeo2010. Neste método o transporte da altitude ortométrica é realizado com o posicionamento, por GNSS, a partir da componente vertical, altitude elipsoidal (h) e ondulação geoidal, obtida a partir de um modelo geoidal, como mostrado na figura 3. 40
6 Na figura: Figura 3 Transporte de altitude ortométrica método relativo h A = altitude elipsoidal de A (RN); h B = altitude elipsoidal de B; H A = altitude ortométrica de A; H B = altitude ortométrica de B; N A = ondulação geoidal em A; N B = ondulação geoidal em B; N = diferença de ondulação geoidal; h = diferença de altitude elipsoidal; a) Elementos conhecidos em a (RN) H A = altitude ortométrica obtida na monografia do RN. b) Elementos determinados em a (RN) h A = altitude elipsoidal - transportada em poligonal fechada (GNSS); N A = ondulação geoidal obtida a partir de um modelo geoidal. c) Elementos determinados em b h B = altitude elipsoidal - transportada em poligonal fechada (GNSS); N B = ondulação geoidal obtida a partir de um modelo geoidal. 41
7 d) Elemento procurado em b H B = altitude ortométrica em B Fórmula utilizada: Onde: h = h B - h A (RN) N = N B N A (RN) Onde: H B = H A + h - N h = altitude elipsoidal determinada em poligonal fechada triângulos ajustados. N = ondulação geoidal absoluta obtida em um modelo geoidal. h = diferença de altitude elipsoidal entre o ponto e o RN de referência N = diferença de ondulação geoidal entre a ondulação do ponto, obtida no modelo geoidal, e a ondulação da RN de referência, também obtida no modelo geoidal. É aplicado na fórmula em função da superfície geoidal (superfície do geoide) não ser paralela à superfície elipsoidal (superfície do elipsoide) H = altitude ortométrica transportada pelo método da diferença de ondulação geoidal calculada pela equação: H PONTO = H RN REFERÊNCIA + h - N O processamento dos dados e ajustamento das observações GNSS foram executados no software TopconTools, versão 7.1 enquanto a determinação das altitudes ortométricas foram elaboradas em planilha eletrônica a partir dos valores da ondulação geoidal obtidas no software MapGeo2010. Seguindo ainda as normatizações definidas pelo departamento de geociências do IBGE e do DNIT, foi utilizado como datum de referência o SIRGAS2000, datum oficial do sistema geodésico brasileiro bem como o sistema de projeção cartográfica LTM (Local Transverso de Mercator). Segundo SILVEIRA (2012), o sistema de coordenadas planas LTM é indicado pela aproximação da distância horizontal medida em campo, com a distância projetada. 42
8 O sistema de coordenadas planas LTM foi concebido para mapeamento em grandes escalas e em áreas pequenas onde as distâncias do levantamento topográfico são obtidas por meio de métodos e equipamentos clássicos (estações totais e teodolitos). No sistema de coordenadas planas UTM a diferença entre a distância horizontal (medida no plano topográfico) e a distância projetada (medida na base cartográfica) é, nas proximidades do final do fuso, muito grande, chegando a 1:1.000 (SILVEIRA, 2012). Para solucionar a distorção linear do sistema de coordenadas planas UTM, este foi substituído pelo sistema de coordenadas planas LTM. O erro máximo, no sistema LTM, é observado no extremo sul do Brasil, (latitude 33º sul), na extremidade do fuso, e atinge 1 : (SILVEIRA, 2012). As principais características do sistema de coordenadas planas LTM são: a - Projeção conforme de Mercator ou Transversa de Gauss (mesma projeção do sistema UTM); b - Fusos de 1º de amplitude limitados por meridianos nas longitudes inteiras; c - Limitação recomendada para o sistema LTM até a latitude 45º para norte e 45º para o sul a partir do equador; d - Coeficiente de escala no meridiano central Ko = 0,999995; e - Origem do sistema de coordenadas LTM: Cruzamento do equador com o meridiano central (MC) do fuso. X = no meridiano central; Y = no equador para o hemisfério sul; Y = 0 no equador para o hemisfério norte. f - Designação das coordenadas. Ordenadas = Y Abscissa = X g - Sistema formado por eixos cartesianos ortogonais. Eixo X paralelo ao equador; Eixo Y paralelo ao meridiano central; 43
9 As figuras 4 e 5 mostram os detalhes do fuso no sistema de projeção cartográfica LTM. Figura 4 Detalhes do fuso LTM quanto às distâncias projetadas Figura 5 Detalhes do fuso LTM A rede de apoio geodésico foi estabelecida em dois fusos LTM adjacentes (Meridianos centrais 50º 30 W e 49º 30 W). Neste caso, os levantamentos poderiam ser divididos em dois lotes diferentes (um para cada fuso para que não houvesse a transposição do mesmo) ou adentrar ao fuso adjacente utilizando-se os parâmetros do fuso anterior. Como o avanço ao fuso adjacente foi pequeno (3 km), optou-se pela segunda opção, sem maiores prejuízos à precisão dos levantamentos. Para o levantamento planialtimétrico cadastral da rodovia foi utilizado Estação Total Classe III e poligonal tipo PAII da NBR Norma Técnica para 44
10 Levantamento Topográfico da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e também, nas áreas onde não havia vegetação densa, foi utilizado o método RTK. Os levantamentos feitos com RTK, foram configurados apenas soluções fixas (excluindo soluções flutuantes ou autônomas), esperando-se precisões pontuais seguindo a mesma precisão nominal do equipamento, que é de 1 cm ± 1ppm para a componente planimétrica e 2 cm para a componente altimétrica. As poligonais foram enquadradas nos vértices de apoio geodésico. Na tabela 1 é apresentada o modelo das cadernetas do levantamento topográfico com relatórios de coordenadas e dados de fechamento da poligonal. Os dados do RTK são gerados em arquivos tipo ASCII (texto). As poligonais topográficas foram processadas no software Topograph. Tabela 01: Dados do fechamento da Poligonal Serra 1 Utilizando Estação total 45
11 3 Resultados obtidos e discussão Para os 78 vértices da rede geodésica de apoio foram obtidas precisões dentro do esperado para ocupações dos pontos de até 30 minutos com linhas de base de até 50 km. Todos os pontos tiveram precisões lineares relativas melhores que 1: Para o transporte de altitude ortométrica foram ocupadas as RNs RN2060H, RN2060J, RN2060L, RN2060M, RN2060P, RN2060X, RN2060Z, RN2061A, RN2061B, RN2061D, RN2061E, RN2061F, RN1417L. Foram utilizadas sempre as referências de nível mais próximas aos vértices. 46
12 A tabela 2 mostra o cálculo das altitudes ortométricas para todos os vértices. Tabela 2 Determinação das altitudes ortométricas Ponto h N-Map h N H N RN2060H 1.129,350 5, ,2061 6,144 M ,683 5,730-17,667 0, ,5391 6,144 M ,568 5,730-15,782 0, ,4241 6,144 RN2060J 1.183,287 5, ,1145 6,173 M ,844 5,740-42,443-0, ,6815 6,163 M ,386 5,750-28,901 0, ,2135 6,173 M ,233 5,750 0,946 0, ,0605 6,173 M ,422 5,760-4,865 0, ,2395 6,183 RN2060L 1.276,722 5, ,5118 6,210 M ,078 5,770-68,644-0, ,8778 6,200 M ,955 5,770-57,767-0, ,7548 6,200 M ,735 5,780-4,987 0, ,5248 6,210 M ,338 5,790 18,616 0, ,1178 6,220 RN2060M 1.268,401 5, ,1759 6,225 M ,479 5,810 9,078-0, ,2739 6,205 M ,522 5,820 7,121-0, ,3069 6,215 M ,569 5,830-1,832 0, ,3439 6,225 M ,391 5,830-1,010 0, ,1659 6,225 M ,744 5,840-14,657 0, ,5089 6,235 M ,779 5,850-18,622 0, ,5339 6,245 RN2060P 1.236,417 5, ,1653 6,252 M ,302 5,860 8,885 0, ,0503 6,252 M ,701 5,860 10,284 0, ,4493 6,252 M ,763 5,860 15,346 0, ,5113 6,252 M ,506 5,850 10,089-0, ,2643 6,242 M ,400 5,850 1,983-0, ,1583 6,242 M ,423 5,860-2,994 0, ,1713 6,252 M ,179 5,860-17,238 0, ,9273 6,252 M ,904 5,870-23,513 0, ,6423 6,262 M ,349 5,870-94,068 0, ,0873 6,262 M ,640 5, ,777 0, ,3783 6,262 M ,956 5, ,461 0, ,6843 6,272 M ,597 5, ,820 0, ,3253 6,272 M ,422 5, ,995 0, ,1603 6,262 M30 998,226 5, ,191 0, ,9643 6,262 M ,979 5, ,438 0, ,7173 6,262 M ,232 5, ,185 0, ,9703 6,262 RN2060X 1.181,896 5, ,5099 6,386 M ,726 5, ,170-0, ,4099 6,316 M ,499 5, ,397-0, ,1729 6,326 M ,338 5,880-78,558-0, ,0119 6,326 M ,346 5,880-80,550-0, ,0199 6,326 M ,043 5,890-52,853-0, ,7069 6,336 M ,547 5,890-65,349-0, ,2109 6,336 47
13 M ,063 5,890-44,833-0, ,7269 6,336 M ,048 5,890-37,848-0, ,7119 6,336 M ,990 5,890-28,906-0, ,6539 6,336 M ,208 5,900-9,688-0, ,8619 6,346 M ,682 5,910-16,214-0, ,3259 6,356 M ,702 5,920-17,194-0, ,3359 6,366 M ,275 5,930 12,379-0, ,8989 6,376 M ,786 5,940 14,890 0, ,3999 6,386 M ,137 5,950 21,241 0, ,7409 6,396 M ,940 5,950 17,044 0, ,5439 6,396 RN2060Z 1.200,470 5, ,0357 6,434 M ,726 5,970 1,256-0, ,3017 6,424 M ,859 5,970 0,389-0, ,4347 6,424 M ,362 5,980 43,892 0, ,9277 6,434 M ,314 5,980 37,844 0, ,8797 6,434 RN2061A 1.256,988 5, ,5979 6,390 M ,386 5,990-33,602 0, ,9959 6,390 M ,236 5,980-15,752-0, ,8559 6,380 M ,824 5,990 3,836 0, ,4339 6,390 M ,212 5,990-0,776 0, ,8219 6,390 RN2061B 1.249,503 5, ,0873 6,416 M ,689 5,990 5,186 0, ,2733 6,416 M ,898 5,990 7,395 0, ,4823 6,416 M ,483 6,010 82,980 0, ,0473 6,436 M ,275 6,010 87,772 0, ,8393 6,436 M ,531 6,010 64,028 0, ,0953 6,436 RN2061D 1.278,636 6, ,1705 6,466 M ,650 6,010-0,986 0, ,1845 6,466 M ,084 6,010 30,448 0, ,6185 6,466 M ,410 6,010 25,774 0, ,9445 6,466 M ,517 6,010-37,119 0, ,0515 6,466 M ,108 6,010-48,528 0, ,6425 6,466 RN2061E 1.175,016 6, ,5635 6,453 M ,096 6,010 3,080 0, ,6435 6,453 M ,997 6,010-5,019 0, ,5445 6,453 M ,486 6,010 17,470 0, ,0335 6,453 M ,364 6,010 23,348 0, ,9115 6,453 RN2061F 1.292,918 6, ,3574 6,561 M ,334 6,010-18,584 0, ,7734 6,561 M ,603 6,010-7,315 0, ,0424 6,561 M ,408 6,020 65,490 0, ,8374 6,571 M ,473 6,010 80,555 0, ,9124 6,561 RN1417L 1.366,035 5, ,5399 6,495 M ,954 5,990-11,081 0, ,4489 6,505 M ,845 5,990-3,190 0, ,3399 6,505 M ,798 5,940-7,237-0, ,3429 6,455 M ,590 5,940-5,445-0, ,1349 6,455 48
14 O quadro 1 mostra as coordenadas obtidas no sistema plano LTM e no sistema geodésico sexagesimal (latitude e longitude), além das altitudes ortométricas. Quadro 1 Coordenadas dos vértices Coordenadas Planas Sistema LTM Datum Sirgas 2000 Vértice Y (m) X (m) Latitude Longitude H (m) M , , ' 30, ' 11, ,539 M , , ' 36, ' 07, ,424 M , , ' 56, ' 46, ,682 M , , ' 05, ' 41, ,214 M , , ' 35, ' 44, ,061 M , , ' 44, ' 44, ,240 M , , ' 25, ' 46, ,878 M , , ' 31, ' 50, ,755 M , , ' 05, ' 53, ,525 M , , ' 18, ' 44, ,118 M , , ' 56, ' 30, ,274 M , , ' 03, ' 28, ,307 M , , ' 35, ' 19, ,344 M , , ' 45, ' 16, ,166 M , , ' 45, ' 16, ,509 M , , ' 28, ' 08, ,534 M , , ' 05, ' 00, ,050 M , , ' 11, ' 57, ,449 M , , ' 48, ' 38, ,511 M , , ' 58, ' 32, ,264 M , , ' 34, ' 20, ,158 M , , ' 40, ' 21, ,171 M , , ' 12, ' 25, ,927 M , , ' 22, ' 25, ,642 M , , ' 56, ' 23, ,087 M , , ' 02, ' 24, ,378 M , , ' 37, ' 17, ,684 M , , ' 42, ' 12, ,325 M , , ' 04, ' 42, ,160 M , , ' 15, ' 42, ,964 M , , ' 35, ' 23, ,717 M , , ' 40, ' 18, ,970 M , , , , ,410 M , , , , ,173 M , , , , ,012 M , , , , ,020 M , , , , ,707 M , , , , ,211 M , , , , ,727 M , , , , ,712 M , , , , ,654 M , , , , ,862 49
15 M , , , , ,326 M , , , , ,336 M , , , , ,899 M , , , , ,400 M , , , , ,741 M , , , , ,544 M , , , , ,302 M , , , , ,435 M , , , , ,928 M , , , , ,880 M , , , , ,996 M , , , , ,856 M , , , , ,434 M , , , , ,822 M , , , , ,273 M , , , , ,482 M , , , , ,047 M , , , , ,839 M , , , , ,095 M , , , , ,185 M , , , , ,619 M , , , , ,945 M , , , , ,052 M , , , , ,643 M , , , , ,644 M , , , , ,545 M , , , , ,034 M , , , , ,912 M , , , , ,773 M , , , , ,042 M , , , , ,837 M , , , , ,912 M , , , , ,449 M , , , , ,340 M , , , , ,343 M , , , , ,135 Para a altimetria, como a rede altimétrica estava bem conservada no trecho, foram aproveitados as RNs mais próximas, evitando a necessidade de transporte de altitudes ortométricas por meio do nivelamento geométrico, menos produtivo e financeiramente mais custoso. O levantamento por métodos clássicos, utilizando a Estação Total permite tanto na poligonal fechada como na enquadrada, obterem-se dados de qualidade. A vantagem deste método é a possibilidade de levantamento em ambientes não propícios a 50
16 tecnologia GNSS como áreas com cobertura vegetal ou horizonte limitado para a aquisição dos sinais dos satélites. 4 Considerações finais No entanto, analisando o conjunto do trabalho e os dados obtidos, pode-se concluir que em áreas de boa rastreabilidade do sinal, pode-se obter com qualidade o posicionamento de pontos com os receptores GNSS no modo RTK. Em áreas propícias, a produção com o levantamento no modo RTK foi três vezes maior que utilizando métodos clássicos de levantamento, principalmente pelo motivo da não necessidade de intervisibilidade entre o receptor base e o receptor móvel, fazendo-se ganhar tempo com a instalação e inicialização dos receptores. Observa-se também que as normas brasileiras necessitam definir melhor, e de forma abrangente, as técnicas de levantamentos com GNSS, que podem ser adequadas a cada classe de aplicação ou precisão e explicitar todos os conceitos envolvidos no levantamento, como por exemplo, o ajustamento pelo método dos mínimos quadrados, precisão, nível de confiança e linhas de base independentes. 5 Referências bibliográficas A MIRA: Agrimensura e Cartografia. Santa Catarina: Ed. n. 161, Ano XXI, p. Matéria de Apoio Geodésico, SILVEIRA, L. C. Associada a ANATEC. Disponível em: Acessado no dia 13/08/2012. Disponível Acessado no dia 13/08/2012. Disponível em: Acessado no dia 15/10/2012. FONTANA, Sandro Paulo. GPS: a navegação do futuro. Porto Alegre: Mercado Aberto, p. em: pdf. GEMAEL, Camil. Introdução a Geodésica Geométrica (2 parte). Curitiba: UFPr., [s. 51
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