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第 9 卷 第 5 期 2 0 0 7 年 1 0 月 地 球 信 息 科 学 G E O I N F O R M A T I O NS C I E N C E V o l 9 N o 5 O c t 2 0 0 7 收稿日期 2 0 0 7 0 3 1 5 修回日期 2 0 0 7 0 5 1 3 资助项目 8 6 3项目 基于网格的海洋环境数据共享与信息服务技术的研究 9 0 8 0 3 0 1 0 9 作者简介 冯文娟 1 9 8 4 女 汉 山东阳信人 硕士 从事We b G I S学习研究 E m a i l f e n g w j l r e i s a c c n 台风时空过程的网络动态分析技术与示例 冯文娟 1 2 杜云艳 1 苏奋振 1 1中国科学院地理科学与资源研究所 北京1 0 0 1 0 1 2山东科技大学 青岛2 6 6 5 1 0 摘要 网络技术的发展为实时动态地显示时空过程信息和在线分析提供了可能 也为气象海洋等灾害性过程的预 警和防灾决策支持提供了可能 另一方面 随着网络的普及化 公众对G I S时空分析模型的网络实时集成和可视化 表达提出了迫切需求 本文在分析网络G I S最新发展趋势的基础上 针对时空过程的动态特性 探讨了时空过程网 络实时动态查询 分析和可视化的技术方法 并以台风过程为代表 设计了适合网络环境的台风过程数据的有效组 织形式和直观的表达方式 构建了一个台风过程网络系统原型 具备了时空过程查询 可视化 简单的空间分析等 功能 实现了台风过境的时空影响网络在线分析 系统基于A r c G I SS e r v e r在 N E T环境下实现 实践证明本文提出 的时空过程网络动态技术 可快捷地实现时空过程信息的网络发布 过程的在线影响分析及其时空动态可视化 可 为台风 海啸等灾害性过程的信息提供和灾害评价等提供空间技术支持 关键词 时空过程 网络G I S 台风 决策支持 1引言 快速动态地集成多源空间数据及其时空过程 分析模型 并实时进行网络环境下多源空间数据分 析与集成结果的可视化表达 成为网络G I S最新研 究方向 台风运动的网络时空分析的需求恰恰印证 了这一点 从2 0世纪7 0年代开始 我国部分省市 就开展了台风路径统计预报的研究 1 同时伴随着 G I S应用的拓展 采用G I S空间分析手段进行台风 运动的时空动态模拟及其灾害的空间评价等也受 到了海洋G I S应用研究的重视 然而 传统G I S通 常关注的是当前空间分布状况 或有限几个时刻的 空间状态 不涉及时空连续过程 2 随着网络技术的快速发展 网络正在成为空间 信息决策的平台 面对台风及其灾害的预警应用问 题 如何在网络上实时动态的获取台风信息并实现 G I S的时空动态分析显的十分重要 且应用需求也 越来越多 在网络G I S新技术支持下 如何在有人 口 房屋 地形等下垫面信息的情况下 在网络环境 下构建台风运动的时空分析 灾害预警 预报的实 时决策模拟平台 成为海洋领域实现高精度定量预 报及最大限度降低灾害损失的迫切需求 3 本文针 对这方面的需求 基于目前在空间分析模型网络集 成方面最有潜力的E S R I公司所研发的新一代G I S 软件A r c G I SS e r v e r的基础上 探讨在 N E T环境下 如何基于服务器端开发 快速便捷地实现网络环境 下台风路径及影响分析 实时地查询及动态分析 2网络环境下时空过程的动态分析 方法 2 1网络环境下台风时空数据组织与表达 要想实现网络环境下台风及其影响的实时动 态分析 首先需要考虑是如何在网络环境下表达时 空变化特征十分明显的台风现象 而时空数据的表 达从2 0世纪7 0年代以来一直成为G I S时空数据 模型研究的难点和热点之一 时空数据的动态可视 化是空间数据可视化的新阶段 这个阶段的一个关 键问题是以时间为主导的空间数据可视化问题 4 5 目前 一方面缺乏有效的数据模型 另一方面 增加 时间维后数据量剧增 要解决这些问题 除了设计 新的数据模型 还需引入新的时空数据动态可视化 技术 对于时空数据的表达通常是采用动态符号和 动态地图来表示各种地理信息的变化 3 本文的台 风路径动态表达就是采用了这种方式 通常情况下 在桌面版的G I S系统中主要表达 地 球 信 息 科 学2 0 0 7年 的台风信息包括 台风路过的各个点位的位置信息 一般用地理空间坐标X Y表示 台风路过各个 点位的时刻 时间信息 以及在各个点位的台风的 风速 气压 等级和影响半径等诸多属性信息 因 此 一次台风过程 可以由一系列台风路过点位上 的相关属性信息来表达 对于历史上大量的台风信 息 则是通过多个不同的台风信息组合而成 由此 可以看出台风过程具有时空变化速度快 生长和消 亡的变化过程短但台风的强度 风速和风向等属性 特征具有实时变化的特点 这是它区别于其他地理 过程的主要特点 因此要想在网络环境下既能快速 准确提取和可视表达台风运动过程 包括台风在某 个点位的速度和强度 同时又能方便地进行台风影 响的空间信息分析及其灾情评价 这些都为有效地 进行台风时空数据的组织和表达提出了更高的要 求 网络环境下对于实时变更的数据和与相对固 定的背景数据 所采用的处理操作各不相同 对于 经常变更的数据 由于需要经常进行读取和更新操 作 所以要控制数据量 而对于相对固定的数据 数 据量往往很大 但是鉴于其相对稳定的特点 可以 采用一些缓存的技术 来提高数据加载显示的速 度 由于台风自身数据是动态变化且需要实时动态 地进行网络显示 而用于台风灾害的背景数据则相 对比较稳定 变化较小 因此 具体实施时 对台风 数据编号 分别存入以该次台风代号为名称的表 中 存放到台风数据库 而作为分析用的空间基础 数据则放在背景数据库中 更新数据时只需要对每 个小的台风数据表文件进行操作 以提高数据更新 和查询的效率 由于数据更新快 新采集的数据一般都以数据 表的形式直接加入到数据库中 所以在客户端请求 时 一些可视化的效果需要在服务器端实时的生 成 而不能是提前把效果做好 这就对网络的速度 以及算法的效率都有一个很高的要求 而通常一些 网站的做法是 将数据提前在本机处理好 做成图 片 然后在网络上发布 这样虽然可以保证服务器 的处理速度 但是却失去了实时的意义 2 2基于A r c G I SS e r v e r的台风及其影响的网络分 析方法 明确了网络环境下台风现象的时空数据组织 和表达之后 另一关键技术是如何在网络环境下集 成G I S的时空分析模型 进行台风运动及其影响的 实时动态模拟 随着单机G I S向网络G I S的过渡 尤其是各种网络技术 如D C O M A c t i v e X A P I以及 We b服务和网格技术等 的快速发展 在基于B S 结构的网络G I S中实现G I S的时空分析功能成为 了可能 网络G I S也从最初的空间数据网络共享的 目标逐步扩展到空间数据及其高级分析功能的共 享 6 但由于网络技术的多样性 网络环境下集成 G I S的高级分析功能的模式也各不相同 有基于 D C O M和A P I技术的解决思路 7 8 该思路随着现有 G I S软件组件化水平的提高 已经成为网络G I S中 最现实的一种模式 如E S R I公司从A R C G I S9 0起 推出的A R C G I SS e r v e r 就是基于该模式给出一套 完整的网络G I S高级应用解决方案 此外 We b服 务和网格技术的发展及技术标准的统一 也为网络 G I S的高级应用提供了另外的解决思路 目前的发 展 这两种解决思路很多时候是相互集成 相互补 充的 具体到台风运行的网络实时动态分析和模拟 必然涉及到网络环境下G I S的多种分析模型的集 成 如缓冲区分析 叠合分析 时空模拟分析等 而 由于A r c G I SS e r v e r包含了一个可以共享的G I S软 件对象库 A r c O b j e c t s 简称A O 其中涵盖了目前 G I S软件中大部分的分析功能模块 且能在企业和 We b计算框架中建立以服务器为中心 集中式管理 并以网络为核心支持多用户的G I S应用 因此 可 以考虑基于A r c G I SS e r v e r实现台风运动的快速网 络数据集成和模拟分析 1 A r c G I SS e r v e r体系结构分析 A r c G I SS e r v e r是一个分布式系统 由客户端 We b服务器和G I SS e r v e r三部分组成 各组成部分 可以分别部署在不同的机器上 其中G I SS e r v e r是 宿主和运行服务器对象 是管理和提供G I S资源服 务的软件对象 一种粗粒度的A O组件 的服务器 由一个服务器对象管理器 S e r v e r O b j e c t M a n a g e r 简称S O M 和一个或多个服务器对象容器 S e r v e r O b j e c t C o n t a i n e r 组成 We b服务器是宿主基于A r c G I SS e r v e r A P I构建的We b应用和We b S e r v i c e 通 过A r c G I SS e r v e r A P I连接到S O M 从而使用服务 器对象 并为更具体的应用创建其他A O 而客户端 包括We b浏览器或A r c G I S桌面系统 通过浏览器 连接运行于We b服务器上的We b应用或We b服 务 这种从客户端到We b服务器再到G I S服务器 5 8 5期冯文娟 等 台风时空过程的网络动态分析技术与示例 的三层体系结构 9 1 0 并且G I S服务器端提供的对 A r c G I S软件家族基础 A O组件的有效组织和 管理 从而确保了A r c G I SS e r v e r能够在网络环境下 实现一些G I S的高级分析能力 本研究中 在A r c G I SS e r v e r所提供的A O组件基础上 结合台风运 动的特点及时空分析的需求 构建台风运动的实时 模拟平台 图1基于A r c G I SS e r v e r的台风运动及其影响 网络模拟系统结构图 F i g 1T y p h o o nm o t i o na n di n f l u e n c e a n a l y s i s w e bs i m u l a t i o n s y s t e ma r c h i t e c t u r e b a s e do nA r c G I SS e r v e r 2 基于A r c G I SS e r v e r的台风及其影响的网络 模拟系统框架 为实现台风运动信息的实时共享和台风影响及 其灾害决策的快速 准确方便地执行 台风及其影 响的网络模拟系统采用B S结构 系统架构见图1 由图可知 系统包括客户端和服务器端 客户端只需 安装浏览器即可 服务器端主要包括We b服务器 和G I SS e r v e r服务器两部分 We b服务器负责与客 户端的会话 A r c G I SS e r v e r服务器负责提供台风运 动及其影响的时空分析功能 We b服务器与A r c G I SS e r v e r服务器之间采用D C O M技术实现远程 调用 1 1 网络用户在客户端通过浏览器将有关台风 运动的信息查询及分析需求发送给We b服务器 通过此服务器上的A r c O b j e c t代理 连接到A r c G I S S e r v e r服务器 按照用户发送的请求 调用G I S S e r v e r上运行的与台风运动及其影响分析有关的 A O组件 如调用缓冲区生成组件 并从系统的背 景数据库和台风运动数据中提取相应地多源数据 进行分析处理 最后将结果以图形和属性信息的方 式返回给客户端浏览器 A r c G I SS e r v e r为简化开发人员的工作 提供面 向 N e t和J a v a的We b控件以及应用开发框架 A p p l i c a t i o nD e v e l o p m e n t F r a m e w o r k A D F 远程调用 A O对象与调用本地对象类似 对于开发人员来说 与单机版或者C S结构的A O开发基本相似 但是 需要注意的是 对于G I SS e r v e r和We b应用分布式 部署的A r c G I SS e r v e r系统 由于We b应用的机子 只是装了A D F的运行包 只有A O的代理 而没有 A O本身 所以不能用N e w关键字来创建本地A O 而需要用服务器上下文 S e r v e r C o n t e x t 统一创建 管理和操作新对象 3应用案例分析 台风路径及其影响的网络模拟系统的功能主 要包括 台风运动的信息实时查询和动态分析两个 方面 其中前者是指用户通过网络获取最新的台风 路径信息 包括台风运动路径 经过某点位的时间 风速 强度等相关信息 同时也可以查询历史台风 信息 让更多用户了解和掌握已往的台风信息 后 者是指可以在网络环境下实现台风的时空影响范 围 以及在线分析台风引起的灾害的预警和预报及 空间评价等 为决策者及时做出防护措施提供技术 支持 该系统构建的长远目标是通过网络G I S的技 术提高台风灾害的信息化监测程度 从而提高台风 引起的相关灾害 如风暴潮 水灾等 的预报和防御 能力 下面以福建地区的台风运动及其影响为例 对 台风及其影响的网络模拟系统的设计与实现作了 分析 系统是在 N E T环境下 对A r c G I SS e r v e r服务 器端的功能开发实现的 1 台风运动的动态显示具体实现 对于台风运动的动态显示 具体编程实现时 首先读取台风数据库中台风信息表文件 获取台风 路过各点位的空间坐标 然后在G I SS e r v e r端调用 空间点生成对象实现台风路径的实时点位生成 最 后通过We b服务器在客户端以流媒体的方式显示 实时生成的台风路径 具体实现步骤如下 根据用户选择的台风代号 打开相应台风 信息表文件 1 2 Web AO ArcGIS Server c o n n C o n n e c t i o n S t r i n g P r o v i d e r M i c r o s o f t J e t O L E D B 4 0 D a t a S o u r c e S e r v e r M a p P a t h T y p h o o n D a t a m d b c o n n O p e n O l e D b C o m m a n dc o m m n e wO l e D b C o m m a n d s e l e c t f r o m t a b l e t n a m e c o n n O l e D b D a t a A d a p t e r d a n e wO l e D b D a t a A d a p t e r d a S e l e c t C o m m a n d c o m m D a t a S e t d s n e wD a t a S e t d a F i l l d s t a b l e t n a m e 用数组保存读取的坐标值 利用A O组件在 线生成台风途径的空间点 并在地图中以一定颜色 和符号显示 p o i n t 1 s e r v e r C o n t e x t C r e a t e O b j e c t e s r i G e o m e t r y P o i n t a s I P o i n t p o i n t 1 P u t C o o r d s X 0 Y 0 p o i n t 1 P r o j e c t m a p D e s c r i p t i o n S p a t i a l R e f e r e n c e I G r a p h i c E l e m e n t s r a p h i c E l e m e n t s s e r v e r C o n t e x t C r e a t e O b j e c t e s r i C a r t o G r a p h i c E l e m e n t s a s I G r a p h i c E l e m e n t s I R g b C o l o rr g b C o l o r C o n v e r t e r T o R G B C o l o r s e r v e r C o n t e x t S y s t e m D r a w i n g C o l o r R e d I S i m p l e M a r k e r S y m b o ls i m p l e M a r k e r S y m b o l s e r v e r C o n t e x t C r e a t e O b j e c t e s r i D i s p l a yi m p l e M a r k e r S y m b o l a s I S i m p l e M a r k e r S y m b o l s i m p l e M a r k e r S y m b o l C o l o r r g b C o l o r s i m p l e M a r k e r S y m b o l S t y l e e s r i S i m p l e M a r k e r S t y l e e s r i S M S C i r c l e I M a r k e r E l e m e n tm a r k e r E l e m e n t S e r v e r C o n t e x t C r e a t e O b j e c t e s r i C a r t o M a r k e r e l e m e n t a s I M a r k e r E l e m e n t m a r k e r E l e m e n t S y m b o l s i m p l e M a r k e r S y m b o l I E l e m e n t p E l e m e n t m a r k e r E l e m e n t a s I E l e m e n t p E l e m e n t G e o m e t r y p o i n t 1 循环将所有点通过以上方法生成并显示在 地图中 系统可以通过不同的颜色和符号来表示该 点处台风的等级以及台风的运移方向 图2影响范围分析示例 F i g 2I n f l u e n c e r a n g e a n a l y s i s 6 0 5期冯文娟 等 台风时空过程的网络动态分析技术与示例 2 台风影响的动态分析 台风影响的动态分析涉及到A r c G I SS e r v e r中 的缓冲区动态生成 叠置分析等 具体实现时可以 将A r c G I SS e r v e r已有的B u f f e r c s文件添加到本项 目文件中 然后在程序中调用 生成缓冲区方法 B u f f e r c r e a t e B u f f e r s n e wB u f f e r I G r a p h i c E l e m e n t s g r a p h i c B u f f e r E l e m e n t s I G e o m e t r y b u f f e r s G e o m e t r y c r e a t e B u f f e r s C r e a t e B u f f e r s w e b M a p b u f f e r L a y e r I D f i d S e t 2 u n i t s d i s t a n c e d r a w B u f f e r s o u t g r a p h i c B u f f e r E l e m e n t s 利用生成的b u f f e r叠加查询缓冲区内部的 要素 然后将要素在D a t a g r i d中列出 I F I D S e t f i d S e t m a p S e r v e r Q u e r y F e a t u r e I D s m a p D e s c r i p t i o n N a m e f i n d L a y e r I D f i n d Q u e r y F i l t e r 依次将该方法所需要的参数正确地传进来 就 可以实现台风影响分析 通过上面的具体实现方法 本文针对中国福建 省及其邻近海域的台风运动建立了福建地区台风 运动及其影响的网络在线分析原型系统 以简单的 缓冲区分析为例 分析了具体的实现过程 进入该 系统后 点击台风影响分析 系统运行界面如图2 所示 图中右侧为地图显示窗口 左上列表为福建 省背景数据列表窗口 展示出了该系统中所涉及到 的福建省的全部空间数据图层 左下方是功能选择 区 包括台风信息的选择 查询 台风的实时动态影 响分析等 在地图窗口下方有框选项 这是在进行 台风的实时动态影响分析时 需要选择的两个分析 参数 后面的 是否显示缓冲区 的选择框 是用来 控制在进行影响范围分析时是否同时将生成的缓 冲区在图中显示 地图窗口右侧是进行分析后 位 于影响范围内的要素列表和属性信息列表 地图窗 口下方显示该次台风路径的详细信息 1 台风路径的动态显示 台风路径的动态显 示是指根据时间的变化实时动态地显示台风运动 的轨迹 该功能不仅是能够对当前正在进行的台风 过程进行实时轨迹显示 同时也可以是对历史上任 意台风的运动轨迹进行回放 实现时主要通过选择台风代号 并在网络浏览 器的地图窗口显示出该次台风的运动轨迹 由于有 关台风运动的数据都是以表格的方式存储在数据 库文件中 因此通过动态读取表文件中的台风途径 点位的位置信息即可生成台风运动轨迹 如图3 以 2 0 0 6年的某次台风为例给出了它的运行轨迹 2 台风信息的查询和检索 台风信息的查询 和检索是指通过任意条件实现台风详细信息的查 询显示 既可以实现某次台风信息的详细查询 也 可以实现空间上任意范围内的历史上多次台风信 息的查询和检索 具体实现时给出任意的选择条件 选择 路径 图3台风路径详细信息查询示例 F i g 3D e t a i l e di n f o r m a t i o no f t y p h o o nr o u t e q u e r y i n g 6 1 地 球 信 息 科 学2 0 0 7年 详细信息 按钮 在地图窗口下方显示满足条件的 台风的具体信息 该功能实现比较简单 将表格控 件与数据表绑定 按各种选择条件进行显示即可 如图3所示 3 台风影响的实时动态分析 主要是通过网 络上实时集成G I S的时空分析模型 研究任意台风 的时空影响范围 及其灾情的实时评估 实现时 首先根据灾情分析的需要从背景数据 库中选择相应的空间数据图层 而后结合台风时空 运动特点选择用于台风实时动态分析的模型 在 A r c G I Ss e r v e r框架下集成这些模型 实现网络上的 实时动态分析 本功能中涉及的主要分析模型有动 态缓冲区生成 实时叠合分析和数据的实时查询与 检索等 图2给出了2 0 0 6年的2 3号台风对福建省 浅海养殖区影响的实时分析 由图2可知 该次台 风登陆后 福建省前安浅海养殖区受到了极大的影 响 影响范围内共有1 4个浅海养殖区受到了台风 的威胁 采取了积极的防护措施 4结语 本文针对网络环境下台风运动及其影响的实 时动态分析需求这一典型事例 以及网络G I S中时 空分析模型的动态集成和可视化的需求 在分析 A r c G I SS e r v e r 9 0体系结构的基础上 以福建省及 其邻近海域的台风运动为例 采用 N e t A r c G I S S e r v e实现了台风运动及其影响的网络分析系统构 建 该方法实现简单 对客户端要求低 是一种典型 的瘦客户端的B S结构 有利于台风运动的实时动 态分析并利于应急决策人员实时获取台风运动当 前状态 为灾害的预警和防治提供专题性的建设意 见 该原型系统也可以为其他类似的地理现象如海 啸 流域污染等灾害性过程信息提供参考和技术支 持 由于该类系统中所涉及到的地理数据量比较庞 大 当前的网络带宽下在服务器端实现复杂的G I S 时空分析能力会影响服务的效率 但随着网络带宽 的不断提高 该弊端就会减弱 这种方式将会越来 越多的用于G I S的网络服务 参考文献 1 金一鸣 钟元 台风路径统计预报的改进 热带气象学 报 1 9 9 7 1 3 2 1 2 5 1 3 0 2 苏奋振 周成虎 过程地理信息系统框架基础与原型构 建 地理研究 2 0 0 6 2 5 3 4 7 7 4 8 3 3 陈述彭 台风防灾减灾信息系统 地球信息科学 2 0 0 6 8 4 1 3 4 杨平 唐新明 翟亮 等 基于时空数据库的动态可视 化研究 测绘科学 2 0 0 6 3 1 3 1 1 1 1 1 3 5 苏奋振 杜云艳 裴相斌 等 中国数字海洋构建基准与关 键技术 地球信息科学 2 0 0 6 8 1 1 2 1 5 6 张书亮 闾国年 李秀梅 等编著 网络地理信息系统 北 京 科学出版社 2 0 0 5 1 1 2 3 7 邓淑明 胡思仁 曾 杉 地理信息网络服务与应用 北 京 科学出版社 2 0 0 4 2 0 3 1 8 孟令奎 史文中 张鹏林 网络地理信息系统原理与技术 北京 科学出版社 2 0 0 5 5 1 6 4 9 E S R I开 发 帮 助 文 件S e r v e r D e v e l o p e r s G u i d e p d f 1 0 6 1 1 5 1 0 张 强 丰江帆 闾国年 等 环境应急监测最短路径分析 系统的开发与实现 环境监测管理与技术 2 0 0 6 1 8 3 3 5 3 8 1 1 黄丙湖 张宏 基于A r c X M L的We b G I S构架设计与应 用分析 地球信息科学 2 0 0 6 8 1 4 5 4 9 D y n a mi c N e t w o r kA n a l y z i n gT e c h n o l o g yo f T y p h o o nS p a t i o t e mp o r a l P r o c e s s a n dI l l u s t r a t i o nR e s e a r c h i n g F E N GWe n j u a n 1 2 D UY u n y a n 1 S UF e n z h e n 1 1I n s t i t u t e o f G e o g r a p h i c S c i e n c e s a n dN a t u r a l R e s o u r c e s R e s e a r c h C A S B e i j i n g 1 0 0 1 0 1 C h i n a 2S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0 C h i n a A b s t r a c t T h er a p i dd e v e l o p m e n t o f w e bt e c h n o l o g yp r o v i d e dp o s s i b i l i t yf o r s u p p o r t i n gs p a t i o t e m p o r a l p r o c e s s 6 2 5期冯文娟 等 台风时空过程的网络动态分析技术与示例 i n f o r m a t i o na n da n a l y z i n gt i m e l yo nl i n e a n da sap o w e r f u l t o o l i t c a na l s op r o v i d es u p p o r t f o rf o r e c a s t i n g m e t e o r o l o g i c a l o c e a nd i s a s t e r p r o c e s s A n do nt h e o t h e r h a n d w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o no f We b G I St e c h n o l o g y t h e w e br e a l t i m e i n t e g r a t i o na n dv i s u a l e x p r e s s i o no f G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o nS y s t e m G I S s p a t i o t e m p o r a l a n a l y s i s m o d e l a r ea l s or e q u i r e du r g e n t l yb yp e o p l e I t i sn e c e s s a r yt ob u i l dan e wk i n do f m o d e l o rm e t h o do f G I S a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h el a t e s tWe b G I St e c h n o l o g y t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h em e t h o do f q u e r y i n g a n a l y z i n ga n dv i s u a l i z i n gt h es p a t i o t e m p o r a l p r o c e s sd y n a m i c a l l yo nl i

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