城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111476896 A(43)申请公布日 2020.07.31

(21)申请号 202010211782.9(22)申请日 2020.03.24

(71)申请人 清华大学

地址 100084 北京市海淀区清华园(72)发明人 李瑞奇　黄弘　赵金龙　

(74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事

务所(普通合伙) 11201

代理人 徐章伟(51)Int.Cl.

G06T 17/10(2006.01)G06Q 50/26(2012.01)

权利要求书1页 说明书7页 附图1页

(54)发明名称

城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法

(57)摘要

本发明公开了一种城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，包括：根据地上建筑物的空间分布和基本属性构建其物理模型；采集地上建筑物的功能信息，结合地上建筑物物理模型确定其功能模型；采集城市人口信息，结合地上建筑物的物理模型和功能模型，构建地上建筑物的人员时空分布模型；根据地上建筑物和地下建筑物的关联信息，结合地上建筑物的物理模型和功能模型及行业规范，构建对应地下建筑物物理模型；根据地上建筑物的物理模型和功能模型、地下建筑物物理模型、人员时空分布模型和行业规范，构建地下建筑物功能模型；对构建地下建筑物的物理模型和功能模型完善和修正。该城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法可以提供城市三维立体信息和人口时空分布数据，为城市风险评估、应急救援提供参考。

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权　利　要　求　书

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1.一种城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在于，包括：采集目标地上建筑物的空间分布信息，采集所述目标地上建筑物的基本属性信息，根据所述目标地上建筑物的空间分布信息和基本属性信息构建所述目标地上建筑物物理模型；

采集所述目标地上建筑物的基本功能信息，结合所述目标地上建筑物物理模型确定目标地上建筑物功能模型；

采集城市人口信息，结合所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能模型，构建所述目标地上建筑物的人员时空分布模型；

根据所述目标地上建筑物和目标地下建筑物的关联信息，结合所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能模型，参考行业规范，构建对应所述目标地下建筑物物理模型；

根据所述目标地上建筑物物理模型、所述目标地上建筑物功能模型、所述目标地下建筑物物理模型、所述人员时空分布模型和行业规范，构建所述目标地下建筑物功能模型；

采集所述目标地下建筑物物理信息和所述目标地下建筑物功能信息，对构建所述目标地下建筑物物理模型和所述目标地下建筑物功能模型进行相应完善和修正。

2.根据权利要求1所述的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在于，还进一步包括：利用已有的地上建筑物的分布信息确定所述目标地上建筑物的分布。

3.根据权利要求2所述的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在于，还进一步包括：通过地图信息、地理信息系统、遥感影像技术和航拍技术的至少之一对所述目标地上建筑物的空间分布信息进行完善。

4.根据权利要求1所述的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在于，还进一步包括：利用已有地上建筑物的结构信息和功能信息确定所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能模型。

5.根据权利要求4所述的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在于，还进一步包括：通过倾斜摄影技术、多角度摄影技术、遥感影像技术和航拍技术的至少之一采集所述目标地上建筑物的基本结构特征和功能属性，补充所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能模型。

6.根据权利1所述的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在与，城市人口信息至少包括人口总数、人口分布和人口流动数据。

7.根据权利要求1所述的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在于，还进一步包括：利用已有局部地下建筑物的结构信息和功能信息完善和修正已构建所述目标地下建筑物物理模型和所述目标地下建筑物功能模型。

8.根据权利要求7所述的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，其特征在于，还进一步包括：通过现场勘探和视频数据获得所述目标地下建筑物数据，修正完善所述目标地上建筑物的物理模型和功能模型及所述目标地下建筑物的物理模型和功能模型。

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城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法

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技术领域

[0001]本发明涉及城市建模的技术领域，尤其是涉及一种城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法。

背景技术

[0002]随着我国城镇化进程的不断发展，城市建设规模朝着大型化、人口密集化及系统复杂化方向发展。为缓解地上空间不足的问题，很多城市建设开始逐渐向地下发展，例如，地下商场、地下停车场、地下交通等越来越普及。地下空间建筑物已经成为城市的重要组成部分。

[0003]但由于城市发展早期，政府和企业并没有充分重视城市地下建筑物的相关信息，使得很多城市的关键地下城建信息缺失。同时，随着一些政府部门的合并和重组，原有地下空间建筑物数据的丢失是目前普遍存在的一种现象。这也是造成目前城市地下空间事故频发的一个主要原因。为了避免类似事故的发生、实现快速的应急救援，打造韧性城市，有必要对城市地上地下空间以及人员的分布进行三维立体空间建模。[0004]在城市三维模型构建方面，借助航拍技术、无人机拍摄技术和地理信息技术等，可以全面展示地上建筑物三维模型，从而可以全面认识城市地上基本结构，为城市地上建筑模型构建提供了基础。

[0005]但是对城市地下空间模型构建方面，由于遥感以及航拍技术，无法拍摄到地下内部的空间结构。目前，城市地下空间建模主要采用现场勘探、视频技术和已有的地下构建筑的相关信息对地下空间进行建模。但由于很难快速获取大范围地下建筑物的具体信息，这使得目前地下空间的建模大都针对的是局部区域，如某煤矿、某段地下管廊等小范围区域。因此，目前很难对整个城市或者大范围内的地下空间进行快速建模。同时，在调研过程中，目前已有的城市模型，很少考虑人员的时空分布，但对于防灾减灾和应急救援，人员生命安全才是救灾中核心的任务。综合可得：目前缺少针对地上和地下空间以及人员时空分布的一体化综合快速建模方法。

发明内容

[0006]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，该城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法可以全面了解和掌握地上地下空间建筑物状况以及人员时空分布情况，为防灾减灾和应急救援提供技术支持。

[0007]根据本发明实施例的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，采集目标地上建筑物的空间分布信息，采集所述目标地上建筑物的基本属性信息，根据所述目标地上建筑物的空间分布信息和基本属性信息构建所述目标地上建筑物物理模型；采集所述目标地上建筑物的基本功能信息，结合所述目标地上建筑物物理模型确定目标地上建筑物功能模型；采集城市人口信息，结合所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能

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模型，构建所述目标地上建筑物的人员时空分布模型；根据所述目标地上建筑物和目标地下建筑物的关联信息，结合所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能模型，参考行业规范，构建对应所述目标地下建筑物物理模型；根据所述目标地上建筑物物理模型、所述目标地上建筑物功能模型、所述目标地下建筑物物理模型、所述人员时空分布模型和行业规范，构建所述目标地下建筑物功能模型。采集所述目标地下建筑物物理信息和所述目标地下建筑物功能信息，对构建所述目标地下建筑物物理模型和所述目标地下建筑物功能模型进行相应完善和修正。

[0008]根据本发明实施例的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，可以同时构建目标地上建筑物物理模型、目标地上建筑物功能模型、目标地下建筑物物理模型、目标地下建筑物功能模型和人员时空分布模型，这样，可以快速全面了解和掌握地上地下空间建筑物状况和人员时空分布情况。在城市重大事故发生后，快速提供城市三维立体信息数据和人口时空分布数据，为城市风险评估、应急救援提供参考。[0009]根据本发明的一些实施例，利用已有的地上建筑物的分布信息确定所述目标地上建筑物的分布。

[0010]进一步可选实施例中，通过地图信息、地理信息系统、遥感影像技术和航拍技术的至少之一对所述目标地上建筑物的空间分布信息进行完善。[0011]根据本发明的一些实施例，利用已有地上建筑物的结构信息和功能信息确定所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能模型。[0012]进一步可选实施例中，通过倾斜摄影技术、多角度摄影技术、遥感影像技术和航拍技术的至少之一采集所述目标地上建筑物的基本结构特征和功能属性，补充所述目标地上建筑物物理模型和所述目标地上建筑物功能模型。[0013]根据本发明的一些实施例，城市人口信息至少包括人口总数、人口分布和人口流动数据。

[0014]根据本发明的一些实施例，利用已有局部地下建筑物的结构信息和功能信息完善和修正已构建所述目标地下建筑物物理模型和所述目标地下建筑物功能模型。[0015]进一步可选实施例中，通过现场勘探和视频数据获得所述目标地下建筑物数据，修正完善所述目标地上建筑物的物理模型和功能模型及所述目标地下建筑物的物理模型和功能模型。

[0016]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明

[0017]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0018]图1是根据本发明的一些实施例的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法的流程图。

具体实施方式

[0019]下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同

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或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0020]下面参考附图1描述根据本发明实施例的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法。

[0021]城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法大概包括以下步骤：构建目标地上建筑物物理模型、构建目标地上建筑物功能模型、构建目标地上人员时空分布模型、构建相关联的目标地下建筑物物理模型和目标地下建筑物功能模型。[0022]在构建目标地上建筑物物理模型的阶段中，首先采集目标地上建筑物的空间分布信息。即掌握待构建地上建筑物的空间分布情况，例如，通过地图信息可确定目标地上建筑物的基本情况，基本情况包括但不限于空间位置、占地大小、目标名称和目标相互关联。其中，地上建筑物可以为房屋、道路、河流、桥梁等。需要说明的是，目标地上建筑物可以为一类或多类，每类目标地上建筑物的数量可以为一个或一个以上。在目标地上建筑物的种类或数量为两个或两个以上的情况，目标地上建筑物之间可以相互关联，也可以为相互独立的。

[0023]接着采集目标地上建筑物的基本属性，根据目标地上建筑物的基本属性构建目标地上建筑物物理模型。其中，“基本属性”包括地上建筑物的高度、占地面积、外观形状及其他几何尺寸。

[0024]在构建目标地上建筑物功能模型阶段，可以采集目标地上建筑物的基本功能信息，结合目标地上建筑物物理模型确定目标地上建筑物功能模型。“基本功能信息”包括但不限于用途、使用范围、使用场合、安全标准和使用规范。[0025]在构建目标地上建筑物的人员时空分布模型中，采集城市人口信息，根据目标地上建筑物物理模型和功能模型构建人员时空分布模型。在具体操作方面，首先根据目标建筑物的基本属性，确定目标建筑物的基本功能，即明确建筑物属于工业场所、住宅小区或者行政办公区域中的哪一类。随后，结合目标建筑物物理模型，分析目标建筑物层数、面积和使用性质。最后，综合考虑当地人口总数及人口密度等，结合相关规范，最终确定不同目标地上建筑物以及不同时刻内的人员密度和人员总数。其中，城市人口信息至少包括总人口数、人口分布和人口流动数据。[0026]相比于传统的人口分布模型主要是预测不同区域的人口密度和人员数量，很少将人员分布与城市三维空间模型进行耦合，无法准确描述建筑物内的人员数量。人员模型嵌入后，可实现动态展示城市不同建筑物内人员密度和分布，将传统人员分布进一步细化，落实到了具体建筑物内，有助于开展高效地应急救援。[0027]在构建地下建筑物物理模型阶段中，根据目标地上建筑物物理模型和目标地上建筑物功能模型、人员时空分布模型、目标地上建筑物和目标地下建筑物相互关联和行业规范来构建相对应的目标地下建筑物物理模型。其中，地下建筑物可以包括：各类管线、地下建筑物、地下交通设施和地下室等。

[0028]由于地下空间使用和开发明显依赖于地上建筑物以及周边构建筑的基本情况，也就是，地下建筑物与地上建筑物是存在紧密联系的。举例而言，根据《城市给水工程规划规范》，目前供水和排水管线的主干线路需要布置在道路两侧，避免相互交叉，同时，地上建筑物信息中包括管线的起点和终点，因此可以构建出城市地下管线的分布网络图。又举例而

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言，根据地上建筑的地铁站点位置及线路信息，可对城市地下地铁隧道进行快速构建，即地铁隧道与地铁口是完全匹配和对应的。换言之，地上建筑物与地下建筑物之间存在相互关联性，因此，在取得地上建筑物物理模型和地上建筑物功能模型的情况下，就可以构建出地下建筑物物理模型。在获得地下建筑物物理模型的情况下，结合局部地下已有地下建筑物的功能信息、现场勘探信息、视频采集信息和相关行业规范等，可以构建出地下建筑物功能模型。例如，我国人防工程中，明确规定了高层中人均防空地下室的面积。[0029]简言之，根据本发明实施例的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法，可以同时构建目标地上建筑物物理模型、目标地上建筑物功能模型、目标地下建筑物物理模型和目标地下建筑物功能模型，这样，可以全面了解和掌握地上地下空间建筑物状况，在城市建设过程中，对地上和地下空间建筑物全面建模可以为城市建设规划者提供决策依据，在出现安全事故时，快速安排救援物资和救援人员，从而减少人员伤亡和财产损失。[0030]在本发明一些实施例中，利用已有的地上建筑物的分布信息确定目标地上建筑物的分布。例如，根据城市地上居民小区分布信息可以确定应急消防站的分布。或者根据河流分布信息可以确定水质监测站的分布。[0031]进一步可选地，通过地理信息系统、地图信息、遥感影像技术和航拍技术的至少之一采集目标地上建筑物空间分布信息。即通过地理信息系统、地图信息、遥感影像技术和航拍技术的至少之一获得城市的地上建筑物的大体空间分布，如占地面积、楼层高度等。可以理解的是，上述仅是示意性的并不是对本发明保护范围的限制，对于地上建筑物的空间分布信息也可以采用其他技术手段，例如，卫星定位系统或者通过电子地图提供的三维街景获取地上建筑物的空间分布信息。[0032]在本发明另一些实施例中，利用已有地上建筑物的结构信息和功能信息确定目标地上建筑物物理模型和目标地上建筑物功能模型。例如，根据《公路保护条例规定》，在高速公路两侧30米之内不能有任何建筑物。在需要构建高速公路的加油站模型时，可以参考高速公路的结构信息和功能信息。[0033]进一步地，在目标地上建筑物的物理模型和功能模型构建过程中，可以通过倾斜摄影技术、多角度摄影技术、遥感影像技术和航拍技术的至少之一采集目标地上建筑物的基本结构和功能属性。也就是，对于目标地上建筑物局部重点部位或者要求精度较高的区域，可采用倾斜摄影或者多角度摄影技术，全方位多角度获取目标地上建筑物的基本信息，包括几何尺寸、建筑物高度以及使用功能等。在目标建筑物基本参数确定后，采用空间建模方法在系统内构建出城市地上各类目标建筑物物理模型。[0034]在本发明的另一些实施例中，利用已有局部地下建筑物的结构信息和功能信息完善和修正已构建目标地下建筑物物理模型和目标地下建筑物功能模型。例如，在构建地下地铁物理模型和功能模型时，可以参考已有的供水管网、燃气管网或者地下室的结构信息和功能信息来完善和修正地铁的物理模型和功能模型。[0035]进一步地，通过现场勘探和视频数据获得目标地下建筑物数据，修正完善目标地上建筑物的物理模型和功能模型及目标地下建筑物的物理模型和功能模型。可以理解的是，获取地下建筑物数据方式并不限于上述方式，例如，还可以通过激光探测等辅助手段。[0036]在本发明的一些实施例中，根据目标地上建筑物的空间分布信息、目标地下建筑物物理模型和目标人员时空分布模型来确定目标地下建筑物的空间分布信息。具体地，在

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构建地下建筑物物理模型过程中，首先可以根据目标地上建筑物的基本属性和功能属性来对地下建筑物进行分类。地下建筑物可以包括：地下室(防空地下室、普通地下室、商用地下室)、各类管线、各类隧道、走廊以及其它地下建筑物。根据目标地上建筑物的空间分布信息、目标地下建筑物物理模型和目标人员时空分布模型，已有局部的地下建筑物物理参数，结合地上地下建筑物相互关联和行业规范确定地下建筑物物理模型。对于无法确定的区域，进一步地，采用现场拍摄和/或视频数据完善地下建筑物的结构信息。即通过地上地下建筑物的相互关联，快速构建城市地上地下建筑物的物理模型，并采用已有城建地下建筑物信息和现场采集数据对目标区域地下模型进行修正和完善。[0037]进一步可选示例中，结合地上建筑物的基本属性、地下建筑物的基本属性、城市人口信息、已有地下建筑物功能信息及行业规范，确定目标地下建筑物功能模型。其中，地下建筑物功能模型主要包括：实现功能、功能参数，如供水管网中流量、水压、水利计算等。结合地上建筑物的基本功能、地下建筑物的基本类型、功能定位以及人口密度及分布，行业规范，即可确定地下建筑物的功能模型。同时，也可充分利用电子地图信息、GIS地理信息数据和现场采集数据，获取已有的地下建筑物功能模型，并与构建功能模型进行对比验证，完善城市地下建筑物功能模型。[0038]相比于传统的城市三维建模而言，本发明实施例的城市三维建模根据地上地下建筑物之间的相互联系，采用已有信息和行业规范，快速构建出地上地下建筑物的空间模型和功能模型，同时将人员时空分布融入到城市三维空间模型中。此外，利用已有城市地下建筑物的物理和功能信息和现场采集信息，对构建的模型就行修正和补充。相比传统的针对局部区域建模，本方法可实现快速高效地对大面积区域进行建模。

[0039]下面以构建城市地下供水管网和城市建筑地下室为例来说明本发明实施例的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法。[0040]在城市地下供水管网构建中，首先，利用高德地图数据或遥感影像数据，但不限于这两种方法，来采集供水公司、对应的用水建筑物和城市道路空间分布信息，从而获得目标地上与供水管网相关的地上建筑物空间分布信息，即在该实施例中，供水公司、用水建筑物(例如居民楼或商用办公楼或行政办公楼)和道路均为目标地上建筑物，也就是说，在城市三维模型构建中，目标地上建筑物可以为相互关联的一类或者多类，每类地上建筑物可以包括一个或多个。[0041]接下来，利用遥感影像数据、航拍技术、倾斜摄影技术、多角度摄影技术等确定用水建筑物的占地面积和高度等基本属性，结合空间分布信息，从而获得目标地上建筑物物理模型。

[0042]接着，采集城市地上建筑物已有的功能信息，同时采用现场勘探和视频拍摄技术，从而获得目标地上建筑物功能模型。例如，采用无人机拍摄的方法确定某用水建筑物为居民住户。

[0043]结合城市地上建筑物的结构属性和功能属性，即可判断城市建筑物内人员的时空分布规律。例如，已确定某住宅小区的总建筑面积和总人口数，结合单个建筑物的结构和使用面积即可确定该单体建筑物的总人数。[0044]以供水公司的供水管线作为起点，用水建筑物的供水管线作为终点，在《城市给水工程规划规范》中规定供水管网布置需要沿着道路两侧，通常情况下不会跨越道路，即可确

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定供水管网的基本分布。综合以上信息即可获得地下供水管网的起点终点和在城市内部的分布，

[0045]根据城市已有的供水管线线路图对构建的供水管网线路图进行修正，对局部重要区域，可采用现场勘探方法进一步完善和修正。[0046]在获得供水管网的线路分布之后，可以结合用水建筑物的基本属性(如用水建筑物的面积和高度等信息)、功能属性(工业生产场所或者居民用水场所等)、人员分布信息和相关行业规范如《建筑给水排水设计规范》等确定地下用水管网的直径、水量和水压等。例如《建筑给水排水设计规范》中，明确规定了住户最小水压，因此，结合建筑物的高度，管径大小、最高用水时段、最高用水量等参数，即可确定通入住户干管的水压，逐级推导，即可确定总管的水压。[0047]最后，利用自来水管网各处节点的监测数据，对构建地下自来水管网的物理模型和功能模型进行相应修正，完善模型和提高模型的准确性。[0048]本发明实施例在构建过程中，主要是利用城市地上地下建筑物的关联性、地下建筑物的相关行业规范，快速构建出城市地下建筑物的物理模型和功能模型，同时采用已有数据或者现场采集数据对模型进行补充和完善。[0049]地上建筑地下室模型构建中，首先确定待构建的城市地上建筑物，采集城市地上建筑物的空间分布信息，根据空间分布信息和城市建设信息构建该城市地上建筑物的物理模型。结合地上地下建筑物的关联性，即可确定城市地下室的空间分布和几何形状。例如，某高层建筑为长方形结构，则对应的地下室为长方形结构，同时地下室位置严格依赖于地上建筑。

[0050]接着根据该城市建筑物的用途类型，参照《建筑设计防火规范GB50016-2014》和《人防地下室设计规范》，确定该城市建筑物的地下空间层数、高度尺寸和面积等，例如，《人防地下室设计规范》中明确规定了人防地下室的最小面积。同时，结合已有的城市地下构筑基础信息，实际现场拍摄、视频数据、建筑BIM数据、地下空间激光扫描数据等现场采集的信息，对地下室的层数和高程进行相应修正，从而构建出该城市建筑物的地下室物理模型。[0051]接着，根据该城市建筑物的物理属性和功能属性和人口分布模型，结合其地下室物理模型，根据《建筑设计防火规范GB50016-2014》、《人防地下室设计规范》、《车库建筑设计规范》等相关规定，构建该城市建筑物的地下室功能模型。例如：对于某商业写字楼，由于《车库建筑设计规范》中规定了写字楼最小停车面积，结合地上建筑物功能，则需要将地下一层和二层设定为地下停车库，根据《建筑设计防火规范GB50016-2014》，需要将地下三层设定为设备用房。[0052]最后，结合城建信息和实际现场拍摄、视频数据等，确定地下空间的具体功能，对城市地下室模型进一步修正。[0053]需要说明的是，上述供水网线和城市建筑物的地下室的构建仅是示意性的，本发明的城市地上地下建筑物与人员全景三维建模方法可以用于其他地上地下建筑物模型的构建。

[0054]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的

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示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。[0055]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

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图1

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