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In the new epoch of Anthropocene, global freshwater resources are experiencing extensive degradation from a multitude of stressors. Consequently, freshwater ecosystems are threatened by a considerable loss of biodiversity as well as substantial decrease in adequate and secured freshwater supply for human usage, not only on local scales, but also on regional to global scales. Large scale assessments of human and ecological impacts of freshwater degradation enable an integrated freshwater management as well as complement small scale approaches. Geographic information systems (GIS) and spatial statistics (SS) have shown considerable potential in ecological and ecotoxicological research to quantify stressor impacts on humans and ecological entitles, and disentangle the relationships between drivers and ecological entities on large scales through an integrated spatial-ecological approach. However, integration of GIS and SS with ecological and ecotoxicological models are scarce and hence the large scale spatial picture of the extent and magnitude of freshwater stressors as well as their human and ecological impacts is still opaque. This Ph.D. thesis contributes novel GIS and SS tools as well as adapts and advances available spatial models and integrates them with ecological models to enable large scale human and ecological impacts identification from freshwater degradation. The main aim was to identify and quantify the effects of stressors, i.e climate change and trace metals, on the freshwater assemblage structure and trait composition, and human health, respectively, on large scales, i.e. European and Asian freshwater networks. The thesis starts with an introduction to the conceptual framework and objectives (chapter 1). It proceeds with outlining two novel open-source algorithms for quantification of the magnitude and effects of catchment scale stressors (chapter 2). The algorithms, i.e. jointly called ATRIC, automatically select an accumulation threshold for stream network extraction from digital elevation models (DEM) by assuring the highest concordance between DEM-derived and traditionally mapped stream networks. Moreover, they delineate catchments and upstream riparian corridors for given stream sampling points after snapping them to the DEM-derived stream network. ATRIC showed similar or better performance than the available comparable algorithms, and is capable of processing large scale datasets. It enables an integrated and transboundary management of freshwater resources by quantifying the magnitude of effects of catchment scale stressors. Spatially shifting temporal points (SSTP), outlined in chapter 3, estimates pooled within-time series (PTS) variograms by spatializing temporal data points and shifting them. Data were pooled by ensuring consistency of spatial structure and temporal stationarity within a time series, while pooling sufficient number of data points and increasing data density for a reliable variogram estimation. SSTP estimated PTS variograms showed higher precision than the available method. The method enables regional scale stressors quantification by filling spatial data gaps integrating temporal information in data scarce regions. In chapter 4, responses of the assumed climate-associated traits from six grouping features to 35 bioclimatic indices for five insect orders were compared, their potential for changing distribution pattern under future climate change was evaluated and the most influential climatic aspects were identified (chapter 4). Traits of temperature preference grouping feature and the insect order Ephemeroptera exhibited the strongest response to climate as well as the highest potential for changing distribution pattern, while seasonal radiation and moisture were the most influential climatic aspects that may drive a change in insect distribution pattern. The results contribute to the trait based freshwater monitoring and change prediction. In chapter 5, the concentrations of 10 trace metals in the drinking water sources were predicted and were compared with guideline values. In more than 53% of the total area of Pakistan, inhabited by more than 74 million people, the drinking water was predicted to be at risk from multiple trace metal contamination. The results inform freshwater management by identifying potential hot spots. The last chapter (6) synthesizes the results and provides a comprehensive discussion on the four studies and on their relevance for freshwater resources conservation and management.
Synthetische Nanopartikel sind neuartige Schadstoffe. Aufgrund ihrer häufigeren Anwendung wird sich ihre Konzentration in der Umwelt in Zukunft voraussichtlich stark erhöhen. Die Untersuchung des Schicksals von synthetischen Kolloiden in der Umwelt erweist sich als schwierig, bedingt durch deren mögliche komplexe Wechselwirkungen mit den Bestandteilen aquatischer Systeme. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Lösungschemie. Insbesondere die Wechselwirkungen mit gelösten organischen Stoffen (DOM) sind bisher wenig verstanden.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, angepasste analytische Methoden zu entwickeln, um die Effekte von DOM auf das Schicksal synthetische Kolloide in der Umwelt zu untersuchen.rnEine Literaturrecherche über die Wechselwirkungen den DOM mit anorganischen Kolloiden hat ergeben, dass es einen Mangel an systematischen Charakterisierungen von Kolloiden und DOM in den meisten Studien gibt, obwohl diese wesentlich wäre. Des Weiteren wäre die Erforschung der Fraktionierung von DOM auf Kolloiden bedeutend sowie die Untersuchungen der Effekte von DOM auf die dynamische Struktur von Agglomeraten. Für die Charakterisierung von niedrigkonzentrierten Agglomeraten in Umweltmedien werden passende analytische Techniken benötigt. Solche Techniken müssen genau, spezifisch, artefaktfrei (minimale Probenvorbereitung) und matrixunabhängig bei niedrigen Konzentrationen sein. Keine der üblichen Methoden (Mikroskopie, Lichtstreuungsmethode, Trenntechnicken) erfüllt alle diese Voraussetzungen. Jedoch stellt die Hydrodynamische Chromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (HDC-ICP-MS) einen vielversprechenden Kompromiss dar. Mit dieser Methode kann die Größe von anorganischen Partikeln in komplexen Medien und in Konzentrationsbereichen unter ppb elementspezifisch gemessen werden. Allerdings wurden die Begrenzungen der Methode nicht systematisch untersucht.
Während dieser Doktorarbeit wurde das Potenzial dieser Methode weiter untersucht. Der einfache Trennmechanismus ermöglicht einen großen Spielraum für die Elutionsparameter und eine universelle Kalibrierung kann für Partikel mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlicher Oberflächenchemie angewendet werden. Eine schwache Auflösung der Partikelgröße sowie die Effekte der Partikelform auf den Retentionsfaktor stellen die wichtigsten Begrenzungen der Methode dar.rnDie Anwendung von HDC gekoppelt mit Einzelpartikel ICP-MS (HDC-SP-ICP-MS) bietet neue Möglichkeiten für die Partikelformerkennung und die Differenzierung zwischen primären Partikeln und Homoagglomeraten. Diese Kopplungstechnik ist deswegen hochattraktiv, um Effekte von DOM auf der Stabilität von Kolloiden zu untersuchen. Die Vielseitigkeit der HDC-ICP-MS konnte durch verschiedene erfolgreiche Anwendungen hervorgehoben werden. Insbesondere wurde sie genutzt, um die Stabilität von zitrat-stabilisierte Silberkolloiden in synthetischem Flusswasser unter Anwesenheit verschiedener Typen DOM zu untersuchen. Diese Partikel waren mehr als eine Stunde stabil unabhängig von pH und vom Typ der DOM. Dieses Ergebnis deckt sich mit den Ergebnissen einer parallel publizierten Studie über die Stabilität von Silberkolloiden in Rheinwasser. Die direkte Untersuchung von DOM-Adsorption auf Kolloiden war mit UV- und Fluoreszenzdetektoren nicht möglich. Vorversuche wiesen darauf hin, dass die fluoreszierenden Huminsaüremoleküle auf Silberkolloiden nicht adsorbieren. Lösungen für die verbleibenden Schwierigkeiten in der Analyse der Wechselwirkungen der DOM werden vorgeschlagen und die vielfältigen Entwicklungs- und Anwendungserspektiven von HDC-(SP)-ICP-MS in den Umweltwissenschaften werden im Detail diskutiert.
In Europa ist die moderne Landwirtschaft eine der häufigsten Formen der Landnutzung, allerdings wird sie auch mit negativen Auswirkungen auf die Biodiversität in Agrarlandschaften in Verbindung gebracht. Lepidoptera (Nacht- und Tagfalter) bilden eine artenreiche Gruppe in Agrarsystemen, doch die Populationen vieler Falterarten sind rückläufig. Zu den Zielen der vorliegenden Arbeit gehörte es, Feldsäume in Agrarlandschaften zu erfassen und zu charakterisieren, Effekte realistischer Eintragsraten von Agrarchemikalien (Dünger und Pestizide) in Feldsäumen auf Lepidoptera zu untersuchen und Informationen zu den Bestäubungsleistungen von Nachtfaltern zu sammeln.
Feldsäume sind zwar häufige semi-natürliche Habitatelemente in Agrarökosystemen, aber es gibt nur wenige Informationen über ihre Struktur, Größe und Breite. Daher wurden Feldsäume in zwei deutschen Agrarlandschaften (je 4.000 ha) erfasst und es zeigte sich, dass ein Großteil dieser Säume schmaler als 3 m war (Rheinland-Pfalz: 85% der Feldsaumlänge, Brandenburg: 45% der Feldsaumlänge). In Deutschland müssen Landwirte bei solchen schmalen Feldsäumen keine Maßnahmen zur Verminderung von Pestizideinträgen (z.B. Pufferzonen) umsetzen. Agrarchemikalien werden deshalb insbesondere durch Überspritzung und Abdrift in schmale Feldsäume eingetragen. In solchen schmalen Feldsäumen konnten zwar Raupen nachgewiesen werden, doch ihre mittlere Abundanz war um 35 – 60% niedriger als auf Vergleichsflächen (Wiesen). Im Rahmen eines Feldversuchs sowie in Laborexperimenten zeigte sich, dass Raupen sensitiv auf Insektizideinträge (Pyrethroid, Lambda-Cyhalothrin) regieren. Zudem wurden auf insektizid-behandelten Silene latifolia Pflanzen 40% weniger Eier von Hadena bicruris Faltern gefunden als auf unbehandelten Kontrollpflanzen und die Blüten der behandelten Pflanzen wurden seltener von Nachtfaltern bestäubt. Lepidoptera können neben Insektizid- auch von Herbizideinträgen beeinflussen werden. Ranunculus acris L. Pflanzen wurden mit subletalen Raten eines Sulfonylurea-Herbizids behandelt und dann als Futterpflanzen für Mamestra brassicae L. Raupen genutzt; dies führte zu signifikant geringeren Raupengewichten, einer verlängerten Zeit bis zur Verpuppung und einer verlängerten Gesamtentwicklungsdauer verglichen mit Raupen, die an Kontrollpflanzen fraßen. Ursachen hierfür waren möglicherweise ein geringerer Nährwert oder eine höhere Konzentration von Abwehrstoffen in den herbizid-behandelten Pflanzen. Düngereinträge führten zu einer geringfügigen Erhöhung der Raupenabundanz in dem Feldversuch. Langfristig reduziert Dünger jedoch die Pflanzenvielfalt und dadurch wahrscheinlich auch die Raupendiversität.
Nachtfalter wie Noctuidae und Sphingidae sind Bestäuber für zahlreiche Pflanzenarten, z.B. viele Orchidaceae und Caryophyllaceae. Obwohl sie in den Agrarökosystemen der gemäßigten Breiten wahrscheinlich keine bedeutenden Bestäuber für Kulturpflanzen sind, können Nachtfalter aber für die Bestäubung der Wildpflanzen in semi-natürlichen Habitaten von Relevanz sein. Dabei wird die Rolle der Nachtfalter als Bestäuber zurzeit vermutlich unterschätzt und es werden Langzeitstudien benötigt, um die zeitlichen Schwankungen in ihrer Abundanz und Artenzusammensetzung berücksichtigen zu können.
Lepidopteren bilden eine artenreiche Organismengruppe in Agrarlandschaften, die auch wesentliche Ökosystem-Dienstleistungen erfüllen. Um Nacht- und Tagfalter besser zu schützen, sollten Einträge von Agrarchemikalien in (schmale) Feldsaumhabitate reduziert werden, beispielsweise durch Maßnahmen zur Risikominderung von Pestiziden und Agrarumweltprogramme.
Terrainklassifikation mit Markov Zufallsfeldern für autonome Roboter in unstrukturiertem Terrain
(2015)
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Terrainklassifikation im unstrukturierten Außengelände. Die Terrainklassifikation umfasst dabei das Erkennen von Hindernissen und flachen Bereichen mit der einhergehenden Analyse der Bodenoberfläche. Ein 3D Laser-Entfernungsmesser wurde als primärer Sensor verwendet, um das Umfeld des Roboters zu vermessen. Zunächst wird eine Gitterstruktur zur Reduktion der Daten eingeführt. Diese Datenrepräsentation ermöglicht die Integration mehrerer Sensoren, z.B. Kameras für Farb- und Texturinformationen oder weitere Laser-Entfernungsmesser, um die Datendichte zu erhöhen. Anschließend werden für alle Terrainzellen des Gitters Merkmale berechnet. Die Klassifikation erfolgt mithilfe eines Markov Zufallsfeldes für Kontextsensitivität um Sensorrauschen und variierender Datendichte entgegenzuwirken. Ein Gibbs-Sampling Ansatz wird zur Optimierung eingesetzt und auf der CPU sowie der auf GPU parallelisiert um Ergebnisse in Echtzeit zu berechnen. Weiterhin werden dynamische Hindernisse unter Verwendung verschiedener State-of-the-Art Techniken erkannt und über die Zeit verfolgt. Die berechneten Informationen, wohin sich andere Verkehrsteilnehmer bewegen und in Zukunft hinbewegen könnten, werden verwendet, um Rückschlüsse auf Bodenoberflächen zu ziehen die teilweise oder vollständig unsichtbar für die Sensoren sind. Die Algorithmen wurden auf unterschiedlichen autonomen Roboter-Plattformen getestet und eine Evaluation gegen von Menschen annotierte Grundwahrheiten von Karten aus mehreren Millionen Messungen wird präsentiert. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Terrainklassifikation hat sich in allen Anwendungsbereichen bewährt und neue Erkenntnisse geliefert. Kombiniert mit einem Pfadplanungsalgorithmus ermöglicht die Terrainklassifikation die vollständige Autonomie für radgetriebene Roboter in natürlichem Außengelände.
Unstrukturierte Textdokumente enthalten viele Informationen, die heutzutage mit automatisierten Methoden extrahiert werden können. In dieser Arbeit wird ein Framework entwickelt, mit dessen Hilfe ein Evaluationsschema zur Evaluation von Textverarbeitungstools erarbeitet wird. Das Evaluationsschema basiert auf der Modelabhängigen Softwarevaluation und der modelabhängige Teil basiert auf dem Verarbeitungsprozess, der von dem Conceptual Analysis Process abgeleitet ist. Der Conceptual Analysis Process ist im Rahmen des GLODERS Projektes entwickelt wurden. GLODERS ist ein EU-Projekt mit dem Fokus, ein IKT Modell zu entwickeln, welches helfen soll, Extortion Racket Systems besser zu verstehen. Im Rahmes des GLODERS Projektes wurden Gerichtsdokumente eines Falles in Deutschland zu Verfügungrngestellt, die in dieser Arbeit die Datengrundlage stellen. Zum Schutz involvierter Personen sind die Daten anonymisiert. Mit dem entwickelten Schema werden dann sechs verschiedene Softwarelösungen in Bezug auf die automatisierte Verarbeitungrnvon unstrukturierten Textdokumenten evaluiert.
Proceedings of the 9th Open German-Russian Workshop on Pattern Recognition and Image Understanding
(2015)
The Proceedings of the 9th Open German-Russian Workshop on Pattern Recognition and Image Understanding include publications (extended abstracts), that cover but are not limited to the following topics: - Mathematical Theory of Pattern Recognition, Image and Speech Processing, Analysis, Recognition and Understanding. - Cognitive Technologies, Information Technologies, Automated Systems and Software for Pattern Recognition, Image, Speech and Signal Processing, Analysis and Understanding - Databases, Knowledge Bases, and Linguistic Tools - Special-Purpose Architectures, Software and Hardware Tools - Vision and Sensor Data Interpretation for Robotics - Industrial, Medical, Multimedia and Other Applications - Algorithms, Software, Automated Systems and Information Technologies in Bioinformatics and Medical Informatics. The workshop took place from December 1st-5th, 2014, at the University of Koblenz-Landau in Koblenz, Germany.
Geographisches Cluster-basiertes Routing ist ein aktueller Ansatz, wenn es um das Entwicklen von effizienten Routingalgorithmen für drahtlose ad-hoc Netzwerke geht. Es gibt bereits eine Anzahl an Algorithmen, die Nachrichten nur auf Basis von Positionsinformationen durch ein drahtloses ad-hoc Netzwerk routen können. Darunter befinden sich sowohl Algorithmen, die auf das klassische Beaconing setzen, als auch Algorithmen, die beaconlos arbeiten (keine Informationen über die Umgebung werden benötigt, außer der eigenen Position und der Position des Ziels). Geographisches Routing mit Auslieferungsgarantie kann auch auf Overlay-Graphen durchgeführt werden. Bisher werden die dafür benötigten Overlay-Graphen nicht reaktiv konstruiert.
In dieser Arbeit wird ein reaktiver Algorithmus, der Beaconless Cluster Based Planarization Algorithmus (BCBP), für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen vorgestellt, der die benötigte Anzahl an Nachrichten für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen, und demzufolge auch Cluster-basiertes geographishes Routing, deutlich reduziert. Basierend auf einem Algorithmus für Cluster-basierte Planarisierung, konstruiert er beaconlos einen planaren Overlay-Graphen in einem unit disk graph (UDG). Ein UDG ist ein Modell für ein drahtloses Netzwerk, bei dem alle Teilnehmer den gleichen Senderadius haben.
Die Evaluierung des Algorithmus zeigt, dass er wesentlich effizienter ist als die Baecon-basierte Variante. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist ein weiterer beaconloser Algorithmus (Beaconless LLRAP (BLLRAP)), für\r\nden zwar die Planarität, aber nicht die Konnektivität nachgewiesen werden konnte.
Placing questions before the material or after the material constitute different reading situations. To adapt to these reading situations, readers may apply appropriate reading strategies. Reading strategy caused by location of question has been intensively explored in the context of text comprehension. (1) However, there is still not enough knowledge about whether text plays the same role as pictures when readers apply different reading strategies. To answer this research question, three reading strategies are experimentally manipulated by displaying question before or after the blended text and picture materials: (a) Unguided processing with text and pictures and without the question. (b) Information gathering to answer the questions after the prior experience with text and pictures. (c) Comprehending text and pictures to solve the questions with the prior information of the questions. (2) Besides, it is arguable whether readers prefer text or pictures when the instructed questions are in different difficulty levels. (3) Furthermore, it is still uncertain whether students from higher school tier (Gymnasium) emphasize more on text or on pictures than students from lower school tier (Realschule). (4) Finally, it is rarely mentioned whether higher graders are more able to apply reading strategies in text processing and picture processing than lower graders.
Two experiments were undertaken to investigate the usage of text and pictures in the perspectives of task orientation, question difficulty, school and grade. For a 2x2(x2x2x2) mixed design adopting eye tracking method, participants were recruited from grade 5 (N = 72) and grade 8 (N = 72). In Experiment 1, thirty-six 5th graders were recruited from higher tier (Gymnasium) and thirty-six 5th graders were from lower tier (Realschule). In Experiment 2, thirty-six 8th graders were recruited from higher tier and thirty-six were from lower tier. They were supposed to comprehend the materials combining text and pictures and to answer the questions. A Tobii XL60 eye tracker recorded their eye movements and their answers to the questions. Eye tracking indicators were analyzed and reported, such as accumulated fixation duration, time to the first fixation and transitions between different Areas of Interest. The results reveal that students process text differently from pictures when they follow different reading strategies. (1) Consistent with Hypothesis 1, students mainly use text to construct their mental model in unguided spontaneous processing of text and pictures. They seem to mainly rely on the pictures as external representations when trying to answer questions after the prior experience with the material. They emphasize on both text and pictures when questions are presented before the material. (2) Inconsistent with Hypothesis 2, students are inclined to emphasize on text and on pictures as question difficulty increases. However, the increase of focus on pictures is more than on text when the presented question is difficult. (3) Different from Hypothesis 3, the current study discovers that higher tier students did not differ from lower tier students in text processing. Conversely, students from higher tier attend more to pictures than students from lower tier. (4) Differed from Hypothesis 4, 8th graders outperform 5th graders mainly in text processing. Only a subtle difference is found between 5th graders and 8th graders in picture processing.
To sum up, text processing differs from picture processing when applying different reading strategies. In line with the Integrative Model of Text and Picture Comprehension by Schnotz (2014), text is likely to play a major part in guiding the processing of meaning or general reading, whereas pictures are applied as external representations for information retrieval or selective reading. When question is difficulty, pictures are emphasized due to their advantages in visualizing the internal structure of information. Compared to lower tier students (poorer problem solvers), higher tier students (good problem solvers) are more capable of comprehending pictures rather than text. Eighth graders are more efficient than 5th graders in text processing rather than picture processing. It also suggests that in designing school curricula, more attention should be paid to students’ competence on picture comprehension or text-picture integration in the future.
101worker ist die modulare Wissensverarbeitungskomponente des 101companies-Projektes. Durch organisches Wachstum des Systems, statt Beachtung von bewährten Software-Design-Prinzipien, haben sich Wartungs- und Leistungsprobleme entwickelt. Diese Arbeit beschreibt diese Probleme, entwirft Anforderungen für das Refactoring des Systems und beschreibt und analysiert schließlich die resultierende Implementierung. Die Lösung involviert die Zusammenfassung von verstreuten und redundanten Informationen, aufsetzen von Unit- und funktionalen Test-Suiten und Inkrementalisierung der Busarchitektur von 101worker.
Die Entwicklung der echtzeitfähigen Computergrafik ermöglicht mittlerweile immer realistischere Bilder und die Hardware kann dafür optimal ausgenutzt werden, wodurch immer glaubwürdigere Lichtverhältnisse simuliert werden können. Eine große Anzahl von Algorithmen, effizient implementiert auf der Grafikkarte (GPU, auch Grafikprozessor)), sind fähig komplexe Lichtsituationen zu simulieren. Effekternwie Schatten, Lichtbrechung und Lichtreflexion können mittlerweile glaubwürdig erzeugt werden. Besonders durch Reflexionen wird der Realismus der Darstellung erhöht, da sie glänzende Materialien, wie z.B. gebürstete Metalle, nasse Oberflächen, insbesondere Pfützen oder polierte Böden, natürlich erscheinen lassen. Dabei geben sie einen Eindruck der Materialeigenschaften, wie Rauheit oder Reflexionsgrad.rnAußerdem können Reflexionen vom Blickpunkt abhängen: Eine verregnete Straße zum Beispiel würde Licht, abhängig von der Entfernung des Betrachters reflektieren und verwaschene Lichtreflexe erzeugen. Je weiter der Betrachter von der Lichtquelle entfernt ist, desto gestreckter erscheinen diese. Ziel dieser Bachelorarbeit ist, eine Übersicht über existierende Render-Techniken für Reflexionen zu geben, um den aktuellen Stand der Technik abzubilden. Reflexion entsteht durch den Einfall von Licht auf Oberflächen, die dieses in eine andere Richtung zurückwerfen. Um dieses Phänomen zu verstehen, wird eine Auffassung von Licht benötigt. Kapitel 2.1 beschreibt daher ein physikalisches Modell von Licht, gefolgt von Kapitel 2.2, das anhand von Beispielen ästhetisch wirkender Reflexionseffekte aus der realenrnWelt und den Medien die Motivation dieser Arbeit darlegt. In Kapitel 3 soll die generelle Vorgehensweise beim Rendern von Reflexionen deutlich gemacht werden. Danach wird in Kapitel 4 eine grobe Übersicht über existierende Ansätze gegeben. In Abschnitt 5 werden dann drei wesentliche Algorithmen vorgestellt, die zur Zeit oft in Spiel- und Grafikengines verwendet werden: Screen Space Reflections (SSR), Parallax-corrected cube mapping (PCCM) und Billboard Reflections (BBR). Diese drei Ansätze wurden zusammen in einem Framework implementiert. Dieses wird in Kapitel 5 vorgestellt und erklärt, gefolgt von detaillierten Beschreibungen der drei Techniken. Nachdem ihre Funktionsweise erklärt wurde, werden die Ansätze analysiert und auf ihre visuelle Qualität sowie ihre Echtzeitfähigkeit getestet. Abschließend werden die einzelnen Verfahren miteinander verglichen, um ihre Vor- und Nachteile zu untersuchen. Außerdem werden die gewonnenen Erfahrungen beschrieben und Verbesserungsansätze vorgeschlagen. Danach wird ein kurzer Ausblick zur voraussichtlichen Entwicklung von Render-Techniken spekularer Effekte gegeben.