基于WebGIS的溫室氣體清單編制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉莘，張紹良 ，侯湖平

1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008

2.徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，江蘇 徐州 221004

溫室氣體清單是指一個地區(qū)的能源活動、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動、土地利用變化、城市垃圾處理和電力調(diào)入調(diào)出等產(chǎn)生的各種溫室氣體的匯總。通過溫室氣體清單編制，可以清晰地掌握該地區(qū)溫室氣體的排放結(jié)構(gòu)和組分，辨識溫室氣體排放量及其排放特征，跟蹤溫室氣體變化和發(fā)展趨勢，預(yù)測未來溫室氣體排放情景，有助于政府確定減排目標、制定和實施行動計劃，提出切實有效的溫室氣體減排措施和方案，因此編制溫室氣體清單是政府控制溫室氣體排放以及企事業(yè)單位監(jiān)管碳排放的重要手段，受到我國各級政府和大型企業(yè)的高度重視。目前很多省份都開始了溫室氣體清單編制工作。

但是溫室氣體清單編制存在幾大難點:1)現(xiàn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集體系不完善。我國目前雖然在省級層面形成較為系統(tǒng)全面的能源品種統(tǒng)計體系，然而，市縣層面統(tǒng)計部門尚未設(shè)置專門的能源統(tǒng)計機構(gòu)，各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計難度大、精度低［1］。2)數(shù)據(jù)種類眾多，類型復(fù)雜。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)和省級溫室氣體清單編制規(guī)程，溫室氣體涉及鋼鐵、有色金屬、電力、石油石化、化工、建材等行業(yè)和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地利用等不同來源。建立數(shù)據(jù)庫有助于時空數(shù)據(jù)的管理。3)溫室氣體計算復(fù)雜。盡管計算公式簡單，但是參數(shù)多，專業(yè)性強，人工計算效率低。4)周期性和時空性。周期性是指每年(或定期)都要編制，時空性是指排放源的空間性和排放的時間性。

為此，引入地理信息技術(shù)，開發(fā)溫室氣體清單編制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室氣體清單編制的自動化、智能化，是十分必要的［2-4］。具體步驟:1)利用地理數(shù)據(jù)庫對采集數(shù)據(jù)進行分層、分類管理;2)對溫室氣體排放的時空格局進行分析［5］，如空間尺度上對溫室氣體排放的結(jié)構(gòu)層次性、空間形態(tài)、疊加性以及空間擴散性等分析［6］，時間尺度上對溫室氣體排放時間序列分析，揭示主要排放源及排放部門的排放變化特征［7］;3)預(yù)測分析［8-9］，如找到影響其排放的關(guān)鍵因素(人口、能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟發(fā)展水平等)，建立相應(yīng)的預(yù)測模型，結(jié)合GIS 對其排放趨勢進行預(yù)測等;4)輔助決策［10-11］，通過對溫室氣體排放的時空分析和預(yù)測分析，結(jié)合未來經(jīng)濟政策的發(fā)展需求，利用GIS進行合理的節(jié)能減排方面的輔助決策。筆者系統(tǒng)介紹了自主設(shè)計開發(fā)的溫室氣體清單編制系統(tǒng)(greenhouse gas listing compiling system，簡稱GHGLCS 系統(tǒng))，包括功能、結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)。

1 溫室氣體清單編制系統(tǒng)的基本要求

我國政府于2004年編制了1994年中國溫室氣體排放清單，2008年啟動了2005年國家溫室氣體清單的編制工作，2010年，在參考《IPCC 國家溫室氣體清單指南》［12-14］的同時，結(jié)合編制2005年國家溫室氣體清單工作經(jīng)驗，編制出了《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》［15］。

為此，GHG-LCS 系統(tǒng)以省級溫室氣體清單編制指南為參考，以徐州市為例進行開發(fā)。該系統(tǒng)涉及二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、六氟化硫、四氟化碳、六氟乙烷、三氟甲烷等8 種溫室氣體，涵蓋能源活動(生物質(zhì)燃燒，煤炭開采、油氣逃逸、化石燃料燃燒)，農(nóng)業(yè)活動(稻田甲烷、農(nóng)用地氧化亞氮、動物腸道、動物糞便)，土地利用變化，廢物處理(固體廢物填埋、焚燒，生活污水、工業(yè)廢水處理)，工業(yè)生產(chǎn)(水泥生產(chǎn)、半導(dǎo)體生產(chǎn)等共11 種)，電力調(diào)入調(diào)出等六大類。

由于GHG-LCS 系統(tǒng)涉及溫室氣體種類多、行業(yè)范圍廣、數(shù)據(jù)獲取難度大，因此系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮到如下基本要求。

1.1 數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)的類型多，空間跨度和時間跨度都很大，且周期性明顯，因此，需要采用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和WebGIS 技術(shù)，遠程端口與企業(yè)、統(tǒng)計部門、職能管理部門直接聯(lián)系，但需要設(shè)置不同權(quán)限，為數(shù)據(jù)采集提供多通道，同時要做到傳輸安全。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

GHG-LCS 系統(tǒng)需要考慮2 點:1)數(shù)據(jù)類型的傳輸，如地圖、照片、證明文件等;2)大量用戶的并發(fā)訪問。為了確保系統(tǒng)的響應(yīng)速度和對服務(wù)器資源的最少占用，系統(tǒng)需要采用線程池技術(shù)，在服務(wù)器端為每個用戶創(chuàng)建一個相應(yīng)的線程，有效管理多用戶的并發(fā)訪問。

1.3 數(shù)據(jù)組織

不同來源的數(shù)據(jù)既有空間數(shù)據(jù)，也有屬性數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)要靈活。另外需要考慮數(shù)據(jù)組織的動態(tài)性和可擴展性，因為溫室氣體計算模型在不斷改進，溫室氣體的編制程序、覆蓋范圍等都可能調(diào)整。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

GHG-LCS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能就是溫室氣體排放量估算，所以需要建立專門的參數(shù)庫，以便參數(shù)調(diào)整，同時要給出缺省值和建議區(qū)間，以便用戶靈活選擇。為了能全面分析溫室氣體排放情況，GHG-LCS系統(tǒng)需要有統(tǒng)計分析、空間分析、緩沖分析和疊置分析等功能。

1.5 數(shù)據(jù)的輸出輸入

采用表格信息和圖形信息的雙重顯示方式，更加直觀、可靠;采用嚴格的權(quán)限機制，保證數(shù)據(jù)輸出的保密性;輸出格式要便于理解和閱讀，符合用戶的習(xí)慣;需要有數(shù)據(jù)上傳功能，包括原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和統(tǒng)計報表等。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

GHG-LCS 系統(tǒng)開發(fā)主要采用B/S 和C/S 混合的架構(gòu)體系，選用Google Maps 為地理信息平臺，并選用SQL SERVER 為數(shù)據(jù)庫，采用Microsoft. net 框架進行開發(fā)。

2.1 系統(tǒng)邏輯體系架構(gòu)設(shè)計

基于GHG-LCS 系統(tǒng)的需求分析、網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布的特點以及WebGIS 系統(tǒng)的功能，以系統(tǒng)“高內(nèi)聚、低耦合”為內(nèi)在邏輯要求，系統(tǒng)的邏輯體系架構(gòu)劃分為3 層，包括數(shù)據(jù)層、應(yīng)用邏輯層和客戶層(圖1)。

數(shù)據(jù)層主要是通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)對屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的管理功能，屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)通過特定的關(guān)鍵字段進行關(guān)聯(lián)。

應(yīng)用邏輯層是針對具體問題的操作，通過對關(guān)系數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的訪問操作，具體是通過訪問數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改、更新、查找等)為邏輯層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

客戶層采用Web 的方式，接受用戶的請求，并將結(jié)果返回，供客戶端提供應(yīng)用程序的訪問。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

GHG-LCS 系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)計算、查詢統(tǒng)計、任務(wù)分解以及系統(tǒng)維護等，具體如圖2 所示。

圖1 溫室氣體清單編制系統(tǒng)(GHG-LCS)的邏輯架構(gòu)Fig.1 The logical architecture of the greenhouse gas listing compiling system(GHG-LCS)

(1)數(shù)據(jù)獲取功能

數(shù)據(jù)獲取分為直接獲取和調(diào)查分析2 種:根據(jù)統(tǒng)計年鑒或其他渠道直接獲取需要數(shù)據(jù);根據(jù)不同行業(yè)、不同企業(yè)制定了不同的數(shù)據(jù)采集頁面，對所需要的各種活動水平數(shù)據(jù)進行錄入。

(2)數(shù)據(jù)計算功能

圖2 溫室氣體清單編制系統(tǒng)(GHG-LCS)功能Fig.2 The function diagram of the greenhouse gas listing compiling system(GHG-LCS)

在數(shù)據(jù)獲取模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)時間、行業(yè)、企業(yè)、區(qū)域等屬性的不同，結(jié)合試驗測得或推薦的排放因子，利用溫室氣體排放清單所推薦的計算方法，對能源活動、農(nóng)業(yè)活動、土地利用變化、廢物處理、工業(yè)生產(chǎn)、電力調(diào)入調(diào)出六大方面所產(chǎn)生的CO2、CH4、N2O 等溫室氣體排放量進行自動計算。

(3)查詢統(tǒng)計功能

查詢功能既可以根據(jù)時間、行業(yè)、企業(yè)、區(qū)域等不同屬性的組合查詢，也可以根據(jù)地理位置屬性進行空間查詢。統(tǒng)計分析，是在數(shù)據(jù)計算模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測的需要，有針對性地進行統(tǒng)計分析，得出各區(qū)域、行業(yè)、企業(yè)的溫室氣體排放量的統(tǒng)計分析結(jié)果，并以圖表的形式予以顯示，直觀、醒目。

(4)任務(wù)分解功能

任務(wù)分解是指溫室氣體排放控制任務(wù)的分解。GHG-LCS 系統(tǒng)通過其任務(wù)分解功能將本地區(qū)的任務(wù)分解到下一級政府(部門)。GHG-LCS 系統(tǒng)采用基于減排壓力和減排潛力2 種不同的任務(wù)分解方案制定溫室氣體減排策略，通過2 種策略的對比，最終選擇合適的分解方案。

(5)系統(tǒng)管理功能

分為用戶管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)管理、參數(shù)管理等:用戶管理，主要對用戶信息進行管理，如用戶的增加、刪除和修改等，這是系統(tǒng)安全管理的起點;權(quán)限管理，利用嚴格的權(quán)限設(shè)置，將用戶類型分為普通用戶、縣區(qū)管理員、系統(tǒng)管理員等3 種，不同用戶在數(shù)據(jù)的輸入、計算、查詢等方面具有不同的權(quán)限，在滿足各種需求的同時，又保證了信息的私密性;數(shù)據(jù)管理，可以對屬性數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)進行及時的維護;參數(shù)管理，對各類排放因子等參數(shù)的管理。

3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織

GHG-LCS 系統(tǒng)涉及到不同的權(quán)限管理以及大量的數(shù)據(jù)計算，因此合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對于系統(tǒng)的良好運行起到很大的支撐作用，數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)信息表、排放因子表和計算數(shù)據(jù)表3 種(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 The data structure

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

GHG-LCS 系統(tǒng)調(diào)用Google Maps API 接口構(gòu)建了GIS 平臺，采用AJAX 技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的異步傳輸，使用SQL SERVER 作為后臺數(shù)據(jù)庫，使用. net技術(shù)作為開發(fā)語言。

4.1 基于AJAX 技術(shù)的Web 客戶端和服務(wù)器異步

AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)是異步的 JavaScript 和 XML 技 術(shù) 的 組 合。采 用JavaScript 調(diào)用AJAX 引擎來代替產(chǎn)生Http 用戶動作，如內(nèi)存中的數(shù)據(jù)編輯、頁面導(dǎo)航和數(shù)據(jù)校驗等無需重新載入整個頁面的請求。AJAX 技術(shù)通過對XML Http Request 和DOM 對象的操作，使得瀏覽器客戶端可以在不刷新整個頁面，只刷新局部DOM節(jié)點的情況下，與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換，減少了用戶等待的時間，它的最大優(yōu)點是具有更迅捷的速度，同時不需要任何瀏覽器插件。另外通過AJAX 技術(shù)可以完成各種復(fù)雜的GIS 操作，實現(xiàn)了將業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層的分離。

利用上述關(guān)鍵技術(shù)，在WebGIS 平臺上成功開發(fā)出了GHG-LCS 系統(tǒng)。GHG-LCS 系統(tǒng)主界面如圖4 所示。系統(tǒng)測試與應(yīng)用表明，該GHG-LCS 系統(tǒng)界面友好，功能較全，操作簡單。

圖4 GHG-LCS 系統(tǒng)主要界面Fig.4 The GHG-LCS main interface

4.2 采用C/S 與B/S 混合架構(gòu)體系

Client/Server(客戶端/服務(wù)器，C/S)架構(gòu)的信息系統(tǒng)具有較強的事務(wù)處理能力，能實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程，而Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器，B/S)架構(gòu)的信息系統(tǒng)具有易用性、通用性和良好的可擴展性等優(yōu)點。因此，系統(tǒng)設(shè)計采用C/S 和B/S 混合架構(gòu)體系:內(nèi)部通過C/S 架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)客戶端上運行CO2監(jiān)測與統(tǒng)計分析自動化管理系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行管理、分析、預(yù)測，跟上級部門采用一致的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)標準格式，留有關(guān)聯(lián)接口，采用參數(shù)定制和XML 數(shù)據(jù)格式來實現(xiàn)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的定制。通過遠程數(shù)據(jù)共享傳輸和上下級數(shù)據(jù)庫同步來實現(xiàn)。公眾可通過B/S 架構(gòu)在網(wǎng)頁瀏覽器上查詢相關(guān)行業(yè)、地區(qū)CO2排放的具體信息。

4.3 空間關(guān)聯(lián)技術(shù)

充分利用了GIS 的空間數(shù)據(jù)分析與組織功能，調(diào)用Google Maps API 接口構(gòu)建GIS 平臺，為區(qū)域調(diào)查、統(tǒng)計與分析提供了直觀、明了的系統(tǒng)界面，使得區(qū)域碳排放的空間分布及其變化特征表現(xiàn)得更加直觀。

5 結(jié)語

GHG-LCS 系統(tǒng)是依據(jù)《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南》以及《省級溫室氣體清單編制指南》的基礎(chǔ)上開發(fā)的，具有較強的可擴展性，利用網(wǎng)絡(luò)平臺使省、市、縣等不同級別的政府(部門)實現(xiàn)了共享;通過嚴格的權(quán)限設(shè)置和靈活的用戶分配機制，使得不同區(qū)域、不同級別的用戶有針對性的輸入各種活動水平數(shù)據(jù)，查詢相關(guān)部門的溫室氣體排放情況，同時為不同層次用戶制定節(jié)能減排措施提供了有力的依據(jù)。

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