基于WebGIS的中國煤炭開發(fā)的碳排放系統(tǒng)

劉成強　畢建濤

摘要：當今對于在全球碳循環(huán)和碳收支研究中，容易忽視伴隨各種能源開采過程中的溫室氣體排放。實際上煤炭開發(fā)過程中的碳排放是自然過程碳排放量中的重要一部分，而構(gòu)建基于WebGIS的碳排放系統(tǒng)有助于實現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的實時查詢、更新、分析以及共享，為政府提供決策支持。該系統(tǒng)采用B/S設(shè)計模式，融合地理信息技術(shù)和分布式處理技術(shù)，利用silverlight與oracle 數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，采用分布式架構(gòu)，進行WebGIS 系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計，同時引入實測算法，對煤炭開發(fā)過程中碳排放量進行計算、分析，將分析結(jié)果以收支年報的形式表達。

關(guān)鍵詞：煤炭開發(fā)；碳排放；WebGIS IPCC算法；oracle數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0186-03

1 引言

根據(jù)2013年公布的全球碳排放數(shù)據(jù)，世界各國當年共排放碳360億噸，突破歷史記錄，全球人均碳排放量高達5噸之多。其中，中國已躍居最大碳排放國度，排放量占世界29%。其原因在于，伴隨我國近些年的經(jīng)濟跨越式進步，油氣和煤炭等資源高速大量開發(fā)，引發(fā)二氧化碳、甲烷等溫室氣體產(chǎn)生。目前國際上對我國的碳排放估值很高，但由于我國受限于采集渠道和數(shù)據(jù)格式，一直未能形成有效統(tǒng)一的統(tǒng)計計算管理碳排放體系，因此始終未能形成完整的碳排放評估報告[1]。

伴隨信息科技革命和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，WWW（World Wide Web）的產(chǎn)生，為全球人類構(gòu)建了信息互通和交流的渠道，實現(xiàn)了信息的便捷傳遞。在Internet的發(fā)展過程中，GIS技術(shù)取得了一系列重大突破，其重要功能和發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在，人們可以利用Web平臺，發(fā)布用戶需求和想要查詢的空間數(shù)據(jù)[2]。所以，可以基于silverlight技術(shù)，構(gòu)建煤炭生產(chǎn)開發(fā)的WebGIS系統(tǒng)，其中利用WCF RIA Service能夠訪問數(shù)據(jù)庫，而借助ArcGIS Server 平臺能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)管理，以及信息發(fā)布等目的。利用該系統(tǒng)，既能夠?qū)γ禾可a(chǎn)開發(fā)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行科學管理；還能夠借助建模功能，直觀查看我國煤炭開發(fā)的整體分布，并對煤炭開發(fā)期間的排放量進行準確計算；同時還能在和 IPCC 算法比較后，梳理得到煤炭開發(fā)期間的碳排放收支年報，從而為國家參與世界環(huán)境治理和研究減排方案提供依據(jù)[3]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為確保碳排放系統(tǒng)具有快捷、安全、高效的特點，系統(tǒng)主要采用分布式設(shè)計，它以WebGIS為基礎(chǔ)，綜合運用了ArcGIS Server、silverlight及Oracle數(shù)據(jù)庫。其中，作為服務(wù)器端產(chǎn)品，ArcGIS Server由著名的ESRI 公司發(fā)布，它能夠?qū)崿F(xiàn)多用戶集中管理，包括GIS 功能，而且能夠確保在構(gòu)筑程序時，采用工業(yè)標準進行。具體來說，其功能表現(xiàn)為兩方面：第一，對分布式GIS 系統(tǒng)進行有效開發(fā)設(shè)計。第二，對Web GIS 系統(tǒng)進行有效開發(fā)設(shè)計。它能滿足基于Web的各種GIS 服務(wù)，可當分布式環(huán)境下發(fā)揮GIS的各種功能，如完成地理數(shù)據(jù)的處理、制圖、管理、編輯和空間分析等。此外，它還能夠在不同網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)間，實現(xiàn)GIS資源共享，尤其是借助REST 技術(shù)，GIS的資源可以在不同網(wǎng)站間相互引用。而作為一種Web 呈現(xiàn)技術(shù)，silverlight綜合了各種微軟技術(shù)，成為完善網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序策略的基礎(chǔ)性應(yīng)用程序開發(fā)平臺[4]。由于其開發(fā)框架系統(tǒng)完善，且圖像技術(shù)和圖層技術(shù)都是基于向量的，能夠?qū)⑷魏螆D像進行完美融合，保證研發(fā)人員更好配合協(xié)作，可以無縫連接AJAX 、asp.ne等Web開發(fā)環(huán)境，所開發(fā)的Web 應(yīng)用程序具有界面美觀、內(nèi)容充實的特點，不管是對于桌面操作系統(tǒng)，或者瀏覽器，均可實現(xiàn)良好的用戶體驗和感受。對于ArcGIS與silverlight來說，借助ArcGIS API for Silverlight 能實現(xiàn)二者的完美結(jié)合。作為系統(tǒng)的編程接口，它由著名的Esri 公司所發(fā)布，主要借助Silverlight 平臺實現(xiàn)WebGIS研發(fā)設(shè)計。

其主要功能表現(xiàn)為：一是對于ArcGIS Server提供的影像、地理、地圖、幾何、網(wǎng)絡(luò)和要素等相關(guān)服務(wù)，借助REST 接口實現(xiàn)訪問目的。二是對OGC標準的WCS 、WFS、WMS等服務(wù)進行訪問，以及對Bing地圖服務(wù)進行訪問等。

如圖1所示，在基于WebGIS的煤炭開發(fā)過程中的碳排放系統(tǒng)中，為檢索查詢和相互訪問煤炭開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)，主要借助silverlight 客戶端程序?qū)rcGIS Server服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行有效調(diào)取來實現(xiàn)[5]。

數(shù)據(jù)層：作為該系統(tǒng)的核心組成，它主要承擔數(shù)據(jù)存儲作用，其數(shù)據(jù)有：采集信息、空間信息、影像資料和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。通過Oracle 數(shù)據(jù)庫，可以對空間和非空間數(shù)據(jù)實現(xiàn)一體化管理。借助ArcGIS Server服務(wù)器系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)能夠發(fā)布地圖，從而提升數(shù)據(jù)處理能力和效果。而借助WCF RIA Service， Silverlight應(yīng)用程序可有效訪問屬性數(shù)據(jù)。服務(wù)器層：對于整個系統(tǒng)來說，該層提供了ArcGIS Server的服務(wù)器。而且對客戶端而言，IIS 服務(wù)器還能夠有著Web服務(wù)功能，以便能夠滿足用戶對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問和和GIS處理等需求。客戶端層：也就是silverlight客戶端的應(yīng)用程序，該層能夠同時滿足不同客戶端的登錄需求，其Web程序界面媒體效果很好，具有交互性強、內(nèi)容全面的特點，而且便于用戶操作、快捷直觀。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)復(fù)雜、范圍廣泛，通?？煞殖蓛深悾海?）空間地理數(shù)據(jù)；（2）屬性數(shù)據(jù)。前者主要指和煤炭開發(fā)有關(guān)聯(lián)的地理空間信息資料，它又可細分為兩類：一是煤炭點的實驗數(shù)據(jù)；二是煤炭點的采集數(shù)據(jù)。對此，本系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織和存儲設(shè)計時，主要借助Oracle+ArcSDE的模式完成，該模式綜合了Oracle的數(shù)據(jù)庫管理優(yōu)勢以及ESRI在GIS方面的研究成果，能夠?qū)崿F(xiàn)對大量空間數(shù)據(jù)的有效管理，具有高效、精確、便捷的特點[6]。對于煤炭開發(fā)期間相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)，可依據(jù)不同Oracle表空間，實現(xiàn)獨立存儲，并依托約束條件，使二者有效關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)系統(tǒng)化管理。該數(shù)據(jù)庫的組織結(jié)構(gòu)示意圖2所示。

其中行政區(qū)劃圖、煤炭盆地數(shù)據(jù)以及煤炭點數(shù)據(jù)是煤炭開發(fā)過程中的主要空間數(shù)據(jù)，通過對ArcSDE的應(yīng)用就可以將數(shù)據(jù)存儲到Geodatabase的數(shù)據(jù)模型中，并可以將屬性添加到ArcMap中，采用符號化和渲染的方法對圖層進行處理。分析數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)以及采集數(shù)據(jù)是煤炭開發(fā)過程中的三種屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的年份來存儲這些數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)的年份不同時分別包括井工開采礦井瓦斯抽采量數(shù)據(jù)、露天礦區(qū)產(chǎn)量及瓦斯數(shù)據(jù)、煤層氣地面勘探開發(fā)產(chǎn)量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)表格[7]。計算數(shù)據(jù)主要包括煤炭開發(fā)系統(tǒng)中用于模型計算的數(shù)據(jù)，主要包含各煤炭站點在10年至14年期間的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行過程中的結(jié)果數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)的主要體現(xiàn)。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)的過程中應(yīng)當嚴格參考數(shù)據(jù)字典進行，保證數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定設(shè)計。

4 計算模型介紹

基于WebGIS的煤炭開發(fā)過程中得到的碳排放系統(tǒng)，為了保證得到的煤炭數(shù)據(jù)結(jié)果的有效性，應(yīng)當采取合適的方法設(shè)計系統(tǒng)模型。其中IPCC算法和實測算法模型是與系統(tǒng)有關(guān)的兩個模型[8]。

4.1 實測算法

實測算法模型是由“煤炭開發(fā)碳排放數(shù)據(jù)”項目組中國礦業(yè)大學提供。該算法充分借鑒了IPCC在研究煤炭開發(fā)系統(tǒng)溫室氣體排放過程中得到的結(jié)論，充分汲取煤田專家現(xiàn)場實測過程中所提出的建議，對地面勘探、露天礦區(qū)以及鉆井總產(chǎn)生的煤礦溫室氣體排放進行研究。在煤炭開發(fā)的過程中主要是以上三個環(huán)節(jié)會產(chǎn)生溫室氣體[9]。通過測量和計算各個環(huán)節(jié)，全國煤炭田排放分為礦井開發(fā)以及氣層開發(fā)過程中的碳排放，當伴生氣具有不同的排放方式時，可以將礦井開發(fā)過程中的碳排放分為礦井抽采、地面勘探等，具體模型為：

露天開采CH4排放=（煤層瓦斯含量-煤體殘存瓦斯量）×年產(chǎn)量-煤層氣利用量

4.2 IPCC算法

由于目前還不能對煤炭開發(fā)過程中的碳排放進行實際的測量，因此很多學者通過對IPCC方法的應(yīng)用來對煤炭開發(fā)過程中的碳排放進行估算[10]。通過分析我國在溫室氣體方面發(fā)布的相關(guān)方法可以對整個煤炭開發(fā)環(huán)節(jié)進行劃分，并根據(jù)劃分類型的不同設(shè)定合理的排放因子，這樣碳排放量就可以根據(jù)排放因子和活動因子進行綜合計算，下式為碳排放量的具體計算公式：

煤炭開發(fā)CH4排放=礦井瓦斯相對涌出量×年產(chǎn)量+井口堆放（運輸前）CH4排放-煤層氣利用量

5 分布式WebGIS碳排放系統(tǒng)模擬與預(yù)測過程

空間數(shù)據(jù)（與空間地理位置有關(guān)）、煤炭田每年的采集數(shù)據(jù)以及開采量主要有數(shù)據(jù)庫來負責存儲，單個煤炭田的排放量可以通過IPCC算法模型以及實測算法模型來進行計算，再將所有煤炭田的排放量相加就可以得到總的排放量，然后對比和分析兩種不同算法所得到的碳排放量，編制碳收支年報，進而可以得到全國排放碳排放地圖，顯示和下載的功能可以在客戶端瀏覽器上進來實現(xiàn)[11]。圖3所示說明了系統(tǒng)的預(yù)測以及模擬流程，根據(jù)該流程系統(tǒng)就可以依照相關(guān)要求將碳收支年報輸出出來，對于準確獲取我國碳排放數(shù)據(jù)由非常積極的作用。

6 系統(tǒng)的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)服務(wù)組成了系統(tǒng)的主界面，利用數(shù)據(jù)服務(wù)可以將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)體現(xiàn)出來，可以進行在線瀏覽和檢索數(shù)據(jù)。其中系統(tǒng)的核心功能就是數(shù)據(jù)的分析，主要包含下載碳收支年報、區(qū)分礦井類型、控制地圖涂層等等，全國煤炭開發(fā)碳排放量可以根據(jù)IPCC算法以及實測算法來進行計算，通過對比和分析不同年份的碳排放量就可以為后去的煤炭節(jié)能減排工作提供足夠的數(shù)據(jù)參考。其中對比分析指的就是分析和比較應(yīng)用IPCC算法和實測算法進行計算得到的全國煤炭田的碳排放量，進而就可以對碳收支年報進行編制和輸出，同時還能夠?qū)⑷珖奶寂欧欧植记闆r在地圖上顯示出來。

7 結(jié)語

本文的主要研究對象為碳排放數(shù)據(jù)，首先對系統(tǒng)的需求進行了分析，并按照客戶端、服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫的體系架構(gòu)來進行整個系統(tǒng)的設(shè)計。本文所設(shè)計的系統(tǒng)自保證適用性、開放性、可使用性以及可擴展性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)資源的共享。另外一方面利用WebGIS能夠檢索和查詢地理圖形信息，在線分析空間數(shù)據(jù)，并將實測算法引入到分析模塊中，通過這種算法能夠?qū)ξ覈禾块_發(fā)過程中的碳排放量進行計算，在對所計算的數(shù)據(jù)詳細分析的基礎(chǔ)上就可以完成碳排放收支年報的編制，得到的數(shù)據(jù)還可以引導(dǎo)我國后續(xù)的節(jié)能減排工作。

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